一种螺旋桨加工专用机床及其加工叶根与桨毂的方法与流程

本发明涉及制造螺旋桨的数控加工机床，属于机械加工设备技术领域，特别适用于大型船用螺旋桨叶根与桨毂的加工。

背景技术：

船舶是水上交通运输的主要工具，是经济全球化的重要推进器。随着经济的快速发展，陆地资源被过量开采，海上资源的开采将是大势所趋，在此背景下，船舶势必成为开拓海上资源的利器。大型船用螺旋桨作为船舶动力系统的关键零部件之一，其加工质量直接影响船舶航行的动力、空泡以及噪音等。由于螺旋桨相邻桨叶间重叠区域的存在，增大了叶根与桨毂的加工难度。目前暂无大型船用螺旋桨叶根与桨毂的自动化加工设备及加工工艺。

专利“一种运用机器人铣削船用螺旋桨叶片的加工方法”(专利申请号：cn108098278a)针对人工抛光导致加工质量和加工效率低等缺点，提出一种机器人铣削船用螺旋桨的工艺方案，但由于螺旋桨型面结构、动力头和机器人结构尺寸的限制，该工艺方案仅能加工7米及以下的桨。专利“大型复杂曲面叶片智能铣削磨抛多机器人作业系统及其作业方法”(专利申请号：cn201811508972.6)公开了一种应用机器人加工大型船用螺旋桨叶片薄弱区域和重叠区域的加工方案，但该方案仅适用于螺旋桨叶片的加工，且机器人刚性差、加工效率低、加工冗余多、能耗高。

综上，现有螺旋桨加工技术主要围绕桨叶的铣削加工技术展开，而在大型船用螺旋桨叶根与桨毂加工方面暂无系统性的技术方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种螺旋桨加工专用机床及其加工叶根与桨毂的方法，解决了大型船用螺旋桨叶根与桨毂加工的技术难题，实现了叶根与桨毂的自动化加工，大大提高了加工效率，避免了因多次装夹造成定位误差，实现了螺旋桨的快速精准定位。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种螺旋桨加工专用机床，包括螺旋桨7的加工装置、螺旋桨桨叶7的测量装置9、螺旋桨7的定位夹紧装置10、排屑装置12和作业平面，所述作业平面为地面1，地面1上开设有用于布局螺旋桨7的地坑8，所述用于装夹螺旋桨7的定位夹紧装置10布置于地坑8两侧，所述螺旋桨7在定位夹紧装置10上可绕其中心线旋转从而加工其叶根与桨毂；在所述地坑8的两侧沿桨毂流道方向对称布局有两台加工装置，两个所述加工装置对螺旋桨7同时进行加工；所述测量装置9为激光测量机，置于地面1上，位于加工装置侧边，并紧邻地坑8边缘；所述排屑装置12下端位于地坑8底部，上端置于地面1上；

所述加工装置包括y轴传动机构2，所述y轴传动机构2固定安装在地面1上，所述y轴传动机构2用于驱动所述加工装置沿平行于螺旋桨旋转轴线的方向直线移动；x轴传动机构3，所述x轴传动机构3安装在y轴传动机构2上，所述x轴传动机构3驱动所述加工装置沿垂直于y轴传动机构2的驱动方向直线移动；c轴旋转机构4，所述c轴旋转机构4设置于x轴传动机构3的上端面，所述c轴旋转机构4驱动所述加工装置沿垂直于地面1的轴旋转，从而调整加工角度；z轴传动机构5，所述z轴传动机构5固定安装在c轴旋转机构4上端面，所述z轴传动机构5驱动所述加工装置沿垂直于地面1方向的直线移动，从而调整高度；角度头，所述角度头安装于所述z轴传动机构5的两侧，分别为角度头a6与角度头b11，其均用于切削加工；所述角度头b11的功率大于角度头a6，用于快速去除大量余量。

进一步的，y轴传动机构2通过y轴传动机构基座2-8固定于地面1上，所述y轴传动机构基座2-8上以y轴丝杠螺母传动机构为中心设置有2对y轴导轨2-5，所述y轴导轨2-5滑动安装有用于承载x轴传动机构3的y轴滑块2-4，在所述y轴传动机构基座2-8上固定有y轴驱动电机2-1，所述y轴驱动电机2-1通过y轴金属弹性联轴器2-2与y轴丝杠螺母传动机构相连接，由y轴驱动电机2-1带动y轴丝杠螺母传动机构工作，从而使得x轴传动机构3沿y轴导轨2-5来回直线移动。

进一步的，所述y轴丝杠螺母传动机构包括y轴丝杠2-3、y轴丝杠螺母座2-6和y轴丝杠螺母2-7，所述y轴丝杠螺母座2-6包覆在y轴丝杠螺母2-7外表面，所述y轴丝杠螺母2-7套设在y轴丝杠2-3上并且通过螺纹连接，所述y轴丝杠螺母座2-6用于固定x轴传动机构3。

进一步的，所述x轴传动机构3通过x轴传动机构基座3-9固定安装在y轴滑块2-4上，x轴传动机构基座3-9上以丝杆螺母传动机构为中心布置有1对x轴导轨3-8，所述x轴导轨3-8上安装有用于固定安装c轴旋转机构4的x轴滑块3-7；在x轴传动机构基座3-9上固定安装x轴驱动电机3-1，所述x轴驱动电机3-1通过x轴金属弹性联轴器3-2与x轴丝杠螺母传动机构相连接，另一端固定在x轴丝杠螺母支撑座3-6中，由x轴驱动电机3-1带动x轴丝杠螺母传动机构运动，从而带动c轴旋转机构4沿x轴导轨3-8来回直线移动。

进一步的，x轴丝杠螺母传动机构包括x轴丝杠3-3、x轴丝杠螺母座3-4和x轴丝杠螺母3-5，所述x轴丝杠螺母座3-4包覆在x轴丝杠螺母3-5的外表面，所述x轴丝杠螺母3-5套设在x轴丝杠3-3上，且通过螺纹连接，x轴丝杠螺母座3-4用于固定连接旋转c轴旋转机构4的工作台。

进一步的，所述c轴旋转机构4通过c轴旋转机构支撑座4-7固定连接于x轴传动机构滑块3-7上平面，所述c轴旋转机构支撑座4-7上连接有回转平台基座4-2；在回转平台基座4-2内部由下而上装配有推力球轴承4-4和从动齿轮4-5，所述从动齿轮4-5上固定安装有回转平台台面4-6；所述从动齿轮4-5与主动齿轮4-3相啮合，在所述c轴旋转机构支撑座4-7侧面连接有伺服电机4-1，所述伺服电机4-1将动力传递给主动齿轮4-3，所述主动齿轮4-3带动从动齿轮4-5转动，从动齿轮4-5带动相连的回转平台台面4-6转动。

进一步的，所述z轴传动机构5的立柱5-1通过螺栓固定安装在c轴旋转机构4上，所述立柱5-1两内侧均以丝杆螺母传动机构为中心设置有1对沿z轴方向的z轴导轨5-9；所述z轴导轨5-9与滑块5-3滑动相连接，滑块5-3固定安装于滑枕5-2侧面；所述滑枕5-2的一端与角度头a6相连接，另一端与角度头b11连接；在立柱5-1内侧安装有z轴驱动电机5-4，所述z轴丝杠螺母传动机构通过z轴金属弹性联轴器5-5与z轴驱动电机5-4相连，另一端固定在z轴丝杠螺母支撑座5-10中，z轴驱动电机5-4通过z轴丝杠螺母传动机构驱动滑块5-3在z轴导轨5-9上沿z轴运动。

进一步的，所述的一种螺旋桨加工专用机床，其特征在于，z轴丝杠螺母传动机构包括z轴丝杠5-6、z轴丝杠螺母5-7和z轴丝杠螺母座5-8，所述z轴丝杠螺母座5-8包覆在z轴丝杠螺母5-7的外表面，所述z轴丝杠螺母5-7套设在z轴丝杠5-6上，且通过螺纹连接，z轴丝杠螺母座5-8用于固定连接滑枕5-2。

一种螺旋桨加工专用机床加工螺旋桨的叶根与桨毂的方法，包括以下步骤，

s1，加工螺旋桨7前，先将螺旋桨7通过定位夹紧装置10横卧于工位8上，安装好两对侧机床的刀具等辅助工具；

s2，通过测量装置9测量桨叶型面特征点，确定螺旋桨7在机床坐标系中的空间位置，再通过补偿算法驱动夹紧装置10转动，将螺旋桨7从初始吊装位置调整到指定加工位置；

s3,通过数控系统控制左侧机床驱动电机，控制c轴旋转机构4的伺服电机4-1先工作，逆时针旋转，将滑枕5-2及角度头b11变位到与轮毂流道平行位置，然后驱动x轴驱动电机3-1、y轴驱动电机2-1、z轴驱动电机5-4、角度头b11工作，实现x轴、y轴、z轴的运动，控制刀具沿规划好的刀具路径运动，对叶根桨毂区域进行定轴强力切削；

s4,完成螺旋桨7相邻叶片间的叶根与桨毂区域表面的定轴强力切削后，通过数控系统控制左侧机床驱动电机，控制c轴旋转机构4的伺服电机4-1先工作，顺时针旋转，将滑枕5-2及角度头a6变位到与轮毂流道平行位置，然后驱动x轴驱动电机3-1、y轴驱动电机2-1、z轴驱动电机5-4、角度头a6工作，其中角度头a6内部装有驱动电机，可以直接驱动a轴绕x轴做旋转运动，实现x轴、y轴、z轴、a轴的运动，控制刀具沿规划好的刀具路径运动，对叶根桨毂区域进行联动加工；

s5，在左侧机床开始工作一段时间后，再通过数控系统控制右侧机床的z轴、x轴、y轴、c轴、a轴按s3、s4运动，实现对另一侧螺旋桨叶根与桨毂表面的切削加工；

s6，完成螺旋桨7单个相邻叶片间的叶根与桨毂区域表面加工后，定位夹紧装置10旋转一个额定加工角度，定位夹紧装置10上的螺旋桨7也同时旋转对应的角度；旋转以后，未加工的叶根与桨毂区域处于待加工位置；然后重复s1的操作，直到螺旋桨7的所有叶根与桨毂区域的表面被加工完成；

s7，完成螺旋桨7叶根与桨毂区域加工后，驱动y轴驱动电机2-1、x轴驱动电机3-1、z轴驱动电机工作使得整个加工装置安全退刀后，c轴旋转机构4启动，旋转一定角度，将加工机床滑枕5-2及附属角度头等退回至初始状态。

进一步的，所述s6中每个额定加工角度的数值为360°/桨叶数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明针对叶根与桨毂加工技术不足问题，设计一种适用于叶根与桨毂加工的专用双动力头六轴铣床，将两台机床沿桨毂流道方向对称布局，采用立式加工方法，两台机床同时对叶根与桨毂进行加工，不仅刚性好、加工冗余少、成本低，还提高了生产效率，降低了工人劳动强度，实现了叶根与桨毂的自动化铣削。

(2)采用激光测量机对桨叶型面进行检测，确定了螺旋桨在机床坐标系下的空间位置，采用多次迭代的空间补偿算法，实现了螺旋桨的快速准确定位，提高了定位效率和定位精度。

(3)两个不同功率的动力头分别布置于滑枕两端，采用功率大的动力头对叶根与桨毂进行定轴强力切削加工，采用功率小的动力头对叶根与桨毂进行联动加工，改善了叶根与桨毂加工的干涉问题，相比现有的人工打磨方法，作业时间至少缩短70％，显著提高螺旋桨的成型效率。

