专利名称：复合加工中心的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属切削机床，尤其是一种可在一次上下料的过程中完成一个复杂工件的大部或全部加工的复合加工中心。
日本TSUGAMI公司的专利US4785525和EP0500104A2公开了如下的复合加工机床，在一个滑台上同轴地装有主轴箱和尾架，主轴箱中装有工件主轴和工件主轴的C轴控制机构，滑台可在床身的导轨上沿平行于主轴轴线的Z向滑动，一个滑座可在床身的垂直于Z向的X向导轨上滑动，一个滑柱可在滑座中沿Y向滑动，在滑柱端部有一个可绕平行于Y轴的B轴回转的可回转主轴箱，其中装有一个轴线对B轴垂直的刀具主轴，并装有把主轴锁定的装置以便用装在主轴中的车刀进行车削加工。该可回转主轴箱可按一定的角度间隔或以任意角度锁定在刀架上。以便加工斜孔、斜面或用滚齿刀加工齿轮。该机床上装有换刀机械手和大容量刀库，使旋转刀具主轴上可安装刀库中的任意一把刀具进行加工，因而能在一次装夹中完成车、钻、铣、攻丝、镗、滚齿等多种加工。
该发明的主要缺点是1，不能安装插齿刀加工内齿轮或台阶齿轮，2，不能对工件进行淬火，3，在所述旋转刀具主轴上安装车刀进行车削，刚性较差，安装测量头进行工件测量，精度较低。
中国专利申请CN95100746.7公开了一种小型集成加工中心，该加工中心的框形刀架上有一个可绕平行于X轴的A轴(或是平行于Y轴的B轴)回转的多轴箱，框形刀架上和可回转多轴箱上除固定刀具座、旋转刀具主轴外，还装有多种不同类型的加工或工作装置，如插齿装置，伞齿轮刨齿装置，激光加工装置，高频淬火装置，上下料机械手，测量装置等。因而能在工件的一次装夹中除用固定刀具进行内外圆车、插、刨削，用旋转刀具进行铣、钻、攻、镗、滚齿、剃齿、磨削外，还能插齿，刨伞齿轮，以及淬火等，因此具有较强的复合加工能力。
该发明强调不采用转塔或自动换刀机构加刀库来换刀，而采用框形刀架和可回转多轴箱上平行地安装的多把固定刀具和旋转刀具，利用刀架相对工件在X或Y轴方向的座标移动和可回转多轴箱的回转来换刀以简化结构、降低成本，该发明的缺点是因一次能安装的刀具数量有限，不适合加工复杂程度高的工件，也不适合大尺寸的工件。刀具需人工安装调整维护，插齿装置、刨齿装置也需经常人工调整，停机耗时较多，对较复杂的工件不能实现一次装夹全部加工。
本发明的目的在于克服上述两种专利的缺点，从而提供一种复合加工中心，它除能在一次装夹中对工件进行车、刨、插、铣、镗、钻、铰、攻、磨、滚齿，剃齿，绗磨等加工以外，还可进行内外齿轮插削，伞齿轮刨削，表面淬火，电火花成形加工等等，所有刀具、工具均可与大容量刀库中的刀具、工具更换，插齿装置、刨齿装置等的所有调整均可由程序控制自动完成。从而实现任意复杂程度工件的一次装夹全部加工。
本发明实现目的的技术关键是在可沿X、Y、Z轴相对工件主轴移动的刀架及其可绕B轴回转的多轴箱上装有车、铣、钻、磨、插齿、刨齿、淬火、电加工、线切割等多种类型的工作装置，并利用刀架相对工件主轴在X、Y向的移动和可回转多轴箱的回转来实现工作装置的自动更换，利用在所有工作装置上安装自动装卸刀机构并借助自动换刀机构和刀库来实现所有工作装置所用刀具、工具的自动更换。
上述技术关键通过以下的机床结构实施1.机床相对工件主轴能在X、Y、Z方向移动的刀架上装有可绕B轴回转，并能以任意角度锁定在刀架上的可回转多轴箱，其上除装有刀具主轴外，可回转多轴箱上和刀架上还装有下列工作装置的部分或全部A，固定刀具座，B，插齿装置，C，伞齿轮刨齿装置，D，淬火装置，可以是激光发射装置，或感应淬火线圈，或火焰喷射枪，E，电脉冲或电解加工装置，F，线切割装置，G，上下料机械手，I，其它。
上述多种工作装置在可回转多轴箱上的平行于回转轴的各棱面上沿回转轴布置，以便借助于刀架相对主轴在X、Y方向的移动和可回转多轴箱的分度回转来实现加工类型的更换，所有工作装置，包括旋转刀具主轴，都装有自动装卸刀机构，能自动安装或卸开所装的刀具、工具，所有能被上述工作装置使用的刀具、工具都有与相应的工作装置吻合的柄部和拉钉，并有能被换刀机构夹持的夹持部或夹持孔。
2.机床配有放置多种刀具和工具的刀库，和自动换刀机构，后者能为刀架及其可回转多轴箱上包括刀具主轴的所有工作装置服务，并能把其上所有刀具或工具与刀库中的刀具或工具更换。
3.插齿装置中不但装有插齿刀自动装卸刀机构，还装有滑柱位置传感器以实现插齿过程所有参数的自动调整。
