《具有雙五軸聯動系統的異型石材多功能複合加工中心》是瀋陽建築大學於2008年9月1日申請的專利，該專利的申請號為2008100130495，申請公布號為CN101357490，公布日為2009年2月4日，發明人是吳玉厚、張珂、陸峰、趙德宏、韓麟等。該發明涉及一種石材加工設備，具體是涉及一種具有雙五軸聯動功能和雙工作頭同步切削功能的異型石材高速高效複合加工中心。
《具有雙五軸聯動系統的異型石材多功能複合加工中心》採用動龍門結構，龍門橫樑採用一種雙電機同步驅動技術，由兩側螺旋絲槓副實現同步高速驅動；橫樑滑鞍上分別安裝有雕銑工作頭部件和車削工作頭部件，其垂直進給機構均由一套螺旋絲桿副與液壓輔助機構共同組成；其中雕銑工作頭可繞B軸旋轉分度，車削工作頭使用同一部伺服電機實現A軸旋轉分度與切割運動；其車削工作頭與雕銑工作頭錯位排列，可同時對石材製品進行車削加工與磨削加工。加工中心配有一套具有雙五軸聯動功能的數控系統，能夠實現對石材製品的臥式五軸聯動加工與立式五軸聯動加工。
2013年10月，《具有雙五軸聯動系統的異型石材多功能複合加工中心》獲得第十五屆中國專利優秀獎。
基本介紹
- 中文名：具有雙五軸聯動系統的異型石材多功能複合加工中心
- 類別：發明專利
- 公布號：CN101357490
- 公布日：2009年2月4日
- 申請號：2008100130495
- 申請日：2008年9月1日
- 申請人：瀋陽建築大學
- 地址：遼寧省瀋陽市渾南新區渾南東路9號瀋陽建築大學
- 發明人：吳玉厚、張珂、陸峰、趙德宏、韓麟、蔣超霞、侯寶佳、趙民、趙凱軍
- 分類號：B28D1/16（2006.01）、B28D1/18（2006.01）、B28D1/20（2006.01）、B28D1/02（2006.01）、B24B19/22（2006.01）
- 專利代理機構：瀋陽技聯專利代理有限公司
- 代理人：王德榮
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
天然石材由於具有質感好、外觀莊重、機械及物理化學性能良好（如耐壓、耐磨及耐腐蝕）等優點，自古以來就是一種優良的建築材料。隨著改革開放帶來的發展機遇，中國已成了世界上名副其實的“石材加工廠”。相對石材產業的快速發展，中國石材裝備產業的發展則比較滯後，主要表現在以下幾個方面：
1、石材加工設備的加工能力比較單一。近年來，隨著石材產業的發展，中國石材加工裝備技術有所提高，用於在荒料切割和板材加工的設備日益完善，同期也出現了一定數量的可實現三軸聯動的石材浮雕和曲線曲面數控加工設備。但相對國際市場而言，仍然只是停留在提供勞工密集型製品和低附加值製品的加工水平上，對於具有高附加值的異型石材製品，如各種迴轉面柱體、羅馬柱、柱頭、柱帽、柱體花紋、碑石、複雜的平面浮雕、人體雕塑等異型石材製品，仍然以手工加工為主。這嚴重製約了中國建築裝飾裝修的水平和品位的提高，也阻礙了裝飾裝修行業的發展。
2、設備的加工效率較低。制約石材加工效率的因素主要表現在以下幾個方面：第一、石材製品的加工通常要經過輪廓加工、粗加工、精加工、拋磨加工等多個工序，2008年9月以前的加工技術都是通過不同設備來完成的，不但費時費力，而且很難保證需要的加工精度，特別是拋磨加工仍以手工加工為主，生產效率很低而加工成本很高；其次，以龍門式加工設備為主的中國石材加工設備，其橫樑大都使用同一部伺服電機通過一根穿過橫樑下方的轉軸使兩側的齒輪齒條副實現同步運動，其進給速度較低而且進給精度不高；第三、相對國際設備採用多工作頭同步加工和高速加工技術而言，中國的多工作頭同步高速高效加工設備仍然是空白。
3、製品的加工質量不高。石材板材、曲面等製品的加工設備一般以龍門式加工設備為主，其進給系統大都採用齒輪齒條副進給。尤其是龍門橫樑的Y軸向進給系統，由於其結構上的限制，中國的設備只能通過同一根轉軸驅動兩側齒輪齒條副來實現，其進給精度較低；其次2008年9月以前石材加工設備的垂直進給系統一般採用液壓進給系統或螺旋絲桿副進給系統，採用液壓進給系統的一般在垂直方向上都沒有進給精度要求，而採用單一的螺旋絲桿副進給系統，由於絲桿在實現機構進給的同時還要承受垂直進給系統的重力作用，這對絲桿副和伺服系統都提出了很高的要求，同時採用單一的螺旋絲桿副進給系統容易產生斷電滑移現象，很難保證加工質量。
