专利名称：磨削加工中心的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种磨削加工中心。
背景技术：
目前，传统平面磨床拖板和磨头整体外挂所存在的机床稳定性差，功能单一，传统 的龙门式导轨平面磨床，其体积过于庞大，占用生产场地面积大，其它磨削机床加工功能都
相对单一。磨削数据库的建库目标是为实际生产服务的，但已建立起来的磨削数据库付诸实 用的不多。一是磨削数据可靠性不高。因为磨削加工的随机影响因素众多，不同的生产厂 商所提供的砂轮性能也不一样；二是磨削数据量不多。由于磨削加工是一种精加工方法，但又存在着磨削烧伤、砂轮钝化及砂轮与工件 表面间隙等影响加工表面粗糙度的诸多因素，这些因素很难进行检测及监控，因此很难准 确预测磨削效果。磨削数据通常来源于磨削手册、生产实践资料及磨削试验，如表一，这些“静态”资 料数据繁多，很难保证准确。同时磨削是一个相当复杂的过程，兼有高速微切削和高速滑 擦摩擦的特征，磨削效率除取决于合理选择磨削深度和进给量之外，还与零件形状、机床状 态、磨削液状态、砂轮修整等多个可变因素有关。在磨削加工中如何合理选择磨削工艺参数 及系统可靠优化的磨削数据一直是一个重要问题。表一磨削数据三种来源的优缺点比较
磨削数据来源数据量数据条理性针对性准确性
磨削手册广泛较强较差较差
生产实践资料分散差较强好
磨削试验有限一般有针对性差多轴联动的数控磨削设备还远远不能满足实际生产需要。能根据加工要求提供系 统可靠优化的磨削数据并辅助选择磨削工艺参数的磨削数据库是磨削加工中心不可或缺 的重要组成部分。为满足降低加工成本并获得高精度、高可靠性和高质量的需求，增加磨削 系统和操作方面的智能化程度是不可逆转的趋势。
发明内容本实用新型的目的是提供一种双磨头多轴的磨削加工中心。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是包括床身1、9、大拖板10、工作台2、立柱3、卧磨头组件和立磨头组件、润滑系统、控制系统，控制系统包括计算机数控系 统和伺服系统，床身分为前床身1和后床身9，门形立柱3设在后床身9上，卧磨头组件置 于门形立柱3之内，立磨头组件位于门形立柱3的一侧，大拖板10设在前床身1上，大拖板 10上设置工作台2，这种结构称为内存外挂式立、卧双磨头结构。卧磨头组件包括卧磨头拖板4和卧磨头5，卧磨头5在卧磨头拖板4下方，卧磨头 拖板4和门形立柱3相连；立磨头组件包括立磨头拖板6、可转位转盘7和立磨头8，立磨头 8与可转位转盘7相连，可转位转盘7与立磨头拖板6相连，立磨头拖板6和立柱3相连。立磨头8和卧磨头5分别由两台伺服电机，通过滚珠丝杆传动，作垂直(Z1、Z2轴) 和横向进给运动(Y1、Y2轴)；安装在可转位转盘7 —侧的伺服电机通过转盘内的蜗轮蜗 杆，驱动可转位转盘7转动，实现立磨头8可转位磨削(K轴)；安装在前床身1内的伺服电 机通过滚珠丝杆驱动工作台2作纵向移动(X轴)；伺服电机都与嵌入式计算机数控系统相 联，嵌入式计算机数控系统用磨削数据库的数据控制伺服系统，最大联动轴数为六轴。卧磨头拖板4的左侧设砂轮修整器，砂轮修整器可以在线修整；在立磨头8卧磨头 5上设置砂轮护罩，在砂轮护罩内设永磁吸附装置，以减少砂轮修整屑对工作面的影响。立 磨头托板6可以采用悬臂式托板。嵌入式计算机数控系统，基于ARM+FPGA专用运动数控芯片的双CPU构建计算机数 控系统硬件平台，其中ARM控制器的主要作用是负责运行系统中纺与管理相关的任务，是 系统的主控制CPU ；FPGA专用运动控制芯片负责运行插补计算机等运算量大、对任务的实 时性要求较高的任务，专用于繁重的插补运算，减轻ARM处理器的负担。