CN102059554B - 数控车磨复合机床 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种数控车磨复合机床，在一矩形床身的上表面一侧设有主轴部件以及与主轴部件对应的尾座，床身另一侧设有支承砂轮架和车刀架的工作台；主轴部件由主轴底座和设置在底座上的伺服电主轴构成，工作台包括有与电主轴轴向作平行移动的第一工作台，第一工作台上方设有与第一工作台移动方向呈垂直方向移动的第二工作台，第二工作台上方设有一水平旋转工作台，水平旋转工作台一侧设置砂轮架，另一侧设置车刀架；第一工作台和第二工作台底部均设有滚动重载直线导轨副，第二工作台底部设有一驱动其移动的直线电机。该复合机床整体结构的刚性和稳定性得到了很大的提高；并使得加工精度得到了可靠的保障，实现了凸轮轴加工的高精度制造。
Description
技术领域
本发明是关于一种数控机床，尤其涉及一种用来车削和磨削加工长轴类零件的数控车磨复合机床。
背景技术
伴随着我国汽车制造工业的迅猛发展，为了满足发动机制造领域对凸轮轴质量要求不断提高和更新换代速度日益加快的现状，特别是冷激铸造凸轮轴(冷激铸造凸轮轴是一种零件毛坯的硬度满足凸轮轴成品硬度要求的铸件)工艺技术在发动机制造行业内已经广泛应用之后，国内市场对强力切削设备的需求更加迫切。
目前国内生产的凸轮轴需要先在车床上进行粗加工，然后在外圆磨床上对安装轴承的部位进行磨削，最后在凸轮轴磨床上对凸轮轴的凸轮部位进行磨削；由于凸轮轴的加工需要经过多道工序在多种机床上进行，每道工序都要对工件进行重新装夹，因此，造成了凸轮轴零件的加工精度累积误差大，加工周期长。
现有国内凸轮轴生产企业使用的国产数控凸轮轴磨床和进口的大部分数控凸轮轴磨床的床身主要是采用T形结构，X向和Z向导轨通常采用V--平结构，砂轮架做X向运动，工作台带动主轴单元做Z向运动；这种结构只适用于对凸轮轴的凸轮部分进行精磨和轻负荷磨削，在低负荷和单方向切削力工作时，尚能够保证零件的加工精度，但是，对于将车削和磨削复合在一起的机床来说是不适合的，因为车削与磨削的切削力方向是相反的，在车削零件时，工作台可能会由于受力而向上抬起。
再有，目前我国生产的数控凸轮轴磨床的主轴单元是由伺服电机通过齿形带传递给主轴，使主轴带动工件做回转运动，由于齿形带存在一定的弹性，电动机的转动传递到主轴需要一定的时间，所以这种结构存在刚性不足、计算机指令置后的问题；砂轮架的进给运动(X轴)是由伺服电机和滚珠丝杠组成的，由于丝杠及丝杠支撑自身的刚性问题等原因，造成了主轴回转角度与X轴的进给运动之间存在着较大的误差，这种误差造成了凸轮轴零件形状的误差和凸轮轴凸轮的相位角度的误差。
冷激铸造凸轮轴是一种不需要后期淬火的零件，它本身的硬度比传统的凸轮轴淬火前的硬度高很多，普通的车床和刀具已经难以对其进行加工，所以，凸轮轴的生产企业迫切需要一种能够对冷激铸造凸轮轴进行加工的高刚性的机床。
有鉴于此，本发明人凭借多年的相关设计和制造经验，提出一种数控车磨复合机床，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数控车磨复合机床，可以通过一次装夹就能够完成凸轮轴的加工，以消除多次装夹造成的较大累积误差。
本发明的另一目的在于提供一种数控车磨复合机床，通过采用伺服电主轴的全闭环控制与直线电机的全闭环控制相结合的结构设计，使机床的主轴回转角度与砂轮架横向进给之间的配合满足加工非圆曲线外圆的要求，使得加工精度得到可靠的保障。
本发明的又一目的在于提供一种数控车磨复合机床，通过采用矩形床身、滚动重载直线导轨副以及十字工作台和回转工作台叠加的结构设计，使整体机床的刚性和功能的复合性得到提高。
本发明的目的是这样实现的，一种数控车磨复合机床，在一矩形床身的上表面一侧设有主轴部件以及与主轴部件对应的尾座，床身另一侧设有支承砂轮架和车刀架的工作台；所述主轴部件由主轴底座和设置在底座上的伺服电主轴构成，所述工作台包括有与电主轴轴向作平行移动的第一工作台，该第一工作台上方设有与第一工作台移动方向呈垂直方向移动的第二工作台，所述第一工作台和第二工作台构成一十字工作台；所述十字工作台上方设有一水平旋转工作台，该水平旋转工作台一侧设置所述砂轮架，水平旋转工作台另一侧设置所述车刀架；所述第一工作台和第二工作台底部均设有滚动重载直线导轨副，所述第二工作台底部设有一驱动其移动的直线电机。
