专利名称：加工船用发动机缸盖数控机床的结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机械设备，一种专门加工船用发动机缸盖数控机床的结构。
背景技术：
加工船用发动机缸盖涉及车、铣、钻、攻丝等加工工艺。目前国内加工船用发动机 缸盖的设备主要为大型车床、大型镗铣床、大型摇臂钻床等。由于船用发动机缸盖重量较大 (2000 12000kg)，内部孔系结构复杂，因此采用以上常规机床进行孔系及铣削加工时，工 件需要频繁装夹，同时需要大量的复杂夹具，加工精度和效率低下。
发明内容本实用新型的目的是提供一种加工船用发动机缸盖数控机床，专门加工大重量的 船用发动机缸盖，提高质量和效率。加工船用发动机缸盖数控机床的结构，包括各自独立的径向加工单元、轴向加工 单元、高精度A轴分度夹具装置，其特征在于通过一套电气控制系统、液压系统、排屑及冷 却过滤系统将径向加工单元、轴向加工单元、高精度A轴分度夹具装置构成一台专用数控 机床，径向加工单元位于高精度A轴分度夹具的侧面，轴向加工单元位于高精度A轴分度夹 具的正对面；径向加工单元和轴向加工单元的结构完全相同，各有X轴、Y轴、Z轴、W轴、B 轴五个数控轴Z轴和W轴为互相平行并与地面保持水平的两个沿刀具轴线方向的数控直 线轴，X轴平行于地面并与Y轴和Z轴垂直，X轴是使径向或轴向加工单元沿床身长度方向 移动的数控直线轴，Y轴垂直于地面并垂直于Z轴和W轴，Y轴是使Z轴上下移动的数控直 线轴，B轴为数控回转轴，其回转轴线平行于Y轴，使刀具沿Y轴方向回转，夹具固定在平行 于地面的A轴上，绕A轴旋转，A轴分度夹具是X轴、Y轴、Z轴、W轴、B轴五个数控轴的方 位参照基准轴。本新型机床将高精度A轴分度夹具与两个结构相同的径向加工单元和轴向加工 单元通过一套电气控制、液压、排屑及冷却过滤系统组合为一体，可以实现一次装夹，同时 完成大重量工件的径向和轴向不同角度和位置的深孔钻削和铣削加工。
[0006]图1是本设计的 女控机床整体视图；[0007]图2是本设计的 女控机床主视图；[0008]图3是本设计的 女控机床左视图；[0009]图4是本设计的 女控机床俯视图；[0010]图5是该_女控机床的径向加工单元主视图；[0011]图6是该_女控机床的径向加工单元左视图；[0012]图7是该_女控机床的径向加工单元俯视图；[0013]图8是该_女控机床的轴向加工单元主视图；[0014]图9是该数控机床的轴向加工单元左视图；图10是该数控机床的轴向加工单元俯视图；图11是高精度A轴分度夹具装置径向剖视图；图12是图11的A-A剖视图；图13是X轴滑台20的主视图；图14是X轴滑台20的俯视图；图15是B轴转盘19的主视图；图16是B轴转盘19的A-A剖视图；图17是轴向加工单元的主轴及伺服轴驱动控制第一电源连接图；图18是径向主轴加工单元的主轴及伺服轴控制第二电源连接图；图19是NC操作及外围控制的电器连接图。
具体实施方式
