專利名稱：復合加工中心的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種金屬切削機床，尤其是一種可在一次上下料的過程中完成一個復雜工件的大部或全部加工的復合加工中心。
日本TSUGAMI公司的專利US4785525和EP0500104A2公開了如下的復合加工機床，在一個滑臺上同軸地裝有主軸箱和尾架，主軸箱中裝有工件主軸和工件主軸的C軸控制機構，滑臺可在床身的導軌上沿平行于主軸軸線的Z向滑動，一個滑座可在床身的垂直于Z向的X向導軌上滑動，一個滑柱可在滑座中沿Y向滑動，在滑柱端部有一個可繞平行于Y軸的B軸回轉的可回轉主軸箱，其中裝有一個軸線對B軸垂直的刀具主軸，并裝有把主軸鎖定的裝置以便用裝在主軸中的車刀進行車削加工。該可回轉主軸箱可按一定的角度間隔或以任意角度鎖定在刀架上。以便加工斜孔、斜面或用滾齒刀加工齒輪。該機床上裝有換刀機械手和大容量刀庫，使旋轉刀具主軸上可安裝刀庫中的任意一把刀具進行加工，因而能在一次裝夾中完成車、鉆、銑、攻絲、鏜、滾齒等多種加工。
該發(fā)明的主要缺點是1，不能安裝插齒刀加工內齒輪或臺階齒輪，2，不能對工件進行淬火，3，在所述旋轉刀具主軸上安裝車刀進行車削，剛性較差，安裝測量頭進行工件測量，精度較低。
中國專利申請CN95100746.7公開了一種小型集成加工中心，該加工中心的框形刀架上有一個可繞平行于X軸的A軸(或是平行于Y軸的B軸)回轉的多軸箱，框形刀架上和可回轉多軸箱上除固定刀具座、旋轉刀具主軸外，還裝有多種不同類型的加工或工作裝置，如插齒裝置，傘齒輪刨齒裝置，激光加工裝置，高頻淬火裝置，上下料機械手，測量裝置等。因而能在工件的一次裝夾中除用固定刀具進行內外圓車、插、刨削，用旋轉刀具進行銑、鉆、攻、鏜、滾齒、剃齒、磨削外，還能插齒，刨傘齒輪，以及淬火等，因此具有較強的復合加工能力。
該發(fā)明強調不采用轉塔或自動換刀機構加刀庫來換刀，而采用框形刀架和可回轉多軸箱上平行地安裝的多把固定刀具和旋轉刀具，利用刀架相對工件在X或Y軸方向的座標移動和可回轉多軸箱的回轉來換刀以簡化結構、降低成本，該發(fā)明的缺點是因一次能安裝的刀具數(shù)量有限，不適合加工復雜程度高的工件，也不適合大尺寸的工件。刀具需人工安裝調整維護，插齒裝置、刨齒裝置也需經(jīng)常人工調整，停機耗時較多，對較復雜的工件不能實現(xiàn)一次裝夾全部加工。
本發(fā)明的目的在于克服上述兩種專利的缺點，從而提供一種復合加工中心，它除能在一次裝夾中對工件進行車、刨、插、銑、鏜、鉆、鉸、攻、磨、滾齒，剃齒，絎磨等加工以外，還可進行內外齒輪插削，傘齒輪刨削，表面淬火，電火花成形加工等等，所有刀具、工具均可與大容量刀庫中的刀具、工具更換，插齒裝置、刨齒裝置等的所有調整均可由程序控制自動完成。從而實現(xiàn)任意復雜程度工件的一次裝夾全部加工。
本發(fā)明實現(xiàn)目的的技術關鍵是在可沿X、Y、Z軸相對工件主軸移動的刀架及其可繞B軸回轉的多軸箱上裝有車、銑、鉆、磨、插齒、刨齒、淬火、電加工、線切割等多種類型的工作裝置，并利用刀架相對工件主軸在X、Y向的移動和可回轉多軸箱的回轉來實現(xiàn)工作裝置的自動更換，利用在所有工作裝置上安裝自動裝卸刀機構并借助自動換刀機構和刀庫來實現(xiàn)所有工作裝置所用刀具、工具的自動更換。
上述技術關鍵通過以下的機床結構實施1.機床相對工件主軸能在X、Y、Z方向移動的刀架上裝有可繞B軸回轉，并能以任意角度鎖定在刀架上的可回轉多軸箱，其上除裝有刀具主軸外，可回轉多軸箱上和刀架上還裝有下列工作裝置的部分或全部A，固定刀具座，B，插齒裝置，C，傘齒輪刨齒裝置，D，淬火裝置，可以是激光發(fā)射裝置，或感應淬火線圈，或火焰噴射槍，E，電脈沖或電解加工裝置，F(xiàn)，線切割裝置，G，上下料機械手，I，其它。
上述多種工作裝置在可回轉多軸箱上的平行于回轉軸的各棱面上沿回轉軸布置，以便借助于刀架相對主軸在X、Y方向的移動和可回轉多軸箱的分度回轉來實現(xiàn)加工類型的更換，所有工作裝置，包括旋轉刀具主軸，都裝有自動裝卸刀機構，能自動安裝或卸開所裝的刀具、工具，所有能被上述工作裝置使用的刀具、工具都有與相應的工作裝置吻合的柄部和拉釘，并有能被換刀機構夾持的夾持部或夾持孔。
2.機床配有放置多種刀具和工具的刀庫，和自動換刀機構，后者能為刀架及其可回轉多軸箱上包括刀具主軸的所有工作裝置服務，并能把其上所有刀具或工具與刀庫中的刀具或工具更換。
3.插齒裝置中不但裝有插齒刀自動裝卸刀機構，還裝有滑柱位置傳感器以實現(xiàn)插齒過程所有參數(shù)的自動調整。
實現(xiàn)刀具自動交換的辦法之一是在主軸箱外側安裝一個單手爪自動換刀機構，它可利用工件主軸箱相對刀架的X，Y，Z，三軸控制，能把刀架和可回轉多軸箱上的所有刀具、工具與傳送帶或刀庫中的所有刀具、工具實行交換。
上述辦法的完善是用一個能自動更換工具的多用途機械手來代替上述裝在主軸箱外側的單手爪換刀機構，它能從手爪庫中自動換取不同的換刀手爪以進行換刀，也能從中換取換刀手指對無法從外部夾持的刀具進行換刀，還可換取刀具測量頭、砂輪修整器、攝象頭等進行工件測量，砂輪修整，刀具監(jiān)測等工作。
由于單手爪換刀機構換刀速度較慢，為提高加工速度，安裝常用刀具的刀座、刀具主軸和工作裝置應配有3-4個或更多，因而機床刀架尺寸較大，比較適合刀架與床身一體，工件主軸沿X、Y、Z軸運動，特別是主軸鉛垂向下的機床布局。
上述自動換刀系統(tǒng)的一個變通方案，是用一個雙手爪自動換刀機構代替裝在主軸箱上的單手爪換刀機構，該雙手爪換刀機構可在Y方向相對可回轉多軸箱移動以便為裝在可回轉多軸箱上的多種多個工作裝置服務。該自動換刀機構可在切削加工的同時執(zhí)行換刀程序，切削到切削的換刀耗時可減到2秒以下，這使旋轉刀具主軸、固定刀具座或其它加工裝置每種的數(shù)量可以減少，使可回轉多軸箱的尺寸可以縮短。如每種加工裝置的數(shù)量減到只用一個，則形成下列的模式利用裝有多種工作裝置的刀架及其可回轉多軸箱相對于工件主軸沿X軸、Y軸的移動和可回轉多軸箱的回轉以實現(xiàn)不同工作裝置和加工類形的變換，利用雙手爪快速換刀機構實現(xiàn)同一加工類型中刀具或工具的更換。
如每種加工裝置只有一個，并把刀具主軸和所有加工裝置都安置在一個垂直于B軸的平面內，則上述可回轉多軸箱實際上變成一個轉塔。用這種裝有刀具主軸和多種不同類型加工裝置的轉塔來代替專利US4785525和EP0500104A2所述機床的裝有單一刀具主軸的主軸箱，可使該機床的復合加工能力進一步擴大，性能進一步提高。
本發(fā)明的優(yōu)點是能在工件的一次裝夾中自動進行車、刨、插、銑、鏜、鉆、鉸、攻、磨、滾齒、剃齒、絎磨、插齒、刨齒、淬火、電火花加工、線切割加工、測量等，所有刀具、工具都可自動安裝、調整或更換，所有加工參數(shù)都可由程序控制，從而實現(xiàn)任意復雜程度的多品種單件或中小批量工件的自動化加工。這樣的一臺機床相當于一條FMS，從而大大降低了自動制造系統(tǒng)的成本。
下面結合附圖和實例對本發(fā)明進行進一步的說明。


圖1是裝有單手爪換刀系統(tǒng)的復合加工中心正視圖和俯視圖。
圖2是上述復合加工中心的左剖視圖。
圖3是上述復合加工中心使用情況示意圖。
圖4是多用途機械手結構及使用情況說明。
圖5是插齒裝置結構圖。
圖6是采用轉塔的復合加工中心的正視圖和右剖視圖。
圖7是有多種加工裝置的轉塔的內部結構圖。
圖8是用本發(fā)明改進專利US4785525所述的復合加工機床的示意圖。
圖1、2說明了一種復合加工中心整體布局，圖中左右墻(1)，(2)由前后構件(3)，(4)連成一個床身整體，左右墻頂部各鋪設一條X向滾珠導軌(5)，(6)，并裝有由X軸伺服電機(7)驅動的滾珠絲杠(8)，橫梁(9)兩端底部固定有滾珠滑塊及滾珠螺母，因此能在X向滾珠導軌(5)(6)上滑動并受滾珠絲杠及X軸伺服電機控制。橫梁頂部裝有Y向導軌(10)，滾珠絲杠(11)和Y軸伺服電機(12)，滑塊(13)以其底部的滾珠滑塊在導軌(10)上沿Y向滑動并受Y軸伺服電機(12)及其滾珠絲杠(11)控制。
(16)是工件主軸箱，其中裝有工件主軸(17)，其外部對軸線平行地裝有Z向滾珠導軌(18)，滾珠絲杠(19)和Z軸伺服電機(20)，滾珠滑塊(21)鉛垂地固定在滑塊(13)的前面，因而主軸箱(16)能沿Z軸上下滑動并受Z軸伺服電機及滾珠絲杠(19)的控制。
工件主軸(17)由主電機(23)驅動。主軸(17)既能大功率高速轉動以進行車削加工，也能在C軸伺服系統(tǒng)控制下進行精密分度或同步回轉。
工件主軸(17)下端裝有一個卡盤自動抓取裝置，用于自動更換卡盤。左右機架的中部設有窗口(24)，一條傳送帶(25)從窗口和前后構件(3)，(4)之間的空間穿過，并在床身后部閉合形成一個環(huán)路。傳送帶上可以放置備換動力卡盤(26)，無動力卡盤(27)，刀具庫(28)，加工完成的工件(29)等。
工件主軸利用其所抓取的動力卡盤，能直接從傳送帶上拾取毛坯進行加工，或把加工好的工件卸到傳送帶上送出。也可通過卡盤翻轉機構(31)，抓取傳送帶上預先裝夾有工件的卡盤進行加工，(30)是卡盤夾緊驅動機構，用于實現(xiàn)工件第二端的加工。
在左右墻(1)(2)內壁之間，裝有一個可回轉多軸箱(32)，其回轉軸B軸對Y軸平行，該可回轉多軸箱由B軸伺服機構(33)驅動回轉，并由夾緊機構夾緊。在可回轉多軸箱的四個棱面上和機架的其它部位，裝有多種刀具，切削裝置和工作裝置，如徑向固定刀具，軸向固定刀具，旋轉刀具，大砂輪磨頭，小砂輪磨頭，激光加工裝置，工件測量裝置，插齒裝置，傘齒輪刨齒裝置等，并利用工件主軸相對于工具框架在X，Y軸的移動及可回轉多軸箱的回轉實現(xiàn)刀具和加工類型的自動更換。
(35)是一排軸向固定刀座，裝在床身構件(3)上，主要用于安裝內孔車刀，鉆頭，絞刀，絲攻，板牙，內孔珩磨頭，內孔壓光刀等，以車床方式加工工件內孔。
除了一般的車削加工外，利用C-X軸插補，可以車削內圓凸輪，利用C-Z軸插補，可以車削曲線油槽，利用C-X-Z軸插補，可車削內孔錐螺紋，變距螺紋，及鏟車板牙。
刀座(35)上還可安裝插刀以插削內孔鍵槽等，利用C軸分度，可加工花鍵孔或內齒輪。
(36)是一排徑向固定刀座，裝在床身構件(3)上，主要用于安裝外圓車刀，滾花刀，壓光刀，外圓珩磨工具等，以車床方式加工工件外圓或端面。它們沿Y軸排成一行，X向為徑向進刀方向。
除了一般的車削加工外，利用C-Z軸插補，可以車削軸向凸輪，利用C-X軸插補，可以車削徑向凸輪，或鏟車銑刀，利用C-X-Z軸插補，可車削外錐螺紋，變距螺紋，及鏟車絲攻或滾刀。
刀座(36)上也可安裝刨刀，除一般的刨削加工外，利用C軸分度，可加工花鍵、齒輪，或任意分度工件，如安裝刻線刀可進行圓或直線刻線。利用C-X或X-Y插補，可刨削母線對Z軸平行的任意曲面。利用Z-X-Y或Z-X-C插補，可刨削斜面或曲面；如安裝直邊齒形刨刀或齒條形梳刀并利用C-Z-Y插補可進行斜齒或人字齒輪的展成法加工。
(37)是刀具主軸，主要用于安裝端銑刀，指形銑刀，盤形銑刀，各型鉆頭，鏜刀，絞刀，絲攻等旋轉刀具，以鉆銑鏜床的方式進行加工。
刀具主軸在每個棱面上靠逆時針方向的邊緣安裝，目的是使這些刀具以對工件軸線平行轉到對工件軸線垂直地進行加工時工件主軸的懸伸量比較小。
利用B軸伺服機構(33)控制多軸箱(32)的回轉角度，所有旋轉刀具可以以任意角度對工件進行加工。
所有刀具主軸經(jīng)傳動系統(tǒng)由電機(34)驅動，傳動系統(tǒng)中，或電機(34)上，或至少一個刀具主軸上裝有一個R軸碼盤，用于確定旋轉刀具的角位置。碼盤的信號送到控制系統(tǒng)可實現(xiàn)旋轉刀具與工件主軸(C軸)的定比例同步回轉，以便安裝滾齒刀加工直、斜齒輪，蝸輪，花鍵軸等。
R軸碼盤的信號也可用于控制電機(34)，以實現(xiàn)所有旋轉刀具的的角度伺服控制，從而便于旋轉刀具自動測量和自動刃磨。
在刀具主軸上也可安裝中等直徑的砂輪以進行成型磨削、齒輪磨削等。還可以安裝剃齒刀或珩磨輪進行齒輪的剃齒或珩磨加工。
多把旋轉刀具使本加工中心具有一臺5坐標5面鉆銑加工中心的全部功能，此外，利用第二卡盤及工件主軸自動更換卡盤的功能，本加工中心還能加工第6面；(38)是兩個大砂輪磨頭。主要用于常用外圓和平面的磨削。它們和裝在刀具主軸中的成型砂輪一起，使本加工中心除具有一般外圓磨床，平面磨床的功能以外，利用B，Z，X三軸控制，可以一次磨削多個圓柱圓錐面，利用C-X插補，可以磨削外徑向凸輪，利用C-Z-Y插補，可以磨削外螺紋，外錐度螺紋，變距螺紋，或鏟磨絲攻、滾刀，利用X，Y，Z，C四軸控制，可以以各種角度磨削平面，曲面。用裝在工件主軸箱下端的砂輪修整器，利用Z-X插補對砂輪進行直線，斜線或曲線修整，從而能磨削更復雜的型面。本加工中心的磨削功能相當于5坐標磨削中心，能在一次裝夾中進行高位置精度的5面磨削，如利用第二卡盤裝夾已加工端則可完成第六面加工。
大砂輪磨頭的主軸內也裝有自動裝刀機構以實現(xiàn)大砂輪的自動更換，為使機械手能抓取大砂輪，砂輪外固定盤上應制有夾持部，或制有夾持孔。
(39)是兩個高速小砂輪磨頭。
除一般內圓磨床的功能外，利用A，Z，X三軸控制可一次磨削同軸的多個圓柱圓錐面，利用C-X插補可以磨削內徑向凸輪，利用C-Y-Z插補，可以磨削內螺紋，內錐度螺紋，變距螺紋，或鏟磨板牙，利用X，Y，Z，C四軸控制，可以以各種角度磨削孔內或槽內的平面，曲面，以及進行坐標孔的行星磨削和坐標曲線的磨削。
為自動更換小砂輪，小砂輪應安裝在可換刀柄上，該刀柄和可換旋轉刀具的刀柄相同或較小。小砂輪磨頭的主軸內也裝有自動裝刀機構。
(40)是激光發(fā)射頭，主要用于激光淬火，也可用于打孔，切割，雕刻，打標等多種用途。激光束由激光器(41)產(chǎn)生，并經(jīng)反射鏡組或光纖引到激光發(fā)射頭聚焦射出。
更換不同的激光發(fā)射頭和改變激光束的特性、功率，并利用X，Y，Z，A，C五軸控制，可以在工件任意表面進行淬火、焊接、打孔、切割、雕刻、打標、刻線等多種加工。
為了自動更換激光發(fā)射頭，激光發(fā)射頭上應制有與刀具相似的柄部，但該柄部較短，拉釘部較粗，中心制有通孔以便激光束通過。它的安裝座中也裝有自動裝刀機構，但其拉桿及釋放油缸的推桿直徑較大，其中制有通孔，以便激光束通過。
低成本的復合加工中心也可采用火焰噴頭代替激光發(fā)射頭?；鹧鎳婎^上除有火焰噴嘴外，還帶有電子點火裝置，燃氣和氧氣經(jīng)管路由電磁氣閥控制。這樣火焰的狀態(tài)以及點燃，熄滅均可由程序控制。噴頭上還裝有冷卻液噴咀，以對已加熱的表面進行淬火。利用X，Y，Z，A，C五軸控制，不但可對工件各種型面進行淬火，還可進行曲線切割、焊接。
(42)是一個插齒頭，該插齒頭能由程序控制自動調整切削行程、速度，插齒刀起終點位置等，并能自動換插齒刀，從而能一次完成一個工件上不同參數(shù)的幾個齒面的加工。
(43)是一個傘齒輪刨齒頭，該刨齒頭能由程序控制自動調整齒角，刨刀切削行程及起點位置，并能自動換刀。這樣加工中和加工前所有的工作，完全可由電腦控制并完成。使單件直齒傘齒輪的快速自動加工成為可能。
(44)是工件測量頭，由于安裝在可回轉多箱上，可以以不同角度對工件進行測量。為減少多軸箱的回轉誤差對測量精度的影響，采用Y向為測量方向。
圖3說明上述復合加工中心所能進行的各種加工狀態(tài)。
圖3a.說明利用外圓車刀或刨刀進行車削或刨削的狀態(tài)。
圖3b.說明利用插刀或內孔車刀進行內孔插削或車削的狀態(tài)。
圖3c.說明利用指形旋轉刀具進行銑、鉆、鏜、攻絲加工的狀態(tài)。
圖3d.說明利用盤形銑刀進行銑削加工的狀態(tài)。
圖3c.說明利用大砂輪和小砂輪進行外圓或內孔磨削的狀態(tài)。
圖3f.說明利用小砂輪磨削凸輪的加工狀態(tài)。
圖3g.說明利用旋轉刀具主軸安裝滾齒刀滾削齒輪的狀態(tài)。
圖3h.說明利用插齒頭安裝插齒刀加工多聯(lián)齒輪的狀態(tài)。
圖3i.說明利用直齒傘齒輪刨齒頭刨削傘齒輪的狀態(tài)。
圖3j.說明利用銑齒刀盤加工弧齒傘齒輪的狀態(tài)。
圖3k.說明利用錐型砂輪展成法磨削齒輪的狀態(tài)。
圖3l.說明利用成型砂輪磨削螺紋的狀態(tài)。
圖3m.說明利用反射型激光發(fā)射頭(40)加工工件內孔，用直射型激光發(fā)射頭(45)加工工件外表面的狀態(tài)。
圖3n.說明利用感應線圈(46)對工件進行淬火的狀態(tài)。
圖3p.說明利用電加工成形電極(47)對工件型腔進行加工的狀態(tài)。
圖3q.說明利用內孔線切割裝置(48)加工工件內孔花鍵的狀態(tài)。
圖3r.說明利用工件測量頭測量工件表面尺寸的情況。
為實現(xiàn)多種工作裝置的自動換刀，除放在傳送帶上的小刀庫(28)外，機床上還配置了一個大容量的刀庫(49)，又在主軸箱前側安裝了能自動更換工具的機械手(50)，本機械手除能自動安裝不同的換刀手爪(51)進行自動換刀外，還可安裝刀具測量頭，砂輪修整器，攝象頭等多種工具進行工作。小刀庫(28)主要用于與車間的刀具管理系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)系。
圖4中，機械手(50)通過對Z軸平行的導軌付安裝在主軸箱(16)的前側，并由伺服電機(52)及滾珠絲杠(53)控制上下移動，(54)是夾緊機構，用于消除上述導軌的間隙，以保證工件測量或修整砂輪的精度。機械手下端，裝有一個工具自動抓取機構，它由抓取元件(55)，拉桿(56)，碟形彈簧組(57)，釋放油缸(58)組成，利用該自動抓取機構，本機械手能使用不同的工具進行工作，如不同的換刀手爪(51)，換刀手指(59)，刀具測量頭(60)，砂輪修整器(61)，攝象頭(62)等。
與一般抓刀機構不同之處是拉桿(56)和油缸(58)的活塞中心制有通孔，一個油缸(63)的推桿(64)從中通過，用于控制換刀手爪(51)的開合。換刀手爪(51)帶有與其它可換工具外部尺寸相同的接柄(65)，但其中裝有予壓縮的碟形彈簧(66)，(66)的彈力通過拉桿(67)使左右手爪(68)同步動作夾緊刀柄。而當油缸(63)動作時，油缸推桿(64)把拉桿(67)向下推，壓縮彈簧(66)，并使左右手爪同步張開，放開所抓的刀具。
換刀手指(59)主要用于抓取那種無法從外部夾持的刀具，它由柄部，外套(69)，鋼球(70)，推桿(71)，彈簧(72)等構成，平時，推桿在彈簧(73)作用下退向上端，鋼球縮回外套內，此時手指能自由出入刀具上的夾持孔，當油缸(63)動作時，油缸推桿(64)把推桿(71)向下推，使鋼球(70)的分布直徑變大，并卡入刀具夾持孔中的凹槽，使手指緊緊抓住所抓的刀具。外套(69)的截面為矩形或其它非圓形以防止所抓取的工具轉動。擰下螺母(74)即可更換不同尺寸和截面的外套。外套(69)及鋼球(70)也可用一個彈簧脹套(75)代替，當推桿(71)向下移動時，彈簧脹套(75)將脹開而夾住所抓的工具。