在本发明的一较佳实施方式中，所述伺服电主轴上设置一圆光栅，通过伺服电主轴中的编码器与圆光栅配合形成伺服电主轴全闭环控制。
在本发明的一较佳实施方式中，所述第一工作台与第二工作台之间设置一套直线光栅，由此形成直线电机全闭环控制。
在本发明的一较佳实施方式中，该直线光栅由设置在第一工作台上的直线光栅读数头和对应设置在第二工作台上的直线光栅定尺构成。
在本发明的一较佳实施方式中，所述第一工作台底部设有一驱动其移动的滚珠丝杠副，所述丝杠与一第一伺服电机连接。
在本发明的一较佳实施方式中，所述水平旋转工作台由一第二伺服电机驱动旋转，所述水平旋转工作台与第二工作台之间设有端齿盘定位机构，所述水平旋转工作台的转轴部位设有使水平旋转工作台与第二工作台紧密结合的碟形弹簧。
在本发明的一较佳实施方式中，所述矩形床身为一箱体结构，该箱体内部设有多个带有开孔的筋板。
在本发明的一较佳实施方式中，所述伺服电主轴的前部设有安装工件的装卡部件。
在本发明的一较佳实施方式中，所述车磨复合机床上设有防护罩、除尘装置和金属屑回收装置。
由上所述，本发明的数控车磨复合机床采用了矩形床身的设计形式，砂轮的进给和平移应用了十字交叉工作台和水平旋转工作台叠加的结构，使得机床整体结构的刚性和稳定性得到了很大的提高；机床主轴(C轴)为伺服电主轴的全闭环控制，X轴采用直线电机全闭环控制，Z轴采用伺服电机半闭环控制，使得X轴与C轴的同步响应误差达到了最小值，使得加工精度得到了可靠的保障，实现了凸轮轴加工的高精度制造。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，
图1：本发明数控车磨复合机床的俯视结构示意图。
图2：本发明数控车磨复合机床的正视结构示意图。
图3：本发明数控车磨复合机床的左视结构示意图。
图4：本发明数控车磨复合机床的工作台结构示意图。
图5：本发明数控车磨复合机床的主轴部件结构示意图。
图6：本发明数控车磨复合机床的矩形床身结构示意图。
图7：本发明数控车磨复合机床中直线电机与直线光栅的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图1～图4所示，本发明提供一种数控车磨复合机床100，在一矩形床身1的上表面一侧设有主轴部件2以及与主轴部件对应的尾座3，矩形床身1另一侧设有支承砂轮架4和车刀架5的工作台6；如图5所示，所述主轴部件2由主轴底座22和设置在底座上的伺服电主轴21构成，所述伺服电主轴的前部设有安装工件的装卡部件(图中未示出)。如图2、图3和图4所示，所述工作台6包括有与电主轴轴向作平行移动的第一工作台61(Z向工作台)，该第一工作台61上方设有与第一工作台移动方向呈垂直方向移动的第二工作台62(X向工作台)，所述第一工作台61和第二工作台62构成一个十字工作台；所述十字工作台上方设有一水平旋转工作台63，该水平旋转工作台63一侧设置所述砂轮架4，水平旋转工作台63另一侧设置所述车刀架5；所述第一工作台61和第二工作台62底部均设有滚动重载直线导轨副7，所述第二工作台62底部设有一驱动其移动的直线电机8。
本发明的数控车磨复合机床对凸轮轴的加工过程是：(1)将凸轮轴毛坯零件装夹在机床主轴上；(2)利用车刀架上的刀具(通过十字工作台进给)粗车凸轮轴上的轴承安装部位、铣削键槽；(3)水平旋转工作台回转180°，利用砂轮架上的砂轮(通过十字工作台进给)磨削轴承安装部位；(4)粗磨凸轮部位、精磨凸轮部位；(5)卸下凸轮轴零件，零件加工完成。
由上所述，本发明的数控车磨复合机床集强力车削和强力磨削功能于一身，可以对冷激铸造凸轮轴通过一次装夹完成凸轮轴零件的车削和磨削、铣键槽(利用车削动力刀座具有的铣削功能)等工艺过程。由于凸轮轴工件的加工是一次装夹完成的，所以降低了现有技术中由于零件需要多次装夹造成的较大累积误差；本发明采用了矩形床身、十字工作台与水平旋转工作台叠加的结构设计，提高了机床的刚性和功能的复合性。
在本实施方式中，如图6所示，所述矩形床身1为一外形近似方箱的箱体结构，这种结构具有稳定性强，抗弯及抗扭转强度高的特点。该箱体内部设有多层带有开孔12的筋板11，进一步加强了床身的抗弯性和抗扭转强度，同时，由于筋板开孔后增强了空气的流动性能，因此散热性能得到了很好的改善。
由于本发明将车削功能与强力磨削功能在一台机床上进行整合，为了减少功能转换的时间和缩小占用工作场地空间的需要，因此，本发明采用了十字工作台与水平旋转工作台叠加的结构设计。