工作台伺服驱动系统安装在立磨头拖板6上，伺服电机采用无间隙弹性联轴器与 滚珠丝杆直联，丝杆前端采用高精度四联丝杆轴承固定支撑，后端为双联球轴支持，立柱采 用双层导轨。润滑系统可用回圈自流式自动润滑系统。机床导轨均为铸铁导轨，经淬火磨削、贴塑处理，刚性强，移动灵活无爬行。大拖板 和工作台采用双V型导轨精密配合保证直线度，双层导轨的立柱固定在后床子上面，双夹 双抱式拖板安置在立柱龙门之内，磨头在拖板中的内存式往返运动，砂轮修整器固定在拖 板的左侧保证在线修整，并在砂轮护罩中增加了永磁和吸附装置来减少砂轮修整屑对工作 面的影响。本实用新型的有益效果是，内存外挂式立、卧双磨头结构，确保机床结构紧凑、传 动效率高，达到进给运动六轴控制能力，从而满足不同的加工情况。同时，节能显著，比同产 能龙门磨床节能2/3，制造原材料节约3/4，减少重复装夹提高加工精度和表面质量，从而 使磨削加工成本降低50%。回圈自流式自动润滑系统，可向滑道和螺杆提供润滑，降低滑道磨损，提高工作精 度及寿命，也可省去日常忘记加油的烦恼。自流式对导轨进行恒压供油，解决电磁泵间隙供 油给工作导轨精密造成误差，解决开机后重新开机润滑不足的缺点，从而减少维修，确保机 床的正常运转。用悬臂拖板移动，双层立柱导轨结构，大大增强了机床的稳定性，解决机床 的温差变形，应力变形和机床过载稳定性。计算机数字控制系统的硬件采用ARM+FPGA专用运动控制芯片的双CPU结构，软件 采用基于uC/OS-2嵌入式实时操作系统的多任务调度方案和组件化、模块化开发方法，并 且在控制算法上采用多程序段运动控制自适应算法和NURBS插补法，使得软硬件系统具有
4开放性、可重构性、通用性、易用性、适应性、结构紧凑、高速、高精度、高性能等特点，能进行 复杂自由曲面的磨削加工。用嵌入式系统构建，结构紧凑体积小，并且软硬件均可裁减，具 有开放性、可重构性、通用性、易用性、适应性等特点。计算机数字控制系统可重构可扩展；体系机构开放化；实时性好。该机床结构可满足砂轮刀库和多种成形技术，红外线检测和不间断修整，在砂轮 护罩中永磁吸附装置可以提高加工表面质量，增加了复杂零件磨削加工的自动编程平台和 控制技术系统属国内首创。解决复杂零件的三维曲面加工精度和表面质量，减少重复装夹， 提高生产效率和加工稳定性，简化生产工艺流程，降低生产成本。机床坐标随带直接的直测量系统，微量进给，可获得精细的断续和连续进给，由于 系统的补偿性好，可达到很高的定位精度、工件加工的准确度，加上公司自行研发的磨削工 艺软件所拥有的反间隙补偿，存储器螺距误差补偿功能，拓展了机床的加工功能，解决三维 曲面的复杂成形磨削加工，砂轮自动在线修整误差补偿和恒线速等技术问题。在数控方面解决如下几个问题1、复杂零件磨削加工自动编程根据砂轮的刀位数据、工艺参数，结合当前数控系 统类型进行后置处理，生成与数控系统相对应的数控加工代码。经运动仿真模块测试成功 后，借助数据通讯传输到数控机床进行实际磨削加工，从而建立基于复杂零件磨削加工的 自动编程平台。2、磨削加工过程运动仿真建立虚拟磨削环境，实现加工过程的运动学仿真。通过 磨削过程运动仿真，可以检验数控程序代码的走刀轨迹正确性和工艺可行性，避免产生程 序错误、碰撞及干涉等工艺事故。3、坐标数控磨削加工工艺参数优化采用基于人工神经网络和遗传算法的混合方 法优化组合多功能数控磨削加工工艺参数，实现工艺方案的最优化。4、数控磨削智能工艺数据库从复杂的多功能数控磨削加工工艺中提取挖掘所有 必要工艺要素的专家知识数据，采用智能化工艺方案优化及工艺数据管理系统。
