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CN101157255B - 具有八轴五联动功能的多功能石材加

  CN101157255B - 具有八轴五联动功能的多功能石材加工中心 - Google Patents

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  具有八轴五联动功能的多功能石材加工中心,涉及一种石材加工中心。该异型石材加工中心采用动龙门结构,龙门横梁通过镶钢定位导轨和镶钢水平导轨定位在两侧横梁支架上,龙门横梁上装有水平滑鞍,该滑鞍是通过镶钢定位导轨和镶钢水平导轨定位安装在横梁上,水平滑鞍上装有垂直滑鞍,该滑鞍通过光杠与水平滑鞍定位,垂直滑鞍下连接工作头部件,该部件通过由径向轴承组成的回转副悬挂在垂直横梁上,横梁下分别安装有水平旋转工作台和T型工作台。该中心具有八轴五联动数控系统,将加工过程分为不同的五个模块,完成对各种异型石材的加工。

  [0001] 本发明涉及一种石材加工中心,特别是涉及一种具有八根主轴,能实现五轴联动, 可完成异型石材的车削、铣削、磨削、雕刻、锯切等多功能的石材加工中心。

  [0002] 天然石材由于具有质感好、外观庄重、机械及物理化学性能良好(如耐压、耐磨及耐腐蚀)等优点,自古以来就成为一种优良的建筑材料。随着改革开放带来的发展机遇,我国石材行业已成了世界上名副其实的“石材加工厂”。相对石材产业的快速发展,我国石材机械产业发展则比较滞后。目前对于普通的板材,现有设备和技术已经能够满足加工的需求。但对于立体、多面、曲面等复杂造型的高档构件,由于缺少专用加工设备,仍然大量进口,严重制约了我国建筑装饰装修的水平和品位的提高,也阻碍了装饰装修行业的发展。

  [0003] 石材制品的加工通常要经过轮廓加工、粗加工、精加工、抛磨加工等多个工序。目前的加工技术都是通过不同设备来完成以上工作,不但费时费力,而且很难保证需要的加工精度。特别是抛磨加工仍以手工加工为主,生产效率很低而加工成本很高。石材一般都为硬脆性材料,相对于普通的金属切削具有不同的切削特性和切削工艺要求,比如对于石材的车削加工,由于石材属于脆性材料而且一般质量较大,不适合高速旋转,所以并不使用普通的金属车削车刀,而是使用圆盘锯片刀具,通过锯片的高速旋转来获得切削所需要的切削速度。而且石材制品一般对光泽度要求较高,而对制品的尺寸精度要求相对较低,因此使用金属加工机床或加工中心来完成石材的加工不但浪费成本而且很难完成相应的加工要求。对于具有高附加值的异性石材制品,如各种回转面柱体、罗马柱、柱头、柱帽、柱体花纹、 碑石、复杂的平面浮雕、人体相等异型石材制品,国外也只能使用具有六轴甚至八轴联动的数控加工中心来完成。而目前这类设备国内目前只能依靠进口国外设备,不但设备成本很高,而且其关键的数字控制系统是由西方发达国家制造的,对我们国家实行进口限制,我们难以得到。目前国内专为石材产品开发的加工中心还没有,相关专利产品也未见报道。

  [0004] 本发明的目的在于提供一种多功能的异型石材加工中心。该异型石材加工中心采用动龙门结构,龙门横梁上安装有横梁Z轴滑鞍和Y轴垂直滑鞍,滑鞍下安装有由车削工作头和雕铣工作头组成的复合工作头。该中心具有八轴五联动数控系统,将加工过程分为不同的五个模块,完成对各种异型石材的加工。

  [0006] 具有八轴五联动功能的多功能石材加工中心,该异型石材加工中心采用动龙门结构,龙门横梁通过镶钢定位导轨和镶钢水平导轨定位在两侧横梁支架上,龙门横梁上装有水平滑鞍,该滑鞍是通过镶钢定位导轨和镶钢水平导轨定位安装在横梁上,水平滑鞍上装有垂直滑鞍,该滑鞍通过光杠与水平滑鞍定位,垂直滑鞍下连接工作头部件,该部件通过由径向轴承组成的回转副悬挂在垂直横梁上,横梁下分别安装有水平旋转工作台和T型工作台。

