一种龙门动梁式倒立式车铣复合加工中心的制作方法

本发明涉及机械设备制造领域中的车铣复合机床，基于龙门框架下的动梁式倒立式车铣复合机床。

背景技术：

现有倒立车大多采用墙壁式结构，主轴箱在横梁上做左右移动X轴及上下移动Z轴，从而实现工件的车削加工。该种车床主要应用于批量生产工件。实现高效率、大批量的车削加工。但该设备无法实现铣削加工，需要多次装夹工件，多工序加工，浪费工时。因此，我厂针对现有倒立车结构的不足，通过龙门式动梁结构以及伺服动力头的组合，实现了倒立式车削及铣削加工。一次装夹，实现多工序加工。大大提高了加工效率。

目前，倒立式车铣复合机床所用刀架及动力头传动方式多为机械传动，存在传动间隙，长时间工作位置出现偏差；另外，动力头装置多布置在刀盘上，刀盘上同时布置车刀、铣刀、钻头、丝锥，使车刀规格数量减小，由于空间限制，导致安装动力头的功率相对较小，扭矩小，故对切削效率及加工范围有一定影响。

当今机床行业的数控系统品牌有很多，主流的西门子、FANUC、三菱、海德汉等等，国产的也很多种，例如：华中、广数、KND、大森等等。我国数控系统虽取得了较大发展，但是我国高档数控机床配套的数控系统90％以上的都是国外产品，特别是对于国防工业急需的高档数控机床，高档数控系统是决定机床装备的性能、功能、可靠性和成本的关键因素，而国外对我国至今仍进行封锁限制，成为制约我国高档数控机床发展的瓶颈。对数控系统寻找技术突破口，沈阳机床(集团)设计研究院有限公司上海分公司已经申请了专利“一种软PLC模块的远程在线数据更新系统及方法”申请号:CN201410461049.7，其包括：远端EtherCAT主站、用于发送远程升级的更新数据；EtherCAT总线，用于数据传输；存储模块，其进一步包括：工厂配置，用于备份安全配置，以及应用配置，用于实现应用功能；以及FPGA模块，其进一步包括：EtherCAT？IP核模块，用于接收通过EtherCAT总线传输过来的更新数据，远程更新IP模块，用于重配置FPGA，以及NIOS？II处理器，用于将通过EtherCAT？IP核模块接收的更新数据写入存储模块，并控制远程更新IP模块，发起FPGA重配置过程，用该更新数据来重新配置FPGA并执行新的NIOS？II软件应用程序。软PLC模块的远程在线数据更新方法，其包括：远端EtherCAT主站发送远程升级的更新数据，EtherCAT？IP核模块接收通过EtherCAT总线传输过来的更新数据，NIOS？II处理器将该更新数据写入存储模块，并控制远程更新IP模块，发起FPGA重配置，用该更新数据来重新配置FPGA。这可能是下一阶段引领我国高档数控机床的发展方向。目前沈阳机床股份有限公司也有机床采用i5控制系统，i5是指(Industry、Information、Internet、Integrate、Intelligent)，工业化、信息化、网络化、集成化、智能化的有效集成。计算机数控(Computerized numerical control，简称CNC)系统是用计算机控制加工功能，实现数字控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数字控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置，用于控制自动化加工设备的专用计算机系统。对数控系统寻找技术突破口，沈阳机床(集团)设计研究院有限公司上海分公司已经申请了专利“一种软PLC模块的远程在线数据更新系统及方法”申请号:CN201410461049.7，其包括：远端EtherCAT主站、用于发送远程升级的更新数据；EtherCAT总线，用于数据传输；存储模块，其进一步包括：工厂配置，用于备份安全配置，以及应用配置，用于实现应用功能；以及FPGA模块，其进一步包括：EtherCAT？IP核模块，用于接收通过EtherCAT总线传输过来的更新数据，远程更新IP模块，用于重配置FPGA，以及NIOS？II处理器，用于将通过EtherCAT？IP核模块接收的更新数据写入存储模块，并控制远程更新IP模块，发起FPGA重配置过程，用该更新数据来重新配置FPGA并执行新的NIOS？II软件应用程序。软PLC模块的远程在线数据更新方法，其包括：远端EtherCAT主站发送远程升级的更新数据，EtherCAT？IP核模块接收通过EtherCAT总线传输过来的更新数据，NIOS？II处理器将该更新数据写入存储模块，并控制远程更新IP模块，发起FPGA重配置，用该更新数据来重新配置FPGA。这可能是下一阶段引领我国高档数控机床的发展方向。目前沈阳机床股份有限公司也有机床采用i5控制系统，i5是指(Industry、Information、Internet、Integrate、Intelligent)，工业化、信息化、网络化、集成化、智能化的有效集成。计算机数控(Computerized numerical control，简称CNC)系统是用计算机控制加工功能，实现数字控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置，用于控制自动化加工设备的专用计算机系统。i5采用PC平台，全软件式结构，而非嵌入式系统，把数控控制核心部分全部写在CPU上，用软件实现，这种结构最大的优点在于使数控系统相当于一个透明的智能终端，能够与互联网天然连接。i5的操作系统选择Linux，不同于其他基于PC系统使用的Windows系统，Linux是一个开源系统，源代码开放且免费。PC平台和开放架构使得数控机床和电脑之间的界限变得模糊(相当于数控机床内嵌高性能的计算机)。由于计算机天然能联网，所以采用“i5”数控系统的机床就可以联网。其他传统的系统也可以实现联网，但需要增加网卡模块，由于框架的原因，用过网络传输的数据内容和速度都会有局限，嵌入式芯片有限的处理能力无法支撑高级的网络应用。