(4)通过c轴旋转机构将滑枕及附属附件变位到与轮毂流道平行位置，辅助机床适应不同型号螺旋桨叶根与桨毂的加工，提高了机床的柔性，并进一步改善了加工干涉问题。

附图说明

图1是螺旋桨叶根与桨毂加工专用机床结构示意图；

图2是图1中y轴传动机构1的结构示意图；

图3是图1中x轴传动机构2的结构示意图；

图4是图1中c轴旋转机构3的结构示意图；

图5是图1中z轴传动机构4的结构示意图；

图6是图5中立柱5-1(含有z轴丝杠螺母传动机构)的结构示意图；

图中：1.地面；2.y轴传动机构；2-1.y轴驱动电机；2-2.y轴金属弹性联轴器；2-3.y轴丝杠；2-4.y轴滑块；2-5.y轴导轨；2-6.y轴丝杠螺母座；2-7.y轴丝杠螺母；2-8.y轴传动机构基座；3.x轴传动机构；3-1.x轴驱动电机；3-2.x轴金属弹性联轴器；3-3.x轴丝杠；3-4.x轴丝杠螺母座；3-5.x轴丝杠螺母；3-6.x轴丝杠支撑座；3-7.x轴滑块；3-8.x轴导轨；3-9.x轴传动机构基座；4.c轴旋转机构；4-1.伺服电机；4-2.回转平台基座；4-3.主动齿轮；4-4.推力球轴承；4-5.从动齿轮；4-6.回转平台台面；4-7.c轴旋转机构支撑座；5.z轴传动机构；5-1.立柱；5-2.滑枕；5-3.z轴滑块；5-4.z轴驱动电机；5-5.z轴金属弹性联轴器；5-6.z轴丝杠；5-7.z轴丝杠螺母；5-8.z轴丝杠螺母座；5-9.z轴导轨；5-10.z轴丝杠支撑座；6.角度头a；7.螺旋桨；8.地坑；9.测量装置；10.定位夹紧装置；11.角度头b；12.排屑装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，本发明的螺旋桨多轴数控加工机床主要由y轴传动机构2、x轴传动机构3、c轴旋转机构4、z轴传动机构5、角度头a6、角度头b11组成。螺旋桨7通过定位夹紧装置10横卧在地坑8上。定义y轴为与螺旋桨7中心轴相平行的轴，x轴传动机构3向螺旋桨中心移动的方向为x轴，绕z轴旋转的轴为c轴，绕x轴旋转的轴为a轴。

通过数控系统对y轴传动机构2、x轴传动机构3、c轴旋转机构4、z轴传动机构5、角度头a6、角度头b11进行控制，实现数控加工机床x轴、y轴、z轴、a轴、c轴的多轴运动，并在两机床和定位夹紧装置10的协同运动下，完成螺旋桨7叶根与桨毂的加工。

如图1、图2所示的y轴传动机构2，y轴传动机构2通过y轴传动机构基座2-8固定于地面1上，所述y轴传动机构基座2-8上以y轴丝杠螺母传动机构为中心设置有2对y轴导轨2-5，所述y轴导轨2-5滑动安装有用于承载x轴传动机构3的y轴滑块2-4，在所述y轴传动机构基座2-8上固定有y轴驱动电机2-1，所述y轴驱动电机2-1通过y轴金属弹性联轴器2-2与y轴丝杠螺母传动机构相连接，由y轴驱动电机2-1带动y轴丝杠螺母传动机构工作，从而使得x轴传动机构3沿y轴导轨2-5来回直线移动。所述y轴丝杠螺母传动机构包括y轴丝杠2-3、y轴丝杠螺母座2-6和y轴丝杠螺母2-7，所述y轴丝杠螺母座2-6包覆在y轴丝杠螺母2-7外表面，所述y轴丝杠螺母2-7套设在y轴丝杠2-3上并且通过螺纹连接，所述y轴丝杠螺母座2-6用于固定x轴传动机构3。

如图1、图3所示，x轴传动机构3通过x轴传动机构基座3-9固定安装在y轴滑块2-4上，x轴传动机构基座3-9上以丝杆螺母传动机构为中心布置有1对x轴导轨3-8，所述x轴导轨3-8上安装有用于固定安装c轴旋转机构4的x轴滑块3-7；在x轴传动机构基座3-9上固定安装x轴驱动电机3-1，所述x轴驱动电机3-1通过x轴金属弹性联轴器3-2与x轴丝杠螺母传动机构相连接，另一端固定在x轴丝杠螺母支撑座3-6中，由x轴驱动电机3-1带动x轴丝杠螺母传动机构运动，从而带动c轴旋转机构4沿x轴导轨3-8来回直线移动。x轴丝杠螺母传动机构包括x轴丝杠3-3、x轴丝杠螺母座3-4和x轴丝杠螺母3-5，所述x轴丝杠螺母座3-4包覆在x轴丝杠螺母3-5的外表面，所述x轴丝杠螺母3-5套设在x轴丝杠3-3上，且通过螺纹连接，x轴丝杠螺母座3-4用于固定连接c轴旋转机构4的工作台。

如图1、如图4所示，c轴旋转机构4通过c轴旋转机构支撑座4-7固定连接于x轴传动机构滑块3-7上平面，所述c轴旋转机构支撑座4-7上连接有回转平台基座4-2；在回转平台基座4-2内部由下而上装配有推力球轴承4-4和从动齿轮4-5，所述从动齿轮4-5上固定安装有回转平台台面4-6；所述从动齿轮4-5与主动齿轮4-3相啮合，在所述c轴旋转机构支撑座4-7侧面连接有伺服电机4-1，所述伺服电机4-1将动力传递给主动齿轮4-3，所述主动齿轮4-3带动从动齿轮4-5转动，从动齿轮4-5带动相连的回转平台台面4-6转动。

