WO2021135425A1 - 多自由度数控转台 - Google Patents

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陈虎
刘立新
孙宏伟
韦志鸿
杜长林
郭翠娟
张国帅
李亚鹏
张海波
邓鑫
孔祥远
郭启栋
徐钢
王军
王峰
李迎华
刘绍毅
鞠兹丹
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q5/00Driving or feeding mechanisms; Control arrangements therefor
    • B23Q5/22Feeding members carrying tools or work

Abstract

一种多自由度数控转台,包括B轴回转组件(1)、C1轴工作台摆动组件(2)、C2轴工作台回转组件(3)和S轴工作台移动组件(4);所述B轴回转组件(1)包括回转连接盘(11)和B轴动力控制机构(13);所述C2轴工作台回转组件包括移动底座(33)、工作台和C2轴动力控制机构(32);所述S轴工作台移动组件(4)包括摆动底座(43)和S轴动力控制机构(41);所述C1轴工作台摆动组件(2)包括摇臂(21)和C1轴动力控制机构(23),C1轴线(22)与B轴线(12)相交;所述S轴动力控制机构(41)能驱动移动底座(33)在摆动底座(42)上沿S轴线移动,进而使工件的被加工区域靠近C1轴线(22)和B轴线(12)的交点。该数控转台增加C1轴和S轴,使得刀尖点参与运动时,直线轴坐标变化更小,直线轴补偿的幅度更小,加工效率更高,表面质量和加工精度受直线轴精度影响更低。

Description

多自由度数控转台 技术领域
本发明涉及机床技术领域,具体涉及一种多自由度数控转台。
背景技术
目前,叶盘类零件是航空航天、轮船、汽车发动机等领域常见的重要零件,它是火箭发动机、飞机发动机等主要组成零件之一,此类零件具有复杂的螺旋曲面,对加工精度、加工效率有很高的要求。加工叶盘类零件通常会选择使用高档五轴加工中心此类机床,此类型高档五轴加工中心常见的回转轴结构双轴摇篮转台。摇篮转台通常为摇篮水平放置,0度时工作台为水平。常见的转台AC轴两轴转台、BC轴两轴转台、单轴转台等,常见叶盘类零件加工设备,轴系的控制点相对位置均为固定不变的,常见叶盘类零件装夹,需要将工件轴心与回转轴心重合,而被加工区域则会与控制回转轴线有很大的距离,如果要加工大直径的叶盘,使用工作台水平的五轴加工中心,会造成刀尖点位置距离控制轴系过远,在进行在执行机床RTCP运动时,增大了直线轴的位置补偿值,因此效率和加工表面质量均有很大的影响。除了在控制上的缺陷之外,在结构上,加工大直径叶盘类零件转台摇臂水平放置,对整个摇臂回转轴的动力提出了更高的要求,会造成结构尺寸偏大,机床机型偏大,转台干涉空间更大,整体产品成本的更高。
发明内容
本发明针对以上问题的提出,而研究设计一种多自由度数控转台。本发明采用的技术手段如下:
一种多自由度数控转台,包括B轴回转组件、C1轴工作台摆动组件、C2轴工作台回转组件和S轴工作台移动组件;所述B轴回转组件包括回转连接盘和用于驱动回转连接盘绕B轴线回转的B轴动力控制机构;所述C2轴工作台回转组件包括移动底座、工作台和用于驱动工作台在移动底座上绕C2轴线回转的C2轴动力控制机构;所述S轴工作台移动组件包括摆动底座和S轴动力控制机构;所述C1轴工作台摆动组件包括摇臂和用于驱动摆动底座在摇臂上绕C1轴线摆动的C1轴动力控制机构,所述摇臂固定于回转连接盘上,所述C1轴线与B轴线相交;所述S轴动力控制机构能驱动移动底座在摆动底座上沿S轴线 移动,进而使工件的被加工区域靠近C1轴线和B轴线的交点。
