机床上刀具移动

图2-2所示为一五轴龙门数控机床,图(a)是实物照片,图(b)是结构示意图。下面对该数控机床作简要介绍。

图2-2　五轴龙门数控机床

1—刀具;2—电动机及刀具卡头;3—水平转动架;4,6,10,14,17,22—电动机;5—U形转动架;7—垂直滑块;8,12,20—滚珠丝杠;9—垂直导轨;11—水平滑块;13,19—导轨;15—工件;16—转动工作台;18—水平滑动台;21—螺母;23—控制柜;24—机架

1.对五轴龙门数控机床的功能要求

要求该机床能加工金属材料的任意曲面的零件。

2.五轴龙门数控机床的结构及其运动原理

这里按图2-2(b)所示对该数控机床的结构及其运动原理作概要介绍。该机床由四大部分组成:第一部分是与刀具运动相关的机构;第二部分是与工件运动相关的机构;第三部分是机架,它是承载上述两部分的母体;第四部分是控制箱。

下面重点说明该数控机床第一、二部分的机构及其运动原理。在图2-2(b)中,1～14构成刀具运动的机构,16～22构成工件运动的机构。

(1)驱动刀具运动的机构。①刀具自身的高速旋转运动:1是刀具,2是电动机及刀具卡头,卡头用于装卡刀具,由电动机驱动卡头(刀具)飞速旋转用于加工工件。②刀具方位调整运动:电动机2固定在水平转动架3上;4是电动机,4与3二者的轴相连;5是U形转动架(开口向下),水平转动架3的轴装在U形转动架5的轴孔内,电动机4也固定在U形架5上,4能驱动3绕其水平轴转动。6是电动机,U形架5固连在6的轴端,6能驱动U形转动架5绕其铅垂轴(Z)转动。③刀具沿Z轴上下移动:7是垂直滑块(不一定是圆柱形),电动机6与7的下端固连,该滑块可带着U形架与电动机6沿垂直导轨9上下移动;8是滚珠丝杠,该丝杠与固连于滑块7内的螺母(图未画)构成运动副(螺母丝杠传动机构),当丝杠8转动时,可通过螺母带动垂直滑块7上下移动;10是电动机,其轴与丝杠8的上端相连,能驱动丝杠8转动。④刀具沿Y轴水平移动:11是Y方向的水平滑块(不一定是圆柱形),电动机10和垂直导轨9都安装在水平滑块的侧面,当水平滑块11沿水平导轨13(沿Y方向)移动时,可带着电动机10,垂直导轨9和垂直滑块7同时作Y方向移动。12是滚珠丝杠,12与固连于水平滑块11内的螺母(图中未画)构成运动副(螺母丝杠传动机构),当丝杠12转动时,驱动螺母带着水平滑块11沿水平导轨13作水平(Y方向)移动;14是电动机,其轴与丝杠12的一端相连,其外壳与机架24固连,当通电时,14能带着丝杠12转动。

(2)驱使工件运动的机构。①工件绕Z轴调整方位的运动:15是工件,被装卡在转动工作台16上,16的底面中心处与电动机17的轴端相连,当电动机17转动时,工作台16随着转动。②工件沿X轴水平移动:16、17又被安装在18上,18是水平滑动台,被安装在导轨(两条)19上,20是滚丝杠,20与螺母21构成运动副(螺母丝杠传动机构),螺母21被固连在水平滑动台18的底面上,当丝杠20转动时,将通过螺母21带着水平滑动台18(亦即带着工件15)在导轨19上移动(沿X方向)。丝杠20的一端与电动机22的轴相连,电动机22被安装在机床底座上(底座被固定在地基上),当电动机22转动时,丝杠20将跟着一起转动。

再有,23是控制柜,柜内装有电路板、工控机和操作按钮。电路板上装有可编程控制器(PLC)和控制电路,工控机内安装数控加工程序,以控制刀具和工件的运动。数控加工程序由工程技术人员编写,针对不同的零件编写不同的程序,加工哪个零件就把哪个零件的加工程序安装到工控机中去。24是机架,它被固定在地基上;导轨13、丝杠12的轴承,电动机14和导轨19都固定在机架24上。另外,在该数控机床上还安装了许多传感器(图中未画),以控制加工精度。在水平滑动台18与导轨19(X移动方向)、水平滑块11与导轨13之间(Y移动方向)和垂直滑块7与垂直导轨9之间(Z移动方向)都安装了光栅传感器,用以监测控制该三个方向移动长度值的精度。在电动机4、6和17上都安装了码盘(控制转动角度的传感器)用以监测、控制绕Z轴和水平轴转动角度值的精度。在刀具卡头处还装有力传感器,用以监测、控制加工用量和走刀速度。

