一种长轴装夹自动调平装置及调平方法与流程

本发明涉及一种长轴装夹自动调平装置及调平方法，具体涉及一种长轴在数控落地镗铣床上加工端面孔时的高精度装夹及自动调平装置，属于机械加工技术领域。

背景技术：

现有一类长轴，长度范围在3～5米，轴身有多段直径不一的外圆，该轴一端有约200mm～300mm深的内孔，需要在数控落地镗铣床上镗孔，该轴端内孔与长轴同心度要求非常高。现有的装夹方法是将长轴头、尾两端架在v型铁上，机床主轴伸出打表校正主轴。现有方法中机床主轴伸出量只有1.2米，尚不足长轴总长度的1/2甚至1/4，校正精度很低，同心度无法保证；由于头、尾直径不一致、且长轴规格较多，现有方法是靠垫片垫在头、尾两端的v型铁上调整轴的水平状态，这样调整难度大、精度低，且需要反复校正、反复调整，调整校正工作量大、作业时间长；现有方法还不能避免长轴尾部摆尾问题，影响轴端内孔加工同心度；现有方法受操作人员技术水平影响较大，加工质量不稳定。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种长轴自动调平装置及调平方法，采用该装置及方法，在长轴小批量、多品种生产过程中，不受机床行程范围和操作人员技术水平限制，实现长轴的调平和装夹，具有长轴全长度检测、自动程度高、调平精度高、装夹快速、操作简单、工作效率高、节省人工工作量的优点。

为了达到以上目的，本发明提供一种长轴自动调平装置，包括底座以及安装在底座上的平行布置的尾部机构线轨和检测机构线轨，在所述底座上位于尾部机构线轨的端部设有头部装夹机构，在所述尾部机构线轨上安装有由尾部机构驱动系统驱动的尾部装夹机构，在所述检测机构线轨上安装有由检测驱动系统驱动的检测机构。

本发明的底座通过螺栓安装在机床工作台上，其余各部件安装在底座上，整套系统精度调试完毕后，不再移动底座，保障长期加工精度。另外，尾部机构线轨、检测机构线轨均采用线性导轨，尾部装夹机构、检测机构安装后，移动精度高、速度快。该装置可接入机床数控系统，由机床数控系统驱动检测机构检测长轴的水平状态；驱动头部装夹机构、尾部装夹机构自动调整长轴的水平状态，具有全轴长找正、自动调整水平、不受操作工技术水平影响、节省人工工作量的优点。另外，整套系统完成精度整与机床坐标系对齐后，各类长轴均可直接使用，无需再次调整。

进一步的，所述头部装夹机构、尾部装夹机构均包括装夹机构本体、第一升降支架、v型托架、第一伺服电机、第一滚珠丝杠和第一线性导轨，所述装夹机构本体上设有竖直布置的第一线性导轨，所述第一线性导轨上设有第一升降支架，所述第一升降支架通过第一滚珠丝杠与第一伺服电机相连，并在所述第一升降支架的外端面设有v型托架。

这样，头部装夹机构、尾部装夹机构上的v型托架和检测机构上的检测模块升降均采用伺服电机连接滚珠丝杠驱动沿高精度线性导轨上下移动。

进一步的，所述头部装夹机构的装夹机构本体安装在机构底座上，并且所述机构底座通过安装螺栓与底座固定连接，在所述机构底座的底面制有沿长度方向延伸的凹槽，所述凹槽与位于底座上的安装凸台配合连接。

进一步的，所述尾部装夹机构通过第一导轨滑块与尾部机构线轨相连并可在尾部机构线轨上滑动，在所述装夹机构本体的底面装有第一导轨滑块，所述第一导轨滑块具有开口朝下的燕尾槽，所述燕尾槽与尾部机构线轨配合连接。

进一步的，所述v型托架的上表面制有可与长轴外圆周相配合的v形槽，在所述v型托架的上表面、位于v形槽两侧分别制有一安装孔，与所述安装孔配合设有长螺栓，所述v型托架通过长螺栓与固定压板相连。

这样，在长轴调平后，头、尾各使用一套固定压板将长轴固定在v型托架上。v型托架用于托举长轴，长轴直径适应范围广，且头、尾两件v型托架上的长轴可连体加工，保障长轴装夹没有摆尾误差。另外，头部装夹机构、尾部装夹机构上的v型托架由伺服电机连接滚珠丝杠驱动调整高度，当头部、尾部支撑长轴直径不一致时，可实现自动、快速调整水平。

进一步的，所述检测机构包括检测机构本体、第二升降支架、光栅尺、第二伺服电机、第二滚珠丝杠、第二线性导轨、第二导轨滑块、转动式测量臂和工件检测测量头，所述第二导轨滑块安装在检测机构本体的底面，所述检测机构本体上设有竖直布置的第二线性导轨，所述第二线性导轨上设有第二升降支架，所述第二升降支架通过第二滚珠丝杠与第二伺服电机相连，在所述第二升降支架的外端面安装有转动式测量臂，所述转动式测量臂的另一端设有工件检测测量头，转动式测量臂可根据检测需要手动转动角度，进而能够实现对长轴全长度的高精度水平检测。

上述结构中，尾部装夹机构、检测机构均采用伺服电机连接滚珠丝杆驱动，结构轻便，驱动速度快、定位精度高。同时，检测机构中配有光栅尺，实现高精度位置检测。

进一步的，所述检测机构本体为截面呈长方形的框架结构，所述第二升降支架的本体安装在框架结构中，在所述框架结构的侧板内壁上分别设有竖直布置的光栅尺，光栅尺用于检测第二升降支架的高度位置。

这样，检测机构上的检测模块升降采用光栅尺检测定位。同时测量头能够检测长轴高度，测量头为物理接触式，当测量头接触到工件时，系统会停止测量头运动，并记录测量头坐标，以此作为工件检测数据。光栅尺的作用是保障测量头升降的精度，光栅尺相当于电子标尺，当测量头升降有误差时，会自动与光栅尺进行比对，并自动校正误差。

进一步的，所述检测机构通过第二导轨滑块与检测机构线轨相连并可在检测机构线轨上滑动，所述第二导轨滑轨具有开口朝下的燕尾槽，所述燕尾槽与检测机构线轨配合连接。

进一步的，所述尾部机构驱动系统、检测驱动系统均包括驱动电机和驱动丝杠，所述驱动丝杠连接在驱动电机的输出轴上，所述驱动丝杠上装有尾部装夹机构或检测机构，在所述驱动丝杠的两端装有轴承座，所述轴承座通过安装螺栓与底座相连。

本发明还提供了一种长轴装夹自动调平方法，包括以下步骤：

s1、将长轴自动调平装置通过其底座安装在机床工作台上，该长轴自动调平装置包括底座、尾部机构线轨、检测机构线轨、头部装夹机构、尾部机构驱动系统、尾部装夹机构、检测驱动系统和检测机构，调整各部的安装精度，使整套系统与机床坐标系对齐，调试尾部机构驱动系统、检测驱动系统和检测机构并将其接入机床数控系统；

s2、根据不同长轴的特点，选定长轴的头、尾支撑外圆，按尺寸（即长轴长度）驱动尾部装夹机构至合适的尾部支撑位置，按长轴的头、尾两端支撑外圆直径差值初步调整头部装夹机构、尾部装夹机构的v型托架的高度差值；

s3、将检测机构驱动到检测机构线轨的尾部极限位置，并转动检测机构的转动式测量臂至向上位置，以防止长轴碰撞转动式测量臂；

s4、吊起长轴，按选定的头、尾支撑外圆，将长轴缓缓落入头部装夹结构、尾部装夹机构的v型托架上，此时不安装头、尾两端固定压板；

s5、提升检测机构第二升降支架的高度，防止转动式测量臂碰撞长轴，转动转动式测量臂至检测角度；

s6、机床数控系统通过检测驱动系统驱动检测机构移动，并采用工件检测测量头检测长轴头、尾两端支撑外圆的高度，进而计算得到头、尾两端支撑外圆高度差值；

s7、根据步骤s6检测到的长轴头、尾两端支撑外圆高度差值，再结合长轴头、尾两端支撑外圆直径差值，计算水平调整值，水平调整值=长轴头、尾两端支撑外圆高度差值-长轴头、尾两端支撑外圆直径差值/2；

s8、机床数控系统按照水平调整值驱动头部装夹机构或尾部装夹机构的v型托架升降，以调整长轴的水平状态，使长轴两端处于同一水平状态；

s9、重复步骤s6过程，检查调整后长轴水平状态，若长轴头、尾两端不处于水平状态（即长轴头、尾两端支撑外圆高度差值不为零），重复步骤s6-s8进行调整直至长轴的头、尾两端处于同一水平状态；

s10、将检测机构驱动至检测机构线轨的尾部极限位置，并转动转动式测量臂至向上位置；

s11、在头部装夹机构、尾部装夹机构的v型托架上安装头、尾固定压板并压紧，完成长轴调平及装夹作业。

本发明的优点是可实现在长轴小批量、多品种生产过程中，不受机床行程范围和操作人员技术水平限制实现长轴的调平和装夹，具有长轴全长度检测、自动程度高、调平精度高、装夹快速、操作简单、工作效率高、节省人工工作量的优点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为图1的主视图。

图4为图1的左视图。

图5为本发明中头部装夹机构的结构示意图。

图6为本发明中尾部装夹机构的结构示意图。

图7为本发明中检测机构的结构示意图。

图中：1.底座，2.头部装夹机构，2-1.装夹机构本体，2-2.第一升降支架，2-3.v型托架，2-4.第一伺服电机，2-5.第一滚珠丝杠，2-6.第一线性导轨，2-7.机构底座，3.尾部装夹机构，3-1.装夹机构本体，3-2.第一升降机架，3-3.v型托架，3-4.第一伺服电机，3-5.第一滚珠丝杠，3-6.第一线性导轨，3-7.第一导轨滑块，4.尾部机构驱动系统，5.检测机构，5-1.检测机构本体，5-2.第二升降支架，5-3.光栅尺，5-4.第二伺服电机，5-5.第二滚珠丝杠，5-6.第二线性导轨，5-7.第二导轨滑块，5-8.转动式测量臂，5-9.工件检测测量头，6.检测驱动系统，7.固定压板，8.尾部机构线轨，9.检测机构线轨，10.长轴。

具体实施方式

实施例一

如图1至图4所示，一种长轴自动调平装置，包括通过螺栓安装在数控落地镗铣床工作台上的底座1以及安装在底座1上的平行布置的尾部机构线轨8和检测机构线轨9，在底座1上位于尾部机构线轨8的端部设有头部装夹机构2，在尾部机构线轨8上安装有由尾部机构驱动系统4驱动的尾部装夹机构3，在检测机构线轨9上安装有由检测驱动系统6驱动的检测机构5。

如图5所示，头部装夹机构2包括装夹机构本体2-1、第一升降支架2-2、v型托架2-3、第一伺服电机2-4、第一滚珠丝杠2-5、第一线性导轨2-6和机构底座2-7，装夹机构本体2-1上设有竖直布置的第一线性导轨2-6，第一线性导轨2-6上设有第一升降支架2-2，第一升降支架2-2通过第一滚珠丝杠2-5与第一伺服电机2-4相连，并在第一升降支架2-2的外端面设有v型托架2-3，机构底座2-7安装在装夹机构本体2-1上，并且机构底座2-7通过安装螺栓与底座1固定连接，在机构底座2-7的底面两侧分别制有沿长度方向延伸的开口朝下的凹槽，该凹槽与位于底座1上的安装凸台配合连接。其中，装夹机构本体2-1为截面呈矩形的框架结构，第一线性导轨2-6安装在该框架结构的两侧板端面上，第一伺服电机2-4安装在该框架结构的顶板上，第一滚珠丝杠2-5穿过该框架结构的底板、顶板后连接第一伺服电机2-4；第一升降支架2-2包括截面为t形的本体和安装在该本体上的第三导轨滑块，该本体设置于框架结构中并套在第一滚珠丝杠2-5上；v型托架2-3的上表面制有可与长轴10的外圆周相配合的v形槽，在v型托架2-3的上表面、位于v形槽两侧分别制有一安装孔，与安装孔配合设有长螺栓，v型托架2-3通过长螺栓与固定压板7相连。

如图6所示，尾部装夹机构3包括装夹机构本体3-1、第一升降支架3-2、v型托架3-3、第一伺服电机3-4、第一滚珠丝杠3-5、第一线性导轨3-6和第一导轨滑块3-7，装夹机构本体3-1上设有竖直布置的第一线性导轨3-6，第一线性导轨3-6上设有第一升降支架3-2，第一升降支架3-2通过第一滚珠丝杠3-5与第一伺服电机3-6相连，并在第一升降支架3-2的外端面设有v型托架3-3。尾部装夹机构3通过第一导轨滑块3-7与尾部机构线轨8相连并可在尾部机构线轨8上滑动。其中，在装夹机构本体3-1的底面两侧边分别装有两个第一导轨滑块3-7，第一导轨滑块3-7具有开口朝下的燕尾槽，该燕尾槽与尾部机构线轨8配合连接，尾部机构线轨8有两条，二者相平行，每条线轨均通过螺钉与底座1相连。装夹机构本体3-1为截面呈矩形的框架结构，第一线性导轨3-6安装在该框架结构的两侧板端面上，第一伺服电机3-4安装在该框架结构的顶板上，第一滚珠丝杠3-5穿过该框架结构的底板、顶板后连接第一伺服电机3-4；第一升降支架3-2包括截面为t形的本体和安装在该本体上的第三导轨滑块，该本体设置于框架结构中并套在第一滚珠丝杠上3-5；v型托架3-3的上表面制有可与长轴10的外圆周相配合的v形槽，在v型托架3-3的上表面、位于v形槽两侧分别制有一安装孔，与安装孔配合设有长螺栓，v型托架3-10通过长螺栓与固定压板7相连。在长轴10调平后，头、尾各使用一套固定压板7将长轴10固定在v型托架上。

如图7所示，检测机构5包括检测机构本体5-1、第二升降支架5-2、光栅尺5-3、第二伺服电机5-4、第二滚珠丝杠5-5、第二线性导轨5-6、第二导轨滑块5-7、转动式测量臂5-8和工件检测测量头5-9，在检测机构本体5-1的底面两侧边分别安装两块第二导轨滑块5-7，检测机构本体5-1上设有竖直布置的第二线性导轨5-6，第二线性导轨5-6上设有第二升降支架5-2，第二升降支架5-2通过第二滚珠丝杠5-5与第二伺服电机5-4相连，并在第二升降支架5-2的外端面安装有renishaw\marposs高精度转动式测量臂5-8，该转动式测量臂5-8的一端设有高精度工件检测测量头5-9（测量头采用renishaw公司的rmp600），转动式测量臂可根据检测需要手动转动角度，能够实现对长轴全长度的高精度水平检测。其中，检测机构本体5-1为截面呈长方形的框架结构，第二线性导轨5-6安装在该框架结构的两侧板端面上，第二伺服电机5-4安装在该框架结构的顶板上，第二滚珠丝杠5-5穿过该框架结构的底板、顶板后连接第二伺服电机5-4；第二升降支架5-2包括截面为t形的本体和安装在该本体上的第四导轨滑块，第二升降支架5-2的本体安装在框架结构中并套在第二滚珠丝杠5-5上，在该框架结构的侧板内壁上分别设有竖直布置的光栅尺5-3（光栅尺采用heidenhain公司的lc495）。检测机构5通过第二导轨滑块5-7与检测机构线轨9相连并可在检测机构线轨9上滑动，第二导轨滑轨5-7具有开口朝下的燕尾槽，燕尾槽与检测机构线轨9配合连接，检测机构线轨9有两条，二者相平行，每条线轨均通过螺钉与底座相连。