图1:结构示意图。图2:正面示意图。图3:侧面示意图。图4:俯视示意图图5 计算机数控系统软件层次结构图。图6 计算机数控系统软件模块图。图7:系统实现框图。图8 软件平台整体技术方案的框架体系框图。图9 磨削数据库的各功能子库框图。图10 卧磨头垂直、横向伺服放大电路结构示意图。图11 立磨头垂直、横向伺服放大电路结构示意图。图12 立磨头转台、工作台伺服放大电路结构示意图。图中1.前床身；2.工作台；3.立柱；4.磨头升降滑座；5.卧磨头；6.悬臂式拖板；7.转盘；8.立磨头；9.后床身；10大拖板。
具体实施方式
如图1至图12，本实用新型包括床身、大拖板、工作台、立柱、卧磨头组件和立磨头 组件、润滑系统、控制系统，控制系统包括计算机数控系统和伺服系统，床身分为前床身1 和后床身9，门形立柱3设在后床身9上，卧磨头组件置于门形立柱3之内，立磨头组件位于 门形立柱3的一侧，大拖板10设在前床身1上，大拖板10上设置工作台2，这种结构称为内 存外挂式立、卧双磨头结构。卧磨头组件包括卧磨头拖板4和卧磨头5，卧磨头5在卧磨头拖板4下方，卧磨头 拖板4和门形立柱3相连；立磨头组件包括立磨头拖板6、可转位转盘7和立磨头8，立磨头 8与可转位转盘7相连，可转位转盘7与立磨头拖板6相连，立磨头拖板6和立柱3相连。立磨头8和卧磨头5分别由两台伺服电机，通过滚珠丝杆传动，作垂直Z1、Z2轴和 横向进给运动Y1、Y2轴；安装在可转位转盘7—侧的伺服电机通过转盘内的蜗轮蜗杆，驱动 可转位转盘7转动，实现立磨头8可转位磨削K轴；安装在前床身1内的伺服电机通过滚珠 丝杆驱动工作台2作纵向移动X轴；伺服电机都与嵌入式计算机数控系统相联，嵌入式计算 机数控系统用磨削数据库的数据控制伺服系统，最大联动轴数为六轴。卧磨头拖板4的左侧设砂轮修整器，砂轮修整器可以在线修整；在立磨头8卧磨头 5上设置砂轮护罩，在砂轮护罩内设永磁吸附装置，以减少砂轮修整屑对工作面的影响。立 磨头托板6可以采用悬臂式托板。床身采用整体铸造，T型布置，床身内部采用双墙板结构，提高机床整体刚性，前床 身采用矩形导轨和大拖板配合，大拖板在前床身上并能前后移动700ΜΜ，工作台伺服驱动系 统安装在悬臂式拖板上，伺服电机采用无间隙弹性联轴器于滚珠丝杆直联，丝杆前端采用 高精度四联丝杆轴承固定支撑，后端为双联球轴支持，立柱采用双层导轨设计，其磨头在工 作中防震效果大大提高，从而保证了机床的稳定性。机床导轨均为铸铁导轨，经淬火、磨削、 贴塑处理；大拖板和工作台采用双V型导轨精密配合。润滑系统为回圈自流式自动润滑系统，可向滑道和螺杆提供润滑，降低滑道磨损， 提高工作精度及寿命，也可省去日常忘记加油的烦恼。自流式对导轨进行恒压供油，解决电 磁泵间隙供油给工作导轨精密造成误差，解决开机后重新开机润滑不足的缺点，从而减少 维修，确保机床的正常运转。用嵌入式CNC计算机数字控制系统，确保卧磨头沿横向进给、纵向进给和垂直方 向进给，以及立磨头沿纵向进给、垂直方向进给和纵向进给方向垂直的平面内回转的进给 六轴自动控制。并能根据加工工艺实现其多轴插补联动，最大联动轴数为六轴。计算机数控系统采用嵌入式数控系统结构，基于ARM+FPGA专用运动数控芯片的 双CPU构建计算机数控系统硬件平台，其中ARM控制器的主要作用是负责运行系统中纺与 管理相关的任务，是系统的主控制CPU ；FPGA专用运动控制芯片负责运行插补计算机等运 算量大、对任务的实时性要求较高的任务，专用于繁重的插补运算，减轻ARM处理器的负 担。两者有机结合，优势互补，结构紧凑体积小，提高了系统性能、简化了系统设计、提高了 系统可靠性、降低了成本。