一种功能模块可重组平台型机床的制作方法

本发明涉及龙门动梁式的结构，具体为一种功能模块可重组平台型机床。

背景技术：

目前龙门动梁式结构，只局限一种类型的加工中心，铣床、车床或者车铣复合，机床种类繁多，厂家广泛，结构不单一，造价高。如厂家已购买3轴机床，现需5轴机床，则厂家需重新购置产品，而且5轴成本比较高。而本发明在龙门动梁式框架结构不变情况下，厂家可根据需求，通过模块重组，衍变另一种类型的加工中心，只需支付相应功能模块及系统更新等费用，即可使用想要的功能，减小了厂家的负担。机床可再利用，避免浪费，节约成本。

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。

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，国产的也有很多钟，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。

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。

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。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种功能模块可重组平台型机床，以运动控制底层技术和网络技术作为本机控制系统，基于同一框架结构下模块化设计，更替重构成8种功能机床。

本发明的技术方案是：

本发明一种功能模块可重组平台型机床，包括三轴立式加工中心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，滑鞍还与主轴箱Z轴导轨滑块固定，主轴动力单元倒置于主轴箱内；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，将加工单元部件与框架固定部分分别更替组合成8种功能机床：以三轴龙门动梁式框架结构为基础，加工单元部件为固定工作台单元，与所述床身通过螺钉连接，构成第一种机床3轴立式加工中心；加工单元部件替换为单轴旋转转台单元，与框架固定部分床身通过螺钉连接，构成第二种机床3+1轴立式加工中心；功能部件单驱动双轴旋转转台单元，与所述床身通过螺钉连接，构成第三种机床3+2轴立式加工中心；功能部件双驱动双轴旋转转台单元，与所述床身通过螺钉连接，构成第四种机床5轴联动立式加工中心；功能部件立式旋转转台单元、尾台单元，与所述床身通过螺钉连接，构成第五种机床4轴联动立式加工中心；功能部件卧式车削主轴驱动单元、尾台单元，与所述床身通过螺钉连接，构成第六种机床卧式车铣复合加工中心；功能部件立式车削主轴驱动单元，与所述床身通过螺钉连接，构成第七种机床立式车铣复合加工中心；功能部件车削主轴单元、动力头单元、刀架单元，车削主轴单元倒置于主轴箱内，通过螺钉连接，并且动力头单元、刀架单元与所述床身通过螺钉连接，构成第八种机床倒立式车铣复合加工中心。

本发明的有益效果是：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。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智能机床不再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。

8种不同类型的机床产品均采用同一种龙门动梁式框架结构，只需要更换功能部件工作台，就可衍变成另一种类型的机床，系统单元只需软件更新便可满足。机床框架的可重复利用，节约成本。本发明经过样机安装证明，它是一种结构简单，成本低廉，性能可靠的智能多轴立式加工中心，实现高价值产品的生产。

