专利名称：具有双五轴联动系统的异型石材多功能复合加工中心的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种石材加工设备，特别是涉及一种具有双五轴联 动功能和双工作头同步切削功能的异型石材高速高效复合加工中心，
可实现对石材卧式和立式等多种形态的加工；可完成对石材制品的车
削、铣削、磨削、雕刻、锯切等多种形式的加工。
背景技术：
天然石材由于具有质感好、外观庄重、机械及物理化学性能良好 (如耐压、耐磨及耐腐蚀)等优点，自古以来就是一种优良的建筑材料。 随着改革开放带来的发展机遇，我国已成了世界上名副其实的"石材 加工厂"。相对石材产业的快速发展，我国石材装备产业的发展则比 较滞后，主要表现在以下几个方面
1、石材加工设备的加工能力比较单一。近年来，随着石材产业 的发展，我国石材加工装备技术有所提高，用于在荒料切割和板材加 工的设备日益完善，同期也出现了一定数量的可实现三轴联动的石材 浮雕和曲线曲面数控加工设备。但相对国际市场而言，仍然只是停留 在提供劳工密集型制品和低附加值制品的加工水平上，对于具有高附 加值的异型石材制品，如各种回转面柱体、罗马柱、柱头、柱帽、柱 体花纹、碑石、复杂的平面浮雕、人体雕塑等异型石材制品，仍然以 手工加工为主。这严重制约了我国建筑装饰装修的水平和品位的提
高，也阻碍了装饰装修行业的发展。
2、 设备的加工效率较低。制约石材加工效率的因素主要表现在
以下几个方面第一、石材制品的加工通常要经过轮廓加工、粗加工、 精加工、抛磨加工等多个工序，目前的加工技术都是通过不同设备来 完成的，不但费时费力，而且很难保证需要的加工精度，特别是抛磨 加工仍以手工加工为主，生产效率很低而加工成本很高；其次，以龙 门式加工设备为主的国内石材加工设备，其横梁大都使用同一部伺服 电机通过一根穿过横梁下方的转轴使两侧的齿轮齿条副实现同步运 动，其进给速度较低而且进给精度不高；第三、相对国外设备采用多 工作头同步加工和高速加工技术而言，国内的多工作头同步高速高效 加工设备仍然是空白。
3、 制品的加工质量不高。石材板材、曲面等制品的加工设备一 般以龙门式加工设备为主，其进给系统大都采用齿轮齿条副进给。尤 其是龙门横梁的Y轴向进给系统，由于其结构上的限制，国内设备只 能通过同一根转轴驱动两侧齿轮齿条副来实现，其进给精度较低；其 次目前石材加工设备的垂直进给系统一般采用液压进给系统或螺旋 丝杆副进给系统，采用液压进给系统的一般在垂直方向上都没有进给 精度要求，而采用单一的螺旋丝杆副进给系统，由于丝杆在实现机构 进给的同时还要承受垂直进给系统的重力作用，这对丝杆副和伺服系 统都提出了很高的要求，同时采用单一的螺旋丝杆副进给系统容易产 生断电滑移现象，很难保证加工质量。
4、 石材作为一种硬脆性材料，相对于普通的金属切削具有不同
的切削特性和切削工艺要求，比如对于回转体类石材制品的车削加 工，加工工件的尺寸和体积一般都比较大，不适合高速旋转，所以不 能采用普通的金属车削车刀，而是使用圆盘锯片形切削工具，通过锯 片的高速旋转来获得切削加工所需要的切削速度。同时石材制品对光 泽度要求较高，对制品的尺寸精度要求相对较低，因此使用金属加工 机床或加工中心来完成石材制品的加工不但对机床本身造成一定的 破坏，而且还很难达到相应的加工精度要求。
因此研制适合不同类型石材制品加工需求的多功能复合高速高 效加工中心成为提升我国石材加工装备技术水平的必由之路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速高效的异型石材多功能复合加 工中心。该加工中心能够实现对石材制品的卧式五轴联动和立式五轴 联动加工，完成对石材制品的车削、铣削、磨削、雕刻、锯切等多种 形式的加工，并能实现轴向高速进给和多工作头的同步高效加工。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的