加工船用发动机缸盖数控机床，包括电气控制系统2、液压系统4、排屑6及冷却过 滤系统5，从图1-4的整体可见轴向加工单元和径向加工单元的五轴与夹具所固定的A轴之 间的关系，其特征在于径向加工单元1、轴向加工单元7、高精度A轴分度夹具3是各自独立 的装置，径向加工单元1位于高精度A轴分度夹具3的侧面，轴向加工单元7位于高精度A 轴分度夹具3的正对面，通过一套电气控制系统2、液压系统4、排屑6及冷却过滤系统5以 及防护围板，见图4，将三个装置构成一台完整的专用数控机床；径向加工单元1和轴向加 工单元7的结构完全相同，各有X轴、Y轴、Z轴、W轴、B轴五个数控轴，平行于地面的高精 度A轴分度夹具3是X轴、Y轴、Z轴、W轴、B轴五个数控轴的方位参照基准轴。如图1所示，Z轴和W轴为两个平行并与地面保持水平、沿刀具轴线方向移动的数 控直线轴，其中Z轴主要完成钻削和铣削的进给，W轴主要完成深孔钻削时刀具长度和位置 的调整。X轴平行于地面并与Y轴和Z轴垂直，X轴是使径向加工单元或轴向加工单元沿床 身长度方向移动的数控直线轴，以实现对A轴夹具上工件不同位置的加工。Y轴垂直于地面 并垂直于Z轴和W轴，Y轴是使Z轴上下移动的数控直线轴，以实现工件上下不同位置的加 工。B轴为数控回转轴，其回转轴线平行于Y轴，使刀具沿Y轴方向回转，以实现工件不同角 度的加工。径向加工单元1和轴向加工单元7的结构完全相同。径向加工单元1的结构如图 5-7，该部分结构说明见下述轴向加工单元的图8-10的说明。轴向加工单元，见图8-10 :X轴直线导轨23沿X轴底座M长度方向安装，X轴滑 台20通过滑块安装面安装在X轴直线导轨23的滑块上，X轴滑台20上的丝母座与X轴滚 珠丝杠21相连，X轴滚珠丝杠21由伺服电机Xl驱动，使X轴滑台20沿X轴方向运动。B 轴转盘19通过轴承18安装在X轴滑台20的上表面，B轴转盘上安装有小齿轮22，并由伺 服电机Bl驱动与安装在X轴滑台20上的大齿轮17啮合，使其沿B轴方向回转。W轴滑座 15通过与X轴垂直的水平方向W轴直线导轨16安装在B轴转盘19的上表面，Y轴立柱9 垂直把合在W轴滑座15上，并由伺服电机通过W轴滚珠丝杠25驱动沿W轴方向运动。Y轴 滑板8通过与X轴及地面垂直的Y轴直线导轨11安装在Y轴立柱9上并由伺服电机通过 滚珠丝杠10驱动沿Y轴方向运动。Z轴滑板12通过与W轴直线导轨16平行的Z轴直线导轨13安装在Y轴滑板8上并由伺服电机Zl通过Z轴滚珠丝杠14驱动沿Z轴方向运动。高精度A轴分度夹具的结构，见图11、图12:参数相同的长蜗杆轴27和短蜗杆轴 34的末端通过固定在变速箱36中部的花键套31同心相向连接，长蜗杆轴27和短蜗杆轴34 的另一端通过轴承支撑安装在变速箱36侧壁的安装孔内，两个圆螺母观和圆螺母35安装 在两根蜗杆轴的外侧以固定其轴向位置，A轴伺服电机四通过联轴器30与长蜗杆27同心 连接，其轴线与主轴42垂直，两个相同的蜗轮沈、33以及两个相同的小齿轮分别安装在与 主轴42平行的两个小齿轮轴25、32上，两个蜗轮沈、33分别与长蜗杆轴27和短蜗杆轴34 啮合，以上的蜗轮蜗杆结构均置于变速箱36内。主轴42安装在主轴箱37内，大齿轮44装 在主轴42末端，两个小齿轮轴25、32上的小齿轮同时与大齿轮44啮合，在主轴42后端直 联了一个高精度的角度编码器43。刹车盘40通过刹车盘套41连接在主轴42中部，置于刹 车体39的凹槽内，且与主轴42同心，刹车体39安装在主轴箱37上面中部，五个相同的刹 车活塞38分别安装在刹车体39上，刹车活塞38与主轴42同轴向。X轴滑台20的形状见图13、14 :X轴滑台20为一扇形圆盘，X轴滑台的上平面为B 轴转盘回转时的滑动支撑面，该支撑面分为前后二部分，包含扇形圆心的为前端支撑面，包 含外圆的为后端支撑面，中间的凹槽为空刀槽，滑台靠近扇形圆心的部位是B轴回转轴承 的安装孔，在扇形滑台上平面的最外端有一阶梯圆弧平面，平面上有安装螺纹孔，用于安装 驱动B轴回转的大齿轮，X轴滑台下面两个直线边各有二个凸起的等高平台，用于安装X轴 导轨滑块，滑台下面接近一条直边处有安装X轴丝杠的梯形丝母座。