传统工业机床大部分采用现场总线的总线类型，例如：Profibus，i5智能系统的总线类型采用EtherCAT总线，代替了传统的现场总线。开放性的总线更符合互联网思维：由于设备之间的通讯协议是标准的、开放的，所以数控系统相当于一个开放的平台，可以接入不同厂商的设备，可以根据需求的变化增加接入的设备，系统的延展性更好，更新换代速度更快，i5系统就成了一个用户可以参与开发的平台。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种龙门动梁式倒立式车铣复合加工中心，模块化设计，同一床身实现伺服动力头及伺服刀塔的安装。

一种龙门动梁式倒立式车铣复合加工中心，包括龙门框架的床身上对称安装2个立柱、横梁固定于立柱上端的Y轴导轨、滑块上，滑鞍固定于横梁X轴导轨滑块上，主轴箱固定在滑鞍Z轴的导轨滑块上，主轴动力单元倒置于主轴箱内，还有冷却及排屑系统；其特征在于基于互联网条件下的底层运动控制系统i5CNC，采用EtherCAT总线协议控制PLC、电机驱动，i5CNC作为智能终端直接用互联网与其他终端进行通讯，接受指令或发送机床信息；结构模块化，分体式安装的直驱动力刀架与直驱动力头装置：床身前侧左右为水平安装面，直驱动力刀架通过刀架支座安装于床身的右侧，车刀装在直驱动力刀架上，用来对工件进行外圆、内圆、端面的车削加工；动力头支架安装于床身左侧，多个直驱动力头及各自刀具并排安装于动力头支架上面，铣刀、钻头、丝锥与各自直驱动力头为一体，用来对工件进行铣削、钻削、攻丝的加工；工件固定在卡盘上，卡盘固定在倒立式主轴上，倒立式主轴作直线轴运动。

立柱导轨下方布置正方形网格状筋格，Y轴利用重心驱动原理，X、Y、Z三向进给坐标采用交流伺服电机带动滚珠丝杠无级传动，运动采用直线导轨，主轴采用直驱技术，通过液压系统实现自动松夹工件，单台机床可集成自动上下料；车削部分的车削动力头与直驱伺服刀塔组合，直驱控制，直驱伺服刀塔是将刀盘与高转矩力矩电机直连，通过高精度的编码器进行定位，