附图说明

图1为本发明3轴立式加工中心示意图；

图2为本发明3+1轴立式加工中心示意图；

图3为本发明3+2轴立式加工中心示意图；

图4为本发明5轴联动立式加工中心示意图；

图5为本发明4轴联动立式加工中心示意图；

图6为本发明卧式车铣复合加工中心示意图；

图7为本发明立式车铣复合加工中心示意图；

图8为本发明倒立式车铣复合加工中心示意图。

图9为图1中床身上固定工作台结构示意图；

图10为图2中床身上单轴旋转工作台单元结构示意图；

图11为图3中床身上单驱动双轴旋转工作台单元结构示意图；

图12为图4中床身上双驱动双轴旋转工作台单元结构示意图；

图13-a为图5中立式旋转工作台单元+尾台单元结构示意图；

图13-b为图13-a立式旋转工作台单元+尾台单元结构剖视图；

图14-a为图6中床身上卧式车削主轴单元+尾台单元结构示意图；

图14-b为图14-a床身上卧式车削主轴单元+尾台单元结构剖视图；

图15-a为图7床身上立式车削主轴单元结构示意图；

图15-b为图15-a立式车削主轴单元结构剖视图；

图16-a为图8床身上右侧车刀刀架单元结构示意图；

图16-b为图8床身上左侧动力头单元结构示意图；

图17为本发明车削主轴单元结构示意图；

图18-a为本发明床身A组孔结构示意图；

图18-b为本发明床身B组孔结构示意图；

图19为系统总线硬件连接示意图；

图20为智能机床PLC控制模块关系框图；

图21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立柱；3横梁；4滑鞍；5主轴箱；6主轴动力单元；7斗笠式刀库；8固定工作台单元；9单轴旋转工作台单元；10单驱动双轴旋转工作台单元；11双驱动双轴旋转工作台单元；12立式旋转工作台单元；13尾台单元；14卧式车削主轴单元；15立式车削主轴单元；16车刀刀架单元；17动力头单元；18车削主轴单元；19 3轴立式工作台；20堵塞；21 A轴驱动单元；22 A轴垫；23 3+1轴立式工作台；24 A轴支撑单元；25 C轴箱体；26 C轴驱动单元；27底座；28梯形槽卡盘；29底座调整块；30转台调整块；31导轨防护拉罩；32尾台防护；33刮屑板；34顶尖；35顶尖套筒；36尾台；37液压缸；38浮动开关；39中实卡盘；40卧式主轴单元；41卧车主轴底座；42锁紧油缸；43油缸固定支架；44立车支撑座；45立车主轴；46油缸挡板；47防护罩；48动力头座；49动力头；50刀塔座；51刀塔；52刀盘；53倒立车电主轴；54卡盘。

具体实施方式

本发明一种功能模块可重组平台型机床，结构和实施方案如图1～18所示，龙门动梁式框架包括床身1，左右立柱2固定于床身1上，横梁3固定于导轨滑块上、在左右立柱2上端前后Y向移动，滑鞍4固定于横梁3导轨滑块上，在横梁3上左右X向移动，两根竖立导轨固定在主轴箱5上，位于滑鞍4前面，相对于滑鞍4前的滑块上下Z向移动；主轴动力6单元倒置于主轴箱5内，斗笠式刀库7固定于立柱2间的床身1后侧，其特征在于床身1前侧左右两结合面配有适合不同功能模块固定的螺钉孔，通过螺钉穿入其功能模块通孔处固定在床身1结合面处上，如孔A组用于固定固定工作台单元8，见图18-a，孔B组用于固定单轴旋转工作台单元9或者单驱动双轴旋转工作台单元10，见图18-b，位于功能模块下方有调整垫，用于调整功能模块与整机的精度，如在这种龙门动梁式框架下，搭载固定工作台单元8，与床身1通过螺钉连接，见图1，构成第一种机床三轴立式加工中心，其特征在于结构：三轴立式工作台19采用方筋结构，更轻量化，堵塞20与3轴立式工作台19过盈配合，用于防止施工孔中堆积铁屑，见图9；单轴旋转工作台单元9与床身1通过螺钉连接，见图2，构成第二种机床3+1轴立式加工中心，其特征在于结构：单轴旋转工作台单元9的A轴驱动单元21为A轴前后摆动提供动力，绕X轴旋转，且采用力矩电机直驱技术，输出扭矩大，A轴垫22与A轴驱动单元21通过螺钉连接，C轴箱体25与A轴驱动单元21及A轴支撑单元24间隙配合连接在一起，A轴支撑单元24起辅助支撑作用，3+1轴立式工作台23与C轴箱体25通过螺钉连接，见图10；单驱动双轴旋转工作台单元10与床身1通过螺钉连接，见图3，构成第三种机床3+2轴立式加工中心，单驱动双轴旋转工作台单元10区别于单轴旋转工作台单元9，在安装A轴驱动单元21的同时，增加C轴驱动单元26，替换3+1轴立式工作台23，可实现绕Z轴方向360°旋转，与C轴箱体25通过螺钉连接，其亦采用力矩电机直驱技术，见图11、12；双驱动双轴旋转工作台单元11与床身1通过螺钉相连接，见图4，构成第四种机床5轴联动立式加工中心，其相对单驱动双轴旋转工作台单元10，有两个A轴驱动单元21，实现5轴联动功能的快速响应，见图12；立式旋转工作台单元12，通过螺钉固定在尾台单元13后，整体与床身1通过螺钉连接，见图5，构成第五种机床4轴联动立式加工中心，可实现X、Y、Z、A四轴联动，其特征在于结构：A轴驱动单元21提供动力，绕X轴方向360°旋转，采用力矩电机直驱技术，梯形槽卡盘28作为加工工作台，由8个标准T形槽组成，与A轴驱动单元21通过螺钉连接，组合后通过螺钉固定在底座27上，底座27上通过螺钉固定液压缸37，液压缸37与浮动开关38连接，尾台36固定于导轨滑块上，通过控制液压缸37拉伸，进而控制尾台36在导轨上的左右移动，顶尖套筒35通过螺钉固定在尾台36直口处，并通过压盖压死，顶尖34莫氏配合顶尖套筒35安装，导轨防护拉罩31及尾台防护32防止冷却液及铁屑进入，损坏零件，刮屑板33用于刮掉尾台防护32上的冷却液和铁屑，转台调整块30用于调整A轴驱动单元21轴线及梯形槽卡盘28平面与尾台36之间的精度，底座调整块29用于与整机精度的调整，见图13-a、13-b。

