本发明涉及一种在电器控制下实施转动的机构，尤其涉及一种转动机构，用于加工工件的装备，对工件实施机加工，制成各种工业上应用的刀具。
背景技术：
数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件的控制单元，数控机床的操作和监控全部在数控单元中完成。
数控机床一般由主机、数控制装置、驱动装置、辅助装置和其它附属设备等几个部分组成。主机是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。它是用于完成各种切削加工的机械部件。数控装置是数控机床的核心，包括硬件(印刷电路板、crt显示器、键盒、纸带阅读机等)以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。它在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。辅助装置系数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如：冷却、排屑、润滑、照明和监测等。编程及其他附属设备可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。
五轴数控机床属于目前广泛使用的高端制造设备，其通常包括三个直线轴(lineraxis)，即参照三维坐标系构建x轴、y轴和z轴，以及两个旋转轴(rotationaxis)，如：绕x轴旋转的a轴和绕z旋转的c轴，由此就能在空间通过五轴联动的方式完成对任意位置和任意形状的工件进行加工。五轴联动控制的实质是利用a轴和c轴两个旋转轴的联动来等效替代第三个旋转轴b轴(绕y轴旋转)的转动，并且在三根直线轴和两根旋转轴进行插补联动的同时，为了插补此旋转轴运动增量的所需的直线轴运动增量，还需要在上述轴上的运动增量上叠加上述等效替代所带来的旋转轴运动增量。为此，还需要一套算法对各个轴的运动进行控制。虽然曲线加工的五轴补偿算法尽管已被公开，能够合法获得，但是对于技术人员而言，晦涩难懂，对这些算法的解读并能在数控机床上得以应用，并取得良好的加工结果(比如：加工精度，涉及单根空间曲线的理论位置和实际加工位置误差；和空间的加工连续程度，涉及两根空间曲线间的平行程度)仍是一项较为困难的工作。因此，相同的加工内容下，采用五轴联动加工虽然会使得设备各轴的运动范围相应增加，但对动态响应性(如：力矩和加速度等)的要求显著提高。此外，为了避免由此带来的碰撞、干涉以及行程/刚性不足等问题，还需要在机械设计上做出更多的相应改善。
刀具加工是金属加工领域的分支，主要使用五轴磨床进行制造。磨床的主要特点是主轴体积大，工件细长，更难以获得良好的轴空间分布。为此，现有磨床的设计方案主要采用缩小磨轴尺寸等手段，来优化机床的空间结构(如：cn2016106237768)。另一方面，刀具磨削和通常加工一样，需要一次装夹工件，以及使用多片砂轮完成不同工序的加工。因此，通常在磨床设备上还会采用砂轮库和自动更换砂轮的结构来实现及时更换砂轮的目的。增加砂轮库就不可避免地占用磨床空间，使得磨床内部可用空间行程更小，使得换刀机构工作失效，刀具的加工时间被换刀时间大量占用，降低了加工效率。再一方面，刀具分为很多种类，各种刀具对磨床的加工精度要求不尽相同，孔加工类刀具的精度要求相对低些，而用于铣加工的刀具，特别是球头铣刀的加工对多轴联动的联动精度要求最高，而球头铣刀的加工是一种典型的五轴联动加工，与加工其它种类刀具做出的动作相比，各个轴在加工球头铣刀中做出的运动范围较大，c轴的回转范围尤其大，且各轴在各个时间点上为不匀速运动，时快时慢(由于每个单位c轴转动增量所对应的其他轴的插补运动增量并非均匀所致)，并且c轴砂轮所在面离开c轴回转中心越远，其它各轴相应的插补运动增量及c轴的回转误差也就越大，这对联动控制提出了更高要求。
为了解决这些问题，已公开的方式是采用更高精度的五轴数控系统并配合更高的机械精度，或者在五轴机床上再增加一个绕y轴旋转的b轴，即形成含有xyz三根直线轴以及abc三个各垂直于三直线轴的旋转轴的六轴机床。但是六轴机床更为庞大，重量重不便运输，占用生产区域更多空间，产品成本亦较高。
