数控机床的制作方法

本发明属于数控加工设备技术领域，更具体地说，是涉及一种数控机床。

背景技术：

随着科学技术的发展，传统的三轴数控机床已经不能满足新型工业环境对于加工零件的加工质量的更高要求。从20世纪60年代开始，一些发达国家已开始研制五轴甚至更多轴的数控机床。多轴机床集成计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工于一体，可高效、准确完成复杂曲面的加工，特别是在加工叶轮、叶片、船用螺旋桨及大型柴油机曲轴等方面具有独特的优势。而我国长期以来在多轴联动数控机床技术方面引进和研发均受到较大阻力，因此着重这方面的技术研究对提高国家的综合国力意义深远。

在机械加工领域，传统机床，例如三轴联动数控机床，其一次装夹工件后，刀具所能加工的工件表面由于刀具和工件所能够实现的自由度运动的制约，所能加工的工件表面受到限制。对于复杂的零件，受限于传统机床的自由度运动控制的加工特点，需要更多的工序和更复杂的工艺来分阶段完成。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种数控机床，以解决现有技术中存在的对于复杂零件的曲面加工需要更多的工序和更复杂的工艺来分阶段完成的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种数控机床，包括：机床安装架；数控控制部，数控控制部设置于机床安装架上；刀具装夹部，刀具装夹部设置于机床安装架上；工件装夹部，工件装夹部设置于机床安装架上，工件装夹部与刀具装夹部相对设置，且工件装夹部与数控控制部电连接；机械臂结构，机械臂结构包括固定平台、运动平台和多个伸缩支撑杆，固定平台设置于刀具装夹部或工件装夹部，其中，各伸缩支撑杆包括固定座筒、移动套筒、驱动电机和丝杠运动副，多个固定座筒的端部呈圆周地连接于固定平台上，且固定座筒的端部可活动地连接于固定平台，移动套筒的第一端可沿其中心轴线方向相对于固定座筒可移动地设置于固定座筒中，驱动电机固定安装于固定座筒中，驱动电机与数控控制部电连接，丝杠运动副包括丝杠和套设于丝杠上丝杠螺母，丝杠的端部与驱动电机的驱动轴固定连接，且移动套筒的第一端固定连接于丝杠螺母，多个移动套筒的第二端呈圆周地连接于运动平台上，且各个移动套筒的第二端可活动连接于运动平台。

进一步地，数控机床包括：第一调节刀架，第一调节刀架包括第一调节电机，第一调节电机连接于机床安装架，第一调节电机与数控控制部电连接；第二调节刀架，第二调节刀架包括第二调节电机，第二调节电机与数控控制部电连接，第二调节刀架连接于第一调节电机的驱动端，第一调节电机带动第二调节刀架沿第一预定方向直线移动；当固定平台设置于刀具装夹部时，固定平台连接于第二调节电机的驱动端，或者，当固定平台设置于工件装夹部时，刀具装夹部连接于第二调节电机的驱动端；第二调节电机带动机械臂结构或刀具装夹部沿第二预定方向直线移动。

进一步地，数控机床还包括第三调节刀架，第三调节刀架包括第三调节电机，第三调节刀架固定连接于机床安装架上，第三调节电机与数控控制部电连接；第一调节刀架固定连接在第三调节电机的驱动端上，第三调节电机带动第一调节刀架沿第三预定方向直线移动，或者工件装夹部固定连接在第三调节电机的驱动上上，第三调节电机带动工件装夹部沿第三预定方向直线移动；第三预定方向垂直于第一预定方向的移动直线与第二预定方向的移动直线所形成的平面。

进一步地，多个固定座筒的端部在固定平台上所围成的圆周的直径大于多个移动套筒的第二端在运动平台上所围成的圆周的直径。

进一步地，多个伸缩支撑杆为偶数个，且多个伸缩支撑杆中两两一组；在同一组中，两个伸缩支撑杆的固定座筒的连接于固定平台的端部之间的间隔距离小于两者的移动套筒的连接于运动平台的第二端之间的间隔距离；在相邻两组中，相邻的两个伸缩支撑杆的固定座筒的连接于固定平台的端部之间的间隔距离大于两者的移动套筒的连接于运动平台的第二端之间的间隔距离。

进一步地，各个伸缩支撑杆还包括辅助座体，辅助座体固定安装于固定座筒中，辅助座体包括电机安装部和运动导向部，驱动电机固定安装于电机安装部，丝杠螺母上设有导向槽，导向槽配合安装于运动导向部的导轨上。

进一步地，在机械臂结构的各个伸缩支撑杆中，各个伸缩支撑杆的固定座筒的端部通过第一万向铰链与机械臂结构的固定平台连接，各个伸缩支撑杆的移动套筒的第二端通过第二万向铰链与伸缩支撑杆的运动平台连接。