在本实施方式中，第一工作台61和第二工作台62构成的十字工作台其作用是，将现有磨床工作台的Z向运动和砂轮架的X向运动复合在一起，在加工过程中实现X向和Z向进给运动。所述第一工作台61和第二工作台62底部均设有滚动重载直线导轨副7作为X向和Z向的支撑，由于滚动重载直线导轨副具有承载能力大、运行平稳、能够在四个方向承受扭矩的特点，因此，能够满足车削功能与强力磨削功能的要求，实现了承载多方向切削力的能力。
如图3所示，在本实施方式中，所述第一工作台61底部设有一驱动第一工作台61移动的滚珠丝杠副611，所述丝杠与一第一伺服电机连接；由第一伺服电机通过滚珠丝杠副611来驱动所述第一工作台61进行Z向往返移动。
十字工作台的X向运动是通过第二工作台62底部设置的直线电机8直接驱动的，因此，消除了现有技术中由于丝杠及丝杠支撑自身的刚性问题等原因，造成主轴回转角度与X向的进给运动之间存在着较大误差的问题，实现了高刚性传动。
在本实施方式中，将砂轮架4和动力车刀架5安装在水平旋转工作台63上；在水平旋转工作台63的设计中，如图4所示，所述水平旋转工作台63由一第二伺服电机631驱动旋转，所述水平旋转工作台63与第二工作台62之间设有端齿盘定位机构632，该端齿盘定位机构632包括设置在水平旋转工作台63下方的上齿盘6321和设置在第二工作台62上方的下齿盘6322，第二伺服电机631通过传动机构驱动上齿盘6321，从而使水平旋转工作台63旋转。所述水平旋转工作台63的转轴部位设有使水平旋转工作台63与第二工作台62紧密结合的碟形弹簧。由于采用了伺服电机驱动水平旋转工作台回转、端齿盘定位和碟形弹簧夹紧的结构方式，从而实现了回转定位精度高、夹紧安全可靠的要求，能够快速地(10秒钟以内)完成车削与磨削功能的转换。
为了满足磨削凸轮等非圆曲线的要求，本发明采用了伺服电主轴全闭环控制和直线电机全闭环控制。
在本实施方式中，所述伺服电主轴21上设置一圆光栅211，如图5所示，通过伺服电主轴21中的编码器212与圆光栅211配合形成伺服电主轴全闭环控制。本实施方式采用主轴与伺服电机结合为一体的伺服电主轴，由于伺服电主轴的检测精度不能满足凸轮分度的需要，所以本实施方式在主轴上安装了一个分度精度很高的圆光栅211，通过圆光栅211对主轴的转角进行精确的位置检测，并将检测的结果反馈给计算机数控系统，计算机将圆光栅211的检测数据与伺服电主轴控制器发出的数据进行比对后，自动进行误差补偿，这样就实现了伺服电主轴的全闭环控制。
在本实施方式中，如图7所示，所述第一工作台61与第二工作台62之间设置一套直线光栅9，该直线光栅9由设置在第一工作台61上的直线光栅读数头91和对应设置在第二工作台62上的直线光栅定尺92构成，由此形成直线电机全闭环控制。由于直线电机本身不能进行位置检测，所以本实施方式在第一工作台61(Z向工作台)和第二工作台62(X向工作台)上安装了一套直线光栅9用来对X向工作台的位置进行检测。直线光栅9将检测的结果反馈给计算机数控系统，计算机将直线光栅的检测数据与直线电机控制器发出的数据进行比对后，自动进行误差补偿，这样就实现了直线电机的全闭环控制。在本实施方式中，直线电机的定子81安装在Z向工作台61上，直线电机的动子82安装在X向工作台62上；直线光栅的定尺92安装在X向工作台上，读数头91安装在Z向工作台上。
由于伺服电主轴与直线电机都是通过电磁直接驱动的元件，其响应速度只是取决于电机的时间常数和计算机的运算速度，因此，排除了由于传动刚度对联动一致性的影响，进而减小了凸轮轴零件形状的误差和凸轮轴凸轮的相位角度的误差，进一步提高了凸轮轴的质量；采用了伺服电主轴(主轴与伺服电机结合为一体)和直线电机(直线电机的动子与X向运动的工作台进行刚性连接)驱动大大地提高了机床的系统刚度，使得由于机床系统刚度对数控系统稳定性的影响明显地减小，机床数控系统比较稳定，数控系统的联调简单。
由于采用了伺服电主轴的全闭环控制与直线电机的全闭环控制，使得主轴的转角与X轴的联动配合达到了比较精确的控制，使得机床的主轴回转的角度与X轴的进给之间的配合满足了加工非圆曲线外圆的要求，使得加工精度得到了可靠的保障，实现了凸轮轴加工的高精度制造。
在本发明的一较佳实施方式中，所述车磨复合机床上设有防护罩、除尘装置、金属屑回收装置和液压站等。