实现刀具自动交换的办法之一是在主轴箱外侧安装一个单手爪自动换刀机构，它可利用工件主轴箱相对刀架的X，Y，Z，三轴控制，能把刀架和可回转多轴箱上的所有刀具、工具与传送带或刀库中的所有刀具、工具实行交换。
上述办法的完善是用一个能自动更换工具的多用途机械手来代替上述装在主轴箱外侧的单手爪换刀机构，它能从手爪库中自动换取不同的换刀手爪以进行换刀，也能从中换取换刀手指对无法从外部夹持的刀具进行换刀，还可换取刀具测量头、砂轮修整器、摄象头等进行工件测量，砂轮修整，刀具监测等工作。
由于单手爪换刀机构换刀速度较慢，为提高加工速度，安装常用刀具的刀座、刀具主轴和工作装置应配有3-4个或更多，因而机床刀架尺寸较大，比较适合刀架与床身一体，工件主轴沿X、Y、Z轴运动，特别是主轴铅垂向下的机床布局。
上述自动换刀系统的一个变通方案，是用一个双手爪自动换刀机构代替装在主轴箱上的单手爪换刀机构，该双手爪换刀机构可在Y方向相对可回转多轴箱移动以便为装在可回转多轴箱上的多种多个工作装置服务。该自动换刀机构可在切削加工的同时执行换刀程序，切削到切削的换刀耗时可减到2秒以下，这使旋转刀具主轴、固定刀具座或其它加工装置每种的数量可以减少，使可回转多轴箱的尺寸可以缩短。如每种加工装置的数量减到只用一个，则形成下列的模式利用装有多种工作装置的刀架及其可回转多轴箱相对于工件主轴沿X轴、Y轴的移动和可回转多轴箱的回转以实现不同工作装置和加工类形的变换，利用双手爪快速换刀机构实现同一加工类型中刀具或工具的更换。
如每种加工装置只有一个，并把刀具主轴和所有加工装置都安置在一个垂直于B轴的平面内，则上述可回转多轴箱实际上变成一个转塔。用这种装有刀具主轴和多种不同类型加工装置的转塔来代替专利US4785525和EP0500104A2所述机床的装有单一刀具主轴的主轴箱，可使该机床的复合加工能力进一步扩大，性能进一步提高。
本发明的优点是能在工件的一次装夹中自动进行车、刨、插、铣、镗、钻、铰、攻、磨、滚齿、剃齿、绗磨、插齿、刨齿、淬火、电火花加工、线切割加工、测量等，所有刀具、工具都可自动安装、调整或更换，所有加工参数都可由程序控制，从而实现任意复杂程度的多品种单件或中小批量工件的自动化加工。这样的一台机床相当于一条FMS，从而大大降低了自动制造系统的成本。
下面结合附图和实例对本发明进行进一步的说明。
图1是装有单手爪换刀系统的复合加工中心正视图和俯视图。
图2是上述复合加工中心的左剖视图。
图3是上述复合加工中心使用情况示意图。
图4是多用途机械手结构及使用情况说明。
图5是插齿装置结构图。
图6是采用转塔的复合加工中心的正视图和右剖视图。
图7是有多种加工装置的转塔的内部结构图。
图8是用本发明改进专利US4785525所述的复合加工机床的示意图。
图1、2说明了一种复合加工中心整体布局，图中左右墙(1)，(2)由前后构件(3)，(4)连成一个床身整体，左右墙顶部各铺设一条X向滚珠导轨(5)，(6)，并装有由X轴伺服电机(7)驱动的滚珠丝杠(8)，横梁(9)两端底部固定有滚珠滑块及滚珠螺母，因此能在X向滚珠导轨(5)(6)上滑动并受滚珠丝杠及X轴伺服电机控制。横梁顶部装有Y向导轨(10)，滚珠丝杠(11)和Y轴伺服电机(12)，滑块(13)以其底部的滚珠滑块在导轨(10)上沿Y向滑动并受Y轴伺服电机(12)及其滚珠丝杠(11)控制。
(16)是工件主轴箱，其中装有工件主轴(17)，其外部对轴线平行地装有Z向滚珠导轨(18)，滚珠丝杠(19)和Z轴伺服电机(20)，滚珠滑块(21)铅垂地固定在滑块(13)的前面，因而主轴箱(16)能沿Z轴上下滑动并受Z轴伺服电机及滚珠丝杠(19)的控制。
工件主轴(17)由主电机(23)驱动。主轴(17)既能大功率高速转动以进行车削加工，也能在C轴伺服系统控制下进行精密分度或同步回转。
工件主轴(17)下端装有一个卡盘自动抓取装置，用于自动更换卡盘。左右机架的中部设有窗口(24)，一条传送带(25)从窗口和前后构件(3)，(4)之间的空间穿过，并在床身后部闭合形成一个环路。传送带上可以放置备换动力卡盘(26)，无动力卡盘(27)，刀具库(28)，加工完成的工件(29)等。
工件主轴利用其所抓取的动力卡盘，能直接从传送带上拾取毛坯进行加工，或把加工好的工件卸到传送带上送出。也可通过卡盘翻转机构(31)，抓取传送带上预先装夹有工件的卡盘进行加工，(30)是卡盘夹紧驱动机构，用于实现工件第二端的加工。