进一步地，数控机床还包括测量装置，测量装置包括固定参照部和多个反射传感器，固定参照部固定设置于运动平台的上表面，多个反射传感器呈圆周设置在固定参照部的周侧，且多个反射传感器固定安装在机床安装架上，多个反射传感器分别向固定参照部发射测量光束，且各个反射传感器均与数控控制部电连接。

进一步地，多个反射传感器的数量为三个，三个反射传感器的中心点连线形成等边三角形。

进一步地，数控机床还包括装夹部件，装夹部件固定安装于运动平台上，且装夹部件的垂直投影在运动平台上表面的投影区域的中心点与运动平台上表面的中心点重合。

在车削加工过程中，当需要针对待加工工件上的复杂的待加工曲面的形状结构特点变化刀具姿态时，数控控制部则根据预先写入的数控加工编程对各个伸缩支撑杆的驱动电机进行控制，使得各个伸缩支撑杆的移动套筒之间进行相互配合的伸缩运动，使得装夹在运动平台上的刀具能够在空间之间坐标系o-xyz进行空间多自由度运动能力，从而调整刀具相对于复杂的待加工曲面的刀具姿态，防止了刀具的后刀刃部分与已经完成加工的曲面形成运动干涉而破坏曲面

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的数控机床中的机械臂结构的示意图；

图2为本发明实施例的数控机床中的机械臂结构的内部结构的示意图；

图3为本发明实施例的数控机床为车床的结构示意图；

图4为本发明实施例的数控机床为铣床的结构示意图。

其中，图中各附图标记：

110、机床安装架；130、工件装夹部；121、机械臂结构；10、固定平台；20、伸缩支撑杆；30、运动平台；21、固定座筒；22、移动套筒；23、驱动电机；24、丝杠运动副；241、丝杠；242、丝杠螺母；122、第一调节刀架；123、第二调节刀架；124、第三调节刀架；25、辅助座体；251、电机安装部；252、运动导向部；2520、导轨；40、测量装置；41、固定参照部；42、反射传感器；50、装夹部件；130、工件装夹部；131、工件驱动电机；200、待加工工件；140、安装槽板；26、测量光栅；27、联轴器。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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发明和简化描述，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发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1至图4所示，本技术方案的数控机床包括机床安装架110、数控控制部(未图示)、刀具装夹部(未图示)、工件装夹部130和机械臂结构121，数控控制部设置于机床安装架110上，刀具装夹部设置于机床安装架110上，工件装夹部130设置于机床安装架110上，工件装夹部130与刀具装夹部相对设置，且工件装夹部130与数控控制部电连接，机械臂结构121包括固定平台10、运动平台30和多个伸缩支撑杆20，固定平台10设置于刀具装夹部或工件装夹部130，其中，各伸缩支撑杆20包括固定座筒21、移动套筒22、驱动电机23和丝杠运动副24，多个固定座筒21的端部呈圆周地连接于固定平台10上，且固定座筒21的端部可活动地连接于固定平台10，移动套筒22的第一端可沿其中心轴线方向相对于固定座筒21可移动地设置于固定座筒21中，驱动电机23固定安装于固定座筒21中，驱动电机23与数控控制部电连接，丝杠运动副24包括丝杠241和套设于丝杠241上丝杠螺母242，丝杠241的端部与驱动电机23的驱动轴固定连接，且移动套筒22的第一端固定连接于丝杠螺母242，多个移动套筒22的第二端呈圆周地连接于运动平台30上，且各个移动套筒22的第二端可活动连接于运动平台30。在本技术方案中，机械臂结构121的固定平台10设置于刀具装夹部上为车床的设计方式，如图3所示，在车床中，工件驱动电机131固定装配在工件装夹部130上，并且通过工件驱动电机131带动待加工工件200转动；机械臂结构121的固定平台10设置于工件装夹部130上为铣床的设计方式，如图4所示。以下就车床为例进行详细说明。

以运动平台30的上表面为基准面建立空间直角坐标系o-xyz，以多个伸缩支撑杆20的第二端在运动平台30上所围成的圆周的圆心为空间直角坐标系o-xyz的原点，运动平台30的上表面为x轴、y轴形成的平面，此时z轴垂直于运动平台30的上表面。在本实施例的机械臂结构中，当固定平台10的上表面与运动平台30的上表面平行时，多个伸缩支撑杆20的第一端在固定平台10上所形成的圆周的圆心与第二端在运动平台30上所形成的圆周的圆心共轴位于z轴上。如此，在本技术方案提供的数控机床上安装刀具以对待加工工件进行切削加工的过程中，就可以依据上述建立的空间直角坐标系o-xyz进行编程设计，从而应用数控机床的数控系统进行自动操控加工过程。

