CN201279729Y - 单立柱双磨头六轴多功能全数控磨床 - Google Patents

Abstract

一种单立柱双磨头六轴多功能全数控磨床。解决传统磨床如龙门式导轨平面磨床体积过于庞大、占用生产场地面积大、加工功能单一等问题。本实用新型包括床身、工作台、立柱、卧磨头组件和立磨头组件以及控制系统。卧磨头安装于升降滑座一端，卧磨头与升降滑座一起置于门形立柱之内，立磨头通过可转位转盘与悬臂式拖板联接安装在立柱的一侧，所述结构称为内存外挂式立、卧双磨头结构；用嵌入式计算机数控系统控制伺服系统，实现六轴联动。它能满足复杂的磨削工艺要求。

Description

单立柱双磨头六轴多功能全数控磨床

技术领域

本实用新型涉及一种单立柱双磨头六轴多功能全数控磨床。

背景技术

目前，传统磨床如龙门式导轨平面磨床，其体积过于庞大，占用生产场地面积大，加工功能单一。磨床数控系统一般采用两种方案：第一种是购买通用数控系统，使用这种方式开发相对简单，但成本太高，导致无产品价格优势，市场竞争力较低，而且技术对外依存性大；第二种是采用通用PC+运动控制卡的结构，此方案存在一些无法回避的问题，其体系结构和WINDOWS操作系统均不是针对实时控制系统设计，不能很好地满足磨床数控系统的要求，体积也大。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种单立柱双磨头六轴多功能全数控磨床。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

包括床身(1、9)，工作台(2)、立柱(3)、卧磨头组件和立磨头组件、润滑系统、控制系统，控制系统包括计算机数控系统和伺服系统，床身分为前床身(1)和后床身(9)，立柱(3)安装在后床身(9)上，前床身(1)上放置工作台(2)，卧磨头组件包括磨头升降滑座(4)和卧磨头(5)，卧磨头(5)安装于升降滑座(4)一端，卧磨头(5)与升降滑座(4)一起置于门形立柱(3)之内，立磨头组件包括悬臂式拖板(6)和可转位转盘(7)及立磨头(8)，立磨头(8)通过可转位转盘(7)与悬臂式拖板(6)联接安装在立柱(3)的一侧，所述结构称为内存外挂式立、卧双磨头结构；用嵌入式计算机数控系统控制伺服系统，实现六轴联动。

立磨头(8)和卧磨头(5)分别由两台伺服电机，通过滚珠丝杆传动，作垂直(Z1、Z2轴)和横向进给运动(Y1、Y2轴)，安装在转盘一侧的伺服电机通过转盘内的蜗轮蜗杆，驱动可转位转盘转动，实现立磨头可转位磨削(K轴)，安装在前床身内的伺服电机通过滚珠丝杆驱动工作台作纵向移动(X轴)，所述伺服电机都与计算机相联；嵌入式计算机数控系统，确保卧磨头(5)沿横向进给、纵向进给和垂直方向进给，以及立磨头(8)沿纵向进给、垂直方向进给和与纵向进给方向垂直的平面内回转的进给，并能根据加工工艺要求实现多轴插补联动，最大联动轴数为六轴。

嵌入式计算机数控系统，基于ARM+FPGA专用运动控制芯片的双CPU构建计算机数控系统硬件平台，其中ARM控制器的主要作用是负责运行系统中与管理相关的任务，是系统的主控制CPU；FPGA专用运动控制芯片负责运行插补计算等运算量大、对任务的实时性要求较高的任务，专用于繁重的插补运算，减轻ARM处理器的负担。

工作台伺服驱动系统安装在悬臂式拖板(6)上，伺服电机采用无间隙弹性联轴器与滚珠丝杆直联，丝杆前端采用高精度四联丝杆轴承固定支撑，后端为双联球轴支持，立柱采用双层导轨。

润滑系统可用回圈自流式自动润滑系统。

本实用新型的有益效果是，内存外挂式立、卧双磨头结构，确保机床结构紧凑、传动效率高、达到进给运动六轴控制能力，从而满足不同的加工情况。同时，节能显著，比同产能龙门磨床节能2/3，原材料节约3/4，制造成本节约50％，从而使磨削加工成本大大降低。

用悬臂拖板移动，双层立柱导轨结构，大大增强了机床的稳定性，解决机床的温差变形，应力变形和机床过载稳定性。

回圈自流式自动润滑系统，可向滑道和螺杆提供润滑，降低滑道磨损，提高工作精度及寿命，也可省去日常忘记加油的烦恼。自流式对导轨进行恒压供油，解决电磁泵间隙供油给工作导轨精密造成误差，解决开机后重新开机润滑不足缺点，从而减少维修，确保机床的正常运转。