測量頭(60)的測量信號及攝象頭(62)的視頻信號可通過與機械手(50)之間的電信號插接口，或通過內裝的紅外或高頻發(fā)射裝置與機床控制系統(tǒng)聯(lián)系。后兩者將更簡便而可靠。
可由機械手(50)抓取的備用工具尾朝上地放在一個工具庫(76)上，為防止備用工具尾部落灰，在平時有一個蓋子(77)蓋在工具庫(76)上，當需要更換工具時，機械手(50)將碰動推桿(78)，此桿通過撥叉(79)和偏心銷(80)使蓋子(77)繞軸(81)轉動而打開。但只要機械手離開，一個彈簧(82)就把蓋子(77)重新蓋到工具庫上。
(83)是測量頭校正塊，它可固定在工具框架的任意位置，它有5個基準面，可以在X，Y，Z三個方向校正測量頭的安裝誤差和測桿變形引起的誤差。對于球形觸頭，5個基準面是平面，并分別對X，Y，Z軸垂直。對立方形觸頭，5個基準面是球面。
圖4右下角說明了機械手(50)的不同工作狀態(tài)，從左到右為1，機械手從工具庫(76)中換取換刀手爪，2，機械手正在換刀，3，用刀具測量頭(60)測量刀具，4，用砂輪修整器(61)修整砂輪。
圖5是自動插齒頭的結構圖。插齒頭的分度轉盤(141)通過軸承(142)(143)安裝在殼體(140)中，(141)通過蝸輪(144)蝸桿(145)由S軸伺服機構(146)驅動回轉?；?147)下端裝有一個可預緊的滾珠花鍵套(148)，與分轉臺中心的滾珠花鍵(149)嚙合，實現(xiàn)圓周方向無隙傳動，滑柱(147)上端，與殼體(140)中心的臺階孔及導向套(150)形成一個雙向右缸，并由密封圈(151)(152)(153)實現(xiàn)上下油腔的封閉。下油腔進油實現(xiàn)工作切削，上油腔進油實現(xiàn)回程，利用上油腔截面積小于下油腔來實現(xiàn)快速回程?；恢糜裳b在后蓋(154)中心線上，伸入滑柱孔中的一個Q軸直線位置傳感器(155)檢測。插齒刀(156)通過可換刀桿(157)固定在滑柱中心錐孔中。刀桿尾部拉釘被滑柱中的一個自動裝刀機構抓住并拉緊，需要換刀時，應把滑柱向后運動到超過工作行程的最終位置使裝在后蓋(154)中心的一個頂桿(158)頂動拉桿(159)，壓縮碟形彈簧(160)，把刀桿(157)頂出并釋放。換刀時，接頭(166)中通入壓縮空氣以吹凈刀具定位面。
為實現(xiàn)讓刀運動，殼體(140)通過偏心地裝在殼體上的軸承(161)(162)安裝在可回轉多軸箱(32)或床身上的某固定構件中，短行程油缸(163)和(164)推動殼體(140)作往復擺動，由于插齒刀軸線對殼體擺動軸線的偏心，形成了插齒刀的讓刀運動。讓刀幅度可由螺桿(165)調整。油缸(164)也可用彈簧代替。
工作時，插齒刀和工件的展成運動由S-C軸聯(lián)動實現(xiàn)。插齒刀相對工件切削運動的終點位置，切削行程，切削速度均由滑柱油缸和Q軸位置傳感器構成的Q軸液壓伺服系統(tǒng)控制。插齒刀相對工件的徑向進給由X軸控制。此外，利用X-Q軸插補，可加工鼓形齒；利用C-Q插補或S-Q插補，可加工螺旋齒輪；利用S-X-C軸插補，可以加工非圓齒輪；調整可回轉多軸箱的角度，可加工小錐角錐齒輪；利用工件主軸箱的Z向運動還可加工特長齒輪。
利用滑柱移動到最后端與頂桿(158)的作用，并利用換刀機械手可實現(xiàn)插齒刀的自動換刀，從而能在一次裝夾中完成多個不同齒面或內外齒面的加工。
與已有插齒機床不同之處在于插齒前所有調整工作，如換刀，調整展成滾比，調整插齒螺旋角，調整切削行程，切削終點，切削速度，以及對刀等均不必人工操作，而全由軟件控制Q，C，S，X等軸自動完成。并能在一個工件上進行多個不同齒面的加工。
圖6是第二實施例，與圖1、2所示的第一實施例不同之處是，用一個固定在床身上的雙手爪換刀機構代替裝在主軸箱上的單手爪換刀機械手，可回轉多軸箱較短并能相對床身沿Y軸運動，因而可回轉多軸箱上不同軸向位置的所有工作裝置都可由該雙手抓換刀機構換刀。
圖6中，立式床身(170)上部裝有水平的X向導軌(171)，以及X向絲杠(173)和X軸伺服電機。十字滑塊(174)在導軌(171)上沿X向移動并受X軸伺服電機控制。(175)是工件主軸箱，其中裝有工件主軸(176)，(176)下端裝有自動抓取卡盤及驅動卡盤夾緊工件的機構，以實現(xiàn)卡盤自動更換。(177)是卡盤。(178)是工件。(179)是驅動工件主軸的電機。在主軸箱內還裝有C軸控制系統(tǒng)以對主軸進行精密分度。工件主軸箱外部有對主軸軸線平行的Z向導軌，可在十字滑塊(174)前面的對X軸導軌垂直的導軌面上沿Z軸上下滑動并受Z軸伺服電機(180)及Z向絲杠(181)控制。床身中部制有對X軸和Z軸垂直的通孔狀導軌，一個滑柱(185)在其中無隙地沿Y向滑動，并受到Y軸伺服電機(186)和Y軸絲杠(187)控制?；?185)前部裝有可回轉多軸箱(188)，該可回轉多軸箱能在滑柱上繞平行于Y軸的B軸任意回轉，并裝有既能把可回轉多軸箱以一定角度間隔，又能把它以任意角度鎖定在滑柱上的機構?？苫剞D多軸箱上除裝有旋轉刀具主軸(190)外，還可安裝圖1、2中可回轉多軸箱(32)上所安裝的多種工作裝置，如插齒裝置(191)，固定刀具座(189)以及其它，但每種工作裝置只安裝一個，使該可回轉多軸箱軸向較短。在床身的后部裝有功率激光器(194)，它發(fā)出的激光束經(jīng)光纖或由一系列反射鏡(193)構成的光路引到激光發(fā)射頭(192)射出，以對工件進行加工。在可回轉多軸箱的右側裝有一個鏈式刀庫(197)，一個雙手爪換刀機構(195)(196)用于把可回轉多軸箱(188)工作裝置上的刀具與刀庫(197)上的某一把刀具快速交換。床身左側有一個傳送帶(198)，用于存儲和傳送工件毛坯、工件成品、空的或裝夾有工件的卡盤等。(199)是一個卡盤翻轉機構，用于把傳送帶上的卡盤翻轉180度，交工件主軸抓取，或把工件主軸上卸下的卡盤翻轉180度放到傳送帶上送出，(184)是卡盤夾緊驅動機構，用于實現(xiàn)工件第二端的加工。
如在上述可回轉多軸箱(188)上的工作裝置中選擇最常用者留下，并把這些工作裝置都安置在一個垂直于B軸的平面內，則上述可回轉多軸箱實際上變?yōu)橐粋€轉塔，結構更輕更小，以至適合于取代日本TSUGAMI公司專利US4785525和EP0500104A2所述機床的可繞B軸回轉的刀具主軸箱。
圖7A說明所述轉塔的內部結構。
轉塔(200)具有正四棱柱外形，旋轉刀具主軸(201)，固定刀具座(202)，插齒裝置(203)三者相隔90度地裝在四棱柱的三個棱面上，而且位于垂直于轉塔回轉軸B軸的同一平面內。
刀具主軸(201)上直接裝有主軸電機(205)，(206)是水冷槽，用于冷卻電機主軸后端裝有碼盤(207)，用于實現(xiàn)工件主軸對刀具主軸的等比同步運轉，以便用滾齒刀滾齒。主軸(201)內裝有由抓刀元件(208)，拉桿(209)，蝶形彈簧組(210)構成的自動裝卸刀機構，主軸后還裝有一個卸刀油缸(211)。
主軸電機直接驅動減小了齒輪傳動所引起的振動和精度損失，因此本刀具主軸上除能安裝各種旋轉刀具之外，也可安裝不同直徑的砂輪進行精密磨削。
固定刀具座(202)內裝有類似的裝卸刀機構，其后端也有一個卸刀油缸(213)，但拉桿(214)較粗，內孔也較大，以便安置激光通道(215)。按同一理由，該刀具座上安裝的激光發(fā)射頭或其它刀具或工具的柄部較短，拉釘直徑也較大。刀具座與轉塔體(200)之間隔有絕緣層(216)，并有電纜把刀具座與電源連通以便向電加工裝置提供電流。刀具座錐孔中制有流體通道(217)，以便在工作時向刀具或工具提供氣體或工作液。
某些成型刀具如齒條狀刨齒刀(220)要求較高的安裝精度，為保證這一精度，在刀座(202)的上端面制有鼠齒盤(218)，刀具(220)換刀夾持部的的底面也制有鼠齒盤，當(220)的刀柄被裝卸刀機構拉緊時，一對鼠齒盤緊密嚙合，保證刀具有高的定位精度和剛性。在鼠齒盤(218)上還裝有定位鍵，與便安裝以鍵槽定位的普通刀具如(221)。
圖7B是固定刀具座上所能安裝的刀具和工具。(221)是內孔車刀，(222)是工件測量頭，它通過接口(223)與機床控制系統(tǒng)聯(lián)接。(223)可以是一個電氣插接頭，也可以是一個感應耦合裝置。(224)是電加工電極，電極上的工作液噴孔與刀具座(202)中的流體通道相通。(230)是反射型激光發(fā)射頭，用于加工工件內孔表面。也可換用直射型激光發(fā)射頭，以加工工件外表面。
插齒裝置(203)與圖5所介紹的相似。不同之處是通過滾珠花鍵(240)與滑柱(241)聯(lián)接的是一個精密分度斜齒輪(242)，伺服電機(243)上的直齒輪(244)同時通過兩個雙聯(lián)齒輪(245)與斜齒輪(242)嚙合，其中一個雙聯(lián)齒輪(245)帶有軸向加載機構(246)，以實現(xiàn)從電機(243)到分度斜齒輪(242)的無隙傳動。
圖7C說明為用雙手爪機械手實現(xiàn)轉塔上所有刀具或工具的自動換刀，三種工作裝置所裝刀具或工具的軸線應以同一方向與繞B軸回轉的同一個圓相切，同時三種工作裝置所裝刀具或工具的夾持部到B軸的垂直距離在換刀時應相等，即A1＝A2＝A3。
圖8是本發(fā)明的第三實施例。該圖與專利US4785525說明書的附圖1很相似，不同之處在于后者的裝在B軸端部的可回轉主軸箱用圖7所示的裝有多種工作裝置的轉塔代替，這一改進使這種復合加工機床進一步具有內齒輪或臺階齒輪插齒，磨前淬火，電加工等能力，并使車削加工具有更好的剛性，工件測量具有更高的精度。圖中(250)是床身，(251)是滑臺，它能在床身上部的Z向導軌上滑動。(252)是床頭箱，(253)是工件主軸，(254)是尾架，它所安裝的頂尖和工件主軸同軸。(255)是床身后部的X向導軌，(256)是可在X向導軌上移動的滑座，(257)是一個滑柱，它能沿對X導軌和Z導軌都垂直的Y向在滑座(256)孔中滑動。(258)是一個轉塔。(259)是一個雙手爪換刀機構。(260)是一個鏈式刀庫。
用于本實施例的轉塔，由于能沿Y軸相對自動換刀機構移動，所以其上工作裝置也可安置在垂直于B軸的相距較近的幾個平面內，即所有工作裝置所裝刀具或工具的軸線以同一方向與繞B軸回轉的同一個短圓柱相切即可。
圖6所示的復合加工中心為本發(fā)明最佳實施例。
權利要求
1.一種能在一次裝夾中完成一個工件的車、銑、鉆、攻、磨、滾齒、插齒、淬火、電加工、線切割等加工的方法，是在可沿X、Y、Z軸相對工件主軸移動的刀架及其可繞B軸回轉的多軸箱上裝有車、銑、鉆、磨插齒、刨齒、淬火、電加工、線切割等多種類型的工作裝置，其特征在于通過刀架相對工件主軸在X、Y向的移動和可回轉多軸箱的回轉來實現(xiàn)工作裝置的自動更換，通過在所有工作裝置上安裝自動裝卸刀機構并利用自動換刀機構和刀庫來實現(xiàn)每種工作裝置所用刀具、工具的自動更換。
2.一種實施權利要求1所述方法的復合加工中心由床身、裝有用于夾持工件的既可高速回轉，又可作精密分度回轉的工件主軸的床頭箱、安裝刀具座和工作裝置的刀架、使所述刀架相對所述床頭箱沿平行于工件主軸中心線的Z軸，和垂直于Z軸并相互垂直的X軸和Y軸移動的導軌副和伺服控制機構所構成，所述刀架上還裝有可回轉主軸箱，該可回轉主軸箱的回轉軸線是平行于Y軸的B軸，其中裝有軸線垂直于B軸的刀具主軸，該可回轉主軸箱由分度伺服機構驅動回轉，由鎖定機構既能以一定角度間隔又能以任意角度鎖定在所述刀架上，其特征在于所述可回轉主軸箱上和刀架上還裝有多種，至少一種下列的工作裝置A，固定刀具座，B，插齒裝置，C，傘齒輪刨齒裝置，D，淬火裝置，E，電脈沖或電解加工裝置，F(xiàn)，線切割裝置，G，上下料機械手，H，其它。上述包括刀具主軸在內的所有工作裝置都裝有自動裝卸刀機構，能自動安裝或卸開所裝的刀具、工具，所有能被上述工作裝置安裝的刀具、工具都有與工作裝置吻合的柄部和拉釘，并有能被換刀機構夾持的夾持部或夾持孔。機床還配有放置多種刀具和工具的刀庫，和自動換刀機構，后者能為刀架及其可回轉主軸箱上包括刀具主軸在內的所有工作裝置服務，并能把其上所裝刀具或工具與刀庫中的刀具或工具更換。
3.按權利要求2所述之復合加工中心，其特征在于所述可回轉主軸箱平行于回轉軸的每個棱面上沿回轉軸線安置有多種，每種工作裝置至少有一個，從而形成一個軸向較長的可回轉多軸箱(32)，其上包含至少一排刀具主軸，(32)上或刀架上還有至少一排固定刀具座，自動換刀機構是一個安裝在工件主軸箱外側，并能由伺服機構控制沿工件主軸軸線移動的一個單手爪換刀機械手。
4.按權利要求2或3所述之復合加工中心，其特征在于所述單手爪換刀機械手由一個雙手爪自動換刀機構代替，該雙手爪換刀機構可相對于可回轉多軸箱作Y向移動，以便為裝在可回轉多軸箱(32)或(188)上的多種多個工作裝置服務。
5.按權利要求2所述之復合加工中心，其特征在于所述可回轉多軸箱是一個轉塔，其上每種工作裝置的數(shù)量只有一個，所有工作裝置所裝刀具或工具的軸線以同一方向與繞B軸回轉的一個短圓柱相切，所有工作裝置所裝刀具或工具的夾持部到B軸的垂直距離在換刀時相等，所述自動換刀機構為雙手爪換刀機構。
6.按權利要求2或3所述之復合加工中心，其特征在于所述單手爪換刀機械手(50)中裝有由抓取元件(55)，拉桿(56)，碟形彈簧組(57)，釋放油缸(58)組成自動工具抓取機構和換刀手爪驅動機構，后者是一個油缸(244)，其推桿(245)從自動工具抓取機構的拉桿(236)和釋放缸(238)的中孔中通過。從而能自動抓取不同的換刀手爪、換刀手指或其它工具進行工作，所述換刀手爪(51)帶有與其它可換工具外部尺寸相同的接柄(65)，(65)中裝有予壓縮并能被油缸(63)的推桿(64)繼續(xù)壓縮的的碟形彈簧66)，(66)的彈力通過拉桿(67)使左右手爪(68)同步閉合。
7.按權利要求2、3和6所述之復合加工中心，其特征在于所述能被機械手(50)自動抓取的換刀手指由柄部，外套(69)，鋼球(70)，推桿(71)，彈簧(72)等構成，外套(69)的截面為矩形或其它非圓形。外套(69)及鋼球(70)也可用一個彈簧脹套(75)代替。
8.按權利要求2、3和6所述之復合加工中心，其特征在于所述機械手(50)還能自動抓取下列之一的工具進行工作A，刀具測量頭，B，砂輪修整器，C，攝象頭。
9.按權利要求2-5所述之復合加工中心，其特征在于所述插齒裝置中裝有驅動滑柱往復運動的雙作用油缸或直線電機，并裝有一個直線位置傳感器(155)，它裝在后蓋(154)中心并伸入滑柱(147)后端孔中。
10.按權利要求2-5所述之復合加工中心，其特征在于所述插齒裝置中用于自動卸刀的機構是裝在后蓋中心并伸入滑柱(147)后端孔中的一個卸刀頂桿(158)。
11.按權利要求2所述之復合加工中心，其特征在于一種可安裝多種刀具、工具的固定刀具座(202)上裝有下列之一的附屬機構A，在刀座的上端面制有鼠齒盤，并在鼠齒盤的缺口上裝有定位鍵，B，一個通向激光器(194)的激光通道(215)從裝卸刀機構拉桿(214)的孔中穿過。C，一個用于把刀具座與轉塔體絕緣的絕緣層(216)，及把刀具座與電源連通的電纜，D，一個電信號接口(227)，E，用于向所裝刀具、工具供應流體的流體通過(217)，F(xiàn)，以上各項的任意組合。
12.按權利要求2所述之復合加工中心，其特征在于所述淬火裝置為下列之一A，激光發(fā)射裝置，它由功率激光器(41)，激光通道(215)，可換的激光發(fā)射頭(40)或(45)所構成，B，感應淬火裝置，它由高頻或中頻電源，電纜和可換的感應淬火線圈(46)所構成，C，火焰加熱裝置，可換的火焰噴頭上除有火焰噴嘴外，還帶有電子點火裝置，和控制燃氣和氧氣流量的電磁氣閥，火焰的狀態(tài)以及點燃，熄滅均可由程序控制，噴頭上還裝有冷卻液噴咀，以對已加熱的表面進行淬火。
13.按權利要求2及以下各項所述之機床或加工中心，其特征在于可沿Z，X，Y向在床身上移動的主軸箱，鉛垂向下，有C軸控制，裝有卡盤抓取和驅動機構的工件主軸，一條閉合的傳送帶穿過主軸箱活動區(qū)，裝有卡盤翻轉機構，床身及其間的可繞B軸回轉的可回轉多軸箱上裝有旋轉刀具主軸、插齒裝置、傘齒輪刨齒裝置、磨削裝置、激光淬火或加工裝置、電加工電極、線切割裝置、測量裝置等多種工作裝置的部分或全部，所有工作裝置有自動裝卸刀機構，所有工、刀具有可換接柄，主軸箱上裝有可自動更換工具的機械手，可自動安裝換刀手爪、刀具測量頭、砂輪修整器、攝象機等工具進行工作，裝有刀具庫，插齒裝置和傘齒輪刨齒裝置能自動調整及換刀。
14.按權利要求2及以下各項所述之機床或加工中心，其特征在于主軸鉛垂向下的工件主軸箱通過導軌在十字滑板上沿Z向滑動，十字滑板可在直立式床身上部的X向導軌上滑動，一個滑柱在床身中部的通孔中沿Y軸滑動，滑柱外端有可繞B軸回轉，并可鎖定在滑柱上的較短的可回轉多軸箱，可回轉多軸箱上除刀具主軸外還裝有多種其它工作裝置，如插齒裝置、激光加工裝置等，所有工作裝置都裝有自動裝卸刀機構，它們所裝刀具或工具的軸線都以同一方向與繞B軸回轉的一個短圓柱相切，從而可借助同一個雙手爪自動換刀機構從鏈式刀庫中更換刀具或工具，一條閉合的傳送帶經(jīng)過工件主軸X行程的一端，鉛垂向下，有C軸控制，裝有卡盤抓取和驅動機構的工件主軸通過卡盤翻轉機構可從傳送帶上抓取空的或預裝有工件的卡盤，或直接從傳送帶上拾取工件毛坯。
15.按權利要求2及以下各項所述之機床或加工中心，其特征在于一個滑臺上同軸地裝有主軸箱和尾架，主軸箱中裝有工件主軸和工件主軸的C軸控制機構，滑臺可在床身的導軌上沿平行于主軸軸線的Z向滑動，一個滑座可在床身的垂直于Z向的X向導軌上滑動，一個滑柱可在滑座中沿Y向滑動，一個轉塔可在滑柱外端繞平行于Y軸的B軸回轉，并可以任意角度鎖定在滑柱上，轉塔內除刀具主軸外還裝有多種其它工作裝置，如插齒裝置、激光加工裝置等，所有工作裝置都裝有自動裝刀機構，它們所裝刀具或工具的軸線都以同一方向與繞B軸回轉的同一個圓相切，從而可借助一個雙手爪自動換刀機構從鏈式刀庫中更換刀具或工具。
全文摘要
一種復合加工中心具有可繞B軸回轉的可回轉多軸箱或轉塔，其上除有旋轉刀具主軸外，還裝有固定刀具座、插齒裝置、激光加工裝置、電加工裝置等多種類型的工作裝置，刀具主軸和所有工作裝置所裝的刀具、工具能由一個自動換刀機械手與一個刀庫中的刀具、工具進行更換。因而能在一次上下料中自動完成一個復雜機械零件的車、鉆、銑、磨、滾齒、插齒、激光加工、淬火、電火花加工等全部或部分加工。
文檔編號B23Q41/00GK1161267SQ9611255
公開日1997年10月8日 申請日期1996年9月12日 優(yōu)先權日1996年9月12日
發(fā)明者邵文遠 申請人:邵文遠