具有双五轴联动系统的异型石材多功能复合加工中心，该加工中 心采用动龙门结构，龙门横梁由两部同步伺服电机和通过两侧螺旋丝 杆副实现Y轴向驱动，横梁上安装有Z轴水平滑鞍，滑鞍上分别安 装有车削工作头部件和雕铣工作头部件，其垂直方向的进给系统由一 套螺旋丝杠进给系统和液压辅助进给系统组成，其中车削工作头通过
同一部伺服电机可实现A轴旋转分度和切削刀具的旋转运动，雕铣 工作头可实现B轴旋转分度,加工中心的龙门横梁下配有卧式旋转分
度工作台和立式旋转分度工作台；该加工中心配有双五轴联动数控系 统，可实现对石材制品的卧式五轴联动加工和立式五轴联动加工，可 完成对石材制品车削、铣削、磨削、雕刻、锯切多种加工形式。
所述具有双五轴联动系统的异型石材多功能复合加工中心，其龙 门横梁由两侧的滚珠导轨支撑并定位在两侧立柱上，通过两侧的螺旋 丝杠副驱动实现Y轴向进给，两侧的进给丝杠分别由两部相同的伺 服电机和带同，数控系统通过同一部变频系统向两部电机发送相同的 驱动信号，实现双侧高速高精密同步驱动。
所述具有双五轴联动系统的异型石材多功能复合加工中心，其X 轴垂直进给系统由一套螺旋丝杠副与液压辅助系统共同组成，螺旋丝 杠副的螺母与垂直滑鞍相连，液压系统的液压缸与垂直滑鞍相连，液 压阀与横梁滑鞍上的支点通过回转副相连，其中螺旋丝杠副提供垂直 方向的定位作用，液压系统为稳压系统，提供辅助的重力支撑和断电 保护。
所述具有双五轴联动系统的异型石材多功能复合加工中心，其龙 门横梁下分别安装有卧式旋转分度工作台和立式旋转分度工作台。其 中卧式旋转分度工作台的主轴箱由伺服电机通过主轴直接连接被加 工工件；立式旋转分度工作台的伺服驱动电机通过一对对顶拧紧的蜗 轮蜗杆和副消除齿轮传动中的齿侧间隙，可实现高精度的旋转分度。
具有双五轴联动系统的异型石材多功能复合加工中心，用于石材 加工的双工作头切削装置，其雕铣工作头部件和车削工作头部件并列 放置在水平滑鞍上，两个工作头都具有独立的垂直进给系统，其中雕
铣工作头部件可实现B轴旋转分度，车削工作头绕A轴的旋转分度， 两个工作头在Y轴向错位距离在100mm-350mm之间，双工作头同步 加工时车削工作头在回转体的侧面进行车削加工的同时，雕铣工作 头沿工件的轴线垂直方向进行端面磨削或高速切削。 本发明的优点与效果是
1. 通过合理配置车削工作头和雕铣工作头及卧式工作台与水平 工作台，加工中心能够实现对石材制品的卧式五轴联动和立式五轴联 动加工，其中车削工作头安装圆盘车刀可实现对石材制品的车削和锯 切加工，雕铣工作头可安装雕铣刀具和端面磨具，可实现对石材制品 的雕铣、磨削加工。加工中心的功能满足大部分异型石材制品的加工 功能要求。
2. 本发明所有轴向进给系统均采用螺旋丝杠副进给系统具有更 高的进给精度。其中横梁Y轴向的进给采用双侧同步驱动技术，避免 了单侧驱动时产生的大扭矩对横梁长度的限制，比传统石材加工设备 采用的齿轮齿条副具有更高的进给精度和进给速度。
3. 本发明的X轴垂直进给方向由螺旋丝杠副与液压辅助支撑系 统共同组成，其中液压系统承受了垂直方向的重力，螺旋丝杠副的螺 母与垂直滑鞍相连并定位。这种结构在不影响传动精度的情况下，减 少了螺旋丝杠进给系统的垂直负载，提高了进给速度，同时液压系统 还可提供断电保护。
4. 本发明的卧式工作台主轴，通过联轴器直接与伺服电机相连; 立式工作台的主轴由伺服电机通过一对对顶的蜗杆传动副传动。对顶
蜗杆涡轮副使得传动链上的齿轮分别与齿轮的两个侧面精密结合，有 效消除了因为齿侧间隙而形成的传动误差。两个工作台的旋转分度精
度都可以达到20'。
5.本发明横梁滑鞍上的车削工作头与雕铣工作头并排放置，两 个工作头都具有独立的垂直进给系统，可以实现对石材制品的同步高 效加工。两个工作头Y轴向位置错位放置，这种结构能够使双工作头 在对回转体进行同步加工时避免产生过大的切向剪切力和振动。
图l为本发明加工中心的主视图2为本发明加工中心的俯视图3为本发明加工中心的A-A局部剖视图4为本发明加工中心立式工作台的主视图。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明进行详细说明。
具有双五轴联动系统的异型石材多功能复合加工中心，其横梁上 安装有Z轴水平滑鞍，滑鞍上并列安装着雕铣工作头部件和车削工作 头部件。其中雕铣工作头部件由一个带自动换刀功能的高速电主轴与 一套涡轮蜗杆旋转分度机构共同组成，可实现B轴旋转分度，其分度 主轴上还安装有一套液压锁紧的辅助装置；其车削工作头部件通过一 部大功率的伺服电机既能为车削工作头的旋转运动提供主切削力，又 能实现车削工作头绕A轴的旋转分度。其Z轴水平滑鞍上并列放置 的车削工作头与雕铣工作头在Y轴向方向上错位放置，分别具有独立的伺服进给系统，可实现对回转体石材制品和平面石材制品的同步 切削加工。其X轴垂直进给系统由一套螺旋丝杠副与液压辅助系统 共同组成，垂直方向由螺旋丝杠副定位，液压系统提供辅助的重力支
撑和断电保护，可实现X轴垂直方向的高速高效进给。其龙门横梁
下分别安装有卧式旋转分度工作台和立式旋转分度工作台。其中卧式
旋转分度工作台的主轴箱由伺服电机通过主轴直接连接被加工工件； 立式旋转分度工作台采用一种双蜗杆对顶齿侧消隙传动技术，可实现 高精度的旋转分度。其两侧立柱上分别安装有水平放置的刀库，分别 放置雕铣工具和磨抛工具，雕铣电主轴上安装有液压打刀和液压夹 具，可实现自动换刀，不使用额外的换刀手。
加工中心采用动龙门结构，图l为本发明的主视图。加工中心的 龙门横梁2由两侧立柱1上的定位导轨3支撑，通过两侧的螺母4、 7与丝杠5、 8构成的螺旋副获得进给运动。从图2可以看出，丝杠5、 8分别由相同的伺服电机6和9驱动。数控系统通过同一部变频系统 向两部电机发送相同的变频信号，从而实现Y轴向同步高速高精密 驱动。其轴向最大进给速度可达20 (m/s)，重复定位精度可达20 (u m/m)。在龙门横梁2的侧面安装有Z轴水平横梁滑鞍10，从 图3上可以看出该横梁滑鞍10通过安装在横梁顶端的导轨11和安装 在侧面的导轨12定位和支撑。横梁滑鞍10通过与其相连的螺母13 与丝杠14组成螺旋传动链，从图1可以看出，丝杠14是由伺服电机 15直接驱动的。
横梁滑鞍10上分别安装有雕铣工作头部件和车削工作头部件， 其雕铣工作头和车削工作头具有独立的垂直进给系统，其进给系统都
由一套螺旋丝杠进给系统与液压辅助支撑系统组成。从图3中可以看 出，垂直滑鞍16通过丝杆螺母17与丝杠18组成的螺旋副定位，丝 杠18由伺服电机19驱动，伺服电机19安装在支撑架25上，垂直滑 鞍16通过定位导轨41定位。同时滑鞍16还与一个液压缸20相连， 液压缸的活塞21与导杆22相连，导杆22与固定在横梁滑鞍10上的 构件24组成一个回转副23，有效避免了两套系统的重复定位。其液 压系统采用稳压系统控制，提供恒定的工作压力来承载垂直工作部件 的重力。该结构有效减轻了丝杠的负载，在提高垂直进给系统的进给 效率的同时，保证了进给的精度和相应时间。
雕铣工作头由带自动换刀机构的高速电主轴26安装在一个旋转 分度工作台上组成。电主轴26安装在连接件27上，连接件27与分 度主轴28相连。其分度运动是通过安装在分度主轴上的涡轮29与安 装在分度箱32上的蜗杆30组成的运动副实现传动的，蜗杆由电机 31驱动。同时分度主轴28上还安装有一个锁紧罗盘34，该罗盘由液 压系统35锁紧。雕铣工作头是通过螺栓33将分度箱32固定在垂直 滑鞍16上的。从图l与图2上还可以看出，车削工作头部件的垂直 进给系统通过伺服电机36、螺旋丝杠副37、液压辅助进给系统38组 成，其工作原理与雕铣部件相同。车削工作头部件是由大功率伺服电 机39通过一个专利机构实现车削工作头40的旋转切割运动与0° — 105°间的分度运动的，该部分结构已另行申报专利。
龙门横梁的下方分别安装有卧式旋转分度工作台、立式旋转分度