技术实现要素：
本发明的一个目的在于提供一种转动机构，包括双旋转轴，将其安装于加工工件的装备(如：磨床)后，使得装备在结构更紧凑的提前下实现六自由度，节省装备占用的空间，提高加工场所的空间利用效率，相当于在五轴机床的空间结构内实现六轴机床的自由度，即体积和行程不变而增加自由度，或者相当于缩小六轴机的占地体积而不影响行程和自由度，使得装备的结构更紧凑，节省装备占用的空间，提高加工场所的空间利用效率。
本发明的另一个目的在于提供一种转动机构，包括双旋转轴，改善机构的动态回转精度及联动加工精度。
本发明的再一个目的在于提供一种转动机构，包括双旋转轴，降低机构的重心，将其安装于加工工件的装备(如：磨床)后，使得设备的整体刚性得以提高。
本发明的又一个目的在于提供一种转动机构的应用，将其作为一个部件被安装于加工工件的装备(如：磨床)上，比如：三轴以上的机床上，使得多轴联动插补的计算复杂程度得到简化，尤其是使得涉及多轴插补的复杂加工运动的编程和计算大为简化，仍获得良好的多轴联动精度。
本发明的又一个目的在于提供一种转动机构在加工具有曲面的工件(如：球头铣刀)加工装备中的应用，将其作为一个部件被安装于五轴联动的磨床上，减少五轴联动时各轴的插补量与总运动行程，特别是减少c轴回转时的各轴的运动增量，提高多轴联动加工的加工精度，利于对球头工件进行制造和快速加工。
本发明的又一个目的在于提供一种磨床，其采用具有双旋转轴的转动机构，使得多轴联动插补的计算复杂程度得到简化，尤其是使得涉及多轴插补的复杂加工运动的编程和计算大为简化，仍获得良好的多轴联动精度。
本发明提供的一种转动机构，包括：
基座；
第二回转机构，其设置于基座上，并绕第二旋转轴旋转；
第三回转机构，其设置于第二回转机构上，并绕第三旋转轴旋转；
在以xyz坐标系构建的空间中，第三旋转轴同时与x轴、y轴和z轴非正交，且与第二旋转轴不共面。
第三旋转轴与第二旋转轴不共面，且在同一直线轴上做同向运动。
为进一步适用于加工工件的装备的需求，如：使得装备的结构更紧凑和改善回转精度等，第三旋转轴呈倾斜状，其与基座的水平面所成的夹角大于0°，小于180°，且不为90°。
本发明提供的另一种转动机构，包括：
基座；
第二回转机构，其设置于基座上，并绕c轴旋转；
第三回转机构，其设置于第二回转机构上，并绕d轴旋转；
在以xyz坐标系构建的空间中，c轴系绕z轴旋转的旋转轴，d轴系同时与x轴、y轴和z轴非正交，并绕与y轴非正交的轴旋转的旋转轴，d轴和c轴在x轴上做同向运动。
d轴呈倾斜状，其与基座的水平面所成的夹角大于0°，小于180°，且不为90°。
转动机构，包括双旋转轴，降低机构的重心，将其安装于加工工件的装备(如：磨床)后，使得设备的整体刚性得以提高。
本发明提供的各种回转机构，第二回转机构还包括一个倾斜的安装面(比如：安装面与基座的顶面所成的二面角大于0°，小于180°，且不为0°和180°)，第三回转机构的旋转主轴垂直于该安装面，并沿第三旋转轴(如：d轴)旋转。
本发明提供的各种回转机构，第三回转机构上还包括主轴(如：加工设备的电主轴)，主轴轴线与第三旋转轴轴线之间的夹角为90±2°。
本发明提供的各种旋转机构，由第二旋转机构和第三旋转机构的设置，使得机构的重心与普通六轴机床设备相比偏低。
本发明提供的各种旋转机构，由第二旋转机构和第三旋转机构配合获得加工工件所需的b轴。将其作为一个部件安装于加工工件的装备(如：磨床)上，比如：三轴以上的机床上，能使多轴联动插补的计算复杂程度得到简化，尤其是使得涉及多轴插补的复杂加工运动的编程和计算大为简化，仍获得良好的多轴联动精度。
一种磨床，采用六轴联动结构，包括三条直线轴，第一旋转轴和第二旋转轴，以及与三条直线轴非正交的第三旋转轴，第三旋转轴与第二旋转轴不共面，且在同一直线轴上做同向运动。
另一种磨床，采用六轴联动结构，包括三条直线轴，即x轴、y轴和z轴、还包括c轴和d轴。c轴系绕z轴旋转的旋转轴，d轴同时与x轴、y轴和z轴非正交，并绕与y轴非正交的轴旋转的旋转轴。d轴和c轴在x轴上做同向运动。
