一种多维数控高速钻床的制作方法

本发明涉及异形工件加工设备领域，特别涉及一种多维数控高速钻床。

背景技术：

随着钢结构制造水平的不断发展，管塔以其更高的刚性和稳定性逐步取代角钢塔，但在管塔的实际使用中，其制造精度难以控制和成品不便运输的缺点也逐渐暴露，在此情况下，管塔生产厂家开始思索使用如图1所示的异形拼装式结构以改进其缺点，同时期望使用自动化设备以提高拼装管塔的制造精度。

如图1所示的异形拼装式结构极大促进了管塔技术的发展，但由于其形状的特殊性，也对自动化设备制造行业提出了更高的要求。如图1所示的异形拼装件共有两个长边和两个短边，四边都要求制孔，两长边件夹角为θ（θ非0°、非90°），且工件前后端长边不相同，即由前后端对应长边、折边、中心线构成的形状为梯形，且梯形上、下边尺寸可随时变化，故短边所在平面可在长边构成平面中任意旋转角度。

目前数控钻床主要以针对平板类加工的平面钻床和针对h型钢加工的三维钻床为主，显然不适合加工此类工件。

在这种情况下，针对如图1所示的异形工件进行加工的多维数控高速钻床成为一个亟需研发的课题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是，克服背景技术的不足，提供一种结构合理，稳定性强，转速高，功能多样，针对多维异形工件进行加工的多维数控高速钻床。

本发明的多维数控高速钻床采用工件固定，龙门架移动的方式，多维异形工件采用支撑夹具和锁紧夹具共同固定在床身上，龙门架通过两条平铺式床腿跨立在床身上并可沿工件长度方向移动，龙门架上侧挂四个动力头，其动力头各垂直于多维异形工件的一边，同时垂直于短边的两个动力头还可随短边位置的改变转动角度。

本发明的技术方案为：

一种多维数控高速钻床，包括床身1100，所述床身1100上设置有若干支撑夹具100和若干锁紧夹具200，所述支撑夹具100与锁紧夹具200间隔排列；所述床身1100上跨设有可沿床身来回移动的龙门架800，所述龙门架800上设有若干动力头，各动力头的加工面位于同一平面且分别与异形工件的各边垂直。

作为优选方案，所述龙门架800包括一根横梁801以及用来支撑横梁的两根立柱802；部分动力头通过轨道与横梁801滑动连接，设置于横梁801上的动力头上设有辅助压料机构300；部分动力头通过轨道与立柱802滑动连接，设置于立柱802上的动力头与立柱802上的轨道之间设有动力头角度调整机构400；横梁801或立柱802上的轨道与动力头一一对应，各轨道与其对应的动力头垂直。

作为优选方案，所述支撑夹具100包括支撑架体101，所述支撑架体101的上端呈倒“v”形，所述支撑架体101上端倒“v”形两边均设有安装面，所述安装面上可拆卸安装有若干用于支撑及吸附工件的电磁吸盘102，所述支撑架体101上端倒“v”形顶角处安装有用于确定工件中心线的支撑块103；所述锁紧夹具200包括锁紧架体201，所述锁紧架体201的上端呈倒“v”形，所述锁紧架体201上端倒“v”形两边均设有安装面；所述锁紧架体201上端倒“v”形顶角处安装有用于确定工件中心线的支撑块209；所述锁紧架体201两边的安装面上均滑动连接有滑架207，所述锁紧架体201上设置有用于推动滑架207滑动的第一动力机构，所述第一动力机构的动力输出轴与滑架207连接；所述滑架207端部固定设置有推料爪206；所述滑架207下表面滑动连接有滑板203，所述滑架207的下表面固定设置有用于推动滑板203滑动的第二动力机构，所述第二动力机构的动力输出轴与滑板203连接；所述滑板203的端部固定设置拉紧爪205。

进一步地，所述支撑架体101和锁紧架体201上端的倒“v”形与异形工件的内部夹角对应；所述第一动力机构包括动力源和通过换向器210与动力源相接的滚珠丝杠副208，所述滚珠丝杠副208连接滑架207；所述第二动力机构为液压油缸204，所述液压油缸204本体固定于滑架207的下表面，所述液压油缸204的活塞轴固定连接滑板203。

作为优选方案，所述辅助压料机构包括固定设置于动力头的抱枕301上并跨立于动力头303的桥架304，所述桥架304内侧壁滑动连接有执行压料动作的压料架302，所述压料架302上设有与主轴同轴的半圆开槽；所述桥架304内侧壁固定设有为压料架302移动提供动力的第三动力机构，所述第三动力机构的动力输出轴与压料架302相接。

进一步地，所述桥架304的左右内侧壁各设置至少两条直线导轨305，与直线导轨305配合的滑块与压料架302固定连接；所述第三动力机构为液压油缸303，液压油缸303的活塞杆与压料架302铰接。

作为优选方案，所述动力头角度调节机构400包括定位滑座404，所述定位滑座404上固定设置有第四动力机构、弧形导轨405和弧形导轨旋转圆心的锁定装置，所述第四动力机构上安装有传动齿轮401；与所述弧形导轨405配合的滑块固定连接进给滑板402，动力头固定于所述进给滑板402的上表面，所述进给滑板402的下表面固定设置有与弧形导轨405同心的半齿圈407，所述进给滑板402与弧形导轨旋转圆心的锁定装置连接；所述半齿圈407与传动齿轮401啮合。

进一步地，所述弧形导轨旋转圆心的锁定装置为与弧形导轨405同心的转轴装置403或与弧形导轨405同心的其他弧形导轨；所述定位滑座404上还设有锁紧装置406；所述半齿圈407外侧设置有齿牙，内侧设有凸台；所述半齿圈407外侧的齿牙与传动齿轮401啮合；所述半齿圈407内侧的凸台与用于锁定动力头位置的锁紧装置406贴合。

作为优选方案，所述床身1100两侧设有平铺式床腿1200，所述龙门架800与平铺式床腿1200滑动连接。

进一步地，所述平铺式床腿1200包括直线滚动导轨1201、传动齿条1202以及为传动齿条提供传输动力的第五动力机构1203。

其中，支撑夹具主要由支撑架体、电磁吸盘、支撑块等组成，支撑架体采用钢板焊接结构，其上端为倒“v”型结构，夹角对应如图1所示的异形工件的内部夹角（顶角），为θ（θ非0°、非90°），倒“v”形两面加工有安装面，其上安装有多个250mm×250mm的方形电磁吸盘，电磁吸盘可根据工件规格调整在安装面的位置。

锁紧夹具主要分为锁紧架体、推料部分及拉紧部分，锁紧架体采用钢板焊接，刚性强，负责负载工件和夹持机构，支撑架上安装有直线滚动导轨，其推料部分通过滑架与直线滚动导轨相联，可沿工件短边垂直方向移动。推料部分滑架上还安装有拉紧部分，可在推料部分顶住如图1所示异形工件两短边内侧后拉紧短边。锁紧夹具部分工作时，首先推料爪和拉紧爪应距离最远，带抱闸电机或液压马达通过换向器连接滚珠丝杠副并推动两侧的滑架，可将推料爪推出，从而在内部将异形工件的短边顶紧，推料爪上还可安装感应开关，感应到顶紧短边后，发讯给控制系统，控制系统控制带抱闸电机或液压马达自动断电并抱死滚珠丝杠副，从而固定推料爪的位置，为拉紧爪提供拉紧基准。在推料爪顶住工件短边后，液压油缸启动，拉动滑板，从而拉紧拉紧爪，进而使拉紧爪夹紧工件短边，从而固定短边位置，防止在加工过程中短边颤动。

支撑夹具部分与锁紧夹具部分在机床上间隔排布，具体个数根据工件长度决定，支撑夹具部分负责负载工件并固定如图1所示的异形工件两长边，锁紧夹具部分负责锁紧如图1所示的异形工件两短边，从而很好的紧固工件，确保加工过程中工件不移动。

辅助压料机构中桥架跨立在动力头上并通过螺栓紧固在抱枕加工面上，这样就可以保证压料方向与主轴轴线保持在同一截面，获得最好的压料效果，同时又不影响动力头钻削工件。桥架内部两侧各加工有直线滚动导轨和液压油缸的安装面，每侧各安装两条直线滚动导轨和一个液压油缸，液压油缸布置在两条直线滚动导轨之间。直线导轨导向，防止偏载。开槽与主轴同轴，从而保证压料轴线与钻孔轴线一致，开槽上安装有可更换压料块以防止磨损影响压料稳定性。

动力头角度调整机构中动力机构带动传动齿轮转动，进而通过半齿圈带动进给滑板以弧形导轨的圆心为圆心沿弧形导轨转动，动力头固定于进给滑板上，因此动力头也随着进给滑板沿着弧形导轨转动；当动力头转至合适的加工角度时，锁定装置将动力头的位置锁定，防止不必要的移动。

本发明的有益效果为：

本发明的多维数控高速钻床采用工件固定，龙门架移动的方式，多维异形工件采用支撑夹具和锁紧夹具共同固定在床身上，龙门架通过两条平铺式床腿跨立在床身上并可沿工件长度方向移动，龙门架上侧挂四个动力头，其动力头各垂直于多维异形工件的一边；其中龙门架横梁上设有两个动力头，两立柱上各设置一个动力头，横梁上的动力头处安装有辅助压料装置，立柱上的动力头上安装有动力头角度调整机构，可随短边位置改变转动角度。

本发明的多维数控高速钻床不仅方便了特殊多维异形工件的加工作业，提高了加工精度，同时为以后的管塔加工行业提高了生产效率，降低了劳动强度，相应的降低了劳动成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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为一种为多维异形工件的结构示意图；

图2为本发明多维数控高速钻床的结构示意图；

图3为本发明本发明多维数控高速钻床中龙门架以及其上动力头安装结构的示意图；

图4为本发明多维数控高速钻床中支撑夹具部分的结构示意图；

图5为本发明多维数控高速钻床中锁紧夹具部分的结构示意图；

图6为图5的部分放大图；

图7为本发明多维数控高速钻床中辅助压料机构的结构示意图；

图8为本发明多维数控高速钻床中动力头角度调整机构的结构示意图；

图9为本发明多维数控高速钻床中床腿的结构示意图。

具体实施方式

以下实施例为用来加工如图1所示多维异形工件所用的多维数控高速钻床；其他多维异形工件可根据工件结构进行调整。

实施例1

如图2、图3、图9所示，一种多维数控高速钻床包括用于锁紧多维异形工件短边的锁紧夹具200、支撑工件并吸附紧固的支撑夹具100、为bt40动力头提供转角功能的转角装置400、用于短边进行钻孔作业的bt40动力头500、安装在bt50动力头500上用于压紧工件的动力头辅助压料机构300、用于对长边进行钻孔作业的bt50动力头600、将废屑收集并送出机床范围的排屑器700、负载动力头的龙门架800（包括负载两个bt50动力头并未机床提供刚性支持的横梁801、负载两个bt40动力头并支撑横梁的立柱802）、检测工件变形以提高加工精度的检测装置900、方便操作机观察加工过程的工作平台1000、负载夹具及工件并提供加工平面基准的床身1100、支撑龙门架并提供纵向行进基础的平铺式床腿1200（包括支撑负载并提供移动导向的直线滚动导轨1201、传递动力的传动齿条1202、提供动力的第五动力机构1203及传动齿轮）。

多维数控高速钻床采用刚性箱体式龙门结构，由于工件截面过大，为提高机床稳定性采用了床腿平铺式结构。

以床身1100为基础，床身1100两侧各放置一件平铺式床腿1200，龙门架800跨过床身1100立在平铺式床腿1200上，并通过直线滚动导轨1201联接，两直线滚动导轨间设有传动齿条1202，通过立柱802上的减速电机带动传动齿轮与之啮合从而驱动龙门架800沿工件纵向移动。其床身1100与床腿1200间还设有排屑器700，用以将废屑收集并送出机床范围。

龙门架800包括一根横梁801以及用来支撑横梁的两根立柱802，龙门架采用拼装式结构，可极大降低加工和运输难度。

横梁801上侧挂有两个在同一截面上且夹角为θ（θ非0°、非90°）的bt50动力头600，两bt50动力头600的抱枕通过直线滚动导轨803连接横梁801；其抱枕式结构具有极强的刚性，尤其适合大直径高速钻孔。两bt50动力头600分别与如图1所示异形工件的两长边垂直；各bt50动力头600对应的导轨与其对应的bt50动力头600垂直，可根据多维异形工件的大小调整bt50动力头600的位置。另外，各bt50动力头600还通过其各自的抱枕安装有辅助压料机构300。辅助压料机构300可在钻孔过程中压紧工件，防止工件颤抖带来精度缺失。

如图7所示，辅助压料机构300中，进行钻孔工序的bt50动力头600采用抱枕式结构，该结构为通用钻铣床常用结构，具有极强的刚性，尤其适合钻削，铣削加工。抱枕301用于负载bt50动力头600和桥架304。抱枕1上还设有用于平衡bt50动力头600重量的平衡油缸306。

桥架304通过螺栓固定设置在抱枕301上，且桥架304跨立于bt50动力头600。桥架304包括一横梁和两支撑面，两支撑面的内侧壁各设有两条直线导轨305，与各直线导轨305配合的滑块均与执行压料动作的压料架302固定连接。压料架302的前端面设有可更换的压料块。压料架302上设有与主轴同轴的半圆开槽；开槽与主轴同轴，从而保证压料轴线与钻孔轴线一致，开槽上安装有可更换压料块以防止磨损影响压料稳定性。

支撑面的内侧壁两直线导轨305之间设有液压油缸303的安装平面，各支撑面上均固定设置一液压油缸303。各液压油缸303的活塞杆均与压料架302铰接。

由于如图1所示的多维异形工件的特殊性，不可能在各加工面垂直方向分别设置压料机构，在发明中，以内部外撑作为主要压料方式，但由于如图1所示的异形工件具有尺寸大，规格多，单边刚性不足的特点，仅在内部进行撑紧是不可行的，其外部又没有足够空间方式固定式夹具，故而在动力头位置安装辅助压料机构是最合适的选择，同时由于动力头采用高速切削，切削抗干扰性差，所以最好将辅助压料机构构建在抱枕上，以获得更强刚性，同时不会干涉动力头切削作业。抱枕上设有加工面作为安装基准，桥架跨立在动力头上并通过螺栓紧固在抱枕加工面上，这样就可以保证压料方向与主轴轴线保持在同一截面，获得最好的压料效果，同时又不影响动力头钻削工件。桥架支撑面的内侧壁各加工有直线滚动导轨和液压油缸的安装面，每侧各安装两条直线滚动导轨和一个液压油缸，液压油缸布置在两条直线滚动导轨之间。直线导轨导向，防止偏载。

每个立柱802上各侧挂一个bt40动力头500，bt40动力头500通过直线滚动导轨804与立柱802连接，直线滚动导轨804和bt40动力头500间还设有动力头角度调整机构400，可使bt40动力头500在动力头平面上转动角度，以适应随工件尺寸改变带来的短边位置移动。

如图8所示，动力头角度调整机构400包括负载bt40动力头500及进给单元的进给滑板402、确定转角轴心的转轴装置403、带动bt40动力头500在准距方向移动的定位滑座404、负载bt40动力头500及进给滑板402并提供转角导向的弧形滑轨405、当动力头转至合适角度后可锁紧动力头的锁紧装置406、负责转角移动的半齿圈407、为转角提供动力的减速电机408、与半齿圈407啮合以提供转角功能的传动齿轮401。其中，定位滑座404的底面与直线滚动导轨804连接。

定位滑座404采用钢板焊接的“l”形结构，加工安装平面，弧形导轨405和转轴装置403通过螺栓紧固在安装平面上，转轴装置403位于弧形导轨405的圆心位置（更确切的说，转轴装置403与弧形导轨405用心），转轴装置负责锁定圆心。在定位滑座404前端开与圆形安装孔，对应安装孔的定位滑座内侧加工安装有减速电机408。减速电机408的输出轴穿过定位滑座404的上面，其上安装有传动齿轮401，以传输动力。

与弧形导轨405配合的滑块通过螺栓固定连接进给滑板402，进给滑板402的上表面固定安装bt40动力头500，进给滑板402的下表面固定设置有与弧形导轨405同心的半齿圈407，半齿圈407外侧设置有齿牙，内侧设有凸台,半齿圈7外侧的齿牙与传动齿轮401啮合；进给滑板402与半齿圈同心的位置通过螺栓与转轴装置403固定连接。

定位滑座404上固定安装有液压锁紧装置406，锁紧装置406位于半齿圈407内侧，其虎口与半齿圈407内侧的凸台贴合，当bt40动力头500转至合适角度后可锁紧动力头，防止不必要的移动。

减速电机408带动传动齿轮401转动，进而通过半齿圈407带动进给滑板402以弧形导轨405的圆心（转轴装置403）为圆心沿弧形导轨405转动，bt40动力头500固定于进给滑板402上，因此bt40动力头500也随着进给滑板402沿着弧形导轨转动；当bt40动力头500转至合适的加工角度时，锁定装置406将bt40动力头500的位置锁定，防止不必要的移动。

以上只是本发明的一种具体实施方式，其中的转轴装置403也可以采用与弧形导轨405同心的其他弧形导轨来替代，也就是采用至少两条同心的弧形导轨，这样也可以确定转动轴心。

另外，减速电机408也可采用液压马达、伺服电机或转角油缸替代。

bt50动力头和bt40动力头均通过主轴电机带动同步传动装置从而驱动高速主轴旋转，其内部结构经过优化处理，其高速主轴转速最高可达到8000r/min。且两个bt40动力头500以及两个bt50动力头600的加工平面位于同一平面。

如图1所示，一种多维数控高速钻床中，床身1100间隔设置有支撑夹具100和锁紧夹具200。

如图4所示，支撑夹具100包括用于支撑电磁吸盘102的支撑架体101，支撑及吸附工件的电磁吸盘102、支撑工件中心位置用于用于确定工件中心线的支撑块103和用于连接电磁吸盘102及支撑架体101的“t”形螺母104。

支撑架体101由钢板焊接而成，经过时效处理，刚性强，稳定性高，支撑架体101上端呈倒“v”形。该倒“v”形处夹角与如图1所示异形工件的顶角相对应。

支撑架体101上端倒“v”形两侧均设有安装面，安装面上设有若干“t”形槽，若干电磁吸盘102分别通过“t”形螺母104可拆卸固定在支撑架体101的安装面上。支撑架体101上端倒“v”形顶角处安装有用于确定工件中心线的支撑块103。其中，电磁吸盘102为250mm*250mm的方形电磁吸盘。

电磁吸盘102通过“t”形螺母104固定在支撑架体101的安装面上，可根据工件大小调整在其中支撑架体101安装面上的位置，工件放置时直接放在电磁吸盘102上，并由电磁吸盘提供吸附力，从而固定工件，锁定工件的中心线作为加工基准。

如图5、图6所示，锁紧夹具200包括锁紧架体201，锁紧架体201的上端呈倒“v”形，锁紧架体201上端倒“v”形两边均设有安装面。锁紧架体201上端倒“v”形顶角处安装有用于确定工件中心线的支撑块209。

锁紧架体201的两安装面各设有两条直线导轨202，与直线导轨202配合的滑块固定连接滑架207。

锁紧架体201的中心设有换向器210，换向器210动力采用带抱闸电机或液压马达，换向器210通过滚珠丝杠副208连接滑架207，推动两侧安装面上滑架207的移动。采用换向器210可保证动作的一致性。

滑架207端部通过螺栓固定设置推料爪206，推料爪206上设有感应装置，当感应到推料爪206顶紧短边后，发讯给控制系统，控制系统控制带抱闸电机或液压马达自动断电并抱死滚珠丝杠副208，从而固定推料爪206的位置。

滑架207的下表面设有至少两条直线导轨202，该直线导轨202上的滑块固定连接滑板203。滑架207的下表面还通过螺栓固定设置有液压油缸204，液压油缸204本体固定于滑架207的下表面，液压油缸204的活塞轴固定连接滑板203。滑板203的端部固定设置拉紧爪205。

锁紧夹具部分主要分为锁紧架体、推料部分及拉紧部分，锁紧架体采用钢板焊接，刚性强，负责负载工件和夹持机构，支撑架上安装有直线滚动导轨，其推料部分通过滑架与直线滚动导轨相联，可沿工件短边垂直方向移动。推料部分滑架上还安装有拉紧部分，可在推料部分顶住如图1所示异形工件两短边内侧后拉紧短边。

锁紧夹具部分工作时，首先推料爪和拉紧爪应距离最远，带抱闸电机或液压马达通过换向器连接滚珠丝杠副并推动两侧的滑架，可将推料爪推出，从而在内部将异形工件的短边顶紧，推料爪上还可安装感应开关，感应到顶紧短边后，发讯给控制系统，控制系统控制带抱闸电机或液压马达自动断电并抱死滚珠丝杠副，从而固定推料爪的位置，为拉紧爪提供拉紧基准。在推料爪顶住工件短边后，液压油缸启动，拉动滑板，从而拉紧拉紧爪，进而使拉紧爪夹紧工件短边，从而固定短边位置，防止在加工过程中短边颤动。

锁紧夹具部分前后两个夹料爪（推料爪和拉紧爪）都为可移动式，在夹料过程中，由推料爪顶住短边内缘，同时锁死该夹料爪位置，从而为下一步夹紧提供基准，然后推料爪和拉紧爪反向拉紧，从而将工件短边固定在基准上，防止在加工过程中短边颤动。

支撑夹具部分与锁紧夹具部分在机床上间隔排布，具体个数根据工件长度决定，支撑夹具部分负责负载工件并固定如图1所示的异形工件两长边，锁紧夹具部分负责锁紧如图1所示的异形工件两短边，从而很好的紧固工件，确保加工过程中工件不移动。

床身、平铺式床腿、横梁、立柱、动力头箱体其截面均为方箱形，经过受力分析，其关键部分进行加强处理，经过时效处理，从而大大提高部件稳定性，减少形变等因素带来的精度缺失。

动力头采用高精密的bt系列高速主轴，精度高，回转性好，且配套的bt刀具通用性广，实用性高。通过更换不同种类的bt柄刀具，可方便的完成高速钻削、铣削、划线、攻丝功能。

由于如图1所示多维异形工件的特殊性，其工件短边极易发生翘曲、扭曲等形变，为保护刃具，提高加工精度，本发明的多维数控高速钻床还设有检测装置，其检测装置可安装在两侧bt40动力头上，在加工前预检测短边位置，从而有效补偿工件的变形，提高加工精度。

为方便工人操控、维护机床，本发明的多维数控高速钻床还安装有工作平台，既方便工人随时监测加工情况，便于维护操作，也为工人的安全性提供更好保障。