所述前五种机床各自不同在于：3轴立式加工中心只能实现X、Y、Z3轴联动功能；3+1轴立式加工中心只能实现X、Y、Z 3轴联动，A轴实现定位；3+2轴立式加工中心只能实现X、Y、Z 3轴联动，A、C 2轴实现定位；5轴立式加工中心可实现X、Y、Z、A、C5轴联动；4轴联动立式加工中心，可实现X、Y、Z、A四轴联动。

卧式车削主轴单元14通过螺钉固定在尾台单元13后，整体与床身通过螺钉连接，见图6，构成第六种机床—卧式车铣复合加工中心。卧式车铣复合加工中心与4轴联动立式加工中心主要区别：采用卧式车削主轴单元14，替换立式旋转工作台单元12，其特征在于结构：卧式主轴单元40采用力矩电机直驱技术，实现高转速、高扭矩，通过螺钉与卧车主轴底座41连接，固定在底座27上，锁紧油缸42通过螺钉固定于卧式主轴单元41后端，通过控制锁紧油缸42带动拉杆，实现中实卡盘39的自动松卡，油缸固定支架43用于防止锁紧油缸42上旋转接头旋转，见图14-a、14-b。立式车削主轴单元15通过螺钉与床身1连接，见图7，构成第七种机床立式车铣复合加工中心，其特征在于结构：立车主轴45通过螺钉固定在立车支撑座44内，中实卡盘39通过螺钉固定于立车主轴45上，锁紧油缸42固定在立车主轴45下端，通过控制锁紧油缸42带动拉杆上下移动，实现中实卡盘39卡紧或松开。防护罩47固定于立车支撑座44下方，用于防止液体渐入，油缸挡板46固定于防护罩47外侧立车支撑座44上，防止锁紧油缸42上的旋转接头在立车主轴45转动时发生旋转现象，见图15-a、15-b。车刀刀架单元16与动力头单元17通过螺钉与床身1相连接，见图8，车削主轴单元18倒置于主轴箱内，通过螺钉固定在主轴箱上，构成第八种机床倒立式车铣复合加工中心，见图16-a，车刀刀架单元16主要包括刀塔51与刀盘52通过螺钉连接在一起，可旋转实现换刀，其组合在一起通过螺钉固定于刀塔座50上。动力头单元17的动力头49通过螺钉固定于动力头座48上，动力头49上安装铣刀、钻头、丝锥，见图16-b。车削主轴单元18由倒立车电主轴53和卡盘54组成，可夹取试料，见图17。