在加工待加工工件200的过程中，将待加工工件200装夹固定在工件装夹部130上，并且刀具装夹固定在运动平台30上，并且预先在数控控制部中写入正确的数控加工编程，数控控制部根据数控加工编程进行车削加工控制。在车削加工过程中，当需要针对待加工工件200上的复杂的待加工曲面的形状结构特点变化刀具姿态时，数控控制部则根据预先写入的数控加工编程对各个伸缩支撑杆20的驱动电机23进行控制，使得各个伸缩支撑杆20的移动套筒22之间进行相互配合的伸缩运动，使得装夹在运动平台30上的刀具能够在空间之间坐标系o-xyz进行空间多自由度运动能力，从而调整刀具相对于复杂的待加工曲面的刀具姿态，防止了刀具的后刀刃部分与已经完成加工的曲面形成运动干涉而破坏曲面，这样，应用该车床进行相应的复杂的待加工曲面的车削加工，能够通过对刀具进行空间刀具姿态的调整来适应复杂的待加工曲面的特点的要求，从而能够一次装夹待加工工件200就能对复杂的待加工曲面完成车削加工，简化了加工工序，无需通过转换不同机床而分阶段的加工工艺，降低了加工工艺的复杂程度，并且仅需对待加工工件200进行一次装夹，能够始终保持待加工工件的相对原点不变，保证加工精度。

在本实施例的机械臂结构121中，在将固定座筒21的端部连接在固定平台10上、将移动套筒22的端部连接在运动平台30上的过程中，多个固定座筒21的端部在固定平台10上所围成的圆周的直径大于多个移动套筒22的第二端在运动平台30上所围成的圆周的直径。这样，不仅能够实现机械臂结构的灵活调节能力，而且利用伸缩支撑杆20由运动平台30向固定平台10的方向外扩的连接结构形式，使得伸缩支撑杆20在调整姿态的过程中具有更高的结构强度，保持调整完成后刀具的稳定性，另一方面，这样的结构设计也能够尽量低减小运动平台30与待加工工件200之间的相对比例大小，有利于应用该机械臂结构的运动平台30进行安装小刀具以对待加工工件200进行加工微小结构曲面。

当然，根据实际所需的数控机床的机械臂结构121的设计结构特点，也可以将多个固定座筒21的端部在固定平台10上所围成的圆周的直径小于多个移动套筒22的第二端在运动平台30上所围成的圆周的直径，这样同样能够保证运动平台30相对于固定平台10的相对运动调节的灵活性。

如图1所示，多个伸缩支撑杆20为偶数个，且多个伸缩支撑杆20中两两一组；在同一组中，两个伸缩支撑杆20的固定座筒21的连接于固定平台10的端部之间的间隔距离小于两者的移动套筒22的连接于运动平台30的第二端之间的间隔距离；在相邻两组中，相邻的两个伸缩支撑杆20的固定座筒21的连接于固定平台10的端部之间的间隔距离大于两者的移动套筒22的连接于运动平台30的第二端之间的间隔距离。在本实施例中，偶数个伸缩支撑杆20的数量为六个，六个伸缩支撑杆20的固定座筒21的端部于固定平台10上形成三个第一连接位置，三个第一连接位置的中心之间的连线则形成了等边三角形，并且六个伸缩支撑杆20的移动套筒22的端部于运动平台30上形成三个第二连接位置，三个第二连接位置的中心之间的连线则形成了等边三角形，在本实施例中，三个第一连接位置与三个第二连接位置之间相互交错地设置。

并且，本实施的在机械臂结构的六个伸缩支撑杆20中，各个伸缩支撑杆20的固定座筒21的端部通过第一万向铰链与机械臂结构的固定平台10连接，各个伸缩支撑杆20的移动套筒22的第二端通过第二万向铰链与伸缩支撑杆20的运动平台30连接。通过第一万向铰链和第二万向铰链，当六个伸缩支撑杆20相互之间进行配合伸缩动作时候，此时运动平台30在空间直角坐标系o-xyz中具有六自由度的空间运动能力，即运动平台30具有分别沿空间直角坐标系o-xyz中x轴、y轴、z轴做直线运动，并且能够绕x轴、y轴、z轴做旋转运动，使得运动平台30能够在空间直角坐标系o-xyz中任意改变位置姿态。