如图15、16所示B轴转盘19主体为中间凹两长边凸起的不规则长方形结构，一 端为半圆形，中部有安装B轴轴承的中心孔；转盘右侧长边一端有形成一体的三角形结构， 其三角形底边与长方形结构宽边接续，三角形底边有用于安装B轴伺服电机的孔；转盘的 下平面为B轴回转时的滑动接触面，该接触面分为前后二部分，包含B轴回转中心孔的为前 端接触面，远离回转中心孔的为后端接触面，中间的凹槽为空刀槽；B轴转盘的两长边分别 有二个凸起的等高长方形平面，平面上有安装螺纹孔，用于安装W轴直线导轨。数控系统应用一个双位置反馈技术，能同时监控电机编码器及外部编码器的位置 进行双重全闭环控制。液压系统、排屑及冷却过滤系统按机床行业常规技术要求配置，通过管路连接到 达各执行元件。电气控制系统主要采用数字控制系统用于各加工轴的位置控制，液压系统主要用 于各旋转数控轴的到位锁紧，排屑及冷却过滤系统的设计满足深孔加工刀具的使用要求。轴向加工单元的主轴及伺服轴驱动控制系统电器连接见图17。与主板依次相连 的是第一电源模块PSMl、主轴模块SPMl、A轴伺服模块SVMl、伺服电机X1/Y1的双轴伺服 模块SVM2、伺服电机B1/W1、双轴伺服模块SVM3、伺服电机Zl轴伺服模块SVM4。显示器与 主板集成在一起，简称NC，CP1A为NC的供电接口，输入DCMV。电源模块PSMl的直流母线 接口 TB1\TB2把外部的AC200V转换成DC700V，为各个模块提供电能，直流电源DC24V接口 CX2A\CX2B为各个模块提供控制电源，与断路器相连的接口 CX1A\CX1B与主轴模块SPMl连 接，接口 CX4接急停部件，接口 CX3接直流接触器KCC，为电源准备好信号。NC的接口 JA41与 轴向主轴模块SPMl的接口 JA7B相连接，该接口 JA7A端接径向主轴模块SPM2的接口 JA7B， 作为主轴模块的控制电缆；NC的接口 C0P10A-1与轴向伺服模块SVMl的接口 C0P10B相连，此为传输指令及数据的光缆，并与后面的几个伺服模块SVM2-4的接口 C0P10B/C0P10A依次 串连。轴向伺服模块SVM4的C0P10A与径向伺服模块SVM5的接口 C0P10B连接。轴向主轴 模块SPMl中主轴电机的动力线接口单元JYA2、主轴电机的速度反馈接口 CZ2共同连接第一 主轴电机Sl ；轴向伺服模块SVM1-4中伺服电机的动力线接口 JF1/JF2、伺服电机的速度反 馈接口 CZ2L/CZ2M分别与各自的伺服电机A、伺服电机XI、伺服电机Yl、伺服电机Bi、伺服 电机Wl、伺服电机Zl相连。径向加工单元的主轴及伺服轴控制系统电器连接见图18。径向电源及主轴模块 的接线及控制方式与轴向相同。轴向模块连接方式同样适用于径向第二电源模块PSM2、主 轴模块SPM2及第二主轴电机S2、伺服电机X2/Y2的双轴伺服模块SVM5、伺服电机B2/W2的 双轴伺服模块SVM6、伺服电机Z2的径向伺服模块SVM7。另外，由于此机床的轴A、轴Bi、轴 B2带动负载比较大，在加工、装配精度及运动过程中精度控制很难保证，所以本机床应用了 数控系统的一个双位置反馈技术，它能同时监控电机编码器及外部编码器的位置进行双 重全闭环控制来达到很好的精度。