在左右墙(1)(2)内壁之间，装有一个可回转多轴箱(32)，其回转轴B轴对Y轴平行，该可回转多轴箱由B轴伺服机构(33)驱动回转，并由夹紧机构夹紧。在可回转多轴箱的四个棱面上和机架的其它部位，装有多种刀具，切削装置和工作装置，如径向固定刀具，轴向固定刀具，旋转刀具，大砂轮磨头，小砂轮磨头，激光加工装置，工件测量装置，插齿装置，伞齿轮刨齿装置等，并利用工件主轴相对于工具框架在X，Y轴的移动及可回转多轴箱的回转实现刀具和加工类型的自动更换。
(35)是一排轴向固定刀座，装在床身构件(3)上，主要用于安装内孔车刀，钻头，绞刀，丝攻，板牙，内孔珩磨头，内孔压光刀等，以车床方式加工工件内孔。
除了一般的车削加工外，利用C-X轴插补，可以车削内圆凸轮，利用C-Z轴插补，可以车削曲线油槽，利用C-X-Z轴插补，可车削内孔锥螺纹，变距螺纹，及铲车板牙。
刀座(35)上还可安装插刀以插削内孔键槽等，利用C轴分度，可加工花键孔或内齿轮。
(36)是一排径向固定刀座，装在床身构件(3)上，主要用于安装外圆车刀，滚花刀，压光刀，外圆珩磨工具等，以车床方式加工工件外圆或端面。它们沿Y轴排成一行，X向为径向进刀方向。
除了一般的车削加工外，利用C-Z轴插补，可以车削轴向凸轮，利用C-X轴插补，可以车削径向凸轮，或铲车铣刀，利用C-X-Z轴插补，可车削外锥螺纹，变距螺纹，及铲车丝攻或滚刀。
刀座(36)上也可安装刨刀，除一般的刨削加工外，利用C轴分度，可加工花键、齿轮，或任意分度工件，如安装刻线刀可进行圆或直线刻线。利用C-X或X-Y插补，可刨削母线对Z轴平行的任意曲面。利用Z-X-Y或Z-X-C插补，可刨削斜面或曲面；如安装直边齿形刨刀或齿条形梳刀并利用C-Z-Y插补可进行斜齿或人字齿轮的展成法加工。
(37)是刀具主轴，主要用于安装端铣刀，指形铣刀，盘形铣刀，各型钻头，镗刀，绞刀，丝攻等旋转刀具，以钻铣镗床的方式进行加工。
刀具主轴在每个棱面上靠逆时针方向的边缘安装，目的是使这些刀具以对工件轴线平行转到对工件轴线垂直地进行加工时工件主轴的悬伸量比较小。
利用B轴伺服机构(33)控制多轴箱(32)的回转角度，所有旋转刀具可以以任意角度对工件进行加工。
所有刀具主轴经传动系统由电机(34)驱动，传动系统中，或电机(34)上，或至少一个刀具主轴上装有一个R轴码盘，用于确定旋转刀具的角位置。码盘的信号送到控制系统可实现旋转刀具与工件主轴(C轴)的定比例同步回转，以便安装滚齿刀加工直、斜齿轮，蜗轮，花键轴等。
R轴码盘的信号也可用于控制电机(34)，以实现所有旋转刀具的的角度伺服控制，从而便于旋转刀具自动测量和自动刃磨。
在刀具主轴上也可安装中等直径的砂轮以进行成型磨削、齿轮磨削等。还可以安装剃齿刀或珩磨轮进行齿轮的剃齿或珩磨加工。
多把旋转刀具使本加工中心具有一台5坐标5面钻铣加工中心的全部功能，此外，利用第二卡盘及工件主轴自动更换卡盘的功能，本加工中心还能加工第6面；(38)是两个大砂轮磨头。主要用于常用外圆和平面的磨削。它们和装在刀具主轴中的成型砂轮一起，使本加工中心除具有一般外圆磨床，平面磨床的功能以外，利用B，Z，X三轴控制，可以一次磨削多个圆柱圆锥面，利用C-X插补，可以磨削外径向凸轮，利用C-Z-Y插补，可以磨削外螺纹，外锥度螺纹，变距螺纹，或铲磨丝攻、滚刀，利用X，Y，Z，C四轴控制，可以以各种角度磨削平面，曲面。用装在工件主轴箱下端的砂轮修整器，利用Z-X插补对砂轮进行直线，斜线或曲线修整，从而能磨削更复杂的型面。本加工中心的磨削功能相当于5坐标磨削中心，能在一次装夹中进行高位置精度的5面磨削，如利用第二卡盘装夹已加工端则可完成第六面加工。
大砂轮磨头的主轴内也装有自动装刀机构以实现大砂轮的自动更换，为使机械手能抓取大砂轮，砂轮外固定盘上应制有夹持部，或制有夹持孔。
(39)是两个高速小砂轮磨头。
除一般内圆磨床的功能外，利用A，Z，X三轴控制可一次磨削同轴的多个圆柱圆锥面，利用C-X插补可以磨削内径向凸轮，利用C-Y-Z插补，可以磨削内螺纹，内锥度螺纹，变距螺纹，或铲磨板牙，利用X，Y，Z，C四轴控制，可以以各种角度磨削孔内或槽内的平面，曲面，以及进行坐标孔的行星磨削和坐标曲线的磨削。
为自动更换小砂轮，小砂轮应安装在可换刀柄上，该刀柄和可换旋转刀具的刀柄相同或较小。小砂轮磨头的主轴内也装有自动装刀机构。
(40)是激光发射头，主要用于激光淬火，也可用于打孔，切割，雕刻，打标等多种用途。激光束由激光器(41)产生，并经反射镜组或光纤引到激光发射头聚焦射出。
更换不同的激光发射头和改变激光束的特性、功率，并利用X，Y，Z，A，C五轴控制，可以在工件任意表面进行淬火、焊接、打孔、切割、雕刻、打标、刻线等多种加工。
