异形曲面高速进给加工机床的制作方法

本发明涉及机械加工设备领域，尤其涉及一种异形曲面高速进给加工机床。

背景技术：

数控机床是装备了计算机数控系统的机床，由数控加工程序、输入装置、数控系统、伺服系统、辅助控制装置、检测反馈装置和机床本体等部分组成。其加工特点为：1)自动化程度高，劳动强度低；2)加工精度高，质量稳定；3)对加工对象的适应能力强；4)生产率高；5)良好的经济效益；6)有利于生产管理的信息化。机械特点为：1)传动链短，进给机构采用伺服电机或步进电机；2)刚性高，适合于高精度工件的加工。

在现有技术中，常见的加工方式为车削和铣削加工。在常规的车削加工中，工件固定于回转主轴中心上按一定速度旋转，刀具随x向进给机构(垂直于回转主轴轴线方向)和z向进给机构(平行于回转主轴轴线方向)的传动作有规律的插补运动或直线运动，刀具与工件为线接触，加工效率高，表面光洁度好，但是基于以上结构和加工工艺，只能加工横截面为圆的规则零件，无法实现异形曲面零件的车削加工。铣削加工为三轴或多轴联动，可以实现复杂表面的加工，但是由于刀具与工件表面为点接触，加工效率低，表面光洁度非常依赖机床的配置，成本很高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种异形曲面高速进给加工机床,能实现对异形曲面的高速高效的加工。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种异形曲面高速进给加工机床，包括床身、电控系统、气液系统和冷却装置，所述床身上设有进给机构、工装夹具和与所述工装夹具相连的回转主轴部件，所述进给机构上设有进给直线电机模组，所述进给直线电机模组上设有加工刀具。

具体地，所述进给机构用于进给直线电机模组的x向和z向进给运动，将进给直线电机模组带到相应的加工位，也即将设置在进给直线电机模组上的加工刀具带到相应的加工位；进一步的，为了满足异形曲面的工件的加工要求，进给直线电机模组能带动加工刀具在与工件轴线垂直的方向进行高频率的微动进给以满足工件表面不同位置的加工需求，也即对异形曲面工件的表面轮廓进行加工。电控系统用于控制机床的各类电气元件及相关传感器；回转主轴部件用于支撑和带动工件转动以实现与进给直线电机模组的联动实现对异形曲面工件的车削加工。

作为优选，所述进给直线电机模组包括直线电机、滑板和设于所述滑板两侧的滚动线轨，所述滚动线轨关于所述滑板对称设置，所述滑板与所述直线电机的动子相连，所述滑板上设有刀座，所述加工刀具设于所述刀座上。

具体地，进给直线电机模组能实现高频率的进给运动，进给直线电机模组内部设有防水密封装置，防水密封装置具有耐油、耐腐蚀和耐高温性能。加工刀具与刀座可拆卸连接，以实现刀座安装不同的加工刀具。直线电机驱动滑板进行直线运动以实现带动加工刀具的微动进给运动。滚动线轨作为滑板运动的导向限位件保证滑板的平稳运动。也可选择音圈电机代替直线电机作为滑板的驱动装置。

作为优选，所述进给直线电机模组还包括全闭环光栅定位装置、限位检测机构和轴向锁紧机构，所述限位检测机构与所述电控系统信号连接，所述轴向锁紧机构位于所述滑板远离所述刀座的一端。

具体地，全闭环光栅定位装置能够精确读取滑板也即加工刀具的位移数据，将数据信号反馈给电控系统，以便电控系统控制直线电机的运动；利用高频直线电机配合全闭环光栅定位装置控制滑板带动加工刀具具有高加速度、直线电机的响应快、无反向间隙、定位精确及保证异形曲面工件的轮廓精度和一致性。进一步的，为了防止高频率的直线电机的动子下坠及撞车事故的发生设置用于检测高频率直线电机的动子的位置的限位检测机构，当高频率直线电机的动子运动到非正常位置时启动轴向锁紧机构将高频率直线电机的动子锁紧限位，或者启动轴向锁紧机构将滑板锁紧限位。