将这三个伺服轴配置角度编码器，见图18中径向伺服模 块SVM7的接口 C0P10B通过光缆连接外编模块外编模块接口 JFlOl连接A轴角度编码器、 接口 JF102连接Bl轴角度编码器、接口 JF103连接B2轴角度编码器。NC操作及外围控制的电器连接见图19 主板的外配手持单元接口 JA3，MDI操作 面板接口 CA55，以太网接口⑶38A，用来与外部PC通信。本机床面板上JDlA为I/0LINK接 口，I/0LINK用来传输机床输入输出数据，由NC到机床面板、到I/O单元A之后再到I/O单 元B连接；I/O单元A、I/O单元B的接口 CPl分别连接电源输入DCMV，各I/O单元的接口 CE57、CE56分别连接通过分线器XT11、分线器XT12、分线器XT13、分线器XT14连接外围设 备液压控制单元、冷却控制单元、排屑及润滑单元及行程开关及检测单元的接口。
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权利要求1.加工船用发动机缸盖数控机床的结构，包括电气控制系统、液压系统、排屑及冷却过 滤系统，其特征在于径向加工单元(1)、轴向加工单元(7)、高精度A轴分度夹具C3)是各自 独立的装置，径向加工单元(1)位于高精度A轴分度夹具的侧面，轴向加工单元(7)位于高 精度A轴分度夹具(3)的正对面，通过一套电气控制系统、液压系统、排屑及冷却过滤系统 将三个装置构成一台专用数控机床；径向加工单元(1)和轴向加工单元(7)的结构完全相 同，各有X轴、Y轴、Z轴、W轴、B轴五个数控轴Z轴和W轴为互相平行并与地面保持水平 的两个沿刀具轴线方向的数控直线轴，X轴平行于地面并与Y轴和Z轴垂直，X轴是使径向 或轴向加工单元沿床身长度方向移动的数控直线轴，Y轴垂直于地面并垂直于Z轴和W轴， Y轴是使Z轴上下移动的数控直线轴，B轴为数控回转轴，其回转轴线平行于Y轴，使刀具沿 Y轴方向回转，夹具固定在平行于地面的A轴上，绕A轴旋转，A轴分度夹具是X轴、Y轴、Z 轴、W轴、B轴五个数控轴的方位参照基准轴。
2.根据权利要求1所述的加工船用发动机缸盖数控机床的结构，其特征在于完全相同 的径向加工单元(1)或轴向加工单元(7)的结构X轴直线导轨03)沿X轴底座04)长 度方向安装，X轴滑台OO)通过滑块安装面安装在X轴直线导轨03)的滑块上，X轴滑台 (20)上的丝母座与X轴滚珠丝杠相连，X轴滚珠丝杠由伺服电机(Xl)驱动，使 X轴滑台OO)沿X轴方向运动；B轴转盘(19)通过轴承(18)安装在X轴滑台OO)的上表 面，B轴转盘上安装有小齿轮(22)，并由伺服电机(Bi)驱动与安装在X轴滑台OO)上的大 齿轮(17)啮合，使其沿B轴方向回转；W轴滑座(1 通过与X轴垂直的水平方向W轴直线 导轨(16)安装在B轴转盘(19)的上表面，Y轴立柱(9)垂直把合在W轴滑座(1 上，并 由伺服电机通过W轴滚珠丝杠0 驱动沿W轴方向运动；Y轴滑板(8)通过与X轴及地面 垂直的Y轴直线导轨(11)安装在Y轴立柱(9)上并由伺服电机通过滚珠丝杠(10)驱动沿 Y轴方向运动；Z轴滑板(12)通过与W轴直线导轨(16)平行的Z轴直线导轨(13)安装在 Y轴滑板(8)上并由伺服电机(Zl)通过Z轴滚珠丝杠(14)驱动沿Z轴方向运动。