由上所述，本发明的数控车磨复合机床采用了矩形床身的设计形式，砂轮的进给和平移应用了十字交叉工作台和水平旋转工作台叠加的结构，使得机床整体结构的刚性和稳定性得到了很大的提高；机床主轴(C轴)为伺服电主轴的全闭环控制，X轴采用直线电机全闭环控制，Z轴采用伺服电机半闭环控制，使得X轴与C轴的同步响应误差达到了最小值，使得加工精度得到了可靠的保障，实现了凸轮轴加工的高精度制造。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种数控车磨复合机床，其特征在于：在一矩形床身的上表面一侧设有主轴部件以及与主轴部件对应的尾座，床身另一侧设有支承砂轮架和车刀架的工作台；所述主轴部件由主轴底座和设置在底座上的伺服电主轴构成，所述伺服电主轴的主轴与伺服电机结合为一体，伺服电主轴上设置一圆光栅，通过伺服电主轴中的编码器与圆光栅配合形成伺服电主轴全闭环控制；所述工作台包括有与电主轴轴向作平行移动的第一工作台，该第一工作台上方设有与第一工作台移动方向呈垂直方向移动的第二工作台，所述第一工作台和第二工作台构成一十字工作台；所述十字工作台上方设有一水平旋转工作台，该水平旋转工作台一侧设置所述砂轮架，水平旋转工作台另一侧设置所述车刀架；所述第一工作台和第二工作台底部均设有滚动重载直线导轨副，所述第二工作台底部设有一驱动其移动的直线电机。
2.如权利要求1所述的数控车磨复合机床，其特征在于：所述第一工作台与第二工作台之间设置一套直线光栅，由此形成直线电机全闭环控制。
3.如权利要求2所述的数控车磨复合机床，其特征在于：该直线光栅由设置在第一工作台上的直线光栅读数头和对应设置在第二工作台上的直线光栅定尺构成。
4.如权利要求1所述的数控车磨复合机床，其特征在于：所述第一工作台底部设有一驱动其移动的滚珠丝杠副，所述丝杠与一第一伺服电机连接。
5.如权利要求1所述的数控车磨复合机床，其特征在于：所述水平旋转工作台由一第二伺服电机驱动旋转，所述水平旋转工作台与第二工作台之间设有端齿盘定位机构，所述水平旋转工作台的转轴部位设有使水平旋转工作台与第二工作台紧密结合的碟形弹簧。
6.如权利要求1所述的数控车磨复合机床，其特征在于：所述矩形床身为一箱体结构，该箱体内部设有多个带有开孔的筋板。
7.如权利要求1所述的数控车磨复合机床，其特征在于：所述伺服电主轴的前部设有安装工件的装卡部件。
8.如权利要求1所述的数控车磨复合机床，其特征在于：所述车磨复合机床上设有防护罩、除尘装置和金属屑回收装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: WANQUAN BIIC MACHINE TOOL CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: BEIJING JINGYI CENTURY ELECTRONICS CO., LTD. Effective date: 20111220 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 100079 FENGTAI, BEIJING TO: 075000 ZHANGJIAKOU, HEBEI PROVINCE |
|
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20111220 Address after: 075000, Hebei, Zhangjiakou province Wanquan County hole town, Zhangjiakou Xishan industrial agglomeration area Applicant after: Beijing Jingyi Machine Tool Co., Ltd. Address before: 100079 Beijing City, Fengtai District Songjiazhuang Yongwai weizikeng 2 Applicant before: Beijing Jingyishiji Electronic Co., Ltd. |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120912 Termination date: 20141102 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |