一種帶進給運動的雕刻頭的製作方法

2024-02-25 21:06:15

專利名稱：一種帶進給運動的雕刻頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及雕刻領域，尤其涉及一種帶進給運動的雕刻頭。
技術背景目前由專業電主軸廠家生產的雕刻頭， 一般為立式固定使用，且價格較高。其本質上 是一種由變頻驅動控制的高速高剛度精密的電動機，主要採用精密滾動軸承支承，油脂潤 滑，外循環水冷卻。而在市場上投放的多主軸數控雕刻工具機，在進給深度控制上多採用龍門式結構，也有 採用雕刻頭獨立進給控制的。由於龍門結構本身的特點，在加工深度控制時，易造成龍門 橫梁體的扭斜，控制精度不高，而且體積大；同時由於工件安裝的不一致性，特別是在圓 柱、圓錐面上多工位雕刻時，採用龍門結構統一實現深度控制時，為保證產品質量的一致 性，通常採用的浮動主軸，手動微調方法校正對刀，增加了對刀難度，降低了生產效率； 同時對零件的夾具的製造精度也提出了更高的要求。而採用雕刻頭獨立進行雕刻深度控制 是一種很好的解決方法。但是，專業電主軸在實現雕刻運動時，由於自身無移動進給裝置， 在圓柱面、圓錐面、平面上雕刻各種文字、曲線和圖樣時，就需要增設進給運動機構，這 樣一來就會使得雕刻頭體積較大，同時也使得雕刻頭的中心高增大。在一些空間受限的多 工位場合中使用受到一定限制。中心高的加大又會對工具機支撐立柱的剛性提出了更高的要 求，提高了工具機製造成本，也與數控雕刻機在設計上力求輕巧的原則相違背。 發明內容本發明所要解決的技術問題是提供一種新型的帶進給運動的雕刻頭，並具有自動對 刀功能，以滿足在空間受限場合下實現多工位高精度數控雕刻的要求。 本發明解決其技術問題採用以下的技術方案本發明提供的帶進給運動的雕刻頭，由雕刻頭控制系統和執行機械系統組成。雕刻頭控制系統由依靠電接觸進行對刀的單片機系統組成。其中，單片機的輸入接 口接受由數控系統發出的"差分方式的指令+脈衝"的標準數控指令信號，經單片機內部 處理後轉化為步進電機的"三相六拍"專用控制信號，再經指令轉換接口輸出給步進電機 的驅動電路，實現雕刻頭的獨立進給運動控制。對刀過程由單片機循環檢測電接觸信號負 責完成，並且由數控系統全程監控和隨時解除。執行機械系統包括進給運動和高速旋轉切削運動機構，高速旋轉機構嵌套在進給運 動機構內，二者一體化實現。具體如下進給運動機構設有套筒螺旋副和支撐套筒，其右端套連處設有定向鍵。套筒螺旋副 的左端有與之套連的且由同步驅動機構帶動的主驅動銅螺母，該螺母由支撐套筒內腔中的 角接觸球軸承對定位。高速旋轉切削運動機構設有位於套筒螺旋副內腔中的主軸進行徑向定位的高精密軸承對，以及用於軸向定位的主軸軸肩和迷宮式端蓋還設有聯軸器，r將安裝在龜機法蘭上的高速直流無刷電機的軸和主軸聯結。本發明與現有技術相比具有以下的主要優點常規的多工位數控雕刻工具機，或採用龍門式結構統一進給控制或採用雕刻頭獨立進給 控制。採用龍門式結構統一進給控制，對工件裝夾一致性要求較高，特別是在對一些圓柱、 圓錐面上進行多工位雕刻時，採用的浮動主軸微調手動對刀，對刀難度大，降低了生產效率；採用雕刻頭獨立進給控制，則各雕刻頭均需要獨立的伺服驅動控制器進行進給控制， 而且還需增設進給移動機構，體積大，成本較高。而採用本發明的雕刻頭後，利用單片機 的中斷技術可實時轉化數控標準指令信號為步進電機的專用控制信號，達到了利用低價格 的步進驅動裝置取代伺服驅動控制器的效果，降低了的製造成本；採用的電接觸自動對刀 技術，降低了對工件裝夾一致性的要求，克服了多主軸雕刻系統手動對刀的難度，也提高 了生產效率。帶進給運動的高速旋轉土軸機械系統，將移動進給運動和高速旋轉切削運動 嵌套集成到一起，不同於常規主軸在增設移動機構過程中的疊加實現結構，即將雕刻主軸 的旋轉運動附著在一移動進給機構上，最大限度地減小了雕刻頭的中心距，也解決了常規 主軸在增設移動機構後體積較大的弊端；達到了在較小空間內實現多主軸雕刻任務。移動 進給運動和高速旋轉切削運動的一體化的解決方法，提高了雕刻頭的整體性能；合理的冷 卻、潤滑系統設計有助於提高了雕刻頭的使用壽命。本發明山於採用了這種帶進給運動的雕刻頭主軸，因此對於在圓柱、圓錐面上進行多 工位雕刻時，很好地解決了由於工件裝夾不-致，以及夾具迴轉精度帶來的對刀難度大和 雕刻深度質量難以保證的問題；保證了產品質量，提高了生產率，也縮小了增設移動機構 後雕刻頭的體積，同時還降低了多頭主軸數控雕刻工具機的製造成本。


圖1是本發明中-片機控制系統實現數控進給指令的轉換和自動對刀檢測方框圖。 圖2是本發明自動對刀檢測原理圖。圖3是本發明實現數控進給指令轉換的單片機中斷原理圖。圖4是本發明帶進給運動的高速旋轉主軸機械系統的結構示意圖。圖5是圖4中主軸單元中實現進給運動的結構示意圖。圖6是圖4中主軸單元中實現旋轉運動的結構示意圖。圖7是圖4中主軸單元中實現冷卻的結構示意中L密封套；2.主軸；3.端蓋；4.支撐套筒；5.主驅動銅螺母；6.套筒螺 旋副；7.冷卻室；8.隔離套；9.第一迷宮式端蓋；IO.第二迷宮式端蓋；U.夾頭鎖緊螺 帽；12.夾頭錐套；13.內錐孔；14.0型密封圈；15.冷卻室套；16.高精密軸承對；17.潤滑室；18.底板；19.定向鍵；20.角接觸球軸承對21.擋圈；22.鍵；23.同歩皮帶；24.傳動輪；25.步進電機；26.同步輪；27.冷卻液管道；28.銅刷壓板；29.銅刷；30.銅套；31.聯軸器；32.高速直流無刷電機；33.電機法蘭；34.小口 35存油環。
具體實施方式
本發明提供的帶進給運動的雕刻頭，由雕刻頭控制系統和執行機械系統組成(見圖l至圖7)。其中雕刻頭控制系統由依靠電接觸進行對刀功能的例如MCS51單片機系統組成，單片機的輸入接口接受由數控系統發出的"差分方式的指令+脈沖"的標準數控指令 信號，經單片機內部處理後轉化為歩進電機的"三相六拍"專用控制信號，再經指令轉換 接口輸出給步進電機的驅動器，實現雕刻頭的進給運動控制。對刀過程由單片機系統不斷 監測對刀檢測接口的電接觸信號，進行對刀過程的控制，並且由數控系統全程監控和隨時 解除。電接觸信號檢測裝置其由與電源"地"相接的工具機、工作檯、夾具和工件組成的良 導體，以及絕緣安裝在工具機上的雕刻頭組成。在進行自動對刀前，由於安裝在雕刻頭主軸 上的刀具未與工件接觸，單片機對刀檢測的電接觸信號開路；當刀具接觸到丁件時，即接"地"，就形成閉路，從而實現對刀。數控系統由硬體和軟體兩部分組成，硬體採用以工 業控制計算機、運動控制卡、數字式伺服系統構成的開放式數控系統，它們通過數據線依 次相連，其中，工業控制計算機與運動控制卡一起組成控制核心，運動控制卡控制至少有3個控制軸；軟體是採用Visual 0++編制Windows2000/XP下運行的應用程式。數控系統的詳細內容，請見本申請人同日申請的發明專利文獻"多工位數控雕刻專用控制系統"。 本發明執行機械系統包括進給運動和高速旋轉切削運動機構，二者一體化，其中 進給運動機構見圖4和圖5，設有套筒螺旋副6和支撐套筒4，其右端套連處設有定向鍵19 ，套筒螺旋副6的左端設有與之套連的且由同步驅動機構帶動的主驅動銅螺母5 ，該螺母由支撐套筒4內腔中的角接觸球軸承對20定位，角接觸球軸承對20採用螺紋聯結在支撐套筒4上的端蓋3鎖緊外圈。上述的角接觸球軸承對20可由端蓋3、擋圈21定位在支撐套筒4的內腔中。支撐套筒4固定在底板18上，當雕刻頭安裝到工具機上時，需要在底板18間採用絕緣板進行絕緣隔離。上述的同步驅動機構可由步進電機25，與步進電機25輸出軸相連的傳動輪24，以鍵 22與傳動輪24相連的問步輪26，以及與同步輪26相連的同步皮帶23組成，同步皮帶 23另一端套在主驅動銅螺母5上。上述的套筒螺旋副6，其上開有便於裝卸聯軸器31的小口 34。該套筒螺旋副可採用 小導程螺旋方牙螺紋副，並且設有存油環35。聯軸器31為彈性聯軸器。存油環35主要 用於支撐套筒4內壁與套筒螺旋副6間的潤滑存油。高速旋轉切削運動機構見圖4和圖6，設有對位於套筒螺旋副6內腔中的主軸2進 行徑向定位的高精密軸承對16，以及軸向定位的第一迷宮式端蓋9、第二迷宮式端蓋10 和主軸2軸肩。還設有聯軸器31，其將安裝在電機法蘭33上的高速直流無刷電機32的 軸和主軸2聯結。設有以增大主軸2支撐範圍，提高主軸剛性的隔離套8，其套在主軸2上且位於高精 密軸承對16之間。上述的高精密軸承對16位於冷卻室套15中，採用螺紋聯結在主軸2刀具端的迷宮式 端蓋10鎖緊內圈，冷卻室套15位於套筒螺旋副6中，且由第一迷宮式端蓋9、第二迷宮 式端蓋10和主軸2軸肩軸向定位。高精密軸承對16的冷卻系統由冷卻室套15與套筒螺 旋副6間的冷卻室7、冷卻室套15和冷卻液管道27組成，冷卻水從安裝在密封套1上的 快換接頭的冷卻液管道27的進水孔進入冷卻室7的下方內腔，循環後經冷卻室7的上方 內腔的冷卻液管道27的出水孔流出；冷卻室7設有0型密封圈14。由隔離套8、冷卻室套15、高精密軸承對16和迷宮式端蓋所圍時空間是潤滑'室17。 下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的詳細描述，但不限定本發明。1. 單片機控制系統實現數控進給指令的轉換和自動對刀；由依靠電接觸進行對刀的MCS51單片機系統組成如圖1所示。包括輸人接口、控制 單元、信號輸出、指令轉換、對刀檢測；主要實現輸入接口接受"差分方式的指令+脈衝" 的標準數控指令信號，經控制單元轉化為步進電機的"三相六拍"專用控制信號，再經指 令轉換接口輸出給步進驅動，實現精確進給運動控制；以及在接受到數控系統對刀指令後， 進入自動對刀。即在自動對刀過程中，單片機系統不斷監測對刀檢測接口的電接觸信號， 如果為開路則不斷進刀；當接觸到工件時，電接觸信號的對刀檢測接口形成閉路，從而實 現精確對刀，並將對刀結束信號反饋給數控系統，以便數控系統的下一步控制，並且對刀 過程由數控系統全程監控並隨時解除。高速切削進給速度通常小於250mm/min(由於已接觸到工件，實際使用通常為 200咖/min)，故在系統解析度0. 001mm/Plus的數控系統發出的指脈衝頻率小於4Khz,脈寬 大於250us。這相當與在12腿Z晶振MCS51單片機的250條單周期指令中進行步進電機的 一個步距控制，這個時間用來處理中斷響應程序是充足的，指令轉換見中斷處理原理圖3。 採用單片機的2個外部中斷接口分別接收指令脈衝的高低電平邊沿信號，當數控系統每發 出一個進給命令脈衝後，單片機的一個中斷源就自動響應中斷，進入中斷處理程序，即依 據歩進電機前一工作相拍和數控指令的方向信號，進行步進電機的一個當前步距控制，並 將步進電機的當前工作相拍記錄到一固定內存單元中；由於數控指令是高低電平的脈衝信 號，故在進給控制時，電平每改變一次只有一個中斷處理程序響應，從而實現了步進電機 的無差跟隨控制。實現自動對刀時，如圖3中虛線部分，上述中斷程序不會執行，將被加工工件和絕緣 安裝在工具機上雕刻頭分別作為電接觸檢測信號的"地"和"端子"，當刀具以巳故化在單 片機內一較快速度去接觸工件時，此速度不受單片機外部中斷響應時間限制，可以預設得 相對較高，單片機每進給一個步距，就檢測一次此時刀具位置是否接觸到工件，並修改中 斷界序中的步進電機當前工作相拍的內存單元，為確保對刀的安全和可靠，還採用了延時 冗餘檢測手段，對刀完畢即為離刻深度進給控制起點，保證了雕刻進刀前刀具都處於工件 表面，特別在高精度雕刻中可保證雕刻深度的一致性和可靠性。對於多主軸雕刻時，採用 自動對刀技術，大大降低了由於工件安裝的不一致性，而需進行手動微調對刀帶來的不必 要的對刀難度，提高了生產效率。退到時與自動對刀控制相同，只是運動方向相反，由於 本發明的移動進給行程範圍—50mm，對於絕大多數情況下的零件更換，空間是足夠的；但 對於工具機的維修，空間將受到限制，故還需在工具機上增設有立柱手動長行程移動機構。對 於一些進給行程要求較大的場合，也可採用一伺服機構實現，如果採用伺服機構，則可對 本發明進行一定簡化，即不需將數控標準指令接入單片機系統的外部中斷口上，也就不會 進行指令的變換，而只保留自動對刀和退刀功能，進給運動就可採用採用伺服機構進行類 龍門雕刻機的統一進給控制。2. 帶進給運動的高速旋轉主軸機械系統組成包括高精度進給運動和高速旋轉切削運動的一體化機構。帶進給運動的高速旋轉主軸機械系統組成包括高精度進"給運動'機樹和高速'旋'轉切削 運動機構，如圖2所示。用於機械固定支撐的底板18和支撐套筒4;實現精密迴轉運動 由高速直流無刷電機32、聯軸器31、主軸2、高精密軸承對16構成；實現精密進給運動 由驅動的步進電機25、同步皮帶23、傳動輪24、同步輪26、鍵22、主驅動銅螺母5、用 於支撐主驅動銅螺母5的角接觸球軸承對20、套筒螺旋副6、變旋轉運動為直線運動的定 向鍵19構成；刀具裝夾機構由主軸2的內錐孔13、 HSK系列的夾頭鎖緊螺帽11、 HSK系 列的夾頭錐套12構成，通過夾頭鎖緊螺帽11的鎖緊將刀具安裝在夾頭錐套12內，更換 刀具時，卸下夾頭鎖緊螺帽11,夾頭錐套12將一起被卸下冷卻系統由密封套l、冷卻 液管道27、冷卻室套15、冷卻室7、 o型密封圈14構成；脂潤滑系統由冷卻室套15、迷 第一迷宮式端蓋9、第二迷宮式端蓋IO、潤滑室17構成；對刀檢測裝置由銅套30、銅刷 29、銅刷壓板28組成，這種配置方式提高了對刀檢測的可靠性，也便於銅刷29的更換。所述實現精密進給的運動機構，其結構圖如圖5所示。由步進電機25經傳動輪24、 同步皮帶23、同步輪26、鍵22對主驅動銅螺母5施加驅動力矩，由於主驅動銅螺母5被 端蓋3、擋圈21、角接觸球軸承對20固定在支撐套筒4上，以實現套筒螺旋副6在定向 鍵19的作用下，變旋轉運動為直線運動沿支撐套筒4內壁移動，擋圈21由與主驅動銅螺 母5輕過盈配合的同步輪26軸向壓緊，採用小導程旋方牙的套筒螺旋副6，增大了數控 指令相對位移的增益，從而實現了切削時的高精度進給運動；角接觸軸承對20安裝在支 撐套筒4內，通過帶螺紋的端蓋3壓緊其外圈，並且由主驅動銅螺母5、同步輪26和擋 圈21 —起軸向對角接觸軸承對20內圈進行定位，從而實現進給運動軸向無竄動。支撐套 筒4和套筒螺旋副6大端長圓柱面接觸實現徑向定位和定向，此處的接觸面要求採用精密 研磨工藝保證，定向鍵19實現導向作用。這種雙端支撐結構保證了雕刻頭的剛性。方牙 螺紋反向間隙對加工的影響可通過加工工藝消除，即每次均退出工件再進行自動對刀到工 件表面，然後接受數控指令進行深度控制。所述實現高速精密迴轉運動機構，其結構圖如圖6所示。在聯軸器31作用下，將安 裝在電機法蘭33上的高速直流無刷電機32的軸和主軸2聯結，傳遞力矩，實現雕刻的旋 轉切削運動。高精密軸承對16對主軸2進行徑向定位，保證雕刻頭主軸旋轉精度；隔離 套8、第一迷宮式端蓋9、第二迷宮式端蓋IO、冷卻室套15、主軸2軸肩軸向定位基礎上 實現了高精度的軸向精度。高精密軸承對16的隔離式裝配，增大了有效支撐，有利於提 高主軸2的旋轉精度和剛度；同時主軸2採用彈性的聯軸器31聯結高速直流無刷電機32 端，允許裝配中其與高速直流無刷電機32有小的不同軸度，同時還有-定的減振作用， 大大減小了由於主軸2高速旋轉帶來的主軸直流電機端的擺動。同時基於裝配後的主軸2 的內錐孔13自磨削工藝，進一步保證了迴轉運動機構的精度，因為最後的旋轉精度都集 中於安裝在HSK夾頭內的雕刻刀具上。為便於主軸的維修，還在套筒螺旋副6上開有小口 34 (圖7所示)，以便於彈性聯軸器31裝卸。採用這種嵌套式結構在雕刻頭上同時實現旋 轉運動和進給運動，大大減小需要增設進給運動機構的雕刻頭的體積，解決了多工位雕刻 時空間受限問題。冷卻和潤滑系統進一步提高了其使用工作壽命，也降低了雕刻頭精度因主軸熱變形而 帶來的影響。其結構見前述。
權利要求
1.一種帶進給運動的雕刻頭，其特徵是由雕刻頭控制系統和執行機械系統組成，雕刻頭控制系統由依靠電接觸進行對刀的單片機系統組成，單片機的輸入接口接受由數控系統發出的「差分方式的指令+脈衝」的標準數控指令信號，經單片機內部處理後轉化為步進電機的「三相六拍」專用控制信號，再經指令轉換接口輸出給步進電機的驅動電路，實現雕刻頭的獨立進給運動控制；對刀過程，由單片機系統不斷循環監測對刀檢測接口的電接觸信號進行控制，並且由數控系統全程監控和隨時解除。執行機械系統包括進給運動和高速旋轉切削運動機構，高速旋轉機構嵌套在進給運動機構內，二者一體化實現，其中進給運動機構設有套筒螺旋副(6)和支撐套筒(4)，其右端套連處設有定向鍵(19)，套筒螺旋副(6)的左端有與之套連的且由同步驅動機構驅動的主驅動銅螺母(5)，該螺母由支撐套筒(4)內腔中的角接觸球軸承對(20)進行定位；高速旋轉切削運動機構設有對位於套筒螺旋副(6)內腔中的對主軸(2)進行徑向定位的高精密軸承對(16)，以及用於軸向定位的主軸軸肩和迷宮式端蓋；還設有聯軸器(31)，其將安裝在電機法蘭(33)上的高速直流無刷電機(32)的軸和主軸(2)聯結。