另外，尾部机构驱动系统4、检测驱动系统6均包括驱动电机和驱动丝杠，驱动丝杠连接在驱动电机的输出轴上，在驱动丝杠的两端装有轴承座，轴承座通过安装螺栓与底座1相连。尾部机构驱动系统4的驱动丝杠上装有尾部装夹机构3，检测驱动系统6的驱动丝杠上装有检测机构5。

一种长轴装夹自动调平方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、将长轴自动调平装置通过其底座1安装在机床工作台上，该长轴自动调平装置包括底座1、头部装夹机构2、尾部装夹机构3、尾部机构驱动系统4、检测机构5、检测驱动系统6、固定压板7、尾部机构线轨8和检测机构线轨9，首次安装需要调整尾部机构线轨、检测机构线轨、头部装夹机构、尾部装夹机构、检测机构、尾部驱动机构、检测驱动机构等各部的安装精度，使整套系统与机床坐标系对齐，调试尾部机构驱动系统4、检测驱动系统6和检测机构5并将其接入机床数控系统；

s2、根据不同长轴10的特点，选定长轴10的头、尾支撑外圆，按尺寸（即长轴长度）驱动尾部装夹机构3至合适的尾部支撑位置，按长轴10的头、尾两端支撑外圆直径差值初步调整头部装夹机构2、尾部装夹机构3的v型托架的高度差值；

s3、将检测机构5驱动到检测机构线轨9的尾部极限位置，并转动检测机构5的转动式测量臂5-8至向上位置，以防止长轴10碰撞转动式测量臂5-8；

s4、行车吊起长轴10，按选定的头、尾支撑外圆，将长轴10缓缓落入头部装夹结构2、尾部装夹机构3的v型托架上，此时不安装头、尾两端固定压板7；

s5、提升检测机构5的第二升降支架5-2的高度，防止转动式测量臂5-8碰撞长轴10，转动转动式测量臂5-8至检测角度；

s6、机床数控系统通过检测驱动系统6驱动检测机构5移动，并采用工件检测测量头5-9检测长轴头、尾两端支撑外圆的高度，进而计算得到头、尾两端支撑外圆高度差值；

s7、根据步骤s6检测到的长轴头、尾两端支撑外圆高度差值，再结合长轴头、尾两端支撑外圆直径差值，计算水平调整值，水平调整值=长轴头、尾两端支撑外圆高度差值-长轴头、尾两端支撑外圆直径差值/2，长轴头、尾两端支撑外圆直径差值＝大圆直径-小圆直径；

s8、机床数控系统按照水平调整值驱动头部装夹机构2或尾部装夹机构3的v型托架升降，以调整长轴10的水平状态，使长轴10两端处于同一水平状态；

s9、重复步骤s6过程，检查调整后长轴10水平状态，若长轴10头、尾两端不处于水平状态（即长轴头、尾两端支撑外圆高度差值不为零），重复步骤s6-s8进行调整直至长轴10的头、尾两端处于同一水平状态；

s10、将检测机构5驱动至检测机构线轨9的尾部极限位置，并转动转动式测量臂5-8至向上位置；

s11、在头部装夹机构2、尾部装夹机构3的v型托架上安装头、尾固定压板7并压紧，完成长轴调平及装夹作业。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。