计算机数字控制系统的硬件采用ARM+FPGA专用运动控制芯片的双CPU结构，软件采用基于uC/OS-2嵌入式实时操作系统的多任务调度方案和组件化、模块化开发方法，并且在控制算法上采用多程序段运动速度控制自适应算法和NURBS插补算法，使得软硬件系统具有开放性、可重构性、通用性、易用性、适应性、结构紧凑、高速、高精度、高性能等特点，能进行复杂自由曲面的磨削加工。用嵌入式系统构建，结构紧凑体积小，并且软硬件均可裁减，具有开放性、可重构性、通用性、易用性、适应性等特点。

计算机数字控制系统可重构可扩展；体系结构开放化；实时性好。

附图说明：

图1：正面示意图。

图2：侧面示意图。

图3：计算机数控系统硬件实现方案图。

图4：计算机数控系统软件层次结构图。

图5：计算机数控系统软件摸块图。

图中：1.前床身；2.工作台；3.立柱；4.磨头升降滑座；5.卧磨头；6.悬臂式拖板；7.转盘；8.立磨头；9.后床身。

具体实施方式

由图1至图5可知，本实用新型包括床身(1、9)，工作台(2)、立柱(3)、卧磨头组件和立磨头组件、润滑系统、控制系统，控制系统包括计算机数控系统和伺服系统，床身分为前床身(1)和后床身(9)，立柱(3)安装在后床身(9)上，前床身(1)上放置工作台(2)。

卧磨头组件包括磨头升降滑座(4)和卧磨头(5)，卧磨头(5)安装于升降滑座(4)一端，磨头(5)与升降滑座(4)一起置于门形立柱(3)之内；立磨头组件包括悬臂式拖板(6)和可转位转盘(7)及立磨头(8)，立磨头(8)通过可转位转盘(7)与悬臂式拖板(6)联接安装在立柱(3)的右侧，所述结构称之为单立柱，立、卧双磨头内存外挂式结构。

床身采用整体铸造，T型布置，床身内部采用双墙板结构，提高机床整体刚性，床身导轨采用V结构形式，工作台伺服驱动系统安装在悬臂式拖板上，伺服电机采用无间隙弹性联轴器与滚珠丝杆直联，丝杆前端采用高精度四联丝杆轴承固定支撑，后端为双联球轴支持，立柱采用双层导轨设计，其磨头在工作中防震效果大大提高，从而保证了机床的稳定性。

立磨头、卧磨头分别由两台不同功率大小的伺服电机，通过精密滚珠丝杆传动，分别作垂直(Z1、Z2轴)和横向进给运动(Y1、Y2轴)；安装在转盘一侧的伺服电机通过转盘内的蜗轮蜗杆，驱动可转位转盘转动，实现立磨头可转位磨削(K轴)；安装在前床身内的大功率伺服电机通过精密滚珠丝杆驱动工作台作纵向移动(X轴)；所有伺服电机通过与计算机联机，实现六轴联动。

润滑系统为回圈自流式自动润滑系统，可向滑道和螺杆提供润滑，降低滑道磨损，提高工作精度及寿命，也可省去日常忘记加油的烦恼。自流式对导轨进行恒压供油，解决电磁泵间隙供油给工作导轨精密造成误差，解决开机后重新开机润滑不足缺点，从而减少维修，确保机床的正常运转。

利用嵌入式CNC计算机数字控制系统，确保卧磨头沿横向进给、纵向进给和垂直方向进给，以及立磨头沿纵向进给、垂直方向进给和与纵向进给方向垂直的平面内回转的进给六轴自动控制。并能根据加工工艺实现其多轴插补联动，最大联动轴数为六轴。

计算机数控系统采用嵌入式数控系统结构，基于ARM+FPGA专用运动控制芯片的双CPU构建数控系统硬件平台，其中ARM控制器的主要作用是负责运行系统中与管理相关的任务，是系统的主控制CPU；FPGA专用运动控制芯片负责运行插补计算等运算量大、对任务的实时性要求较高的任务，专用于繁重的插补运算，减轻ARM处理器的负担。两者有机结合，优势互补，结构紧凑体积小，提高了系统性能、简化了系统设计、提高了系统可靠性、降低了成本。如深圳市斯迈迪公司的SMP860。

计算机数控系统软件层次结构分为三层：其中最底层uC/OS-2实时操作系统是一个源码公开且专用于实时控制的嵌入式操作系统；在操作系统之上为硬件驱动程序层，它的的主要功能是为上层磨床控制应用软件提供良好的函数调用接口，完成对系统硬件资源的抽象，屏蔽掉底层硬件细节，通过抽象底层硬件的物理行为，使上层应用软件实现对硬件功能的调用，计算机数控系统应用程序层包含6个周期性任务：人机界面、数据处理，即程序解释和预处理及加减速前瞻控制、插补、位置控制、逻辑处理、辅助控制任务；位置伺服的优先级最高，插补的任务优先级次之，逻辑处理任务的优先级再次之，数据处理，即程序解释、预处理、加减速控制的优先级再次之，辅助控制再次之，人机界面的优先级最低，此6个任务在uC/OS-2操作系统的调度下运行。