为了自动更换激光发射头，激光发射头上应制有与刀具相似的柄部，但该柄部较短，拉钉部较粗，中心制有通孔以便激光束通过。它的安装座中也装有自动装刀机构，但其拉杆及释放油缸的推杆直径较大，其中制有通孔，以便激光束通过。
低成本的复合加工中心也可采用火焰喷头代替激光发射头。火焰喷头上除有火焰喷嘴外，还带有电子点火装置，燃气和氧气经管路由电磁气阀控制。这样火焰的状态以及点燃，熄灭均可由程序控制。喷头上还装有冷却液喷咀，以对已加热的表面进行淬火。利用X，Y，Z，A，C五轴控制，不但可对工件各种型面进行淬火，还可进行曲线切割、焊接。
(42)是一个插齿头，该插齿头能由程序控制自动调整切削行程、速度，插齿刀起终点位置等，并能自动换插齿刀，从而能一次完成一个工件上不同参数的几个齿面的加工。
(43)是一个伞齿轮刨齿头，该刨齿头能由程序控制自动调整齿角，刨刀切削行程及起点位置，并能自动换刀。这样加工中和加工前所有的工作，完全可由电脑控制并完成。使单件直齿伞齿轮的快速自动加工成为可能。
(44)是工件测量头，由于安装在可回转多箱上，可以以不同角度对工件进行测量。为减少多轴箱的回转误差对测量精度的影响，采用Y向为测量方向。
图3说明上述复合加工中心所能进行的各种加工状态。
图3a.说明利用外圆车刀或刨刀进行车削或刨削的状态。
图3b.说明利用插刀或内孔车刀进行内孔插削或车削的状态。
图3c.说明利用指形旋转刀具进行铣、钻、镗、攻丝加工的状态。
图3d.说明利用盘形铣刀进行铣削加工的状态。
图3c.说明利用大砂轮和小砂轮进行外圆或内孔磨削的状态。
图3f.说明利用小砂轮磨削凸轮的加工状态。
图3g.说明利用旋转刀具主轴安装滚齿刀滚削齿轮的状态。
图3h.说明利用插齿头安装插齿刀加工多联齿轮的状态。
图3i.说明利用直齿伞齿轮刨齿头刨削伞齿轮的状态。
图3j.说明利用铣齿刀盘加工弧齿伞齿轮的状态。
图3k.说明利用锥型砂轮展成法磨削齿轮的状态。
图3l.说明利用成型砂轮磨削螺纹的状态。
图3m.说明利用反射型激光发射头(40)加工工件内孔，用直射型激光发射头(45)加工工件外表面的状态。
图3n.说明利用感应线圈(46)对工件进行淬火的状态。
图3p.说明利用电加工成形电极(47)对工件型腔进行加工的状态。
图3q.说明利用内孔线切割装置(48)加工工件内孔花键的状态。
图3r.说明利用工件测量头测量工件表面尺寸的情况。
为实现多种工作装置的自动换刀，除放在传送带上的小刀库(28)外，机床上还配置了一个大容量的刀库(49)，又在主轴箱前侧安装了能自动更换工具的机械手(50)，本机械手除能自动安装不同的换刀手爪(51)进行自动换刀外，还可安装刀具测量头，砂轮修整器，摄象头等多种工具进行工作。小刀库(28)主要用于与车间的刀具管理系统发生联系。
图4中，机械手(50)通过对Z轴平行的导轨付安装在主轴箱(16)的前侧，并由伺服电机(52)及滚珠丝杠(53)控制上下移动，(54)是夹紧机构，用于消除上述导轨的间隙，以保证工件测量或修整砂轮的精度。机械手下端，装有一个工具自动抓取机构，它由抓取元件(55)，拉杆(56)，碟形弹簧组(57)，释放油缸(58)组成，利用该自动抓取机构，本机械手能使用不同的工具进行工作，如不同的换刀手爪(51)，换刀手指(59)，刀具测量头(60)，砂轮修整器(61)，摄象头(62)等。
与一般抓刀机构不同之处是拉杆(56)和油缸(58)的活塞中心制有通孔，一个油缸(63)的推杆(64)从中通过，用于控制换刀手爪(51)的开合。换刀手爪(51)带有与其它可换工具外部尺寸相同的接柄(65)，但其中装有予压缩的碟形弹簧(66)，(66)的弹力通过拉杆(67)使左右手爪(68)同步动作夹紧刀柄。而当油缸(63)动作时，油缸推杆(64)把拉杆(67)向下推，压缩弹簧(66)，并使左右手爪同步张开，放开所抓的刀具。
换刀手指(59)主要用于抓取那种无法从外部夹持的刀具，它由柄部，外套(69)，钢球(70)，推杆(71)，弹簧(72)等构成，平时，推杆在弹簧(73)作用下退向上端，钢球缩回外套内，此时手指能自由出入刀具上的夹持孔，当油缸(63)动作时，油缸推杆(64)把推杆(71)向下推，使钢球(70)的分布直径变大，并卡入刀具夹持孔中的凹槽，使手指紧紧抓住所抓的刀具。外套(69)的截面为矩形或其它非圆形以防止所抓取的工具转动。拧下螺母(74)即可更换不同尺寸和截面的外套。外套(69)及钢球(70)也可用一个弹簧胀套(75)代替，当推杆(71)向下移动时，弹簧胀套(75)将胀开而夹住所抓的工具。