如图3和图4所示，该车床还包括第一调节刀架122和第二调节刀架123，第一调节刀架122包括第一调节电机，第一调节电机连接于机床安装架110，第一调节电机与数控控制部电连接，第二调节刀架123包括第二调节电机，第二调节电机与数控控制部电连接，第二调节刀架123连接于第一调节电机的驱动端，第一调节电机带动第二调节刀架123沿第一预定方向直线移动；当固定平台10设置于刀具装夹部时，固定平台10连接于第二调节电机的驱动端；第二调节电机带动机械臂结构121或刀具装夹部沿第二预定方向直线移动。更进一步地，数控机床还包括第三调节刀架124，第三调节刀架124包括第三调节电机，在车床中，第三调节刀架124通过安装槽板140固定连接于机床安装架110上，第三调节刀架124固定连接于机床安装架110上，第三调节电机与数控控制部电连接，整个第三调节刀架124可以在安装槽板140的导向槽上移动以进行位置调节。第一调节刀架122固定连接在第三调节电机的驱动端上，第三调节电机带动第一调节刀架122沿第三预定方向直线移动，或者工件装夹部130固定连接在第三调节电机的驱动端上，第三调节电机带动工件装夹部130沿第三预定方向直线移动。第三预定方向垂直于第一预定方向的移动直线与第二预定方向的移动直线所形成的平面。通过数控控制部分别控制第一调节刀架122、第二调节刀架123和第三调节刀架124之间的配合移动，使得刀具能够按照既定的进给线路进行走刀以对待加工工件200进行车削加工。

具体地，在每个伸缩支撑杆20中，还包括辅助座体25，辅助座体25固定安装于固定座筒21中，辅助座体25包括电机安装部251和运动导向部252，驱动电机23固定安装于电机安装部251，丝杠螺母242上设有导向槽，导向槽配合安装于运动导向部252的导轨2520上。在启动驱动电机23之后，驱动电机23的驱动轴通过联轴器27带动丝杠241转动，由于丝杠螺母242与丝杠241通过螺纹配合，并且丝杠螺母242上的导向槽受到导轨2520的限定，因而丝杠螺母242能够将丝杠241的转动运动转换为沿导轨2520的延伸方向(或者沿丝杠241的中心轴线方向)做直线运动，从而使丝杠螺母242带动移动套筒22做直线位移输出。

如图1所示，车床还包括测量装置40，测量装置40包括固定参照部41和多个反射传感器42，具体地，多个反射传感器42的数量为三个，三个反射传感器42的中心点连线形成等边三角形。固定参照部41固定设置于运动平台30的上表面，多个反射传感器42呈圆周设置在固定参照部41的周侧，且多个反射传感器42固定安装在机床安装架110上，多个反射传感器42分别向固定参照部41发射测量光束，且各个反射传感器42均与数控控制部电连接。在通过伸缩支撑杆20对运动平台30的位置姿态进行调整的过程中(即调整运动平台30上的刀具姿态)，为了能够实时地监测刀具姿态调整的正确性，因而通过三个反射传感器42项固定参照部41发射测量光束(该测量光束可以是红外光束，也可以是激光光束)，然后固定参照部41再将测量光束反射回相应的反射传感器42上，此时，各个对应的反射传感器42测量出经过调整姿态后的固定参照部41的位置姿态，即经过调整后固定参照部41在空间直角坐标系o-xyz中的坐标点x1，y1，z1，然后计算出刀具所处的空间直角坐标系o-xyz中的坐标位置。

在调整刀具姿态的过程中，反射传感器42将测量的固定参照部41的位置信息(即刀具位于空间直角坐标系o-xyz中的位置信息)，并经过数控控制部的分析处理，从而进一步计算获得实际的刀具相对于待加工曲面的位置偏差，然后再通过数控控制部控制机械臂结构的驱动电机23控制各个移动套筒22进行偏差补偿，使得刀具能够在调整的过程中不至于产生导致废品的加工偏差，使得加工所产生的偏差始终处于允许的公差范围内。

在进行偏差补偿测量的过程中，本实施例的机械臂结构中还采用测量光栅26对各个伸缩支撑杆20中丝杠螺母242的直线移动距离进行测量，且该测量光栅26与数控控制部电连接，并配合测量装置40同时进行偏差补偿测量。

当机械臂结构121的固定平台10设置于工件装夹部130上为铣床，与前述的车床相比较，此时，当固定平台10设置于工件装夹部130时，刀具装夹部连接于第二调节电机的驱动端，该铣床还包括装夹部件50，装夹部件50固定安装于运动平台30上，该装夹部件50用于装夹固定待加工工件200，且装夹部件50的垂直投影在运动平台30上表面的投影区域的中心点与运动平台30上表面的中心点重合。如此，能够简便地利用机械臂结构中的运动平台30的上表面所设定的空间直角坐标系o-xyz作为该铣床的空间直角坐标系o-xyz，此时，运动平台30上表面的中心点也就是运动平台30的竖直投影时候的投影区域的中心点是该空间直角坐标系o-xyz的原点o。与车床相比较，铣床的其余结构均相同，在此不再赘述。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。