一种摆动式变倾角非圆切削机构及其数控车床的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种摆动式变倾角非圆切削机构，包括底板、直线电机、进给托板、扇形音圈电机和刀架，其中直线电机呈水平布置并安装在底板的上侧；进给托板呈水平布置并与直线电机相连，由此在其驱动下可沿着X轴方向直线往复运动；刀架的一侧可枢轴转动地安装在U型支撑架上，另外一侧与扇形音圈电机固连，并且该U型支撑架和扇形音圈电机均固定安装在进给托板的上表面。本发明还公开了相应配备有该非圆切削机构的数控机床。通过本发明，能够增加刀具在垂直平面内摆动的自由度，通过调节刀具倾角来有效补偿由非圆轮廓引起的切削角变化，同时具备结构紧凑、响应频率高、可实现高速精密加工等特点，因而尤其适用于各类非圆截面工件的切削加工用途。
【专利说明】一种摆动式变倾角非圆切削机构及其数控车床
【技术领域】
[0001]本发明属于切削加工【技术领域】，更具体地，涉及一种摆动式变倾角非圆切削机构及其数控车床。
【背景技术】
[0002]非圆截面类零件在很多工业场合是重要应用零件，它们具有使用寿命长，可以产生特殊运动规律，满足规定的特殊使用要求等优点。异型螺纹、凸轮、活塞等零件都是常见的非圆截面零件，其中最典型的是活塞。例如，现代汽车发动机的活塞不再是圆柱形的，而是具有椭圆鼓形的机械轴。活塞作为发动机的“心脏”，它承受着交变机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一，其质量决定了发动机的工作效率。为了提高发动机的效率，现在活塞普遍设计成中凸变椭圆型面，相应地，如何更好地加工制造这类非圆截面的活塞或其他类似零件，正成为切削加工领域的重要课题。
[0003]现有技术中常用的非圆截面零件切削加工方法主要包括硬靠模加工法和软靠模加工法等。其中硬靠模车削加工法是利用利用仿形原理，通过靠模仿形驱动刀具作切削进给运动，所使用的靠模与要加工出的非圆零件形状相同。该加工法的优点是加工稳定性好，仿形车床自身成本相对较低，设备投资较少，在很大程度上也能满足非圆截面零件的大批量生产；缺点是高精度的硬靠模本身加工较困难，加工成本高，而且一种靠模只能用于一种非圆截面零件的车削加工，柔性很差。所谓软靠模加工法，是借助于计算机技术，运用数字化建模描述非圆截面零件的型面参数，即所谓的数字化靠模，其中通过计算机编程控制对应刀具驱动机构，实现非圆截面零件数控车削加工。软靠模车削加工方法可以避免由于靠模磨损产生加工误差，且重复加工精度高，柔性好。因此与传统硬靠模方式相比，软靠模的非圆车削方法具有精度高、无磨损和修改方便等众多优点，因此是现代非圆截面零件车削的发展趋势。
[0004]目前比较高效的非圆截面零件软靠模加工法是采用高性能的音圈直线电机，直接驱动刀架作闭环的高速往复进给的数控加工方式。在非圆数控加工中，给定参考指令和外部扰动信号是周期性的。利用控制系统中周期性这个特点，控制快速刀具进给机构高速往复运动插补车削转动工件，生成非圆轮廓。但是，进一步的研究表明，上述加工方法仍然存在以下缺陷:首先，按照这种数控加工方法，在非圆轮廓插补过程中，刀具仅作高速往复运动，主轴转速恒定，那么刀尖相对于工件是一种非圆轮廓轨迹运动，致使刀具的切削角和切削速度呈周期性变化；而且当非圆度较大时，这种周期性变化易对刀具造成疲劳破坏，降低刀具的使用寿命；其次，加工过程中刀具的切削角和切削速度在不断变化，即加工状态不恒定，则被加工工件表面的加工质量不均匀，增大了加工面的粗糙度，并使得加工精度得不到保证；最后，车削半径及其变化率会随工件转角不同而发生很大变化，按照一般车削加工那样保持主轴转速的恒定，则切削线速度大小与加速度变化将非常大，被加工工件表面易形成波纹和烧伤。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种摆动式变倾角非圆切削机构及其数控车床，其中通过对非圆切削机构的关键结构及驱动方式进行设计，能够增加刀具在垂直平面内摆动的自由度，使刀具倾角可在一定范围内变化，进而通过调节刀具倾角来有效补偿由非圆轮廓引起的切削角变化，同时具备结构紧凑、响应频率高、可实现高速精密加工等特点。