进一步地,所述S轴线垂直于C1轴线。
进一步地,所述C1轴线与所述B轴线相互垂直,B轴和C1轴以及机床直线轴共同执行五轴RTCP运动。
进一步地,S轴工作台移动组件包括设置于摆动底座上的S轴导轨,所述S轴动力控制机构能驱动移动底座在S轴导轨上移动。
进一步地,所述B轴回转组件安装于机床的X轴运动底座上,所述B轴垂直于机床的X轴和Z轴,所述摇臂包括摇臂底座和扇形摇臂,所述扇形摇臂和摇臂底座相连呈L形结构,所述摇臂底座固定于回转连接盘上,所述扇形摇臂的扇形面上设有用于辅助支撑所述摆动底座的C1轴圆弧导轨,所述扇形摇臂的扇形面平行于B轴线,所述工作台的台面平行于B轴线。
进一步地,所述B轴线为竖直轴线,所述扇形摇臂的扇形面为竖直面,所述C1轴线和C2轴线均为水平轴线,所述工作台的台面为竖直面。
进一步地,所述扇形摇臂的弧形部分朝向远离刀具的一侧。
进一步地,所述B轴动力控制机构和C2轴动力控制机构为力矩电机直接驱动动力机构,所述C1轴动力控制机构为伺服电机配合双齿轮消隙结构,所述S轴动力控制机构为伺服电机丝杠机构。
与现有技术比较,本发明所述的多自由度数控转台具有以下优点:
1、本发明通过改变了传统的五轴加工中心使用的双轴转台的形式,采用四个轴系联合控制,选择C1轴和B轴作为执行RTCP运动的轴系,增加C1轴和S轴,使得旋转加工时刀具的刀尖点可以尽量靠近参与执行RTCP运动的轴线,使得刀尖点位置与五轴控制轴尽量接近或重合,使其参与运动时,直线轴坐标变化更小,直线轴补偿的幅度更小,加工效率更高,表面质量和加工精度受直线轴精度影响更低;
2、通过轴系调整零件位置,可在有限的机床空间内,加工更大尺寸的零件,降低了设备成本,同时也能保证大零件尺寸的加工精度,更适合复杂曲面叶盘类零件的特点,满足生产需求;
3、竖直转台的结构形式,相比传统水平转台的结构,更适合在叶盘类等带有复杂曲面的零件的加工,配合卧式加工中心,可加工高温合金、不锈钢等各类金属材质的叶盘,可一次装夹完成车、铣、钻、镗、攻丝等方式的加工。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图中:1、B轴回转组件,11、回转连接盘 12、B轴线,13、B轴动力控制机构;
2、C1轴工作台摆动组件,21、摇臂,211、摇臂底座,212、扇形摇臂,213、圆弧导轨,22、C1轴线,23、C1轴动力控制机构;
3、C2轴工作台回转组件,31、C2轴线,32、C2轴动力控制机构,33、移动底座;
4、S轴工作台移动组件,41、S轴动力控制机构,42、S轴导轨,43、摆动底座;
5、工件;6、刀具;7、床身;
X、X轴方向;Y、Y轴方向;Z、Z轴方向;B、B轴回转方向;C1、C1轴摆动方向;C2、C2轴回转方向;S、S轴方向。
具体实施方式
如图1所示,一种多自由度数控转台,包括B轴回转组件1、C1轴工作台摆动组件2、C2轴工作台回转组件3和S轴工作台移动组件4。所述B轴回转组件1包括回转连接盘11和用于回转连接盘11绕B轴线12回转的B轴动力控制机构13;所述C2轴工作台回转组件3包括移动底座33、工作台和用于驱动工作台在移动底座33上绕C2轴线31回转的C2轴动力控制机构32;所述S轴工作台移动组件4包括摆动底座43和用于驱动工作台在摆动底座43上沿S轴线移动的S轴动力控制机构41;所述C1轴工作台摆动组件2包括摇臂21和用于驱动摆动底座43在摇臂21上绕C1轴线22摆动的C1轴动力控制机构23,所述C1轴线22与B轴线12相交;所述S轴动力控制机构41能驱动移动底座33在摆动底座43上沿S轴线移动,进而使工件的被加工区域靠近C1轴线和B轴线的交点,S轴线为S轴方向的轴线。