如深圳市斯迈迪公司的SMP860。如图5，计算机数控系统软件层次结构分为三层其中最底层uC/OS-2实时操作系统是一个源码公开且专用于实时控制的嵌入式操作系统；在操作系统之上为硬件驱动程 序，它的功能主要是为上层磨床控制应用软件提供良好的函数调用接口，完成对系统硬件 资源的抽象，屏蔽掉底层硬件细节，通过抽象底层硬件的物理行为，使上层应用软件实现对 硬件功能的调用，计算机数控系统应用程序层包含6个周期性任务人机界面、数据处理， 即程序解释和预处理及加减速前瞻控制、插补、位置控制、逻辑处理、辅助控制任务；位置伺 服的优先级最高，插补的任务优先级次之，逻辑处理任务的优先级再次之，数据处理，即程 序解释、预处理、加减速控制的优先级再次之，辅助控制再次之，人机界面的优先级最低，此 6个任务在uC/OS-2操作系统的调度下运行。计算机控制系统硬件使用SMP860嵌入式运动控制平台。SMP860硬件上采用双CPU 结构，其中MCU采用了 S3C44B0XARM7高性能控制器，专用运动控制芯片采用了深圳市斯迈 迪公司自主研发的机遇FPGA的SM5004。S3C44B0X使用ARM7TDMI核，工作在66MHZ，具有 LCD控制器、UART、RTC等丰富的外围功能模块，它是系统的核心，负责数据处理和粗插补运 算、系统通信、IXD显示控制、键盘管理以及整个系统运行等功能。另外，系统扩展了8MB SDRAM 和 4MB NOR FLASH 及 32MB NANDflash 以保证有足 够的空间存储系统控制程序及支持系统运行。SM5004是以MCX314/AS技术指标为基础，同 时吸取了其他系列芯片个别有点研发出来的。它在功能上和性能上可以全面替代NOVE的 MCX3XX/A、NPM的PCL6045/6025等同类芯片，使用此芯片后原本很复杂的运动控制问题就 可以变得相对简单，包括勻速和变速脉冲的发射、直线和圆弧插补、圆点和限位开关管理、 升降速规划等功能均可由SM5004以硬件方式来完成。计算机数控系统软件层次结构分为三层其中最底层uC/OS-2实时操作系统是一 个源码公开且专用于实时控制的嵌入式操作系统，它具备可移植、可固化、可裁减、占先式、 多任务等特性，非常适用于数控系统的开发。在操作系统之上为硬件驱动程序，它的功能主 要是为上层磨床控制应用软件提供良好的函数调用接口，完成对系统硬件资源的抽象，屏 蔽掉底层硬件细节，通过抽象底层硬件的物理行为，使上层应用软件实现对硬件功能的调 用。磨床数控系统应用程序层包含6个周期性任务人机界面、数据处理(程序解释和预 处理及加减速前瞻控制)、插补、位置控制、逻辑处理、辅助控制等任务。位置伺服的优先级 最高，插补的任务优先级次之，逻辑处理任务的优先级再次之，数据处理，即程序解释、预处 理、加减速控制的优先级再次之，辅助控制再次之，人机界面的优先级最低。此6个任务在 uC/OS-2操作系统的调度下运行。图9再列举一种磨削数据库的各功能子库框图，这种离散型磨削数据库由6个功 能子库组成。磨削数据库的建立为结构设计和应用软件设计两部分。由于磨削加工工具采 用砂轮，而砂轮具有自锐性等特殊性，且磨削属于精加工，需要避免热损伤，故须在磨削过 程中配备检测仪及砂轮修整程序，进行磨削数据的采集和优化。根据评价后磨削数据的特 征，可建立离散型磨削数据库。由于离散型磨削数据库的数据量很庞大，以存储检索的方式 来实现管理，即与磨削数据有关的影响因素用不同的代码表示，这些代码叠加构成检索的 关键字。这些关键字随磨削方式不同而不同，故磨削数据库下必须分别建立相应的子库，各 子库既要能实现独立性运行，又服从总控命令。