如图1、如图5、图6所示，所述z轴传动机构5的立柱5-1通过螺栓固定安装在c轴旋转机构4上，所述立柱5-1两内侧均以丝杆螺母传动机构为中心设置有1对沿z轴方向的z轴导轨5-9；所述z轴导轨5-9与滑块5-3滑动相连接，滑块5-3固定安装于滑枕5-2侧面；所述滑枕5-2的一端与角度头a6相连接，另一端与角度头b11连接；在立柱5-1内侧安装有z轴驱动电机5-4，所述z轴丝杠螺母传动机构通过z轴金属弹性联轴器5-5与z轴驱动电机5-4相连，另一端固定在z轴丝杠螺母支撑座5-10中，z轴驱动电机5-4通过z轴丝杠螺母传动机构驱动滑块5-3在z轴导轨5-9上沿z轴运动。所述z轴丝杠螺母传动机构包括z轴丝杠5-6、z轴丝杠螺母5-7和z轴丝杠螺母座5-8，所述z轴丝杠螺母座5-8包覆在z轴丝杠螺母5-7的外表面，所述z轴丝杠螺母5-7套设在z轴丝杠5-6上，且通过螺纹连接，z轴丝杠螺母座5-8用于固定连接滑枕5-2。

本发明的螺旋桨叶根与桨毂数控加工机床的具体加工方法如下：

第一步：如图1所示，加工螺旋桨7前，先将螺旋桨7通过定位夹紧装置10横卧于工位8上，该工位8为凹陷的地坑，以容纳螺旋桨7，并安装好两对侧机床的刀具等辅助工具；

第二步：通过测量装置9测量桨叶型面特征点，确定螺旋桨7在机床坐标系中的空间位置，再通过补偿算法驱动夹紧装置10转动，将螺旋桨7从初始吊装位置调整到指定加工位置；

第三步：通过数控系统控制左侧机床驱动电机，控制c轴旋转机构4的伺服电机4-1先工作，逆时针旋转，将滑枕5-2及角度头b11变位到与轮毂流道平行位置，然后驱动x轴驱动电机3-1、y轴驱动电机2-1、z轴驱动电机5-4、角度头b11工作，实现x轴、y轴、z轴的运动，控制刀具沿规划好的刀具路径运动，对叶根桨毂区域进行定轴强力切削；

第四步：完成螺旋桨7单个相邻叶片间的叶根与桨毂区域表面的定轴强力切削后，通过数控系统控制左侧机床驱动电机，控制c轴旋转机构4的伺服电机4-1先工作，顺时针旋转，将滑枕5-2及角度头a6变位到与轮毂流道平行位置，然后驱动x轴驱动电机3-1、y轴驱动电机2-1、z轴驱动电机5-4、角度头a6工作，其中角度头a6内部装有驱动电机，可以直接驱动a轴绕x轴做旋转运动，实现x轴、y轴、z轴、a轴的运动，控制刀具沿规划好的刀具路径运动，对叶根桨毂区域进行联动加工；

第五步：在左侧机床开始工作一段时间后，再通过数控系统控制右侧机床的z轴、x轴、y轴、c轴、a轴按第三步、第四步运动，实现对另一侧螺旋桨叶根与桨毂表面的切削加工；

第六步：完成螺旋桨7单个相邻叶片间的叶根与桨毂区域表面加工后，定位夹紧装置10旋转额定(360°/桨叶数)角度，定位夹紧装置10上的螺旋桨7也同时旋转对应的角度；旋转以后，未加工的叶根与桨毂区域处于待加工位置；然后重复第一步的操作，直到螺旋桨7的所有叶根与桨毂区域的表面被加工完成；

第七步：完成螺旋桨7叶根与桨毂区域加工后，驱动y轴驱动电机2-1、x轴驱动电机3-1、z轴驱动电机5-4工作使得整个加工装置安全退刀后，c轴旋转机构4启动，旋转一定角度，将加工机床滑枕5-2及附属角度头等退回至初始状态；

采用以上加工方法，使得该机床在体积较小的状态下，亦能完成龙门式加工机床无法加工区域叶根与桨毂的加工，并且只需一次装夹，极大地提高了加工效率。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。