  [0007] 如上所述的具有八轴五联动功能的多功能石材加工中心,其工作头部件包括由普通电机通过带传动带动的车削、锯切工作头和安装在其侧面的雕铣工作头,该雕铣工作头通过涡轮蜗杆副和回转副连接在滑鞍上,可绕水平方向旋转,同时该滑鞍通过与工作头部件的支撑件相连的螺旋丝杠副和定位光杠实现独立的垂直进给。

  [0008] 如上所述的具有八轴五联动功能的多功能石材加工中心,其水平旋转工作台由可分度的床头箱和床尾的液压顶针组成,床头箱上连接液压三抓卡盘或特制的顶针,通过与床尾的液压顶针配合共同装卡工件;T型水平工作台,由普通T型槽工作台坐落在一个立式变速器上,该变速器与伺服电机相连,T型工作台上放有夹具,用于装卡工件。

  [0009] 如上所述的具有八轴五联动功能的多功能石材加工中心,其横梁支架两侧分别安装有水平放置的刀库,分别放置雕铣工具和磨抛工具,雕铣工作头上安装有液压夹具。

  [0010] 如上所述的具有八轴五联动功能的多功能石材加工中心,该石材加工中心将八根运动轴分为五个模块,即锯切模块、浮雕模块、卧式车削工作模块、卧式雕铣工作模块及T 型工作台工作模块。

  [0012] 1.本发明加工中心的横梁采用T型结构,使用同一个伺服电机实现了大跨度横梁的同步双侧驱动,避免了传统机床使用的单侧拖动所产生的较大扭矩;比传统机床使用的中间拖动结构更加合理,节省空间。横梁的拖动采用了丝杠传动,提高了 Z轴的传动精度。

  [0013] 2.本发明的石材加工中心的垂直滑鞍采用两对齿轮副驱动两侧的丝杠,两对齿轮副可以独立地调整齿轮间隙,避免了使用一个齿轮驱动两侧丝杠时,由于齿轮侧隙而产生的误差和扭矩,同时也避免了传统机床采用的单侧驱动所产生的较大扭矩,比传统石材加工机床采用的液压传动方式精度更高,可控性更好。

  [0014] 3.本发明的石材加工中心具有八轴五联动功能,将加工过程分为不同的五个模块,可完成各种异型石材的加工。

  [0020] 加工中心采用动龙门结构,图1为本发明加工中心的主视图,图4为本发明加工中心的立体参考示意图。加工中心两侧的混凝土底座1与普通底座不同,该混凝土底座高2 米,这样在节省材料的同时,可以降低加工中心振动特性。两侧混凝土底座1上安装铸钢支架2,它们是通过地角螺栓3相连并由螺栓3调整铸钢支架的水平度。两侧铸钢支架上分别放有水平导轨5和定位导轨7,用于支撑并定位横梁15。导轨放置在铸钢支架上的油池 6内,采用稀油润滑的方式。铸钢支架上还分别放有两根齿条4,用于驱动横梁。[0021] 加工中心的横梁15采用T型结构。横梁通过一侧的镶钢水平导轨8和另一侧的镶钢定位导轨9放置在铸钢支架的相应导轨上。伺服电机11通过齿轮12与横梁一侧的齿轮10啮合,横梁下有一根长转轴13,连接安装在横梁另一侧的齿轮14,从而使两侧的齿轮同步在齿条4上行走,实现横梁在X轴坐标方向的移动。这种结构的优点在于:使用同一个伺服电机实现了大跨度横梁的同步双侧驱动。避免了传统机床使用的单侧拖动所产生的较大扭矩;使用双侧丝杠副拖动对系统同步性的严格要求;比传统机床使用的中间拖动结构更加合理,节省空间。同时在横梁的左侧与支架之间安装有光钎尺检测设备,用于反馈横梁的X轴实际位置。横梁上放还放有用于支撑和定位横梁Z轴滑鞍的水平导轨16和定位导轨17,它们同样被放置在油池18内,采用稀油润滑的方式。横梁下还穿过一根丝杠19,用于驱动横梁Z轴滑鞍,该丝杠通过安装在横梁一侧的驱动电机20驱动。

  [0022] 横梁Z轴滑鞍由上板21和下板22通过四根支柱23连接而成。滑鞍通过水平导轨沈和定位导轨27分别与横梁上相应导轨连接并定位。横梁下板上安装有与安装在横梁上的丝杠相配合的丝杠螺母M,实现横梁Z轴滑鞍在Z轴方向的移动。该结构的优点在于: 横梁的拖动不再采用传统石材加工机床所使用的齿轮、齿条副,而是用了丝杠传动,提高了 Z轴的传动精度。同时在滑鞍下板22的上表面与横梁之间安装有光钎尺检测设备,用于反馈横梁Z轴滑鞍的Z轴实际位置。横梁Z轴滑鞍的四根支柱内镗有光孔,用于定位安装在其上的Y轴垂直滑鞍,同时横梁Z轴滑鞍上板21的前后侧分别安装有丝杠螺母25,用于与 Y轴垂直滑鞍的驱动丝杠配合。

  [0023] Y轴垂直滑鞍是由上板观和下板30通过四根光杠四连接而成。Y轴垂直滑鞍通过四根光杠四穿过横梁Z轴滑鞍支柱23的光孔定位。其中后侧靠左的光杠上安装有检测光钎尺,用于反馈Y轴垂直滑鞍的Y轴实际位移。Y轴垂直滑鞍由上方的驱动电机32分别通过两对同位齿轮副33与34及36与35驱动两侧的丝杠31旋转,这两对齿轮副都可调整间隙。丝杠31与横梁Z轴滑鞍上的丝杠螺母25相配合,实现Y轴垂直滑鞍在Y轴方向(即上下)移动。Y轴垂直滑鞍的下板30上还安装有用于连接工作头部件滑动轴承37和用于驱动工作头部件B轴旋转的涡轮38。这种结构采用两对齿轮副驱动两侧的丝杠,因为两对齿轮都可以独立地调整齿轮间隙,这样避免的使用一个齿轮驱动两侧丝杠由于齿轮侧隙而产生的误差和扭矩,同时也避免了传统机床采用的单侧驱动所产生的较大扭矩,比传统石材加工机床采用的液压传动方式精度更高,可控性更好。

  [0024] Y轴垂直滑鞍下连接的是工作头部件(该部分已经另外申请专利),该部件包括有分为工作底座部件、车削部件和雕铣部件三个部分。工作头底座为倒置的L型,上方通过一个滑动轴承37坐落在Y轴垂直滑鞍的下板30上,可在B轴方向旋转,轴承尾部安装有角位移编码器,用于反馈工作头的实际角位移。其旋转分度功能是由伺服电机40驱动蜗杆39, 蜗杆39与Y轴垂直滑鞍下板30上的涡轮38相配合来实现的。L型工作头底座的下方内侧还分别装有车削主轴和驱动该主轴的电机,车削主轴头可安装不同规格的车削据片,实现车削加工与锯切加工功能。车削主轴的尾部带轮与电机带轮使用带转动的方式传动,这种传动方式有益于保护电机。工作头底座的侧面安装有雕铣工作部件。雕铣部件的滑鞍与底座通过两侧的光杠定位,安装在滑鞍上的丝杠与固定在底座上的丝杠螺母配合实现螺旋传动,使雕铣滑鞍可沿Y轴方向上下移动,同时在滑鞍与底座之间安装光钎尺用于反馈雕铣滑鞍的Y2轴实际位移。滑鞍上的丝杠是由安装在滑鞍另一侧的驱动电机51通过一对齿轮副传动的。雕铣滑鞍上的工作部件为雕铣电主轴,它通过一根轴与涡轮连接在一起通过轴承安装在雕铣滑鞍的轴孔上,可实现水平旋转分度。其旋转运动通过伺服电机50驱动蜗杆、涡轮副实现的。同样在涡轮轴的尾部安装有角位移编码器,用于反馈电主轴的实际角位移。雕铣头上安装有液压卡具,可自动装卡刀具。刀库47安装在两侧混凝土底座上,两个水平放置的刀库分别放置雕铣工具和磨抛工具。雕铣工作头的液压夹具,可通过三坐标轴的移动自动装卡刀具完成自动换刀功能。