图19～21为控制系统框图，基于互联网条件下的底层运动控制系统i5CNC作为智能终端直接用互联网与其他终端进行通讯，通过EtherCAT总线协议，把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20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；

1.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；

2.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；

3.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；

4.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。

图21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。

本发明8种不同类型的机床的工作原理是：

龙门动粱式智能多轴立式加工中心，床身1和左右两侧立柱2通过螺钉等件连接在一起，坐于地脚上，横梁3通过螺钉固定于左右两侧立柱2上导轨滑块上，在电机运行状态下，带动丝杠，前后移动，即Y轴，实现Y轴双驱动。滑鞍4通过螺钉固定于横梁3上导轨滑块上，在电机运行状态下，带动丝杠，左右移动，即X轴。主轴箱5与导轨连接，滑块固定于滑鞍上，在电机运行状态下，带动丝杠，上下移动，即Z轴。主轴驱动单元6倒置于主轴箱5内，根据机床不同类型，实现铣或车的功能。斗笠式刀库7固定于床身1后侧，主轴单元6可通过X、Y、Z三轴实现主轴取刀功能(除倒立式车铣复合加工中心)。

龙门动梁式框架结构可通过配置不同功能模块，实现8种不同类型的机床，如固定工作台单元8通过螺钉固定于床身1上，试料通过卡具装卡于工作台上，X、Y、Z轴移动，可实现3轴立式加工中心，见图1；单轴旋转工作台单元9固定于床身1上，在3轴基础上增加1个轴，即A轴，试料通过卡具装卡于工作台上，可前后摇摆，实现3+1轴立式加工中心，X、Y、Z 3轴联动，A轴定位，见图2；单驱动双轴旋转工作台10固定于床身1上，试料通过卡具装卡于工作台上，A轴前后摇摆，并增加C轴工作台360°旋转，可实现3+2轴立式加工中心，X、Y、Z 3轴联动，A、C 2轴定位，见图3；双驱动双轴旋转工作台11固定于床身1上，试料通过卡具装卡于工作台上，A轴前后摇摆，C轴工作台360°旋转，可实现5轴联动立式加工中心，包括X、Y、Z、A、C五个轴，见图4；立式旋转工作台单元12固定于尾台单元13上，与床身1结合面连接，试料通过卡具装卡于工作台上，立式旋转工作台单元12绕X轴360°旋转，可实现4轴联动立式加工中心，包括X、Y、Z、A四个轴见图5；卧式车削主轴单元14固定于尾台单元13与床身结合面链接，试料装卡于中实卡盘39上，当主轴动力单元6停止不动，卧式车主轴单元14高速旋转，通过控制X、Y、Z轴移动，可实现车削功能，当主轴动力单元6高速旋转，卧式车削主轴单元14停止不动，通过控制X、Y、Z轴移动，可实现铣削功能，所以实现了卧式车铣复合加工中心，见图6；立式车主轴15固定于床身1左侧，当主轴动力单元6停止不动，立式车削主轴单元15高速旋转，试料装卡于中实卡盘39上，通过控制X、Y、Z轴移动，可实现立式车削功能，当主轴动力单元6高速旋转，立式车削主轴15停止不动，通过控制X、Y、Z轴移动，可实现立式铣削功能，所以实现了立式车铣复合加工中心，见图7；车削主轴单元18倒置于主轴箱5内，可装卡试料，高速旋转，刀具通过螺钉固定在车刀刀架16上，车刀刀架16固定于床身1右前侧，车削主轴单元18装卡试料，通过X、Y、Z轴移动，实现车削功能；动力头单元17固定于床身1左前侧，高速旋转，通过X、Y、Z轴移动，实现打孔、攻丝、铣削的功能，所以实现了倒立式车铣复合加工中心，见图8。