本发明的有益效果是：

1、轻量化处理，采用i5系统控制，能够实现功能二次开放。并针对客户的工件特点，拓展该车床功能，并实现批量，自动化生产加工。本发明i5CNC系统是基于互联网条件下的底层运动控制系统，使机床直接与互联网连接通讯，因而提升机床智能没有时差、不受地域限制，实现智能补偿、智能诊断、智能控制、智能管理。这样i5智能机床不在以一个单体的机床而存在，它将是一个智能终端，将机床的数据通过以太网传入“云”端，经过“大数据”的处理运算，远程指示机床作业，该系统误差补偿技术领先、控制精度达到纳米级、使用i5系统的机床产品在不用光栅尺反馈的情况下其精度可通过补偿优化达到3μm。可以做到智能补偿、智能诊断、智能控制、智能管理。无论用户身在何处，使用一般的智能移动设备即可对设备进行操作、管理、监控，实时传递交换机床的加工信息。加以创造性的应用，形成一个工业制造的“物联网”，这就是所谓的“物大云端”。

i5智能系统的总线类型采用EtherCAT总线，代替了传统的现场总线。采用EtherCAT的优势在于：1广泛性使用，任何计算机都可以成为EtherCAT控制系统。2完全符合以太网标准。3无须从属子网。4高效率，最大化利用以太网带宽进行用户传输。5刷新周期短，可以达到小于100us的数据刷新周期，用于伺服技术中低层的闭环控制。6同步性好，各从站节点设备可以达到1us的时钟同步。这样可以更好的使系统与互联网相连。

2、整机传动结构采用电机直连的方式，实现无间隙传动，定位准确，动静摩擦力小，灵敏度高，高速振动小，低速无爬行，定位精度高，快移速度高。直驱伺服刀塔是将刀盘与高转矩力矩电机直连，通过高精度的编码器进行定位，与电机和液压刀塔采用检测借鉴开关来完成定位相比，具有转位速度快、结构简单、空间利用率高、使定位更加精准，可靠性更高。

3、灵活而强劲的高速车削电主轴，采用直驱技术。动力结构：通过高扭矩伺服电机，直接带动刀盘转动，减少了减速机等中间部件，使转速更快、结构简单，体积更小。制动接头：通过摩擦锁紧单元对刀盘进行锁紧，相比大直径端齿盘结构，精度更高、成本更低。

4、采用直驱式动力刀架与直驱式动力头组合结构，直驱动力刀架结构紧凑、响应快、可避免传统机械结构的传动间隙，具有刀盘转位定位精度高的优点。

5、直驱动力头与集成在刀盘上的动力头具有响应快、精度高、功率大等优势。分体式安装的直驱动力刀架与直驱动力头可增加安装的刀具种类与数量，同时增大工件的尺寸，可提高动力头的功率，提高零件的加工效率，车削动力头，结构小巧、紧凑，简化机床的传动结构。直驱动力刀架与直驱动力头的直驱控制，提高传动效率，减少了机械传动产生的传动间隙，保证了直驱动力刀架各工位的定位精度，响应快、精度高、转矩与转速波动小，提高加工工件的光洁度。实现对工件复杂特征的车削、铣削、钻削、攻丝等加工，提高了零件的加工精度和加工效率。

