一种五轴联动机床双摆头机构及其使用方法

本发明涉及了一种机床摆头机构，具体涉及了一种五轴联动机床双摆头机构。

背景技术：

1、五轴联动数控机床是加工复杂曲面最合适的加工工具，五轴联动数控机床由三个平动轴和二个旋转轴构成。根据运动轴配置的不同，五轴联动数控机床的结构类型按轴的分布可以分为三种基本类型，分别为工作台双转动，刀具与工作台分别回转，刀具双摆动。虽然这三种类型机床的结构不同，但是其正运动学方程的表达式中的刀位点方程和刀轴矢量方程却完全相似。刀轴矢量方程只与旋转轴的旋转角度有关，刀位点方程与旋转轴的旋转角度和平动轴的平移量都有关。

2、五轴联动数控机床加工时，旋转轴和平动轴同时运动，由于旋转运动的影响，机床各轴线性插补的合成运动会使实际刀位点运动轨迹偏离编程直线轨迹，产生非线性加工误差，如：五轴联动数控系统中的刀具摆动或工作台旋转，那么实际加工过程中，由于五轴联动的非线性运动与五轴联动数控系统的线性插补之间的不一致性，导致实际加工轨迹为空间曲线，非线性误差则为该曲线与理论插补轨迹之间的偏差。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种五轴联动机床双摆头机构及其使用方法。本发明提出的五轴联动机床双摆头机构特别适用于针对复杂曲面的精密加工。

2、本发明的技术方案如下：

3、一、一种五轴联动机床双摆头机构

4、五轴联动机床双摆头机构包括机架、主摆头、次摆头、机床主轴箱、长度调节器和刀具；

5、机架和主摆头的内侧面均设置为圆弧面，主摆头可滑动地安装在机架的圆弧面中，次摆头可滑动地安装在主摆头的圆弧面中，机架的圆弧面所在轴线与主摆头的圆弧面所在轴线垂直，机床主轴箱与次摆头固定连接，刀具通过长度调节器与机床主轴箱连接，刀具的刀心点位置设置在机架的圆弧面所在轴线与主摆头的圆弧面所在轴线的交点处，机床主轴箱通过长度调节器带动刀具进行旋转运动。

6、所述长度调节器由长度调节器基座和安装在长度调节器基座的长度调节器延伸头组成，长度调节器基座与机床主轴箱固定连接，长度调节器延伸头与刀具固定连接。

7、所述机架和主摆头之间呈夹角设置，优选为呈垂直设置。

8、所述主摆头的中部与机架可活动地相连。

9、二、一种机床

10、所述机床包含所述的一种五轴联动机床双摆头机构，所述机床的床身与所述五轴联动机床双摆头机构的机架固定连接。

11、所述机床为立式、卧式、倾斜式的双摆头机床或龙门式机床。

12、三、一种五轴联动机床双摆头机构的使用方法

13、1)将五轴联动机床双摆头机构固定安装在机床的床身上，机床上安装工件，机床回到初始位置；

14、2)通过长度调节器调节刀具的刀心点位置，使刀具的刀心点在主、次旋转轴的交点上；

15、3)根据工件的刀位文件，确定刀具的刀位点和刀轴矢量，再根据逆运动学公式计算获得各平动轴的位置关系以及绕主旋转轴和绕次旋转轴的角度，进而分别控制机床的平动轴x、y、z进行平移运动以及控制主摆头、次摆头进行旋转运动，进而进行工件加工。

16、所述工件的加工过程中，每次换刀后，通过长度调节器再次调节刀具刀心点的轴向位置，使刀具刀心点始终在主、次旋转轴的交点上。

17、所述3)中，根据工件的刀位文件中的刀位点数据和平动轴的坐标变换矩阵，获得刀位点数据和各平动轴的位置关系。

18、所述3)中，当机架和主摆头之间垂直设置时，根据工件的刀位文件中的刀轴矢量数据计算获得绕主旋转轴旋转的角度p和绕次旋转轴旋转的角度s。

19、本发明的有益效果是：

20、使用本发明提出的五轴联动机床双摆头机构，可以使得五轴联动机床的旋转运动与平移运动独立，互不影响。传统五轴联动机床的旋转轴运动会同时改变刀具的刀位点和刀轴矢量，本发明提出的五轴联动机床双摆头机构的旋转运动只能改变刀具的刀轴矢量，而不会改变刀具刀位点的位置，平移运动只能改变刀位点的位置，但不会改变刀具的刀轴矢量。因而从根源消除了非线性误差。该机床具有传统平动和旋转运动耦合的机床的功能和特点，但是又没有传统平动和旋转运动耦合的机床的非线性误差。通过改变机床的结构，简化了正运动学的运动学方程，减少了后处理计算量。从根源上消除了非线性误差，提高了加工精度，缩短了刀具实际加工行程，提高了刀具和机床的使用寿命。

技术特征：

1.一种五轴联动机床双摆头机构，其特征在于，包括机架(1)、主摆头(2)、次摆头(3)、机床主轴箱(4)、长度调节器(5)和刀具(6)；

2.根据权利要求1所述的一种五轴联动机床双摆头机构，其特征在于，所述长度调节器(5)由长度调节器基座(11)和安装在长度调节器基座(11)的长度调节器延伸头(12)组成，长度调节器基座(11)与机床主轴箱(4)固定连接，长度调节器延伸头(12)与刀具(6)固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种五轴联动机床双摆头机构，其特征在于，所述机架(1)和主摆头(2)之间垂直设置。

4.根据权利要求1所述的一种五轴联动机床双摆头机构，其特征在于，所述主摆头(2)的中部与机架(1)相连。

5.一种机床，其特征在于，所述机床包含权利要求1所述的一种五轴联动机床双摆头机构，所述机床的床身(10)与所述五轴联动机床双摆头机构的机架(1)固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种机床，其特征在于，所述机床为立式、卧式、倾斜式的双摆头机床或龙门式机床。

7.根据权利要求1所述的一种五轴联动机床双摆头机构的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种五轴联动机床双摆头机构的使用方法，其特征在于，所述工件的加工过程中，每次换刀后，通过长度调节器(5)再次调节刀具刀心点的轴向位置，使刀具刀心点始终在主、次旋转轴的交点上。

9.根据权利要求7所述的一种五轴联动机床双摆头机构的使用方法，其特征在于，所述3)中，根据工件的刀位文件中的刀位点数据和平动轴的坐标变换矩阵，获得刀位点数据和各平动轴的位置关系。

10.根据权利要求7所述的一种五轴联动机床双摆头机构的使用方法，其特征在于，所述3)中，根据工件的刀位文件中的刀轴矢量数据计算获得绕主旋转轴旋转的角度p和绕次旋转轴旋转的角度s。

技术总结
本发明公开了一种五轴联动机床双摆头机构及其使用方法。五轴联动机床双摆头机构中，主摆头可滑动地安装在机架的圆弧面中，次摆头可滑动地安装在主摆头的圆弧面中，机架的圆弧面所在轴线与主摆头的圆弧面所在轴线垂直且相交，记交点为枢点，机床主轴箱与次摆头固定连接，刀具通过长度调节器与机床主轴箱连接，刀具的刀心点位置设置在枢点处，机床主轴箱通过长度调节器带动刀具进行旋转运动。本发明使用方法简单，通过将刀具切削点始终保持在两个旋转轴的中心，对现有五轴联动机床中旋转和平移合成运动进行解耦，使旋转运动和平移运动互相独立，从根源上消除了五轴联动机床的非线性误差，简化了后处理过程的计算量，提高了复杂曲面加工质量。

技术研发人员：刘晓健,韩宁,裘乐淼,王阳,张树有
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16