3.五轴龙门数控机床加工动作的实现

零件的加工是由刀具1与工件15的相对运动实现的。请看图2-2(b),在加工时,工件15有两个自由度的运动,即沿X方向的移动和绕Z轴的转动;而刀具1有四个自由度的运动,即沿Y和Z方向的移动,与绕Z轴和水平转动架3的轴的转动。刀具由电动机2驱动的高速转动用于切削加工。结合起来,该机床有X、Y、Z三个方向的移动与绕Z轴和水平轴的两个转动,所以叫五轴机床。下面对该机床加工动作的实现作具体说明。

(1)工件动作的实现

①工件15绕Z轴转动(调整加工方位)的实现:工件15绕Z轴的转动由转动工作台16绕Z轴的转动来实现。工件15装卡在转动工作台16上,16底面中心处与电动机17的轴端固连,17又固定在水平滑动台18上,18不能转动,当电动机17转动时,就会驱动转动工作台16与工件15一起绕Z轴转动。

②工件沿X方向移动的实现:工件15沿X方向的移动由水平滑动台18沿导轨19的移动来实现。由(1)所述可知,工件15与转动工作台16一起绕Z轴转动,然而转动工作台16与电动机17都安装在水平滑动台18上,当电动机22驱动丝杠20转动时,则螺母21就带着水平滑动台18与工件15一起沿导轨19(即X方向)移动。

(2)刀具动作的实现

①刀具方位的调整

a.刀具1绕水平轴转动的实现:刀具1绕水平轴的转动由水平转动架3的转动来实现。刀具1由卡头固定在电动机2的轴上,电动机2又固连于水平转动架3上,当电动机4转动时,则刀具1就会随水平转动架3一起绕水平轴转动。

b.刀具1绕Z轴转动的实现:刀具1绕Z轴的转动由U形转动架绕Z轴的转动来实现。如a所述,刀具1可随水平转动架3一起绕水平轴转动,但水平转动架3的轴被安装在U形转动架5的轴孔里,U形转动架5的上端与电动机6的轴连在一起,当电动机6转动时,则可驱动U形转动架带着水平转动架3绕Z轴转动,从而带着刀具1绕Z轴转动。

②刀具1沿Z方向移动的实现:刀具1沿Z方向的移动由垂直滑块7沿垂直导轨9的移动来实现。由图2-2(b)可见,电动机6固连于垂直滑块7的下端,当电动机10转动时,丝杠8将驱动垂直滑块7内的螺母带着垂直滑块7,及其下端的U形转动架8、水平转动架3、电动机2、刀具1一起沿Z方向的垂直导轨9移动。

③刀具1沿Y方向移动的实现:刀具1沿Y方向的移动由水平滑块11沿Y方向的水平导轨13的移动来实现。前已述及,垂直导轨9和电动机10都被安装在水平滑块11的侧面,当电动机14转动时,丝杠12将驱动水平滑块11内的螺母带着水平滑块11及与其相连的电动机10、垂直导轨9、垂直滑块7、电动机6、U形转动架5、水平转动架3、电动机2、刀具1一起沿Y方向的导轨13移动。

(3)工件加工:工件加工按以下步骤。第一步,选一个坐标系,在该坐标系内给出欲加工零件表面控制点的坐标值,再给出形成零件表面每一个点坐标值的插值函数及其参数。第二步,确定加工路线,即确定刀尖(刀具与零件表面接触的点)行走的轨迹。第三步,将刀尖沿行走轨迹前进每一点的运动,按五轴(五个自由度)分解为工件和刀具的六个运动分量,并给出每个分量的具体值。在分解时应注意不断地调整刀具的方位,尽量使刀具的轴线方向与零件表面接触点处的法线方向相重合。第四步,按第三步给出的工件和刀具在每一点运动的六个分量值编写控制工件和刀具运动的控制程序。第五步,利用该程序进行计算机仿真。第六步,仿真成功,将第四步所编数控程序输入到控制箱23中的工控机内,并设置刀具切削用量和走刀速度,进行蜡模试加工。第七步,蜡模加工成功后,进行真实零件加工。

另外,在这里还要强调两点:第一,在加工过程中,控制工件与刀具运动的五个自由度一般会同时运动(即五轴联动),因此,该机床可以加工出任意曲面。第二,由于同学们刚入学,对数控机床不熟悉,这里只能介绍一些基本概念,以使同学们对机电一体化系统有个概貌认识。关于数控加工的内容,将在CAM课中详细讲解。