作为优选，所述进给机构包括z向进给机构和x向进给机构，所述z向进给机构包括z轴驱动电机和第一导轨，所述x向进给机构包括x轴驱动电机和第二导轨，所述z向进给机构与所述x向进给机构之间设有第一托板，所述x向进给机构与所述第一托板固定连接，所述第一托板远离所述x向进给机构的一侧与所述第一导轨滑动连接，所述z轴驱动电机与所述第一托板传动连接，所述x向进给机构的轴线与所述进给直线电机模组的轴线平行，所述x向进给机构与所述进给直线电机模组之间设有第二托板，所述进给直线电机模组与所述第二托板固定连接，所述第二托板与所述第二导轨滑动连接，所述x轴驱动电机与所述第二托板传动连接。

具体地，x轴驱动电机和z轴驱动电机均为伺服电机。x轴驱动电机通过螺纹螺杆等传动方式带动第二托板沿着垂直于于机床主轴的方向运动，与第二托板固定连接的进给直线电机模组与第二托板做同步运动，以实现满足不同直径尺寸的工件的加工需求。z轴驱动电机通过螺纹螺杆等传动方式带动第一托板沿着平行于机床主轴的方向运动，与第一托板固定连接的x向进给机构与第一托板做同步运动，以实现带动x向进给机构从加工的初始位运动到加工的结束位。

作为优选，所述床身为倾斜结构，所述床身的材质为树脂砂铸铁或大理石。具有消除轴向间隙、加工稳定、便于排铁屑等优势。

作为优选，所述回转主轴部件包括回转主轴和回转驱动电机，所述回转主轴与所述回转驱动电机之间设有第一传动带，所述回转驱动电机为伺服电机，所述回转主轴的轴线与所述进给直线电机模组运动方向垂直。

具体地，电控系统通过控制回转驱动电机进而实现控制回转主轴的旋转的角度、转速，电控系统同步控制高频进给直线电机的进给量和进给速度，实现对异形曲面工件的车削加工。

作为优选，所述床身上还设有尾座顶紧机构，所述尾座顶紧机构上设有可伸缩的套筒，所述尾座顶紧机构的轴线与所述回转主轴的轴线共线。套筒的伸缩以实现将工件夹持固定在回转主轴与尾座顶紧机构之间。

作为优选，还包括回转主轴编码器，所述回转主轴编码器与所述回转主轴之间设有第二传动带，所述回转主轴编码器与所述电控系统信号连接。

进一步的，设置回转主轴编码器，回转主轴转动时通过第二传动带带动回转主轴编码器同步转动(回转主轴编码器上的转轴的尺寸与回转主轴上的转轴的尺寸相同)，回转主轴编码器将回转主轴的转动的角度及速度信号输送给电控系统。

作为优选，所述滑板为铝合金材质，所述滚动线轨为滚柱线轨。具体地，滑板采用高强度铝合金材质制成，滚动线轨采用高精度重预压滚柱线轨。

作为优选，所述直线电机的最大加速度大于两倍重力加速度。

本发明的有益效果：进给机构用于进给直线电机模组的x向和z向进给运动，将进给直线电机模组带到相应的加工位，也即将设置在进给直线电机模组上的加工刀具带到相应的加工位；进一步的，进给直线电机模组能带动加工刀具在与工件轴线垂直的方向进行高频率的微动进给以满足工件表面不同位置的加工需求，回转主轴部件用于支撑和带动工件转动以实现与运动的加工刀具联动实现对异形曲面工件的车削加工。

附图说明

下面对本说明书各附图所表达的内容及图中的标记作出简要的说明介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明机床的整体结构示意图；

图2是进给直线电机模组的内部结构示意图；

图3是进给直线电机模组沿长轴方向的剖视图；

图4是进给直线电机模组沿短轴方向的剖视图；

图5是本发明机床的主视方向的结构示意图；

图6是本发明机床的侧视方向的结构示意图；

图中：

1、床身；2、工件；3、工装夹具；4、回转主轴；5、加工刀具；6、进给直线电机模组；7、尾座顶紧机构；8、z向进给机构；9、x向进给机构；10、z轴驱动电机；11、x轴驱动电机；12、滚动线轨；13、直线电机；14、滑板；15、回转驱动电机；1501、第一传动带；16、轴向锁紧机构；17、限位检测机构；18、全闭环光栅定位装置；19、刀座；20、第一导轨；21、第二导轨；22、第一托板；23、第二托板；24、回转主轴编码器；2401、第二传动带。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1-6所示，一种异形曲面高速进给加工机床，包括床身1、电控系统、气液系统和冷却装置，床身1上设有进给机构、工装夹具3和与工装夹具3相连的回转主轴4部件，进给机构上设有进给直线电机模组6，进给直线电机模组6上设有加工刀具5。

具体地，进给机构用于带动进给直线电机模组6的x向和z向进给运动，将进给直线电机模组6带到相应的加工位，也即将设置在进给直线电机模组6上的加工刀具5带到相应的加工位；进一步的，为了满足异形曲面的工件2的加工要求，进给直线电机模组6能带动加工刀具5在与工件2的轴线垂直的方向进行高频率的微动进给以满足工件2表面不同位置的加工需求，也即对异形曲面工件2的表面轮廓进行加工。电控系统用于控制机床的各类电气元件及相关传感器；回转主轴4部件用于支撑和带动工件2转动以实现与进给直线电机模组6的联动实现对异形曲面工件2的车削加工。

参照图2-4，于本实施例中，进给直线电机模组6包括直线电机13、滑板14和设于滑板14两侧的滚动线轨12，滚动线轨12关于滑板14对称设置，滑板14与直线电机13的动子相连，滑板14上设有刀座19，加工刀具5设于刀座19上。

具体地，进给直线电机模组6能实现高频率的进给运动，进给直线电机模组6内部设有防水密封装置，防水密封装置具有耐油、耐腐蚀和耐高温性能。加工刀具5与刀座19可拆卸连接，以实现刀座19安装不同规格的加工刀具5。直线电机13驱动滑板14进行直线运动以实现带动加工刀具5的微动进给运动。滚动线轨12作为滑板14运动的导向限位件保证滑板14的平稳运动。于其他实施例中，也可选择音圈电机代替直线电机13作为滑板14的驱动装置。

于本实施例中，进给直线电机模组6还包括全闭环光栅定位装置18、限位检测机构17和轴向锁紧机构16，限位检测机构17与电控系统信号连接，轴向锁紧机构16位于滑板14远离刀座19的一端。

具体地，全闭环光栅定位装置18能够精确读取滑板14也即加工刀具5的位移数据，将数据信号反馈给电控系统，以便电控系统控制直线电机13的运动；利用高频直线电机13配合全闭环光栅定位装置18控制滑板14带动加工刀具5具有高加速度、直线电机13的响应快、无反向间隙、定位精确及保证异形曲面工件2的轮廓精度和一致性。进一步的，为了防止高频率的直线电机13的动子下坠及撞车事故的发生，设置用于检测高频率直线电机13的动子的位置的限位检测机构17，当高频率直线电机13的动子运动到非正常位置时启动轴向锁紧机构16将高频率直线电机13的动子锁紧限位，或者启动轴向锁紧机构16将滑板14锁紧限位。