3.根据权利要求1所述的加工船用发动机缸盖数控机床的结构，其特征在于高精度A 轴分度夹具的结构参数相同的长蜗杆轴(XT)和短蜗杆轴(34)的末端通过固定在变速箱(36)中部的花键套(31)同心相向连接，长蜗杆轴(XT)和短蜗杆轴(34)的另一端通过轴承 支撑安装在变速箱(36)侧壁的安装孔内，两个圆螺母(观、3幻安装在两根蜗杆轴的外侧以 固定其轴向位置，A轴伺服电机09)通过联轴器(30)与长蜗杆(XT)同心连接，其轴线与主 轴0 垂直，两个相同的蜗轮06、33)以及两个相同的小齿轮分别安装在与主轴G2)平 行的两个小齿轮轴(25,32)上，蜗轮(26,33)分别与长蜗杆轴(27)和短蜗杆轴(34)啮合， 以上的蜗轮蜗杆结构均置于变速箱(36)内；主轴02)安装在主轴箱(37)内，大齿轮04) 装在主轴0 末端，同时两个小齿轮轴(25、3幻上的小齿轮与大齿轮G4)啮合，在主轴 (42)后端直联了一个高精度的角度编码器；刹车盘00)通过刹车盘套Gl)连接在主 轴02)中部，置于刹车体(39)的凹槽内，且与主轴02)同心，刹车体(39)安装在主轴箱(37)上面中部，五个相同的刹车活塞38分别安装在刹车体(39)上，刹车活塞(38)与主轴 (42)同轴向。
4.根据权利要求1所述的加工船用发动机缸盖数控机床的结构，其特征在于X轴滑台 (20)的形状X轴滑台OO)为一扇形圆盘，X轴滑台的上平面为B轴转盘回转时的滑动支撑 面，该支撑面分为前后二部分，包含扇形圆心的为前端支撑面，包含外圆的为后端支撑面，中间的凹槽为空刀槽，滑台靠近扇形圆心的部位是B轴回转轴承的安装孔，在扇形滑台上 平面的最外端有一阶梯圆弧平面，平面上有安装螺纹孔，用于安装驱动B轴回转的大齿轮， X轴滑台下面两个直线边各有二个凸起的等高平台，用于安装X轴导轨滑块，滑台下面接近 一条直边处有安装X轴丝杠的梯形丝母座。
5.根据权利要求1所述的加工船用发动机缸盖数控机床的结构，其特征在于B轴转盘 (19)主体为中间凹两长边凸起的不规则长方形结构，一端为半圆形，中部有安装B轴轴承 的中心孔；转盘右侧长边一端有形成一体的三角形结构，其三角形底边与长方形结构宽边 接续，三角形底边有用于安装B轴伺服电机的孔；转盘的下平面为B轴回转时的滑动接触 面，该接触面分为前后二部分，包含B轴回转中心孔的为前端接触面，远离回转中心孔的为 后端接触面，中间的凹槽为空刀槽；B轴转盘的两长边分别有二个凸起的等高长方形平面， 平面上有安装螺纹孔，用于安装W轴直线导轨。
6.根据权利要求1所述的加工船用发动机缸盖数控机床的结构，其特征在于轴向加工 单元的主轴及伺服轴驱动控制系统电器连接与主板依次相连的是电源模块(PSMl)、主轴 模块(SPMl)、A轴伺服模块(SVMl)、伺服电机(XI、Yl)的双轴伺服模块(SVM2)、伺服电机 (BUffl)的双轴伺服模块SVM3、伺服电机(Zl)的轴伺服模块(SVM4)；显示器与主板集成为 (NC)，由NC的供电接口(CPlA)输入DCMV，电源模块(PSMl)的直流母线接口(TBI、TB2) 把外部的AC200V转换成DC700V，为各个模块提供电能，DC24V接口(CX2A、CX2B)为各个模 块提供控制电源，与断路器相连的接口(CX1A、CX1B)与主轴模块(SPMl)连接，接口(CX4) 接急停部件，接口(CX3)接直流接触器(KCC)，为电源准备好信号；(NC)的接口(JA41)与轴 向主轴模块(SPMl)的接口(JA7B)相连接，接口(JA7A)端接径向主轴模块(SPM2)的接口 (JA7B)，作为主轴模块的控制电缆；(NC)的接口 (C0P10A-1)与轴向伺服模块(SVMl)的接 