测量头(60)的测量信号及摄象头(62)的视频信号可通过与机械手(50)之间的电信号插接口，或通过内装的红外或高频发射装置与机床控制系统联系。后两者将更简便而可靠。
可由机械手(50)抓取的备用工具尾朝上地放在一个工具库(76)上，为防止备用工具尾部落灰，在平时有一个盖子(77)盖在工具库(76)上，当需要更换工具时，机械手(50)将碰动推杆(78)，此杆通过拨叉(79)和偏心销(80)使盖子(77)绕轴(81)转动而打开。但只要机械手离开，一个弹簧(82)就把盖子(77)重新盖到工具库上。
(83)是测量头校正块，它可固定在工具框架的任意位置，它有5个基准面，可以在X，Y，Z三个方向校正测量头的安装误差和测杆变形引起的误差。对于球形触头，5个基准面是平面，并分别对X，Y，Z轴垂直。对立方形触头，5个基准面是球面。
图4右下角说明了机械手(50)的不同工作状态，从左到右为1，机械手从工具库(76)中换取换刀手爪，2，机械手正在换刀，3，用刀具测量头(60)测量刀具，4，用砂轮修整器(61)修整砂轮。
图5是自动插齿头的结构图。插齿头的分度转盘(141)通过轴承(142)(143)安装在壳体(140)中，(141)通过蜗轮(144)蜗杆(145)由S轴伺服机构(146)驱动回转。滑柱(147)下端装有一个可预紧的滚珠花键套(148)，与分转台中心的滚珠花键(149)啮合，实现圆周方向无隙传动，滑柱(147)上端，与壳体(140)中心的台阶孔及导向套(150)形成一个双向右缸，并由密封圈(151)(152)(153)实现上下油腔的封闭。下油腔进油实现工作切削，上油腔进油实现回程，利用上油腔截面积小于下油腔来实现快速回程。滑柱位置由装在后盖(154)中心线上，伸入滑柱孔中的一个Q轴直线位置传感器(155)检测。插齿刀(156)通过可换刀杆(157)固定在滑柱中心锥孔中。刀杆尾部拉钉被滑柱中的一个自动装刀机构抓住并拉紧，需要换刀时，应把滑柱向后运动到超过工作行程的最终位置使装在后盖(154)中心的一个顶杆(158)顶动拉杆(159)，压缩碟形弹簧(160)，把刀杆(157)顶出并释放。换刀时，接头(166)中通入压缩空气以吹净刀具定位面。
为实现让刀运动，壳体(140)通过偏心地装在壳体上的轴承(161)(162)安装在可回转多轴箱(32)或床身上的某固定构件中，短行程油缸(163)和(164)推动壳体(140)作往复摆动，由于插齿刀轴线对壳体摆动轴线的偏心，形成了插齿刀的让刀运动。让刀幅度可由螺杆(165)调整。油缸(164)也可用弹簧代替。
工作时，插齿刀和工件的展成运动由S-C轴联动实现。插齿刀相对工件切削运动的终点位置，切削行程，切削速度均由滑柱油缸和Q轴位置传感器构成的Q轴液压伺服系统控制。插齿刀相对工件的径向进给由X轴控制。此外，利用X-Q轴插补，可加工鼓形齿；利用C-Q插补或S-Q插补，可加工螺旋齿轮；利用S-X-C轴插补，可以加工非圆齿轮；调整可回转多轴箱的角度，可加工小锥角锥齿轮；利用工件主轴箱的Z向运动还可加工特长齿轮。
利用滑柱移动到最后端与顶杆(158)的作用，并利用换刀机械手可实现插齿刀的自动换刀，从而能在一次装夹中完成多个不同齿面或内外齿面的加工。
与已有插齿机床不同之处在于插齿前所有调整工作，如换刀，调整展成滚比，调整插齿螺旋角，调整切削行程，切削终点，切削速度，以及对刀等均不必人工操作，而全由软件控制Q，C，S，X等轴自动完成。并能在一个工件上进行多个不同齿面的加工。
图6是第二实施例，与图1、2所示的第一实施例不同之处是，用一个固定在床身上的双手爪换刀机构代替装在主轴箱上的单手爪换刀机械手，可回转多轴箱较短并能相对床身沿Y轴运动，因而可回转多轴箱上不同轴向位置的所有工作装置都可由该双手抓换刀机构换刀。
图6中，立式床身(170)上部装有水平的X向导轨(171)，以及X向丝杠(173)和X轴伺服电机。十字滑块(174)在导轨(171)上沿X向移动并受X轴伺服电机控制。(175)是工件主轴箱，其中装有工件主轴(176)，(176)下端装有自动抓取卡盘及驱动卡盘夹紧工件的机构，以实现卡盘自动更换。(177)是卡盘。(178)是工件。(179)是驱动工件主轴的电机。在主轴箱内还装有C轴控制系统以对主轴进行精密分度。工件主轴箱外部有对主轴轴线平行的Z向导轨，可在十字滑块(174)前面的对X轴导轨垂直的导轨面上沿Z轴上下滑动并受Z轴伺服电机(180)及Z向丝杠(181)控制。床身中部制有对X轴和Z轴垂直的通孔状导轨，一个滑柱(185)在其中无隙地沿Y向滑动，并受到Y轴伺服电机(186)和Y轴丝杠(187)控制。滑柱(185)前部装有可回转多轴箱(188)，该可回转多轴箱能在滑柱上绕平行于Y轴的B轴任意回转，并装有既能把可回转多轴箱以一定角度间隔，又能把它以任意角度锁定在滑柱上的机构。可回转多轴箱上除装有旋转刀具主轴(190)外，还可安装图1、2中可回转多轴箱(32)上所安装的多种工作装置，如插齿装置(191)，固定刀具座(189)以及其它，但每种工作装置只安装一个，使该可回转多轴箱轴向较短。在床身的后部装有功率激光器(194)，它发出的激光束经光纤或由一系列反射镜(193)构成的光路引到激光发射头(192)射出，以对工件进行加工。在可回转多轴箱的右侧装有一个链式刀库(197)，一个双手爪换刀机构(195)(196)用于把可回转多轴箱(188)工作装置上的刀具与刀库(197)上的某一把刀具快速交换。床身左侧有一个传送带(198)，用于存储和传送工件毛坯、工件成品、空的或装夹有工件的卡盘等。(199)是一个卡盘翻转机构，用于把传送带上的卡盘翻转180度，交工件主轴抓取，或把工件主轴上卸下的卡盘翻转180度放到传送带上送出，(184)是卡盘夹紧驱动机构，用于实现工件第二端的加工。
如在上述可回转多轴箱(188)上的工作装置中选择最常用者留下，并把这些工作装置都安置在一个垂直于B轴的平面内，则上述可回转多轴箱实际上变为一个转塔，结构更轻更小，以至适合于取代日本TSUGAMI公司专利US4785525和EP0500104A2所述机床的可绕B轴回转的刀具主轴箱。
图7A说明所述转塔的内部结构。
转塔(200)具有正四棱柱外形，旋转刀具主轴(201)，固定刀具座(202)，插齿装置(203)三者相隔90度地装在四棱柱的三个棱面上，而且位于垂直于转塔回转轴B轴的同一平面内。
刀具主轴(201)上直接装有主轴电机(205)，(206)是水冷槽，用于冷却电机主轴后端装有码盘(207)，用于实现工件主轴对刀具主轴的等比同步运转，以便用滚齿刀滚齿。主轴(201)内装有由抓刀元件(208)，拉杆(209)，蝶形弹簧组(210)构成的自动装卸刀机构，主轴后还装有一个卸刀油缸(211)。
主轴电机直接驱动减小了齿轮传动所引起的振动和精度损失，因此本刀具主轴上除能安装各种旋转刀具之外，也可安装不同直径的砂轮进行精密磨削。
固定刀具座(202)内装有类似的装卸刀机构，其后端也有一个卸刀油缸(213)，但拉杆(214)较粗，内孔也较大，以便安置激光通道(215)。按同一理由，该刀具座上安装的激光发射头或其它刀具或工具的柄部较短，拉钉直径也较大。刀具座与转塔体(200)之间隔有绝缘层(216)，并有电缆把刀具座与电源连通以便向电加工装置提供电流。刀具座锥孔中制有流体通道(217)，以便在工作时向刀具或工具提供气体或工作液。
某些成型刀具如齿条状刨齿刀(220)要求较高的安装精度，为保证这一精度，在刀座(202)的上端面制有鼠齿盘(218)，刀具(220)换刀夹持部的的底面也制有鼠齿盘，当(220)的刀柄被装卸刀机构拉紧时，一对鼠齿盘紧密啮合，保证刀具有高的定位精度和刚性。在鼠齿盘(218)上还装有定位键，与便安装以键槽定位的普通刀具如(221)。
图7B是固定刀具座上所能安装的刀具和工具。(221)是内孔车刀，(222)是工件测量头，它通过接口(223)与机床控制系统联接。(223)可以是一个电气插接头，也可以是一个感应耦合装置。(224)是电加工电极，电极上的工作液喷孔与刀具座(202)中的流体通道相通。(230)是反射型激光发射头，用于加工工件内孔表面。也可换用直射型激光发射头，以加工工件外表面。
插齿装置(203)与图5所介绍的相似。不同之处是通过滚珠花键(240)与滑柱(241)联接的是一个精密分度斜齿轮(242)，伺服电机(243)上的直齿轮(244)同时通过两个双联齿轮(245)与斜齿轮(242)啮合，其中一个双联齿轮(245)带有轴向加载机构(246)，以实现从电机(243)到分度斜齿轮(242)的无隙传动。
图7C说明为用双手爪机械手实现转塔上所有刀具或工具的自动换刀，三种工作装置所装刀具或工具的轴线应以同一方向与绕B轴回转的同一个圆相切，同时三种工作装置所装刀具或工具的夹持部到B轴的垂直距离在换刀时应相等，即A1＝A2＝A3。