于本实施例中，参照图1及图5-6，进给机构包括z向进给机构8和x向进给机构9，z向进给机构8包括z轴驱动电机10和第一导轨20，x向进给机构9包括x轴驱动电机11和第二导轨21，z向进给机构8与x向进给机构9之间设有第一托板22，x向进给机构9与第一托板22固定连接，第一托板22远离x向进给机构9的一侧与第一导轨20滑动连接，z轴驱动电机10与第一托板22传动连接，x向进给机构9的轴线与进给直线电机模组6的轴线平行，x向进给机构9与进给直线电机模组6之间设有第二托板23，进给直线电机模组6与第二托板23固定连接，第二托板23与第二导轨21滑动连接，x轴驱动电机11与第二托板23传动连接。

具体地，x轴驱动电机11和z轴驱动电机10均为伺服电机。x轴驱动电机11通过螺纹螺杆等传动方式带动第二托板23沿着垂直于于机床主轴的方向运动，与第二托板23固定连接的进给直线电机模组6与第二托板23做同步运动，以实现满足不同直径尺寸的工件2的加工需求。z轴驱动电机10通过螺纹螺杆等传动方式带动第一托板22沿着平行于机床主轴的方向运动，与第一托板22固定连接的x向进给机构9与第一托板22做同步运动，以实现带动x向进给机构9从加工的初始位运动到加工的结束位。

于本实施例中，床身1为倾斜结构，床身1的材质为树脂砂铸铁。于其他实施例中，也可将床身1的材质选为大理石。床身1的倾斜角度选为20度-70度，床身1倾斜设置具有消除轴向间隙、加工稳定、便于排铁屑等优势。当然，于其他实施例中，也可将床身1的倾斜角度选为大于0度小于20度，或者大于70度小于90度。

于本实施例中，回转主轴4部件包括回转主轴4和回转驱动电机15，回转主轴4与回转驱动电机15之间设有第一传动带1501，回转驱动电机15为伺服电机，回转主轴4的轴线与进给直线电机模组6运动方向垂直。

具体地，电控系统通过控制回转驱动电机15进而实现控制回转主轴4的旋转的角度、转速，电控系统同步控制高频进给直线电机13的进给量和进给速度，实现对异形曲面工件2的车削加工。

于本实施例中，床身1上还设有尾座顶紧机构7，尾座顶紧机构7上设有可伸缩的套筒，尾座顶紧机构7的轴线与回转主轴4的轴线共线。套筒的伸缩以实现将工件2夹持固定在回转主轴4与尾座顶紧机构7之间。

于本实施例中，还包括回转主轴编码器24，回转主轴编码器24与回转主轴4之间设有第二传动带2401。

进一步的，设置回转主轴编码器24，回转主轴4转动时通过第二传动带2401带动回转主轴编码器24同步转动(回转主轴编码器24上的转轴的尺寸与回转主轴4上的转轴的尺寸相同)，回转主轴编码器24将回转主轴4的转动的角度及速度信号输送给电控系统。

于本实施例中，滑板14为铝合金材质，滚动线轨12为滚柱线轨。具体地，滑板14采用高强度铝合金材质制成，滚动线轨12采用高精度重预压滚柱线轨。

于本实施例中，直线电机13的最大加速度大于两倍重力加速度。

本发明提供的异形曲面高速进给加工机床，通过在床身1上设置进给机构、工装夹具3和与工装夹具3相连的回转主轴4部件，进给机构上设有进给直线电机模组6，进给直线电机模组6上设有加工刀具5，结合异形曲面工件2的外形轮廓，突破了常规的车削工艺限制，具体实施步骤如下：

首先将工件2固定在工装夹具3上和回转主轴4连接到一起，工件2尾部用尾座顶紧机构7上的套筒顶紧，使工件2可以和回转主轴4同步回转，回转主轴4的回转采用伺服电机驱动。

在机床的主控制系统输入异形曲面的待加工的工件2的立体图，根据工件2的外形轮廓曲线建立加工路径或者采点，建立坐标系。

移动加工刀具5到合适的加工切入点，通过对异形曲面轮廓线的计算，合理控制回转主轴4的旋转角度、转速和直线电机13的进给量和进给速度，实现异形曲面的车削加工。

本文中的“第一”、“第二”仅仅是为了在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。