计算机数控系统硬件使用SMP860嵌入式运动控制平台。SMP860硬件上采用双CPU结构，其中MCU采用了S3C44B0X ARM7高性能控制器，专用运动控制芯片采用了深圳市斯迈迪公司自主研发的基于FPGA的SM5004。S3C44B0X使用ARM7TDMI核，工作在66MHZ，具有LCD控制器、UART、RTC等丰富的外围功能模块，它是系统的核心，负责数据处理和粗插补运算、系统通信、LCD显示控制、键盘管理以及整个系统运行等功能。

另外，系统扩展了8MB SDRAM和4MB NOR FLASH及32MB NANDflash以保证有足够的空间存储系统控制程序及支持系统运行。SM5004是以MCX314/AS技术指标为基础，同时吸取了其他系列芯片个别优点研发出来的。它在功能和性能上可以全面替代NOVE的MCX3XX/A、NPM的PCL6045/6025等同类芯片，使用此芯片后原本很复杂的运动控制问题就可以变得相对简单，包括匀速和变速脉冲的发射、直线和圆弧插补、原点和限位开关管理、升降速规划等功能均可由SM5004以硬件方式来完成。

计算机数控系统软件层次结构分为三层。其中最底层uC/OS-2实时操作系统是一个源码公开且专用于实时控制的嵌入式操作系统，它具备可移植、可固化、可裁减、占先式、多任务等特性，非常适合于数控系统的开发。在操作系统之上为硬件驱动程序层，它的的主要功能是为上层磨床控制应用软件提供良好的函数调用接口，完成对系统硬件资源的抽象，屏蔽掉底层硬件细节。通过抽象底层硬件的物理行为，使上层应用软件实现对硬件功能的调用。磨床数控系统应用程序层包含6个周期性任务：人机界面、数据处理(程序解释和预处理及加减速前瞻控制)、插补、位置控制、逻辑处理、辅助控制等任务。位置伺服的优先级最高，插补的任务优先级次之，逻辑处理任务的优先级再次之，数据处理(程序解释、预处理、加减速控制)的优先级再次之，辅助控制再次之，人机界面的优先级最低。此6个任务在uC/OS-2操作系统的调度下运行。

下面介绍实施例之一的主要性能指标：

可磨削平面的最大尺寸：600×1500

可磨削平面的最大高度：800

工件磨削表面的粗糙度：Ra0.16

工件磨削表面对基面的平行度：200-300/0.004

可磨削成型曲面的最大高度差：150

数控分辨率：0.001mm

数控系统插补周期：4ms。

Claims (5)

1、一种单立柱双磨头六轴多功能全数控磨床，包括床身(1、9)，工作台(2)、立柱(3)、卧磨头组件和立磨头组件、润滑系统、控制系统，控制系统包括计算机数控系统和伺服系统，床身分为前床身(1)和后床身(9)，立柱(3)安装在后床身(9)上，前床身(1)上放置工作台(2)，其特征是：卧磨头组件包括磨头升降滑座(4)和卧磨头(5)，卧磨头(5)安装于升降滑座(4)一端，卧磨头(5)与升降滑座(4)一起置于门形立柱(3)之内，立磨头组件包括悬臂式拖板(6)和可转位转盘(7)及立磨头(8)，立磨头(8)通过可转位转盘(7)与悬臂式拖板(6)联接安装在立柱(3)的一侧，所述结构称为内存外挂式立、卧双磨头结构；用嵌入式计算机数控系统控制伺服系统，实现六轴联动。

2、根据权利要求1所述的单立柱双磨头六轴多功能全数控磨床，其特征是：立磨头(8)和卧磨头(5)分别由两台伺服电机，通过滚珠丝杆传动，作垂直(Z1、Z2轴)和横向进给运动(Y1、Y2轴)，安装在转盘一侧的伺服电机通过转盘内的蜗轮蜗杆，驱动可转位转盘转动，实现立磨头可转位磨削(K轴)，安装在前床身内的伺服电机通过滚珠丝杆驱动工作台作纵向移动(X轴)，所述伺服电机都与计算机相联；

嵌入式计算机数控系统，确保卧磨头(5)沿横向进给、纵向进给和垂直方向进给，以及立磨头(8)沿纵向进给、垂直方向进给和与纵向进给方向垂直的平面内回转的进给，并能根据加工工艺要求实现多轴插补联动，最大联动轴数为六轴。

3、根据权利要求1所述的单立柱双磨头六轴多功能全数控磨床，其特征是：嵌入式计算机数控系统，基于ARM+FPGA专用运动控制芯片的双CPU构建计算机数控系统硬件平台。

4、根据权利要求1所述的单立柱双磨头六轴多功能全数控磨床，其特征是：工作台伺服驱动系统安装在悬臂式拖板(6)上，伺服电机采用无间隙弹性联轴器与滚珠丝杆直联，丝杆前端采用高精度四联丝杆轴承固定支撑，后端为双联球轴支持，立柱采用双层导轨。

5、根据权利要求1所述的单立柱双磨头六轴多功能全数控磨床，其特征是：润滑系统为回圈自流式自动润滑系统。

Images