[0006]按照本发明的一个方面，提供了一种摆动式变倾角非圆切削机构，该机构包括底板、直线电机、进给托板、扇形音圈电机和刀架，其特征在于:
[0007]所述直线电机由水平互联的直线电机定子和直线电机动子共同组成，并经由沿着竖直方向设置在所述底板一侧的直线电机定子法兰而安装在底板的上侧；
[0008]所述进给托板呈水平布置并经由直线电机动子法兰与所述直线电机动子相连，由此在直线电机驱动下可沿着X轴方向直线往复运动；
[0009]所述刀架的一侧可枢轴转动地安装在U型支撑架上，另外一侧与扇形音圈电机固连，并且该U型支撑架和扇形音圈电机均固定安装在所述进给托板的上表面，以此方式当进给托板沿着X轴方向直线往复运动时，刀架上所配套的刀具用于对工件插补非圆截面轮廓，同时刀架在所述扇形音圈电机的驱动下对刀具的切削倾角进行调整，以使其保持与工件表面相垂直。
[0010]作为进一步优选地，所述刀具的附近设置有用于对刀具的切削倾角执行实时监测的编码器，由此根据监测结果来对刀具的切削倾角相应予以调整。
[0011]作为进一步优选地，所述进给托板还配备有直线导轨和限位组件，其中该直线导轨设置在底板上，用于引导进给托板的直线往复运动；所述限位组件包括限位开关和限位挡块，并用于确定进给托板的进给行程。
[0012]作为进一步优选地，所述进给托板还配备有直线光栅尺读头，该直线光栅尺读头设置在底板上，用于对进给托板在水平方向上的位移量执行检测。
[0013]作为进一步优选地，所述底板通过螺栓与十字滚珠丝杆工作台固连成一体，其中该十字滚珠丝杆工作台包括设置在工作台上的X轴伺服电机、Z轴伺服电机以及相应的滚珠丝杆，由此通过两个伺服电机的驱动使得整个工作台可沿着X轴和Z轴移动。
[0014]按照本发明的另一方面，还提供了相应的数控车床。
[0015]总体而言，按照本发明所构建的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点:
[0016]1、通过采用直线电机直接驱动刀架使得刀具对工件插补非圆截面轮廓，不仅可以省去中间传动环节，避免中间传动所带来的诸多问题，而且直接传动还可以获得更高精度、更高速度和高稳定性的位移运动；相应可简化切削结构的机械结构，并提高非圆加工的处理效率、相应速度和精度；
[0017]2、通过对刀架的设置方式进行改进并单独采用扇形音圈电机来调整其切削倾角，这样刀具倾角可随着工件的转动而实时改变，并易于保持其前刀面始终与工件表面相垂直，使得切削角恒定；在此基础上，可根据非圆截面的理论轮廓曲线计算出电机主轴在每个离散切削点的参考转速并做跟踪控制，相应可获得恒定的切削速度，以此方式可避免大非圆截面工件加工过程中由于不同切削点的切削状态大幅度变化而引起的表面波纹和烧伤现象，进一步提闻加工质量，同时还可以有效延长刀具的使用寿命；
[0018]3、通过采用直线光栅作为位置反馈元件，同时采用高分辨率的编码器作为角度反馈元件，能够实时检测刀具的直线位置的切削倾角，形成闭环控制，相应保证非圆切削过程中的闻速、闻精度运动；
[0019]4、按照本发明的摆动式变倾角非圆切削结构整体结构紧凑、便于操控，可有效延长刀具的使用寿命，并具备响应速度快、定位精准、可靠性高等特点，因而尤其适用于各类非圆截面零件的切削加工用途。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是按照本发明优选实施例所构建的摆动式变倾角非圆切削机构与十字的整体结构示意图；
[0021]图2是图1中所示非圆切削机构与十字滚珠丝杆工作台配合使用时的纵剖面结构示意图；
[0022]图3是按照本发明的摆动式变倾角非圆切削结构的加工原理示意图。
[0023]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:
[0024]1-被加工工件2-刀具3-刀架4-扇形音圈电机定子5-扇形音圈电机动子6_直线电机动子法兰7-直线电机动子8-直线电机定子9-直线电机定子法兰10-直线导轨Il-X轴伺服电机12-Z轴滚珠丝杆13-底座14-固定压板15-编码器16-U型支撑件17-进给托板18-底板19-限位开关20-原点开关21-限位挡块22-刀具摆动中心23-直线光栅尺读头
【具体实施方式】
[0025]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0026]图1是按照本发明优选实施方式所构建的摆动式变倾角非圆切削机构与十字的整体结构示意图。如图1中所示，该非圆切削机构主要包括底板18、直线电机、进给托板、扇形音圈电机和刀架等。其中，直线电机由水平互联的直线电机定子8和直线电机动子7共同组成，并经由沿着竖直方向设置在底板18—侧(图1中显示为左侧)的直线电机定子法兰9而安装在底板18的上侧。进给托板17呈水平布置，并经由直线电机动子法兰6与直线电机动子7相连，由此在直线电机驱动下可沿着X轴方向直线往复运动；
[0027]刀架3的一侧可枢轴转动地安装在U型支撑架16上，另外一侧与一个扇形音圈电机固连，由此在其驱动下可绕着刀具摆动中心22来回摆动。具体而言，该U型支撑架16譬如通过螺栓等方式固定安装在进给托板17的上表面一侧，扇形音圈电机由彼此互联的电机定子4和电机动子5共同构成,其中扇形音圈电机定子4譬如通过固定压板14固定安装在进给托板17的上表面另外一侧。通过以上设置，当进给托板17在直线电机的驱动下沿着X轴方向直线往复运动时，刀架3及其它上面所配套的刀具2也一同随着沿着X轴方向运动并用于对被加工工件I插补非圆截面轮廓，与此同时，刀架3在所述扇形音圈电机的驱动下对刀具的切削倾角进行实时调整，以使其保持始终与工件表面相垂直，进而实现恒定的切削角。也就是说，整个切削角调节部分都安装在进给托板17上，并由扇形音圈电机来驱动刀架3摆动。譬如呈片状合金机构的刀具2固定在刀架3的端部，并随着刀架的摆动而一同摆动，由此实现对其倾角的调整操作。
[0028]为了实现对刀具切削角的实时调整，按照本发明的一个优选实施方式，可在刀具2的附近设置有一个高精度的编码器15作为角度反馈元件，该编码器15用于实时监测和获取刀具2的切削倾角，并将其反馈至机床的运动控制器予以处理，由此实现刀具的恒定切削角调整。此外，假定电机主轴的转速恒定，由于在工件不同转角的切削半径发生变化，那么刀具的切削速度也会随之发生改变。为了获得恒定的切削速度，可以在加床的运动控制器中根据该可由用户设定的恒定切削速度，实时反推计算出加工过程中的主轴转速，由此通过实时调整主轴转速即可获得恒定的切削速度。
[0029]通过以上构思，由于采用直线电机直接驱动刀架使得刀具对工件插补非圆截面轮廓，不仅可以省去中间传动环节，避免中间传动所带来的诸多问题，而且直接传动还可以获得更高精度、更高速度和高稳定性的位移运动；此外，通过对刀架的设置方式进行改进并单独采用扇形音圈电机来调整其切削倾角，这样刀具倾角可随着工件的转动而实时改变，并易于保持其前刀面始终与工件表面相垂直，使得切削角恒定；在此基础上，可根据非圆截面的理论轮廓曲线计算出电机主轴在每个离散切削点的参考转速并做跟踪控制，相应可获得恒定的切削速度，以此方式可避免大非圆截面工件加工过程中由于不同切削点的切削状态大幅度变化而引起的表面波纹和烧伤现象，进一步提高加工质量，同时还有助于延长刀具的使用寿命。
[0030]按照本发明的一个优选实施方式，进给托板17还可配备有直线导轨和限位组件，其中该直线导轨10设置在底板18上，用于引导进给托板17的直线往复运动且可以进一步提高进给动力；所述限位组件包括限位开关19和限位挡块21，用于确定进给托板17的进给行程，同时避免直线电机由于控制不当发生“飞车”现象时，导致进给托板17弹射出去发生危险。
[0031]如图2中所示，按照本发明的另一优选实施方式，进给托板17还可以配备有直线光栅尺读头23，该直线光栅尺读头23同样设置在底板18上，用于对进给托板在水平方向上的位移量执行检测并反馈给机床的运动控制器。此外，底板18优选通过螺栓等与标准的十字滚珠丝杆工作台固连成一体，其中该十字滚珠丝杆工作台包括设置在工作台上的X轴伺服电机11、Z轴伺服电机以及相应的滚珠丝杆(图2中显示了 Z轴滚珠丝杆12和底座13)，由此通过两个伺服电机的驱动使得整个工作台可沿着X轴和Z轴移动。以此方式，刀具的实际位移则为机床坐标系的X轴向位移与进给托板17的直线位移的叠加，相应地，进给托板17上设置有原点开关20，用于进行坐标定位，以定义进给坐标系的原点位置。