另一种磨床，采用六轴联动结构，包括：
基座，其沿x轴移动；
第二旋转机构，其设置于基座上，并绕c轴旋转；
第三旋转机构，其设置于第二旋转机构上，并绕d轴旋转；
磨削机构，其设置第三旋转机构上，由第三旋转机构驱动做d轴旋转运动；
d轴同时与x轴、y轴和z轴非正交，与c轴不共面。
本发明提供的各种磨床，d轴呈倾斜状，其与基座的水平面所成的夹角大于0°，小于180°，且不为90°。
第二旋转机构还包括一个倾斜的安装面，第三旋转机构的旋转主轴设置于该安装面，并沿d轴旋转。
安装本发明提供的转动机构的多轴磨床，在加工具有曲面的工件(如：球头铣刀)减少各轴联动时各轴间的插补量与总运动行程，特别是减少c轴旋转时的各轴的运动增量，提高多轴联动加工的加工精度，利于对球头工件进行制造和快速加工。
安置于d轴上的砂轮端面与c轴旋转中心的距离可以由c轴和d轴角度调节，这样可以使得砂轮端面靠近c轴旋转中心，使得c轴旋转补偿值大大减小，从而减小插补算法对加工精度及轮廓线的不良影响(如：插补造成的砂轮位置偏差及瞬时位置波动)，使得具有平滑连续的后刀面交界线。
本发明技术方案实现的有益效果：
本发明提供的转动机构，通过第二旋转机构和第三旋转机构间旋转位置的设置调节，等效获得了b轴，用于多轴机床后，免于通过a轴和c轴两旋转轴来实时拟合b轴的俯仰角并通过z轴来跟踪磨削点在砂轮上的变化，不仅大大降低了插补运算的要求，显著减少五轴联动插补的运动增量，还提高了刀具了加工精度。
本发明提供的转动机构，通过将第三旋转机构的旋转主轴设置于倾斜的安装面上，使得旋转机构的重心得到调整，不仅减少相关结构重量，还使得旋转机构高度降低，静态稳定性更好，设备的结构静态得到优化。
本发明提供的转动机构，利用倾斜旋转轴和垂直旋转轴各自的轴线不相面的特点，当机床分别使用两个不同刀具主轴加工时，在机床行程及占地面积不变的情况下可以获得更大的加工范围(即x轴及y轴方向)，效果等同于增加了机床的纵向和横向行程。
本发明提供的转动机构，将其用于多轴机床，使得实施磨削的机构在xy的平面上移动的方式，实现x轴方向上的行程延长，通过x轴的移动，调整加工所需的倾斜角度，实现各种加工角度的兼顾。此外，还利用倾斜的第三旋转轴在旋转同时引起角度变化和y轴向位移变化的特性，使得机床占地面积和直线轴行程不变的前提下刀具相对工件的y轴向可加工范围更大，效果等同于增加了磨床加工的行程。
本发明提供的转动机构，可以适用于现有五轴机床，且无需增加机床的体积和占地面积。
本发明提供的磨床，系采用六轴联动结构，无需使用五轴补偿算法，即能实现高精度多轴联动。与现有六轴磨床相比，设备体积减少20％以上，与五轴磨床的体积相当。与普通磨床相比，设备相应运动行程被缩短，相同规格的加工设备的体积变得更小，还弱化了电气系统的动态响应性要求，对电机驱动器规格和型号的要求降低。
本发明提供的磨床，以同时与x轴、y轴和z轴非正交的方式设置d轴，d轴与c轴不共面。在d轴带动下，磨削部件能旋转至各种角度，赋予了砂轮轴以俯仰运动(即起到了b轴的作用)，在球头加工中可以省去a轴和c轴对b轴的补偿，显著减少五轴联动插补的运动增量，还提高了加工精度。
本发明提供的磨床，还将d轴和c轴沿x轴通向移动，而将砂轮轴端面更靠近c轴旋转中心，使得c轴旋转误差对加工精度的影响得以显著下降。
本发明提供的磨床，d轴和c轴沿x轴同向移动，d轴带动下磨削机构与c轴中心更为靠近，使得设备加工中的离心力减弱，加工的动态精度得到提高，还引导受力方向直接作用于转台轴承的载荷面上，由此改善了设备的动态刚性。
附图说明
图1为现有磨床在工件加工时一实施例的结构示意图；
图2为本发明的磨床一实施例的结构示意图；
图3为本发明的磨床各轴位置关系的一实施例的结构示意图；
图4为本发明的磨床在工件加工时一实施例的结构示意图；
图5为本发明的磨床在工件加工时另一实施例的结构示意图；
图6为图5的俯视状态示意图；
图7为本发明的磨床在工件加工时另一实施例的结构示意图；
图8为图7的俯视状态示意图；