因此数据库内部各影响因素表之间要建立 参照完整性，父表与子表之间具有约束关系，即当表一旦进行插入、更新或删除记录，计算 机就会自动对相应的表进行操作，以避免重复操作和由此引起的错误。[0054]1、磨削工艺参数子库包含工件材料，工件直径，冷却液，砂轮类型和其他磨削参 数。下设三个表不能更改且限制访问路径，仅作为参考的周期数据表；当前数据暂时储存 表；适合或优化的数据表。第三个数据表将可以用于这些工件的下一次加工。2、磨削液性能子库提供冷却液的物理和热性能等。3、材料可磨削性能子库提供工件材料的机械和热性能等。4、磨具性能子库提供砂轮类型，大小，砂轮的机械和热特性等。5、磨削加工中心参数子库此项提供了机床参数的详细资料，从CNC上传到系统。6、修正工具子库提供修正磨具的参数等。有时，为监控“重要”零件的生产，还设有特殊零件数据子库，用于存储成组零件所 有相符的详细资料，包括批号、零件编号、周期数据，最高磨削温度、算法数据、加工反评估 数据等。采用窗口菜单显示技术，倘若数控机床不能查找到加工将要使用的数据，将会出 现消息框并且数据库前端允许向数据库添加新记录。目前已有的机械手及相关数据、砂轮刀库相关数据基本能满足要求。
权利要求1.一种磨削加工中心，包括床身(1、9)、大拖板(10)、工作台(2)、立柱(3)、卧磨头组件 和立磨头组件、润滑系统、控制系统，控制系统包括计算机数控系统和伺服系统，床身分为 前床身(1)和后床身(9)，其特征是门形立柱(3)设在后床身(9)上，卧磨头组件置于门 形立柱⑶之内，立磨头组件位于门形立柱⑶的一侧，大拖板(10)设在前床身⑴上，所 述大拖板(10)上设置工作台O)，上述结构称为内存外挂式立、卧双磨头结构。
2.如权利要求1所述的磨削加工中心，其特征在于所述卧磨头组件包括卧磨头拖板 ⑷和卧磨头(5)，卧磨头(5)在卧磨头拖板⑷下方，卧磨头拖板⑷和门形立柱(3)相 连；所述立磨头组件包括立磨头拖板(6)、可转位转盘(7)和立磨头(8)，立磨头(8)与可 转位转盘(7)相连，可转位转盘(7)与立磨头拖板(6)相连，立磨头拖板(6)和立柱(3)相 连。
3.如权利要求1或2所述的磨削加工中心，其特征在于立磨头(8)和卧磨头(5)分 别由两台伺服电机，通过滚珠丝杆传动，作垂直和横向进给运动；安装在可转位转盘(7) — 侧的伺服电机通过转盘内的蜗轮蜗杆，驱动可转位转盘(7)转动，实现立磨头(8)可转位磨 削；安装在前床身(1)内的伺服电机通过滚珠丝杆驱动工作台(2)作纵向移动；所述伺服 电机都与嵌入式计算机数控系统相联，所述嵌入式计算机数控系统用磨削数据库的数据控 制伺服系统，最大联动轴数为六轴。
4.如权利要求1或2或3所述的磨削加工中心，其特征在于卧磨头拖板的左侧 设砂轮修整器，砂轮修整器可以在线修整；在立磨头(8)卧磨头(5)上设置砂轮护罩，在所 述砂轮护罩内设永磁吸附装置，以减少砂轮修整屑对工作面的影响。
5.如权利要求1或2或3所述的磨削加工中心，其特征在于所述立磨头托板(6)可 以采用悬臂式托板。
专利摘要一种磨削加工中心，为解决现有磨床功能单一等问题，它包括床身、大拖板、工作台、立柱、卧磨头组件和立磨头组件、润滑系统、控制系统，控制系统包括计算机数控系统和伺服系统，主要采用内存外挂式立、卧双磨头结构，能实现六轴联动，结构紧凑、传动效率高，可以满足多种的磨削加工需要。
文档编号B24B27/00GK201815943SQ20102020640
公开日2011年5月4日 申请日期2010年5月28日 优先权日2010年5月28日
发明者郭怀仲 申请人:湘潭三峰数控机床有限公司