  [0025] 龙门横梁下安装有两个工作台,分别为卧式旋转工作台和T型水平工作台。从图 2可以看出:卧式旋转工作台主要由床头箱49与床尾的液压顶针43组成。床头箱49内是一个伺服电机驱动的涡轮蜗杆机构,涡轮轴为输出轴,通过连接在其上的液压卡盘41装卡工件,可实现工件C轴的旋转并分度功能。涡轮输出轴的后端还安装有角位移编码器,用于反馈工件的实际角位移,输出轴上还可以安装一种顶针夹具与床尾的液压顶针配合装卡工件。因为石材为硬脆性材料,才光滑表面的摩擦系数很小,所以不适合直接装卡,一般采用树脂配件42粘接在工件上与夹具和尾部顶针配合。尾部液压顶针坐落在导轨48上。从图 3还可以看出:T型工作台45通过一个静压轴承坐落在减速器44上,减速器44由伺服电机 46驱动,可实现T型工作台绕Β2轴的旋转并分度。同样在减速器的输出轴上安装有角位移编码器,用于反馈T型工作台的实际角位移。

  [0026] 石材多功能加工中心的控制是由一个八轴控制器和一套辅助PLC控制器通过同一个控制系统来实现的。G 口味为电源窒息灯,H为SPEPN接口,I为POWER电源接口,J为 KEY键盘接口,K为标准VGA接口,L为422多功能通信接口,M为LAN网络接口,N为USB接口,P为FDD软驱接口,Q为侧头接口,R、S、T、U、W、X为ECDA接口,V、Y为D/A输出指令接口,a、b、c、d、e、f、g、ζ为八个开关量的输入输出接口。

  [0027] 八轴控制器的控制系统,输入输出口 a用于向横梁伺服电机11发送控制指令并接受由安装在铸钢支架与横梁间的光钎尺反馈的横梁实际位置信号;输入输出口 b用于向横梁Z轴滑鞍驱动电机20发送控制指令并接受由安装在横梁与横梁Z轴滑鞍之间的光钎尺反馈的横梁Z轴滑鞍实际位置信号;输入输出口 c用于向Y轴垂直滑鞍驱动电机32发送控制指令并接受由安装在横梁Z轴滑鞍与Y轴垂直滑鞍间的光钎尺反馈的Y轴垂直滑鞍实际位置信号;输入输出口 d用于向雕铣滑鞍的驱动电机51发送控制指令并接受由安装在雕铣滑鞍与工作头底座间的光钎尺反馈的雕铣滑鞍实际位置信号;输入输出口 e用于向工作头底座的驱动电机40发送控制指令并接受由安装在支撑轴承与Y轴垂直滑鞍间的角位移编码器反馈的工作部件实际角位移信号;输入输出口 f用于向电主轴上蜗杆的伺服电机50发送控制指令并接受由安装在电主轴与雕铣滑鞍之间的角位移编码器反馈的电主轴实际位置信号;输入输出口 g用于向卧式床头箱的驱动电机发送控制指令并接受由安装在床头箱输出轴尾部的角位移编码器反馈的工件实际角位移信号;输入输出口 ζ用于向T型工作台的伺服电机46发送控制指令并接受由安装在T型工作台与减速器之间的角位移编码器反馈的T型工作台实际角位移信号。电主轴及其液压夹具、床头箱的液压卡盘、卧式工作台床尾液压顶针由PLC控制。

  [0028] 整个控制系统共分为五个模块,模块1为锯切模块,由横梁的X向移动、横梁Z轴滑鞍的ζ向移动、Y轴垂直滑鞍的Y向移动和工作头部件的B轴回转分度构成一个四轴联动的系统,工件放置在T型工作台上。该模块可实现对板材沿任意方向的锯切,可实现二维平面雕刻及拼画雕刻等异型实体的加工。

  [0029] 模块2为浮雕模块,由横梁的X向移动、横梁Z轴滑鞍的Z向移动、雕铣滑鞍的Y 向移动、工作头部件的B轴回转分度和雕铣电主轴的C轴回转分度构成一个五轴联动的系统,工件放置在T型工作台上。该模块可实现对三位平面浮雕、立体雕塑等复杂雕塑的雕铣功能。