数控机床通过B轴回转组件1与摇臂21相连,被加工工件(本实施例为叶盘5)装夹在移动底座33上的工作台上。具体地,B轴和C1轴以及机床直线轴共同执行五轴RTCP运动;C1轴为工作台摆动回转轴系,B轴为整体垂直部分各组件回转运动控制轴系,C2轴为工作台回转运动轴系,S轴为工作台移动位置调整工作台相对于C1轴线和B轴线的位置,使得刀尖点位置与参与执行RTCP运动的轴线尽量接近或重合,使其参与运动时,直线轴坐标变化更小,直线轴补偿的幅度更小,加工效率更高,表面质量和加工精度受直线轴精度影响更低,通过轴系调整零件位置,可在有限 的机床空间内,加工更大尺寸的零件,降低了设备成本,同时也能保证大零件尺寸的加工精度,更适合复杂曲面叶盘类零件的特点,满足生产需求。
作为优选方案,所述S轴线垂直于C1轴线22和B轴线12共同所在的平面,所述C1轴线22与所述B轴线12相互垂直。
所述摆动底座43上设有S轴导轨42,C2轴工作台回转组件3与摆动底座43通过S轴导轨42相连并与S轴动力控制机构41相连,叶盘5、C2轴工作台回转组件3、S轴导轨42和S轴动力控制机构41均安装在摆动底座43上。C2轴工作台回转组件3带动叶盘5通过C2轴动力控制机构32可进行360°回转分度。装夹叶盘5的C2轴工作台回转组件3,在S轴导轨42方向,通过S轴动力控制机构41,可沿轴方向移动运动。
所述B轴线12为竖直轴线,所述S轴线、C1轴线22和C2轴线31均为水平轴线,所述摇臂21包括摇臂底座211和固定在摇臂底座211上的扇形摇臂212,所述扇形摇臂212和摇臂底座211相连呈L形结构的一体件,所述摇臂底座211固定于回转连接盘11上,所述B轴动力控制机构13驱动摇臂底座211回转,所述扇形摇臂212的扇形面上上设有用于辅助支撑所述摆动底座43的C1轴圆弧导轨213,使所述摆动底座43能沿扇形摇臂212的扇形轮廓进行摆动。竖直摇臂结构,在加工大直径叶盘时,减小干涉空间,角度旋转限制小,缩短了转台的宽度尺寸,降低了回转轴动力控制要求,缩小了应用机床的宽度尺寸,降低了机床成本,扇形摇臂212进一步减小了干涉空间。本实施例中,所述扇形摇臂212的弧形部分朝向远离刀具6的一侧,所述B轴线12平行于所述扇形摇臂212的扇形面,所述扇形摇臂212的扇形面平行于B轴线12,也就是说,B轴线12为摇臂底座211的回转中心,扇形摇臂212与B轴线12之间存在距离,可以设置于摇臂底座211的边缘处,使得工件装载于工作台上时,工件的被加工区域能到达B轴线12的对应位置。
本实施例中,所述B轴回转组件安装于机床的X轴运动底座上,所述B轴线垂直于机床的X轴和Z轴,所述B轴线平行于机床的Y轴。具体地,所述B轴12线为竖直轴线,所述扇形摇臂212的扇形面为竖直面,所述C1轴线22和C2轴线31均为水平轴线,所述工作台的台面为竖直面。
所述B轴动力控制机构13和C2轴动力控制机构32为力矩电机直接驱动动力机构配合编码器(动力机构也可采用机械涡轮蜗杆、滚子凸轮等形式),实现高精度、高稳定性,机械结构紧凑等优势;摆动轴的摆动运动的动力机构由于 摆动轴需要带动的重量较大,考虑其大的转动惯量,因此所述C1轴动力控制机构23为伺服电机配合双齿轮消隙结构和编码器(动力机构也可采用直驱电机、连杆机构、丝杠等形式),使用伺服电机和双齿消隙结构可以缩小尺寸空间同时输出很大的扭矩保证摆动轴的运转,本实施例中,所述C1轴动力控制机构23设置于扇形摇臂上,C1轴动力控制机构23和摆动底座43分别位于扇形摇臂212的背面和正面;所述S轴动力控制机构41为伺服电机丝杠、编码器(动力机构也可采用液压缸、电缸、直线电机等形式),充分利用伺服电机丝杠的自锁高刚性的优势,实现行程精准控制。力矩电机直驱动力机构、伺服电机配合双齿消隙结构以及伺服电机丝杠机构本身的结构原理均为现有技术,这里不再赘述。
