CN116422950A - 用于拱形环状薄壁工件加工的镜像铣削装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于拱形环状薄壁工件加工的镜像铣削装置，包括：外部立式龙门铣头组件、内部支撑测量头组件、装夹工装和工作台；外部立式龙门铣头组件位于工件外侧，实现工件的外部铣削；内部支撑测量头组件位于工件内侧，实现工件的内部支撑及测量；外部立式龙门铣头组件与内部支撑测量头组件处于上下相对的位置关系；装夹工装位于外部立式龙门铣头组件与内部支撑测量头组件之间，实现工件的定位装夹固定；工作台位于装夹工装的下方，对装夹工装起到支撑固定作用。本发明采用内外设备布局结构形式，实现了对工件加工区域沿法向任意加工点的外部铣削及内部支撑测量，实现了运载火箭贮箱箱底工件的绿色环保加工。
Description
技术领域
本发明涉及镜像铣削装置技术领域，具体地，涉及一种用于拱形环状薄壁工件加工的镜像铣削装置。
背景技术
拱形环状薄壁工件如航天火箭贮箱箱底具有大尺寸、弱刚性、极易变形的特点，导致其壁厚精度和轮廓精度难以控制，无法采用常规机械铣削加工，目前主要采用化铣工艺，精度低、污染重、能耗高。
专利文献CN107344251A(申请号：CN201710571555.5)公开了一种蒙皮加工的镜像铣削方法与系统，其在加工表面布置一个加工刀具；在蒙皮的加工表面对称区域布置一组浮动支撑装置、一个蒙皮外形激光扫描装置、一组蒙皮壁厚实时测量装置。蒙皮加工前首先利用蒙皮外形激光扫描装置获取蒙皮实际型面，根据实际型面自适应调整加工路径。然后，蒙皮加工过程中加工刀具与加工表面对称区域的浮动支撑装置、蒙皮壁厚实时测量装置协同运动，加工过程中浮动支撑提供蒙皮工件加工区域柔性支撑，蒙皮壁厚实时测量装置获得加工区域厚度，加工刀具根据测量的实际工件厚度进行自适应调整切削深度，实现蒙皮的壁厚控制。该专利文献所述装备主要针对蒙皮类工件加工，对蒙皮类工件具有很好的适应性，但对拱形环状薄壁工件不适用；该专利支撑侧采用AB双摆头结构，对拱形环状薄壁类工件来说结构复杂，体积大，在加工过程中存在干涉，本发明采用支撑测头A2轴摆动结合底部旋转台C2轴的旋转，对拱形环状薄壁工件具有很好的适应性，同时增加X2轴可以适应工件在圆度方向的变形(如工件局部凹凸变形)；该专利工件采用竖向装夹并利用柔性夹持臂固定，对拱形环状薄壁工件来说装夹复杂，夹持点不易确定且易出现刚性不足问题；本发明工件大端向下平放装夹，采用虎钳或压板沿工件圆周方向进行装夹固定，夹持点分布均匀，装夹操作简单且刚性更好。综上，该专利无法解决目前存在的技术问题，也无法满足本发明的需求，本发明针对拱形环状薄壁工件的结构特点，设计制造的镜像铣装置，具有更好的经济适用性及推广价值。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于拱形环状薄壁工件加工的镜像铣削装置。
根据本发明提供的用于拱形环状薄壁工件加工的镜像铣削装置，包括：外部立式龙门铣头组件、内部支撑测量头组件、装夹工装和工作台；
所述外部立式龙门铣头组件位于工件外侧，实现工件的外部铣削；
所述内部支撑测量头组件位于工件内侧，实现工件的内部支撑及测量；
所述外部立式龙门铣头组件与内部支撑测量头组件处于上下相对的位置关系；
所述装夹工装位于外部立式龙门铣头组件与内部支撑测量头组件之间，实现工件的定位装夹固定；