图9为本发明的磨床在工件加工时另一实施例的结构示意图；
图10为本发明的磨床在工件加工时另一实施例的结构示意图；
图11为现有磨床加工球头铣刀所得曲面表面微观形态一实施例的示意图；
图12为本实施例磨床加工球头铣刀所得曲面表面微观形态一实施例的示意图。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
本实施例提供的一种转动机构，包括：
基座；
第二旋转机构，其设置于基座上，并绕第二旋转轴旋转；
第三旋转机构，其设置于第二旋转机构上，并绕第三旋转轴旋转；
第三旋转轴与第二旋转轴不共面，且在同一直线轴上做同向运动。
在以xyz坐标系构建的空间中，第三旋转轴同时与x轴、y轴和z轴非正交，与第二旋转轴不共面。
将其作为一个部件安装于加工工件的装备(如：磨床)上，比如：三轴以上的机床上，能使多轴联动插补的计算复杂程度得到简化，尤其是使得涉及多轴插补的复杂加工运动的编程和计算大为简化，仍获得良好的多轴联动精度。
图2为本发明的磨床一实施例的结构示意图，图3为本发明的磨床各轴位置关系的一实施例的结构示意图。如图2和图3所示，本实施例的磨床，包括底座100，在底座上分别设置x向第一移动滑轨210，y向第二移动滑轨220和z向第三移动滑轨230。工件(未示出)固定于a轴。基座400架设于第一移动滑轨210上，并沿x轴移动。在基座400上设置第二旋转机构320，其绕c轴旋转。在第二旋转机构320上还包括一个倾斜的安装面321，安装面与基座的顶面所成的二面角大于0°，小于180°，且不为0°和180°，在安装面321上设置第三旋转机构330。本实施中，第三旋转机构的旋转主轴为电主轴，该轴位于d轴方向而旋转。本实施例中，d轴呈倾斜状，同时与x轴、y轴和z轴非正交，与c轴不共面，其与基座400的水平面所成的夹角大于0°，小于180°，且不为90°。
参见图5，第三回转机构330上还包括主轴(如：加工设备的电主轴331)，主轴轴线与第三旋转轴轴线之间的夹角为90±2°(未示出)。在第三旋转机构上可选择性地设置刀具主轴，如：双头主轴和单头主轴，或者安装用于装夹工件的主轴。
磨削机构500设置在第三旋转机构330上，由第三旋转机构330驱动做d轴旋转运动。磨削机构电主轴两端均设置砂轮，作为刀具主轴，具有双向结构，便于加工中对砂轮的更换。
图1为现有磨床在工件加工时一实施例的结构示意图；图4为本发明的磨床在工件加工时一实施例的结构示意图。由图1和图4相比较可见，第三旋转机构的旋转主轴设置于倾斜的安装面上，使得本实施例的旋转机构高度低于现有磨床，而使得旋转机构的重心得以向下调整，不仅减少相关结构重量，还使得旋转机构高度降低，静态稳定性更好，设备的结构静态得到优化。设备加工中的离心力减弱，加工的动态精度得到提高，还引导受力方向直接作用于转台轴承的载荷面上(参见图中箭头)，由此改善了设备的动态刚性。
利用倾斜的旋转轴相比垂直的旋转轴在回转运动时垂直方向变化值更小的特点，使得机床的垂直方向行程(即本实施例的z轴轴向)缩短，整体降低了机床的重心高度并且缩短垂直方向轴对导轨长度的需求，降低设备重量。
图5为本发明的磨床在工件加工时另一实施例的结构示意图，图6为图5的俯视状态示意图；图7为本发明的磨床在工件加工时另一实施例的结构示意图，图8为图7的俯视状态示意图。如图5、图6、图7和图8所示，当需要的加工角度为a，本实施例的磨床的电主轴331与工件所成夹角为a，磨削机构沿x轴方向移动时，不需要增加x轴的轴长，而是通过在xy的平面上移动的方式，实现x轴方向上的行程延长，使得x轴的移动，以及加工所需的倾斜角度，两者得到兼顾。利用倾斜的第三旋转轴在回转运动同时会引起角度和y轴向位置的特性，使得机床占地面积和直线轴行程不变的前提下刀具相对工件的y轴向可加工范围更大，效果等同于增加了磨床加工的行程。