图8是本发明的第三实施例。该图与专利US4785525说明书的附图1很相似，不同之处在于后者的装在B轴端部的可回转主轴箱用图7所示的装有多种工作装置的转塔代替，这一改进使这种复合加工机床进一步具有内齿轮或台阶齿轮插齿，磨前淬火，电加工等能力，并使车削加工具有更好的刚性，工件测量具有更高的精度。图中(250)是床身，(251)是滑台，它能在床身上部的Z向导轨上滑动。(252)是床头箱，(253)是工件主轴，(254)是尾架，它所安装的顶尖和工件主轴同轴。(255)是床身后部的X向导轨，(256)是可在X向导轨上移动的滑座，(257)是一个滑柱，它能沿对X导轨和Z导轨都垂直的Y向在滑座(256)孔中滑动。(258)是一个转塔。(259)是一个双手爪换刀机构。(260)是一个链式刀库。
用于本实施例的转塔，由于能沿Y轴相对自动换刀机构移动，所以其上工作装置也可安置在垂直于B轴的相距较近的几个平面内，即所有工作装置所装刀具或工具的轴线以同一方向与绕B轴回转的同一个短圆柱相切即可。
图6所示的复合加工中心为本发明最佳实施例。
权利要求
1.一种能在一次装夹中完成一个工件的车、铣、钻、攻、磨、滚齿、插齿、淬火、电加工、线切割等加工的方法，是在可沿X、Y、Z轴相对工件主轴移动的刀架及其可绕B轴回转的多轴箱上装有车、铣、钻、磨插齿、刨齿、淬火、电加工、线切割等多种类型的工作装置，其特征在于通过刀架相对工件主轴在X、Y向的移动和可回转多轴箱的回转来实现工作装置的自动更换，通过在所有工作装置上安装自动装卸刀机构并利用自动换刀机构和刀库来实现每种工作装置所用刀具、工具的自动更换。
2.一种实施权利要求1所述方法的复合加工中心由床身、装有用于夹持工件的既可高速回转，又可作精密分度回转的工件主轴的床头箱、安装刀具座和工作装置的刀架、使所述刀架相对所述床头箱沿平行于工件主轴中心线的Z轴，和垂直于Z轴并相互垂直的X轴和Y轴移动的导轨副和伺服控制机构所构成，所述刀架上还装有可回转主轴箱，该可回转主轴箱的回转轴线是平行于Y轴的B轴，其中装有轴线垂直于B轴的刀具主轴，该可回转主轴箱由分度伺服机构驱动回转，由锁定机构既能以一定角度间隔又能以任意角度锁定在所述刀架上，其特征在于所述可回转主轴箱上和刀架上还装有多种，至少一种下列的工作装置A，固定刀具座，B，插齿装置，C，伞齿轮刨齿装置，D，淬火装置，E，电脉冲或电解加工装置，F，线切割装置，G，上下料机械手，H，其它。上述包括刀具主轴在内的所有工作装置都装有自动装卸刀机构，能自动安装或卸开所装的刀具、工具，所有能被上述工作装置安装的刀具、工具都有与工作装置吻合的柄部和拉钉，并有能被换刀机构夹持的夹持部或夹持孔。机床还配有放置多种刀具和工具的刀库，和自动换刀机构，后者能为刀架及其可回转主轴箱上包括刀具主轴在内的所有工作装置服务，并能把其上所装刀具或工具与刀库中的刀具或工具更换。
3.按权利要求2所述之复合加工中心，其特征在于所述可回转主轴箱平行于回转轴的每个棱面上沿回转轴线安置有多种，每种工作装置至少有一个，从而形成一个轴向较长的可回转多轴箱(32)，其上包含至少一排刀具主轴，(32)上或刀架上还有至少一排固定刀具座，自动换刀机构是一个安装在工件主轴箱外侧，并能由伺服机构控制沿工件主轴轴线移动的一个单手爪换刀机械手。
4.按权利要求2或3所述之复合加工中心，其特征在于所述单手爪换刀机械手由一个双手爪自动换刀机构代替，该双手爪换刀机构可相对于可回转多轴箱作Y向移动，以便为装在可回转多轴箱(32)或(188)上的多种多个工作装置服务。
5.按权利要求2所述之复合加工中心，其特征在于所述可回转多轴箱是一个转塔，其上每种工作装置的数量只有一个，所有工作装置所装刀具或工具的轴线以同一方向与绕B轴回转的一个短圆柱相切，所有工作装置所装刀具或工具的夹持部到B轴的垂直距离在换刀时相等，所述自动换刀机构为双手爪换刀机构。
6.按权利要求2或3所述之复合加工中心，其特征在于所述单手爪换刀机械手(50)中装有由抓取元件(55)，拉杆(56)，碟形弹簧组(57)，释放油缸(58)组成自动工具抓取机构和换刀手爪驱动机构，后者是一个油缸(244)，其推杆(245)从自动工具抓取机构的拉杆(236)和释放缸(238)的中孔中通过。从而能自动抓取不同的换刀手爪、换刀手指或其它工具进行工作，所述换刀手爪(51)带有与其它可换工具外部尺寸相同的接柄(65)，(65)中装有予压缩并能被油缸(63)的推杆(64)继续压缩的的碟形弹簧66)，(66)的弹力通过拉杆(67)使左右手爪(68)同步闭合。
7.按权利要求2、3和6所述之复合加工中心，其特征在于所述能被机械手(50)自动抓取的换刀手指由柄部，外套(69)，钢球(70)，推杆(71)，弹簧(72)等构成，外套(69)的截面为矩形或其它非圆形。外套(69)及钢球(70)也可用一个弹簧胀套(75)代替。