  [0030] 模块3为卧式车削工作模块,由横梁Z轴滑鞍的Z向移动、Y轴垂直滑鞍的Y向移动、工作头部件的B轴回转分度和工件的C轴回转分度构成一个四轴联动的系统。此时横梁固定在卧式工作台的上方,可车削罗马柱、螺旋柱等各种的回转体石柱。

  [0031] 模块4为卧式雕铣工作模块,由横梁Z轴滑鞍的Z向移动、雕铣滑鞍的Y向移动、 工作头部件的B轴回转分度、雕铣电主轴的C轴回转分度和工件的C轴回转分度构成一个五轴联动的系统。此时横梁固定在卧式工作台的上方,可在回转体石柱上雕铣各种复杂的花纹。

  [0032] 模块5为T型工作台工作模块,由横梁Z轴滑鞍的Z向移动、雕铣滑鞍的Y向移动、 工作头部件的B轴回转分度、雕铣电主轴的C轴回转分度和T型工作台的B轴回转分度构成一个五轴联动的系统。此时横梁固定在T型工作台的上方,可实现较大直径的柱头、柱帽等回转体工件的雕铣加工。

  [0033] 该控制系统通过将加工过程分为不同的五个模块,将国外石材加工中心通常需要六轴或八轴系统才能够完成的石材数控加工系统通过使用国产的五轴联动系统就能够实现。

  1.具有八轴五联动功能的多功能石材加工中心,其特征在于,该多功能石材加工中心采用动龙门结构,龙门横梁通过镶钢定位导轨(9)和镶钢水平导轨(8)定位在两侧横梁支架上,龙门横梁上装有水平滑鞍,该水平滑鞍是通过定位导轨(XT)和水平导轨06)定位安装在龙门横梁上,水平滑鞍上装有垂直滑鞍,该垂直滑鞍通过光杠与水平滑鞍定位,垂直滑鞍下连接工作头部件,该工作头部件通过由径向轴承组成的回转副悬挂在垂直滑鞍上;工作头部件包括由普通电机通过带传动带动的车削、锯切工作头和安装在其侧面的雕铣工作头,该雕铣工作头通过蜗轮和回转副连接在雕铣滑鞍上,可绕水平方向旋转,同时该雕铣滑鞍通过与工作头部件的支撑件相连的螺旋丝杠副和定位光杠实现独立的垂直进给;龙门横梁下分别安装有绕平行于水平滑鞍水平进给方向的水平轴旋转分度的卧式旋转工作台和绕垂直方向的轴旋转分度的T型水平工作台;其中,水平滑鞍沿龙门横梁的水平进给、雕铣滑鞍的垂直进给、工作头部件绕垂直轴的旋转分度、雕铣工作头的水平旋转分度及T型水平工作台的旋转分度共同组成一套五联动加工系统。

  2.根据权利要求1所述的具有八轴五联动功能的多功能石材加工中心,其特征在于, 卧式旋转工作台由可分度的床头箱和床尾的液压顶针组成,床头箱上连接液压三爪卡盘或特制的顶针,通过与床尾的液压顶针配合共同装卡工件;T型水平工作台,由普通T型槽工作台坐落在一个立式变速器上,该变速器与伺服电机相连,T型水平工作台上放有夹具,用于装卡工件。

  3.根据权利要求1所述的具有八轴五联动功能的多功能石材加工中心,其特征在于, 横梁支架两侧分别安装有水平放置的刀库,分别放置雕铣工具和磨抛工具,雕铣工作头上安装有液压夹具。

  4.根据权利要求1所述的具有八轴五联动功能的多功能石材加工中心,其特征在于, 该石材加工中心将八根运动轴分为五个模块,即锯切模块、浮雕模块、卧式车削工作模块、 卧式雕铣工作模块及T型水平工作台工作模块。

  * Cited by examiner, † Cited by third party

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  吴玉厚,赵德宏,陆峰,张珂.异形石材制品加工技术与设备发展概述.《石材》.2007,(第8期),29-33.

  郭非,王启义,李宝,吴文江.新型八轴五联动数控磨削.《东北大学学报(自然科学版)》.1997,第18卷(第6期),1-5.

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