图9为本发明的磨床在工件加工时另一实施例的结构示意图，图10为本发明的磨床在工件加工时另一实施例的结构示意图。如图9和图10所示，磨削机构500位于水平位置，利用倾斜旋转轴(即本实施例的d轴)和垂直旋转轴(本实施例的c轴)各自的轴线不相面的特点，当分别使用两个不同刀具主轴加工时，在机床行程及占地面积不变的情况下可以获得更大的加工范围(即x轴及y轴方向)，效果等同于增加了机床的纵向和横向行程。在导轨长度不变的情况下，本实施例的磨床显著了增加了加工该范围。
本实施例的机床，能兼顾各种加工角度。比如：当需要的加工角度为alfa，电主轴与工件所成夹角为alfa，磨削机构沿x轴方向移动时，不需要增加x轴的轴长，而是通过在xy的平面上移动的方式，实现x轴方向上的行程延长，使得x轴的移动，以及加工所需的倾斜角度，两者得到兼顾。利用倾斜的第三旋转轴在回转运动同时会引起角度和y轴向位置的特性，使得机床占地面积和直线轴行程不变的前提下刀具相对工件的y轴向可加工范围更大，效果等同于增加了磨床加工的行程。
相比于目前的五轴机床，加工更大的零件时，需要更大的机器和更长导轨。这类设备价格高，加工精度差，且占地面积大。一般而言，以三轴机床加工，可以实现x轴、y轴和z轴加工800mm×800mm×800mm的零件，而在五轴机床上，实际可加工的零件范围缩小，仅300mm～500mm×300mm～500mm×300～500mm，目前的六轴机床则又占了更大体积，加工的行程至少减少30％，限制了设备的利用，动态精度差。本实施例的磨床，其倾斜的旋转轴，砂轮电主轴与c旋转轴不共面，加工行程可以达到五轴机的水平。与相同体积的五轴机相比，本实施例的磨床获得更大的可加工行程，加工不同长度的工件。
与相同体积的六轴机床相比，在机床体积和占地面积基本不变的情况下，本实施例磨床能实现更大的可加工范围及更好的结构刚性。在相同的可加工范围下，本实施例的磨床能实现机床体积及占地面积的减小，与五轴机床相当，结构更加紧凑且刚性更强。
以加工具有弧形端面的球头铣刀为例，将安装本实施例转动机构的机床，其同时与x轴、y轴和z轴非正交的方式设置d轴，d轴与c轴不共面。在d轴带动下，磨削部件能旋转至各种角度，赋予了砂轮轴以俯仰运动(即起到了b轴的作用)，在球头铣刀加工中可以省去a轴和c轴为了对b轴实施插补而进行联动，不仅大大降低了插补运算的要求，显著减少五轴联动插补的运动增量，还提高了刀具了加工精度。本实施例的机床与现有五轴机床在球头铣刀加工中各轴间的联动关系，详见如下表1。
表1
如表1的比对可见，五轴机床在加工球头铣刀时，需要通过a轴和c轴两条旋转轴来拟合b轴的俯仰角并通过z轴来跟踪磨削点在砂轮上的变化，这种方式虽然在数学和现实上具有可行性，但其计算十分繁琐，这些计算的方法也被控制在国外数控系统企业手中，并未完全公开，他人实施困难。安装本实施例转动机构的六轴机床，通过增加一个在加工中保持不动的b轴(c轴和d轴固定，即获得b轴)，可以解耦a轴、c轴和z轴间为了实施后角加工而必须的插补联动。此时，在本实施例的机床上，a轴和c轴均只要实现自身的运动过程控制，而无须兼顾对后角的插补，同时z轴也不再需要参与联动加工来跟踪磨削点，不仅大大简化了相关运算，且能对具有弧形端面的工件实现加工，且加工精度亦得到提高。
本实施中，还将d轴和c轴沿x轴同向移动，而将砂轮轴端面更靠近c轴回转中心，使得c轴回转误差对加工精度的影响得以显著下降。即砂轮轴端面与c轴回转中心间的距离相当于回转臂。对于球头铣刀的加工而言，长的回转臂意味着在圆弧所在平面内的直线轴插补所需的圆弧直径越大，进而插补的误差值亦增大。如此，数控系统就越难以插补出完美圆弧。尤其是在加工小直径(如：直径小于2mm)球头刀具时，由于刀具本身的圆弧很小，而c轴圆弧臂又很大，其x轴和y轴球头圆弧插补值无法十分平滑地与x轴和y轴球头圆弧插补值协调，会使所成刀具的圆弧后刀面产生波纹线的现象。消除这一现象可以从提高x轴和y轴插补精度方面入手，也可以从减小球头圆弧和c轴圆弧插补精度方面入手。通过本实施的机床，可以很大程度缩小球头圆弧和c轴圆弧的插补精度，使得两者的插补值能够较为平滑地协调，使所成刀具具有平滑连续的后刀面交界线。比如：2mm以下球头铣刀后刀面轮廓线波动范围从±0.015mm(参见图11)降低至±0.005mm以内(见图12)。