2. 如權利要求1所述的雕刻頭，其特徵在於角接觸球軸承對(20)由端蓋(3)、 擋圈(21)軸向定位在支撐套筒(4)的內腔中。
3. 如權利1要求所述的雕刻頭，其特徵在於設有以增大主軸(2)支撐範圍的隔離 套(8)，其套在主軸(2)上且位於高精密軸承對(16)之間。
4. 如權利要求3所述的雕刻頭，其特徵在於高精密軸承對(16)位於冷卻室套(15) 中，且由迷宮式端蓋與主軸(2)軸肩軸向定位。
5. 如權利要求1或4所述的雕刻頭，其特徵在於設有冷卻系統，其由冷卻室(7)、 冷卻室套(15)和冷卻液管道(27)組成，其中，冷卻室(7)位於冷卻室套(15)和套 筒螺旋副(6)之間，冷卻水從安裝在密封套(1)上的快換接頭的冷卻液管道(27)的進 水孔進入冷卻室(7)的下方內腔，再經冷卻室(7)的上方內腔的冷卻液管道(27)的出 水孔流出；冷卻室(7)設有0型密封圈(14)。
6. 如權利要求1或3或4所述的雕刻頭，其特徵在於由隔離套(8)、冷卻室套(15)、 高精密軸承對(16)和迷宮式端蓋所圍的空間是潤滑室(17)。
7. 如權利要求l所述的雕刻頭，其特徵在於套筒螺旋副(6)上開有便於裝卸聯軸 器(31)的小口 (34)，該聯軸器為彈性聯軸器。
8. 如權利要求1或7所述的雕刻頭，其特徵在於套筒螺旋副(6)採用小導程螺旋 方牙螺紋副，並且設有存油環(35)。
9. 如權利要求1所述的雕刻頭，其特徵在於以銅刷壓板(28)固定電機法蘭(33) 內導電用銅刷(29)，銅套(30)套聯在高速直流無刷電機(32)軸上。10.如權利要求1所述的雕刻頭，其特徵在於進給驅動機構由步進電機(25)，與 步進電機(25)輸出軸相連的傳動輪(24)，同步輪(26)，以及與同步輪(26)相連的同 步皮帶(23)組成；同步皮帶(23) —端套在傳動輪(24)上，另一端套在以鍵(22)與 主驅動銅螺母(5)上相連的同步輪(26)上。
全文摘要
本發明提供的帶進給運動的雕刻頭，其由雕刻頭控制系統和執行機械系統組成；雕刻頭控制系統由依靠電接觸進行對刀的單片機系統組成，執行機械系統包括進給運動和高速旋轉切削運動機構，二者一體化嵌套實現。單片機系統的輸入接口接受數控系統的標準數控指令信號，經單片機內部處理後轉化為步進電機的專用控制信號，再經指令轉換接口輸出給步進電機，實現了雕刻頭的獨立進給運動控制；同時對刀過程由單片機系統對電接觸信號進行循環檢測實現，並且數控系統可全程監控和隨時解除。本發明將進給移動機構和高速旋轉主軸嵌套組合在一起，縮小了雕刻頭體積，克服了常規主軸在增設進給裝置後的空間受限問題，提高了整體性能和生產效率，也保證了產品質量。
文檔編號B23Q15/20GK101234576SQ20071016907
公開日2008年8月6日 申請日期2007年12月28日 優先權日2007年12月28日
發明者何王勇, 濤 吳, 李勇波, 楊代華, 明 甘 申請人:中國地質大學(武漢)