6、冷却排屑系统的双泵大流量、放置位置方便铁屑的有效冲洗及铁屑回收。铁屑的热量不会传递给工件，而且铁屑也不会缠绕工件，提高了加工精度和工件的表面质量。

附图说明

图1为本发明一种龙门动梁式倒立式车铣复合加工中心的结构示意图；

图2为直驱动力刀架及刀架支座结构示意图；

图3为直驱动力头及支架结构示意图；

图4为动力头支架侧面螺钉孔示意图；

图5为冷却及排屑系统及喷淋向示意图；

图6为在立柱导轨下方布置正方形网格状筋格示意图；

图7为系统总线硬件连接示意图；

图8为智能机床PLC控制模块关系框图；

图9为是i5智能机床通过互联网与i平台通讯控制框图。

图中，1床身；2刀架支座调整垫；3刀架支座；4直驱动力刀架；5车刀；6直驱动力头；7动力头支架；8动力头支架调整垫；9铣刀；10钻头；11丝锥；12倒立式主轴；13卡盘；14选配料库区；15冷却及排屑系统；16横梁；17滑板；18主轴箱；19间距螺钉孔

具体实施方式

本发明的结构和实施方案如图所示。

一种龙门动梁式倒立式车铣复合加工中心，采用龙门式框架结构，立柱安装在床身1后侧水平安装面上，横梁16通过直线导轨安装在立柱上测水平安装面上，滑板17通过直线导轨安装在横梁前测水平阶梯安装面上，主轴箱18通过直线导轨安装在滑板前测水平安装面上。可选料库区14通过螺栓及定位销，固定在床身后侧的水平安装面上，在立柱导轨下方布置正方形网格状筋格，见图6；其特征在于基于互联网条件下的底层运动控制系统i5CNC，采用EtherCAT总线协议控制PLC、电机驱动，i5CNC作为智能终端直接用互联网与其他终端进行通讯，接受指令或发送机床信息；结构模块化，采用直驱动力刀架与直驱动力头装置：床身1前侧左右为水平安装面，直驱动力刀架4通过刀架支座3安装于床身1的右侧，车刀5装在直驱动力刀架4上，用来对工件进行外圆、内圆、端面的车削加工；动力头支架7安装于床身1左侧，多个直驱动力头6及各自刀具并排安装于动力头支架7上面，铣刀9、钻头10、丝锥11与各自直驱动力头6为一体，用来对工件进行铣削、钻削、攻丝的加工。工件固定在卡盘13上，卡盘13固定在倒立式主轴12上，倒立式主轴12作直线轴运动。

刀架支座3的所有刀位均安装车刀5，使车刀规格、种类齐全，并且直驱动力刀架4提供更大功率，满足更大切削力，使加工工件规格增大。

铣刀9、钻头10、丝锥11刀具的多个直驱动力头6并排固定在动力头支架7上面，各直驱动力头6之间的间隔可调，根据被加工工件的直径调整。

动力结构：通过高扭矩伺服电机，直接带动刀盘转动；制动接头：通过摩擦锁紧单元对刀盘进行锁紧；直驱伺服刀塔是将刀盘与高转矩力矩电机直连，通过高精度的编码器进行定位；定位结构：通过高精度编码器与主轴直接相连。

见图4，如被加工零件外径大于两直驱动力头6之间的中心距，可以利用动力头支架7上的间距螺钉孔19调整两直驱动力头6之间的中心距大于被加工件。对工件进行一次装夹，通过工件在直驱动力刀架4与直驱动力头6之间的切换运动，实现对工件的车削、铣削、钻削、攻丝等功能，提高零件的加工精度。

见图5，冷却及排屑系统通过脚轮推进床身下方的排屑槽内，排屑方便，采用双泵控制，双泵安装在水箱上表面上，大流量冷却液从防护侧面、主轴侧面冲刷：大泵通过两个出水管接至内防护两侧，对工件进行冷却，并冲掉加工区铁屑、小泵通过主水管，通过三通分为两路接至主轴箱侧面，可以配置内冷和外冷以及防护间喷淋，满足不同工件的冷却需求。铁屑的热量不会传递给工件，也不会缠绕工件。

本发明的工作原理是：

这种龙门动梁式倒立式车铣复合加工中心采用龙门框架结构，Y轴利用重心驱动原理，具体地说：Y轴安装双丝杠，电机通过联轴器直连接丝杠的方式进行无间隙驱动，丝杠通过轴承固定在前端电机座及后端轴承座内，电机座及轴承座通过螺栓及定位销安装在立柱上部水平面上，从而实现沿Y轴运动；横梁则通过滑块安装在立柱上，整机中心与Y轴驱动轴线基本在同一水平面内，从而实现重心驱动。X轴电机通过联轴器直连接丝杠的方式进行无间隙驱动，丝杠通过轴承固定在前端电机座及后端轴承座内，电机座及轴承座通过螺栓及定位销安装在横梁前面阶梯面上，滑板通过滑块安装在横梁上，从而实现X轴移动。Z轴电机通过联轴器直连接丝杠的方式进行无间隙驱动，丝杠通过轴承固定在上面电机座内，电机座通过螺栓及定位销安装在滑板上，主轴箱通过滑块安装在滑板上，从而实现Z轴移动。倒立式主轴采用直驱技术，实现高转速切削。直驱伺服刀塔是将刀盘与高转矩力矩电机直连，直接带动刀盘转动，通过与主轴直接相连高精度的编码器进行定位。

制动接头：通过摩擦锁紧单元对刀盘进行锁紧。

本主轴单元端部通过螺栓连接液压夹盘，Z轴主轴单元相当于一个机械手，配备选配料库区14，通过i5系统，控制料库区的料库自动旋转，可以实现主轴单元自动取料，进行加工。加工完成后，通过i5系统，控制主轴单元自动自动送料。从而实现了工厂自动化上下料，免去了人工上下料的时间，节省了工时。

本发明结构因为设置了直驱动力刀架与直驱动力头可实现对复杂工件的加工：多规格车刀安装于直驱动力刀架上，工件卡具随倒立式主轴转动，对工件进行车削加工。通过直驱动力刀架的转位，实现不同规格车刀对工件的外圆、内孔及端面的车削加工。铣刀、钻头、丝锥安装于直驱动力头上，倒立式主轴定位不动，即工件定位不动，直驱动力头在力矩电机的驱动下，驱动铣刀、钻头、丝锥的旋转，完成对工件的铣削、钻削、攻丝的加工。对工件进行一次装夹，通过工件在直驱动力刀架与直驱动力头之间的切换运动，实现对工件的车削、铣削、钻削、攻丝等功能。

倒立车铣复合机床占地面积小、可配送料系统，单台机床集成自动上下料，加工效率高，适应大批量生产。主轴兼任了机械手，可以在上下料区域和加工区域之间穿梭，完成不同的任务。

图7～9为控制系统框图，系统总线把i5系统及PLC控制信息电气传输给本机床的执行部件各轴电机。PLC程序控制关系通过图8所示关系，实施等级控制：主程序的主函数：分别调用各个一级模块，一级模块中再分别调用二级模块，以此类推，分别实现机床各功能部件的动作并实时监控部件的状态，触发相关报警，对机床加以限制；图9中i5智能机床通过Ethernet总线与i平台进行互联网通讯，接受i平台的指令或向i平台发送机床的数据。I/O输入输出：此模块将PLC与CNC，PLC与外部IO引脚相联接，实时读取与写入CNC及外部I/O的状态，主要起到联接各模块通信的作用；

1.基础功能模块：此模块中包含机床常用的功能部件，如液压站、机床照明、三色灯、排屑器、按钮站类型、水冷等，这些常用部件的控制、类型的选择、使能以及相关报警都在此模块中实现；

2.刀库模块：M8机床采用基辅圆盘式刀库，各子模块中根据M6换刀子程序中的步骤，通过定位、数刀等接近开关以及相关接触器对电机的开断，实现自动及手动取刀、换刀、更新刀具信息等过程；

3.车床模块：分别实现CAPTO主轴的松夹动作、尾台等车床专用功能部件的相关控制。