工作台和刀库架58。其卧式旋转分度工作台由床头箱42与床尾顶针 44安装在工作台43上组成，其旋转分度运动是由伺服电机45直接 驱动主轴46完成的。立式工作台由支撑系统与传动系统组成，其T 型工作台通过螺栓组47与大齿轮49相连，通过滑动轴承放置在箱体 59上，同时该工作台还通过主轴48定位。大齿轮49分别与齿轮轴 50、 51构成齿轮传动机构，齿轮轴50、 51通过安装在其上的涡轮52、 53带动并由蜗杆54、 55驱动。伺服电机57通过主轴56带动蜗杆54、 55的运动。其中蜗杆54、 55采用定位螺母实现轴向固定，两定位螺 母向相反方向对顶旋转，使得蜗杆54、 55之间的轴向距离最大，从 而使传动链中的齿轮副之间形成了预警力，使得齿轮副之间始终保持 单侧接触，从而消除了齿侧间隙，使其进给精度达到20'。
权利要求
1.具有双五轴联动系统的异型石材多功能复合加工中心，其特征在于该加工中心采用动龙门结构，龙门横梁(2)由两部同步伺服电机(6)和伺服电机(9)通过两侧螺旋丝杆副实现Y轴向驱动，龙门横梁(2)上安装有Z轴水平横梁滑鞍(10)，横梁滑鞍(10)上分别安装有车削工作头部件和雕铣工作头部件，其垂直方向的进给系统(16)由一套螺旋丝杠进给系统和液压辅助进给系统组成，其中车削工作头通过同一部伺服电机(19)可实现A轴旋转分度和切削刀具的旋转运动，雕铣工作头可实现B轴旋转分度，加工中心的龙门横梁(2)下配有卧式旋转分度工作台和立式旋转分度工作台；该加工中心配有双五轴联动数控系统，可实现对石材制品的卧式五轴联动加工和立式五轴联动加工，可完成对石材制品车削、铣削、磨削、雕刻、锯切多种加工形式。
2. 根据权利1所述具有双五轴联动系统的异型石材多功能复合 加工中心，其特征在于龙门横梁(2)由两侧的滚珠导轨支撑并定 位在两侧立柱上，通过两侧的螺旋丝杠副驱动实现Y轴向进给，两 侧的进给丝杠分别由两部相同的伺服电机(6)和伺服电机(9)带同， 数控系统通过同一部变频系统向两部电机发送相同的驱动信号，实现 双侧高速高精密同步驱动。
3. 根据权利1所述具有双五轴联动系统的异型石材多功能复合 加工中心，其特征在于其X轴垂直进给系统由一套螺旋丝杠副与 液压辅助系统共同组成，螺旋丝杠副的螺母(17)与垂直滑鞍(16) 相连，液压系统的液压缸与垂直滑鞍(16)相连，液压阀与横梁滑鞍上的支点通过回转副(23)相连，其中螺旋丝杠副提供垂直方向的定 位作用，液压系统为稳压系统，提供辅助的重力支撑和断电保护。
4. 根据权利1所述具有双五轴联动系统的异型石材多功能复合 加工中心，其特征在于其龙门横梁(2)下分别安装有卧式旋转分 度工作台和立式旋转分度工作台。其中卧式旋转分度工作台的主轴箱 由伺服电机(45)通过主轴(48)直接连接被加工工件；立式旋转分 度工作台的伺服驱动电机通过一对对顶拧紧的蜗轮(52)和蜗轮(53)、 蜗杆(54)和蜗杆(55)副消除齿轮传动中的齿侧间隙，可实现高精 度的旋转分度。
5. 具有双五轴联动系统的异型石材多功能复合加工中心，用于 石材加工的双工作头切削装置，其特征在于雕铣工作头部件和车削工 作头部件并列放置在水平滑鞍上，两个工作头都具有独立的垂直进给 系统，其中雕铣工作头部件可实现B轴旋转分度，车削工作头绕A 轴的旋转分度，两个工作头在Y轴向错位距离在100mm-350mm之间， 双工作头同步加工时车削工作头在回转体的侧面进行车削加工的同 时，雕铣工作头沿工件的轴线垂直方向进行端面磨削或高速切削。
全文摘要
具有双五轴联动功能和双工作头同步切削功能的异型石材高速高效复合加工中心，涉及一种石材加工装备。该加工中心采用动龙门结构，龙门横梁采用一种双电机同步驱动技术，由两侧螺旋丝杠副实现同步高速驱动；横梁滑鞍上分别安装有雕铣工作头部件和车削工作头部件，其垂直进给机构均由一套螺旋丝杆副与液压辅助机构共同组成；其中雕铣工作头可绕B轴旋转分度，车削工作头使用同一部伺服电机实现A轴旋转分度与切割运动；其车削工作头与雕铣工作头错位排列，可同时对石材制品进行车削加工与磨削加工。加工中心配有一套具有双五轴联动功能的数控系统，能够实现对石材制品的卧式五轴联动加工与立式五轴联动加工。
文档编号B28D1/20GK101357490SQ200810013049
公开日2009年2月4日 申请日期2008年9月1日 优先权日2008年9月1日
发明者侯宝佳, 吴玉厚, 珂 张, 蒋超霞, 民 赵, 赵凯军, 赵德宏, 峰 陆, 麟 韩 申请人:沈阳建筑大学