口(C0P10B)相连，此为传输指令及数据的光缆，并与后面的几个伺服模块(SVM2-4)的接口 (COP 1OB、COPlOA)依次串连；轴向伺服模块(SVM4)的(C0P10A)与径向伺服模块(SVM5)的 接口(C0P10B)连接，轴向主轴模块(SPMl)中主轴电机的动力线接口单元(JYA2)、主轴电机 的速度反馈接口(CZ2)共同连接第一主轴电机(Si)；轴向伺服模块(SVM1-4)中伺服电机 的动力线接口(JF1、JF2)、伺服电机的速度反馈接口(CZ2L、CZ2M)分别与各自的伺服电机 (A)、伺服电机(XI)、伺服电机(Yl)、伺服电机(Bi)、伺服电机(Wl)、伺服电机(Zl)相连。
7.根据权利要求6所述的加工船用发动机缸盖数控机床的结构，其特征在于径向加 工单元的主轴及伺服轴控制部分电器连接径向电源及主轴模块的接线及控制方式与轴向 相同，轴向模块连接方式同样适用于径向电源模块(PSiC)、主轴模块(SPiC)及第二主轴电 机(S2)、伺服电机(X2、Y2)的双轴伺服模块(SVM5)、伺服电机(Β2、W2)的双轴伺服模块 (SVM6)、伺服电机、 )的径向伺服模块(SVM7)。
8.根据权利要求7所述的加工船用发动机缸盖数控机床的结构，其特征在于控制系统 电器连接中径向伺服模块(SVM7)的接口(C0P10B)通过光缆连接外编模块外编模块接口 (JFlOl)连接A轴角度编码器、接口(JF102)连接B轴角度编码器、接口(JF103)连接轴角 度编码器(B2)。
9.根据权利要求1所述的加工船用发动机缸盖数控机床的结构，其特征在于控制系统 电器连接中NC操作及外围控制部分主板的外配手持单元接口(JA!3)，MDI操作面板接口 (CA55)，以太网接口 (CD38A)，用来与外部PC通信；本机床面板上(JDlA)为I/0LINK接口，I/0LINK用来传输机床输入输出数据，由NC到机床面板、到I/O单元(A)之后再到I/O单元 (B)连接；I/O单元(A)、I/O单元(B)的接口 (CPl)分别连接电源输入DCMV，各I/O单元 的接口(CE57、CE56)分别连接通过分线器(XT11-XT14)连接外围设备液压控制单元、冷却 控制单元、排屑及润滑单元及行程开关及检测单元的接口。
专利摘要加工船用发动机缸盖数控机床，包括电气控制系统、液压系统、排屑及冷却过滤系统，其特征在于径向加工单元位于高精度A轴分度夹具的侧面，轴向加工单元位于高精度A轴分度夹具的正对面，通过一套电气控制系统、液压系统、排屑及冷却过滤系统构成一台专用数控机床；径向和轴向加工单元的结构完全相同Z轴和W轴为互相平行并与地面保持水平的两个沿刀具轴线方向的数控直线轴，X轴平行于地面并与Y轴和Z轴垂直，Y轴垂直于地面并垂直于Z轴和W轴，B轴为数控回转轴，其回转轴线平行于Y轴，夹具固定在A轴上，A轴分度夹具是X轴、Y轴、Z轴、W轴、B轴五个数控轴的方位参照基准轴。本机床可以实现一次装夹，同时完成大重量工件的径向和轴向不同角度和位置的长孔钻削和铣削加工。
文档编号B23P23/02GK201900457SQ20102015409
公开日2011年7月20日 申请日期2010年4月9日 优先权日2010年4月9日
发明者冯如意, 单明芳, 孙长利, 席学平, 常乐天, 张宝东, 张忠民, 张来民, 方恩辉, 李兆新, 李志鹏, 杜雅娟, 杨俭敏, 潘金家, 袁少帅, 韩珊珊, 高超 申请人:沈阳机床(集团)成套设备有限责任公司, 苏州力强机械制造有限公司