[0032]下面将参照图3来具体说明按照本发明的摆动式变倾角非圆切削机构的工作原理。
[0033]首先，可以根据工况及加工需求，确定十字滚珠丝杆工作台的移动量，由此完成车床坐标系中的原点定位和切削加工前的对刀工序；
[0034]然后，可以通过驱动直线电机来插补被加工工具的轮廓，与此同时，通过扇形音圈电机来驱动刀架及刀架上的刀具绕其枢轴中心摆动，由此配合对工件实现插补加工；在此过程中，进给托板高速往复直线运动插补被加工工件的非圆截面轮廓，而刀具2绕着摆动中心往复摆动，并通过实时调节其倾角使得刀具的前刀面始终与工件表面相垂直。如图3中所示，刀具的轨迹为工件的实际轮廓线，而刀具摆动中心的轮廓线则是工件的实际轮廓线向外平行偏移一定距离的非圆轮廓。
[0035]上述切削倾角的调整过程可具体设计如下:机床的运动控制器按照预先设定的控制周期，实时采集编码器所反馈的刀具倾角；其中在每个控制周期内，运动控制器将所采集的刀具倾角与参考倾角做差值，再经过适当的算法处理，计算得出扇形音圈电机的输出力矩大小和方向指令；驱动器则根据方向指令和输出力矩相应驱动扇形音圈电机，由此实现对刀具的即时倾角调整过程。此外，还可以根据需要来改变电机主轴的转速，由此获得恒定的切削速度。
[0036]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种摆动式变倾角非圆切削机构，该机构包括底板、直线电机、进给托板、扇形音圈电机和刀架，其特征在于: 所述直线电机由水平互联的直线电机定子(8)和直线电机动子(7)共同组成，并经由沿着竖直方向设置在所述底板(18) —侧的直线电机定子法兰(9 )而安装在底板(18)的上侧； 所述进给托板(17)呈水平布置并经由直线电机动子法兰(6)与所述直线电机动子(7)相连，由此在直线电机驱动下可沿着X轴方向直线往复运动； 所述刀架(3)的一侧可枢轴转动地安装在U型支撑架(16)上，另外一侧与扇形音圈电机固连，并且该U型支撑架(16)和扇形音圈电机均固定安装在所述进给托板(17)的上表面，以此方式当进给托板(17)沿着X轴方向直线往复运动时，刀架(3)上所配套的刀具(2)用于对工件插补非圆截面轮廓，同时刀架(3)在所述扇形音圈电机的驱动下对刀具的切削倾角进行调整，以使其保持与工件表面相垂直。
2.如权利要求1所述的非圆切削机构，其特征在于，所述刀具(2)的附近设置有用于对刀具的切削倾角执行实时监测的编码器(15)，由此根据监测结果来对刀具的切削倾角相应予以调整。
3.如权利要求1或2所述的非圆切削机构，其特征在于，所述进给托板(17)还配备有直线导轨和限位组件，其中该直线导轨(10)设置在底板(18)上，用于引导进给托板(17)的直线往复运动；所述限位组件包括限位开关(19)和限位挡块(21)，并用于确定进给托板(17)的进给行程。
4.如权利要求1-3任意一项所述的非圆切削机构，其特征在于，所述进给托板(17)优选还配备有直线光栅尺读头(23 )，该直线光栅尺读头(23 )设置在底板(18 )上，用于对进给托板在水平方向上的位移量执行检测。
5.如权利要求4所述的非圆切削机构，其特征在于，所述底板(18)通过螺栓与十字滚珠丝杆工作台固连成一体，其中该十字滚珠丝杆工作台包括设置在工作台上的X轴伺服电机、Z轴伺服电机以及相应的滚珠丝杆，由此通过两个伺服电机的驱动使得整个工作台可沿着X轴和Z轴移动。
6.一种具备如权利要求1-5任意一项所述的非圆切削机构的数控车床。
【文档编号】B23Q17/20GK103537717SQ201310335660
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年8月2日 优先权日:2013年8月2日
【发明者】艾武, 李抢 申请人:华中科技大学