8.按权利要求2、3和6所述之复合加工中心，其特征在于所述机械手(50)还能自动抓取下列之一的工具进行工作A，刀具测量头，B，砂轮修整器，C，摄象头。
9.按权利要求2-5所述之复合加工中心，其特征在于所述插齿装置中装有驱动滑柱往复运动的双作用油缸或直线电机，并装有一个直线位置传感器(155)，它装在后盖(154)中心并伸入滑柱(147)后端孔中。
10.按权利要求2-5所述之复合加工中心，其特征在于所述插齿装置中用于自动卸刀的机构是装在后盖中心并伸入滑柱(147)后端孔中的一个卸刀顶杆(158)。
11.按权利要求2所述之复合加工中心，其特征在于一种可安装多种刀具、工具的固定刀具座(202)上装有下列之一的附属机构A，在刀座的上端面制有鼠齿盘，并在鼠齿盘的缺口上装有定位键，B，一个通向激光器(194)的激光通道(215)从装卸刀机构拉杆(214)的孔中穿过。C，一个用于把刀具座与转塔体绝缘的绝缘层(216)，及把刀具座与电源连通的电缆，D，一个电信号接口(227)，E，用于向所装刀具、工具供应流体的流体通过(217)，F，以上各项的任意组合。
12.按权利要求2所述之复合加工中心，其特征在于所述淬火装置为下列之一A，激光发射装置，它由功率激光器(41)，激光通道(215)，可换的激光发射头(40)或(45)所构成，B，感应淬火装置，它由高频或中频电源，电缆和可换的感应淬火线圈(46)所构成，C，火焰加热装置，可换的火焰喷头上除有火焰喷嘴外，还带有电子点火装置，和控制燃气和氧气流量的电磁气阀，火焰的状态以及点燃，熄灭均可由程序控制，喷头上还装有冷却液喷咀，以对已加热的表面进行淬火。
13.按权利要求2及以下各项所述之机床或加工中心，其特征在于可沿Z，X，Y向在床身上移动的主轴箱，铅垂向下，有C轴控制，装有卡盘抓取和驱动机构的工件主轴，一条闭合的传送带穿过主轴箱活动区，装有卡盘翻转机构，床身及其间的可绕B轴回转的可回转多轴箱上装有旋转刀具主轴、插齿装置、伞齿轮刨齿装置、磨削装置、激光淬火或加工装置、电加工电极、线切割装置、测量装置等多种工作装置的部分或全部，所有工作装置有自动装卸刀机构，所有工、刀具有可换接柄，主轴箱上装有可自动更换工具的机械手，可自动安装换刀手爪、刀具测量头、砂轮修整器、摄象机等工具进行工作，装有刀具库，插齿装置和伞齿轮刨齿装置能自动调整及换刀。
14.按权利要求2及以下各项所述之机床或加工中心，其特征在于主轴铅垂向下的工件主轴箱通过导轨在十字滑板上沿Z向滑动，十字滑板可在直立式床身上部的X向导轨上滑动，一个滑柱在床身中部的通孔中沿Y轴滑动，滑柱外端有可绕B轴回转，并可锁定在滑柱上的较短的可回转多轴箱，可回转多轴箱上除刀具主轴外还装有多种其它工作装置，如插齿装置、激光加工装置等，所有工作装置都装有自动装卸刀机构，它们所装刀具或工具的轴线都以同一方向与绕B轴回转的一个短圆柱相切，从而可借助同一个双手爪自动换刀机构从链式刀库中更换刀具或工具，一条闭合的传送带经过工件主轴X行程的一端，铅垂向下，有C轴控制，装有卡盘抓取和驱动机构的工件主轴通过卡盘翻转机构可从传送带上抓取空的或预装有工件的卡盘，或直接从传送带上拾取工件毛坯。
15.按权利要求2及以下各项所述之机床或加工中心，其特征在于一个滑台上同轴地装有主轴箱和尾架，主轴箱中装有工件主轴和工件主轴的C轴控制机构，滑台可在床身的导轨上沿平行于主轴轴线的Z向滑动，一个滑座可在床身的垂直于Z向的X向导轨上滑动，一个滑柱可在滑座中沿Y向滑动，一个转塔可在滑柱外端绕平行于Y轴的B轴回转，并可以任意角度锁定在滑柱上，转塔内除刀具主轴外还装有多种其它工作装置，如插齿装置、激光加工装置等，所有工作装置都装有自动装刀机构，它们所装刀具或工具的轴线都以同一方向与绕B轴回转的同一个圆相切，从而可借助一个双手爪自动换刀机构从链式刀库中更换刀具或工具。
全文摘要
一种复合加工中心具有可绕B轴回转的可回转多轴箱或转塔，其上除有旋转刀具主轴外，还装有固定刀具座、插齿装置、激光加工装置、电加工装置等多种类型的工作装置，刀具主轴和所有工作装置所装的刀具、工具能由一个自动换刀机械手与一个刀库中的刀具、工具进行更换。因而能在一次上下料中自动完成一个复杂机械零件的车、钻、铣、磨、滚齿、插齿、激光加工、淬火、电火花加工等全部或部分加工。
文档编号B23Q41/00GK1161267SQ9611255
公开日1997年10月8日 申请日期1996年9月12日 优先权日1996年9月12日
发明者邵文远 申请人:邵文远