所述工作台位于装夹工装的下方，对装夹工装起到支撑固定作用。
优选的，所述外部立式龙门铣头组件与内部支撑测量头组件采用上下相对的布局结构形式，构成相对于工件的内外同步运动关系，行程覆盖工件加工全区域，实现实时铣削及随动支撑测量。
优选的，所述装夹工装根据工件边缘状态的不同，采用不同夹紧方式进行固定，包括定位虎钳夹紧或者压板压紧的方式，装夹工装的夹持范围可调，同时可更换不同规格大小，从而适应不同规格工件的装夹。
优选的，所述装夹工装为环形结构。
优选的，所述工作台为环形结构，不同规格的装夹工装与工作台通过零点定位进行装夹/分离，通过导向销进行导向，导向销起到保护零点定位的作用。
优选的，所述外部立式龙门铣头组件包括：底座、滑座、横梁、滑鞍、滑枕、双叉摆头、铣削头和刀具；
所述外部立式龙门铣头组件包含至少5个自由度，控制刀具在空间范围内的移动，行程覆盖工件外表面任意点的加工；
所述底座固定在地面，分左右两侧镜像对称分布；
所述滑座分左右两侧镜像对称分布，分别与底座通过单边至少1组直线导轨相连接，并通过传动机构实现传动；
所述横梁与滑座通过螺钉固定在一起；
所述滑鞍通过至少2组直线导轨与横梁相连，并通过传动机构实现传动；
所述滑枕通过至少2组直线导轨与滑鞍相连，并通过传动机构实现传动；
所述双叉摆头安装于滑枕端部；
所述铣削头安装于双叉摆头中间；
所述刀具安装于铣削头前端。
优选的，所述外部立式龙门铣头组件包含6轴，分别为轴X1、Y1、Z1、A1、C1、W1，其中X1、Y1、Z1、W1为平移轴，A1、C1为旋转轴；
所述滑座及横梁相对于底座的前后移动为X1轴；
所述滑鞍在横梁上的左右移动为Y1轴，Y1轴相对于X1轴垂直；
所述滑枕在滑鞍上的上下移动为Z1轴，Z1轴相对于X1、Y1轴分别垂直，同时配备平衡装置进行平衡配重，提高Z1轴的动态响应；
所述双叉摆头相对于自身箱体中心线的旋转为C1轴，C1轴的旋转轴线与Z1轴的轴线平行，C1轴实现±360°旋转；
所述铣削头相对于与双叉摆头连接处轴线的旋转为A1轴，A1轴的旋转轴线在X1轴与Y1轴的所在平面内移动，在C1轴的处于不同旋转角度时在某一时刻与X1轴或者Y1轴平行，A1轴实现±110°的摆动；
所述刀具相对铣削头的前后移动为W1轴，W1轴实现法向快速进给。
优选的，所述内部支撑测量头组件包括：固定底座、旋转台、支撑立柱、支撑滑鞍、支撑摆头、支撑测头和随动支撑测量组件；
所述内部支撑测量头组件包含至少5个自由度，控制随动支撑测量组件在空间范围内的移动，行程覆盖工件内表面的支撑及测量；
所述固定底座固定在地面，起整体支撑作用；
所述旋转台通过轴环与固定底座连接，并通过传动机构实现传动；
所述支撑立柱通过至少2组直线导轨与旋转台相连，并通过传动机构实现传动；
所述支撑滑鞍通过至少2组直线导轨与支撑立柱相连，并通过传动机构实现传动；
所述支撑摆头通过至少2组直线导轨与支撑滑鞍相连，并通过传动机构实现传动；
所述支撑测头安装于支撑摆头侧面；
所述随动支撑测量组件安装于支撑测头前端。
优选的，所述内部支撑测量头组件包含6轴，分别为轴X2、Y2、Z2、A2、C2、W2，其中X2、Y2、Z2、W2为平移轴，A2、C2为旋转轴；
所述旋转台在固定底座上的旋转为C2轴，C2轴绕旋转台与固定底座的中心线旋转，C2轴旋转范围为-120°～600°；
所述支撑立柱在旋转台上的前后移动为Y2轴；
所述支撑滑鞍在支撑立柱的上下移动为Z2轴，Z2轴与Y2轴垂直，同时配备平衡装置进行平衡配重，提高Z2轴的动态响应；
所述支撑摆头在支撑滑鞍上方的前后移动为X2轴，X2轴、Y2轴、Z2轴在空间上互为垂直关系；
所述支撑测头相对于与支撑摆头连接处轴线的旋转为A2轴，A2轴摆动范围为-10°～100°；
所述随动支撑测量组件相对支撑测头的前后移动为W2轴，W2轴实现法向快速进给。
优选的，所述固定底座为环形结构。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明针对拱形环状工件如火箭贮箱箱底拱高大、曲率大、壁厚薄的特点，采用内外设备布局结构形式，通过合理的自由度构型，可以实现对工件加工区域沿法向任意加工点的外部铣削及内部支撑测量，实现箱底工件整体机械镜像铣削加工，替代原箱底工件分片化铣及拼焊工艺，实现运载火箭贮箱箱底工件的绿色环保加工；
(2)本发明通过增加支撑摆头在支撑滑鞍上方的前后移动自由度X2轴，可以快速适应工件在圆度方向的变形(如工件局部凹凸变形)，提高设备的快速响应，保证加工精度，提高加工效率；
(3)本发明通过“铣削测量一体化”的同步镜像铣削加工，保证工件壁厚精度、轮廓精度，提高加工精度及加工效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明用于拱形环状薄壁工件加工的镜像铣削装置的整体结构图；
图2为外部立式龙门铣头组件与内部支撑测量头组件的整体结构图；
图3为外部立式龙门铣头组件与内部支撑测量头组件的整体结构图；
图4为外部铣头与内部测量头结构图；
图中：外部立式龙门铣头组件1、内部支撑测量头组件2、装夹工装3、工作台4、工件5；底座101、滑座102、横梁103、滑鞍104、滑枕105、双叉摆头106、铣削头107、刀具108；固定底座201、旋转台202、支撑立柱203、支撑滑鞍204、支撑摆头205、支撑测头206、随动支撑测量组件207。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
如图1-图4，本发明提供了一种用于拱形环状薄壁工件加工的镜像铣削装置，包括外部立式龙门铣头组件1、内部支撑测量头组件2、装夹工装3及工作台4。外部立式龙门铣头组件1位于工件5外侧，可以实现工件5的外部铣削；内部支撑测量头组件2位于工件5内侧，可以实现工件5的内部支撑及测量；外部铣头及内部支撑测量头处于上下相对的位置关系；装夹工装3位于外部立式龙门铣头组件1与内部支撑测量头组件2之间，可以实现工件5的定位装夹固定，装夹工装3的夹持范围可调，同时可更换不同规格大小，从而适应不同规格工件5的装夹；工作台4位于装夹工装3的下方，对装夹工装3起到支撑固定作用，不同规格的装夹工装3与工作台4通过零点定位进行快速装夹/分离，提供设备加工效率，通过导向销进行导向，导向销起到保护零点定位的作用。
所述外部立式龙门铣头组件1包括：底座101、滑座102、横梁103、滑鞍104、滑枕105、双叉摆头106、铣削头107、刀具108。外部立式龙门铣头组件1包含至少5个自由度，可以控制刀具108在空间范围内的移动，行程可覆盖工件5外表面任意点的加工。本发明优选实施方案有6轴，分别为轴X1、Y1、Z1、A1、C1、W1，其中X1、Y1、Z1、W1为平移轴，A1、C1为旋转轴。
在本发明的优选实施形式中，底座101固定在地面，分左右两侧镜像对称分布；滑座102分左右两侧镜像对称分布，分别与底座101通过单边至少1组直线导轨相连接，并可通过传动机构如齿轮齿条或丝杠螺母实现传动，横梁103与滑座102通过螺钉固定在一起，滑座102及横梁103相对于底座101的前后移动为X1轴；
所述滑鞍104通过至少2组直线导轨与横梁103相连，并可通过传动机构如齿轮齿条或丝杠螺母实现传动，滑鞍104在横梁103上的左右移动为Y1轴，Y1轴相对于X1轴垂直；
所述滑枕105通过至少2组直线导轨与滑鞍104相连，并可通过传动机构如齿轮齿条或丝杠螺母实现传动，滑枕105在滑鞍104上的上下移动为Z1轴，Z1轴相对于X1/Y1轴分别垂直，同时可以配备平衡装置进行平衡配重，提高Z1轴的动态响应；
所述双叉摆头106安装于滑枕端部，双叉摆头106相对于自身箱体中心线的旋转为C1轴，C1轴的旋转轴线与Z1轴的轴线平行，C1轴可实现±360°旋转；
所述铣削头107安装于双叉摆头106中间，铣削头107相对于与双叉摆头106连接处轴线的旋转为A1轴，A1轴的旋转轴线在X1轴与Y1轴的所在平面内移动，在C1轴的处于不同旋转角度时可在某一时刻与X1轴或者Y1轴平行，A1轴可以实现±110°的摆动；
所述刀具108安装于铣削头107前端，刀具108相对铣削头107的前后移动为W1轴，W1轴可以实现法向快速进给，提高机床的快速响应。
所述内部支撑测量头组件2包括：固定底座201、旋转台202、支撑立柱203、支撑滑鞍204、支撑摆头205、支撑测头206、随动支撑测量组件207。内部支撑测量头组件2包含至少5个自由度，可以控制随动支撑测量组件207在空间范围内的移动，行程可覆盖工件5内表面的支撑及测量；本发明优选实施方案有6轴，分别为轴X2、Y2、Z2、A2、C2、W2，其中X2/Y2/Z2/W2为平移轴，A2/C2为旋转轴；
在本发明的优选实施形式中，固定底座201固定在地面，起整体支撑作用，固定底座201优选为环形结构。旋转台202通过轴环与固定底座201连接，并可通过传动机构如滚轮齿圈或齿轮齿圈实现传动，旋转台202在固定底座201上的旋转为C2轴，C2轴绕旋转台202与固定底座201的中心线旋转，C2轴旋转范围为-120°～600°；
所述支撑立柱203通过至少2组直线导轨与旋转台202相连，并可通过传动机构如丝杠螺母实现传动，支撑立柱203在旋转台202上的前后移动为Y2轴；
所述支撑滑鞍204通过至少2组直线导轨与支撑立柱203相连，并可通过传动机构如丝杠螺母实现传动，支撑滑鞍204在支撑立柱203的上下移动为Z2轴，Z2轴与Y2轴垂直，同时可以配备平衡装置进行平衡配重，提高Z2轴的动态响应；
所述支撑摆头205通过至少2组直线导轨与支撑滑鞍204相连，并可通过传动机构如丝杠螺母实现传动，支撑摆头205在支撑滑鞍上方的前后移动为X2轴，X2轴、Y2轴、Z2轴在空间上互为垂直关系；
所述支撑测头206安装于支撑摆头205侧面，支撑测头206相对于与支撑摆头205连接处轴线的旋转为A2轴，A2轴摆动范围为-10°～100°；
所述随动支撑测量组件207安装于支撑测头206前端，随动支撑测量组件207相对支撑测头206的前后移动为W2轴，W2轴可以实现法向快速进给，提高机床的快速响应。
所述外部立式龙门铣头组件1与内部支撑测量头组件2采用上下相对的布局结构形式，构成相对于工件的内外同步运动关系，行程覆盖工件加工全区域，可以实现实时的铣削及随动支撑测量，有效减少加工过程的振动，提高加工精度；
装夹工装3可以实现工件5的快速装夹固定，根据工件边缘状态的不同，采用不同夹紧方式如定位虎钳夹紧或者压板压紧的方式进行固定，装夹工装3的夹持范围可调，同时可更换不同规格大小，从而适应更多不同规格工件5的装夹，装夹工装3优选为环形结构；
工作台4位于装夹工装3的下方，工作台4对装夹工装3起到支撑固定作用，工作台4优选结构形式为环形结构，不同规格的装夹工装3与工作台4通过一定机构如优选零点定位机构可以实现进行快速装夹/分离，提升设备加工效率。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种用于拱形环状薄壁工件加工的镜像铣削装置，其特征在于，包括：外部立式龙门铣头组件(1)、内部支撑测量头组件(2)、装夹工装(3)和工作台(4)；
所述外部立式龙门铣头组件(1)位于工件(5)外侧，实现工件(5)的外部铣削；
所述内部支撑测量头组件(2)位于工件(5)内侧，实现工件(5)的内部支撑及测量；
所述外部立式龙门铣头组件(1)与内部支撑测量头组件(2)处于上下相对的位置关系；
所述装夹工装(3)位于外部立式龙门铣头组件(1)与内部支撑测量头组件(2)之间，实现工件(5)的定位装夹固定；
所述工作台(4)位于装夹工装(3)的下方，对装夹工装(3)起到支撑固定作用。
2.根据权利要求1所述的用于拱形环状薄壁工件加工的镜像铣削装置，其特征在于，所述外部立式龙门铣头组件(1)与内部支撑测量头组件(2)采用上下相对的布局结构形式，构成相对于工件(5)的内外同步运动关系，行程覆盖工件加工全区域，实现实时铣削及随动支撑测量。
3.根据权利要求1所述的用于拱形环状薄壁工件加工的镜像铣削装置，其特征在于，所述装夹工装(3)根据工件(5)边缘状态的不同，采用不同夹紧方式进行固定，包括定位虎钳夹紧或者压板压紧的方式，装夹工装(3)的夹持范围可调，同时可更换不同规格大小，从而适应不同规格工件(5)的装夹。
4.根据权利要求1所述的用于拱形环状薄壁工件加工的镜像铣削装置，其特征在于，所述装夹工装(3)为环形结构。
5.根据权利要求1所述的用于拱形环状薄壁工件加工的镜像铣削装置，其特征在于，所述工作台(4)为环形结构，不同规格的装夹工装(3)与工作台(4)通过零点定位进行装夹/分离，通过导向销进行导向，导向销起到保护零点定位的作用。
6.根据权利要求1所述的用于拱形环状薄壁工件加工的镜像铣削装置，其特征在于，所述外部立式龙门铣头组件(1)包括：底座(101)、滑座(102)、横梁(103)、滑鞍(104)、滑枕(105)、双叉摆头(106)、铣削头(107)和刀具(108)；
所述外部立式龙门铣头组件(1)包含至少5个自由度，控制刀具(108)在空间范围内的移动，行程覆盖工件(5)外表面任意点的加工；
所述底座(101)固定在地面，分左右两侧镜像对称分布；
所述滑座(102)分左右两侧镜像对称分布，分别与底座(101)通过单边至少1组直线导轨相连接，并通过传动机构实现传动；
所述横梁(103)与滑座(102)通过螺钉固定在一起；
所述滑鞍(104)通过至少2组直线导轨与横梁(103)相连，并通过传动机构实现传动；
所述滑枕(105)通过至少2组直线导轨与滑鞍(104)相连，并通过传动机构实现传动；
所述双叉摆头(106)安装于滑枕端部；
所述铣削头(107)安装于双叉摆头(106)中间；
所述刀具(108)安装于铣削头(107)前端。
7.根据权利要求6所述的用于拱形环状薄壁工件加工的镜像铣削装置，其特征在于，所述外部立式龙门铣头组件(1)包含6轴，分别为轴X1、Y1、Z1、A1、C1、W1，其中X1、Y1、Z1、W1为平移轴，A1、C1为旋转轴；
所述滑座(102)及横梁(103)相对于底座(101)的前后移动为X1轴；
所述滑鞍(104)在横梁(103)上的左右移动为Y1轴，Y1轴相对于X1轴垂直；
所述滑枕(105)在滑鞍(104)上的上下移动为Z1轴，Z1轴相对于X1、Y1轴分别垂直，同时配备平衡装置进行平衡配重，提高Z1轴的动态响应；
所述双叉摆头(106)相对于自身箱体中心线的旋转为C1轴，C1轴的旋转轴线与Z1轴的轴线平行，C1轴实现±360°旋转；
所述铣削头(107)相对于与双叉摆头(106)连接处轴线的旋转为A1轴，A1轴的旋转轴线在X1轴与Y1轴的所在平面内移动，在C1轴的处于不同旋转角度时在某一时刻与X1轴或者Y1轴平行，A1轴实现±110°的摆动；
所述刀具(108)相对铣削头(107)的前后移动为W1轴，W1轴实现法向快速进给。
8.根据权利要求1所述的用于拱形环状薄壁工件加工的镜像铣削装置，其特征在于，所述内部支撑测量头组件(2)包括：固定底座(201)、旋转台(202)、支撑立柱(203)、支撑滑鞍(204)、支撑摆头(205)、支撑测头(206)和随动支撑测量组件(207)；
所述内部支撑测量头组件(2)包含至少5个自由度，控制随动支撑测量组件(207)在空间范围内的移动，行程覆盖工件(5)内表面的支撑及测量；
所述固定底座(201)固定在地面，起整体支撑作用；
所述旋转台(202)通过轴环与固定底座(201)连接，并通过传动机构实现传动；
所述支撑立柱(203)通过至少2组直线导轨与旋转台(202)相连，并通过传动机构实现传动；
所述支撑滑鞍(204)通过至少2组直线导轨与支撑立柱(203)相连，并通过传动机构实现传动；
所述支撑摆头(205)通过至少2组直线导轨与支撑滑鞍(204)相连，并通过传动机构实现传动；
所述支撑测头(206)安装于支撑摆头(205)侧面；
所述随动支撑测量组件(207)安装于支撑测头(206)前端。
9.根据权利要求8所述的用于拱形环状薄壁工件加工的镜像铣削装置，其特征在于，所述内部支撑测量头组件(2)包含6轴，分别为轴X2、Y2、Z2、A2、C2、W2，其中X2、Y2、Z2、W2为平移轴，A2、C2为旋转轴；
所述旋转台(202)在固定底座(201)上的旋转为C2轴，C2轴绕旋转台(202)与固定底座(201)的中心线旋转，C2轴旋转范围为-120°～600°；
所述支撑立柱(203)在旋转台(202)上的前后移动为Y2轴；
所述支撑滑鞍(204)在支撑立柱(203)的上下移动为Z2轴，Z2轴与Y2轴垂直，同时配备平衡装置进行平衡配重，提高Z2轴的动态响应；
所述支撑摆头(205)在支撑滑鞍上方的前后移动为X2轴，X2轴、Y2轴、Z2轴在空间上互为垂直关系；
所述支撑测头(206)相对于与支撑摆头(205)连接处轴线的旋转为A2轴，A2轴摆动范围为-10°～100°；
所述随动支撑测量组件(207)相对支撑测头(206)的前后移动为W2轴，W2轴实现法向快速进给。
10.根据权利要求8所述的用于拱形环状薄壁工件加工的镜像铣削装置，其特征在于，所述固定底座(201)为环形结构。
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