在五轴加工中心,本实施例采用X轴、Y轴、Z轴、B轴和C1轴共同执行五轴RTCP运动,C1轴可摆动控制,使工作台绕C1轴线22进行摆动运动,C2轴作为工作台分度轴,S轴作为工作台位置调整轴,可调整工作台相对C1轴线22的位置。本实施例在加工工件时,使工件的加工区域尽量与C1轴线22与B轴线12靠近或重合,例如被加工件叶盘,外边缘为复杂曲面,通过调整C2轴工作台回转组件3的位置,以及调整叶盘装夹高度,使得加工时外边缘加工区域尽量与C1轴线22与B轴线12靠近或重合,进而使得加工时刀具的刀尖点可以尽量靠近参与执行五轴RTCP运动的C1轴线22和B轴线12,本实施例C1轴线22与B轴线12共面,执行RTCP运动时,数控系统对轴系偏差的补偿很小,提高了加工精度。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

  1. 一种多自由度数控转台,其特征在于:包括
    B轴回转组件,所述B轴回转组件包括回转连接盘和用于驱动回转连接盘绕B轴线回转的B轴动力控制机构;
    C2轴工作台回转组件,所述C2轴工作台回转组件包括移动底座、工作台和用于驱动工作台在移动底座上绕C2轴线回转的C2轴动力控制机构;
    S轴工作台移动组件,所述S轴工作台移动组件包括摆动底座和S轴动力控制机构;
    C1轴工作台摆动组件,所述C1轴工作台摆动组件包括摇臂和用于驱动摆动底座在摇臂上绕C1轴线摆动的C1轴动力控制机构,所述摇臂固定于回转连接盘上,所述C1轴线与B轴线相交;
    所述S轴动力控制机构能驱动移动底座在摆动底座上沿S轴线移动,进而使工件的被加工区域靠近C1轴线和B轴线的交点。
  2. 根据权利要求2所述的多自由度数控转台,其特征在于:所述S轴线垂直于C1轴线。
  3. 根据权利要求1所述的多自由度数控转台,其特征在于:所述C1轴线与所述B轴线相互垂直,B轴和C1轴以及机床直线轴共同执行五轴RTCP运动。
  4. 根据权利要求1所述的多自由度数控转台,其特征在于:S轴工作台移动组件包括设置于摆动底座上的S轴导轨,所述S轴动力控制机构能驱动移动底座在S轴导轨上移动。
  5. 根据权利要求1至4中任意一项所述的多自由度数控转台,其特征在于:所述B轴回转组件安装于机床的X轴运动底座上,所述B轴垂直于机床的X轴和Z轴,所述摇臂包括摇臂底座和扇形摇臂,所述扇形摇臂和摇臂底座相连呈L形结构,所述摇臂底座固定于回转连接盘上,所述扇形摇臂的扇形面上设有用于辅助支撑所述摆动底座的C1轴圆弧导轨,所述扇形摇臂的扇形面平行于B轴线,所述工作台的台面平行于B轴线。
  6. 根据权利要求5所述的多自由度数控转台,其特征在于:所述B轴线为竖直轴线,所述扇形摇臂的扇形面为竖直面,所述C1轴线和C2轴线均为水平轴线,所述工作台的台面为竖直面。
  7. 根据权利要求6所述的多自由度数控转台,其特征在于:所述扇形摇臂的弧形部分朝向远离刀具的一侧。
  8. 根据权利要求7所述的多自由度数控转台,其特征在于:所述B轴动力控 制机构和C2轴动力控制机构为力矩电机直接驱动动力机构,所述C1轴动力控制机构为伺服电机配合双齿轮消隙结构,所述S轴动力控制机构为伺服电机丝杠机构。
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