4、石材作為一種硬脆性材料，相對於普通的金屬切削具有不同的切削特性和切削工藝要求，比如對於迴轉體類石材製品的車削加工，加工工件的尺寸和體積一般都比較大，不適合高速旋轉，所以不能採用普通的金屬車削車刀，而是使用圓盤鋸片形切削工具，通過鋸片的高速旋轉來獲得切削加工所需要的切削速度。同時石材製品對光澤度要求較高，對製品的尺寸精度要求相對較低，因此使用金屬加工工具機或加工中心來完成石材製品的加工不但對工具機本身造成一定的破壞，而且還很難達到相應的加工精度要求。
因此研製適合不同類型石材製品加工需求的多功能複合高速高效加工中心成為提升中國石材加工裝備技術水平的必由之路。
發明內容
專利目的
《具有雙五軸聯動系統的異型石材多功能複合加工中心》的目的在於提供一種高速高效的異型石材多功能複合加工中心。該加工中心能夠實現對石材製品的臥式五軸聯動和立式五軸聯動加工，完成對石材製品的車削、銑削、磨削、雕刻、鋸切等多種形式的加工，並能實現軸向高速進給和多工作頭的同步高效加工。
技術方案
《具有雙五軸聯動系統的異型石材多功能複合加工中心》採用動龍門結構，龍門橫樑由兩部同步伺服電機和通過兩側螺旋絲桿副實現Y軸向驅動，橫樑上安裝有Z軸水平滑鞍，滑鞍上分別安裝有車削工作頭部件和雕銑工作頭部件，其垂直方向的進給系統由一套螺旋絲槓進給系統和液壓輔助進給系統組成，其中車削工作頭通過同一部伺服電機可實現A軸旋轉分度和切削刀具的旋轉運動，雕銑工作頭可實現B軸旋轉分度，加工中心的龍門橫樑下配有臥式旋轉分度工作檯和立式旋轉分度工作檯；該加工中心配有雙五軸聯動數控系統，可實現對石材製品的臥式五軸聯動加工和立式五軸聯動加工，可完成對石材製品車削、銑削、磨削、雕刻、鋸切多種加工形式。
所述具有雙五軸聯動系統的異型石材多功能複合加工中心，其龍門橫樑由兩側的滾珠導軌支撐並定位在兩側立柱上，通過兩側的螺旋絲槓副驅動實現Y軸向進給，兩側的進給絲槓分別由兩部相同的伺服電機和帶同，數控系統通過同一部變頻系統向兩部電機傳送相同的驅動信號，實現雙側高速高精密同步驅動。
所述具有雙五軸聯動系統的異型石材多功能複合加工中心，其X軸垂直進給系統由一套螺旋絲槓副與液壓輔助系統共同組成，螺旋絲槓副的螺母與垂直滑鞍相連，液壓系統的液壓缸與垂直滑鞍相連，液壓閥與橫樑滑鞍上的支點通過迴轉副相連，其中螺旋絲槓副提供垂直方向的定位作用，液壓系統為穩壓系統，提供輔助的重力支撐和斷電保護。
所述具有雙五軸聯動系統的異型石材多功能複合加工中心，其龍門橫樑下分別安裝有臥式旋轉分度工作檯和立式旋轉分度工作檯。其中臥式旋轉分度工作檯的主軸箱由伺服電機通過主軸直接連線被加工工件；立式旋轉分度工作檯的伺服驅動電機通過一對對頂擰緊的蝸輪蝸桿和副消除齒輪傳動中的齒側間隙，可實現高精度的旋轉分度。
所述具有雙五軸聯動系統的異型石材多功能複合加工中心，用於石材加工的雙工作頭切削裝置，其雕銑工作頭部件和車削工作頭部件並列放置在水平滑鞍上，兩個工作頭都具有獨立的垂直進給系統，其中雕銑工作頭部件可實現B軸旋轉分度，車削工作頭繞A軸的旋轉分度，兩個工作頭在Y軸向錯位距離在100毫米-350毫米之間，雙工作頭同步加工時：車削工作頭在迴轉體的側面進行車削加工的同時，雕銑工作頭沿工件的軸線垂直方向進行端面磨削或高速切削。
有益效果
1.《具有雙五軸聯動系統的異型石材多功能複合加工中心》通過合理配置車削工作頭和雕銑工作頭及臥式工作檯與水平工作檯，加工中心能夠實現對石材製品的臥式五軸聯動和立式五軸聯動加工，其中車削工作頭安裝圓盤車刀可實現對石材製品的車削和鋸切加工，雕銑工作頭可安裝雕銑刀具和端面磨具，可實現對石材製品的雕銑、磨削加工。加工中心的功能滿足大部分異型石材製品的加工功能要求。
2.該發明所有軸向進給系統均採用螺旋絲槓副進給系統具有更高的進給精度。其中橫樑Y軸向的進給採用雙側同步驅動技術，避免了單側驅動時產生的大扭矩對橫樑長度的限制，比傳統石材加工設備採用的齒輪齒條副具有更高的進給精度和進給速度。
3.該發明的X軸垂直進給方向由螺旋絲槓副與液壓輔助支撐系統共同組成，其中液壓系統承受了垂直方向的重力，螺旋絲槓副的螺母與垂直滑鞍相連並定位。這種結構在不影響傳動精度的情況下，減少了螺旋絲槓進給系統的垂直負載，提高了進給速度，同時液壓系統還可提供斷電保護。
4.該發明的臥式工作檯主軸，通過聯軸器直接與伺服電機相連；立式工作檯的主軸由伺服電機通過一對對頂的蝸桿傳動副傳動。對頂蝸桿渦輪副使得傳動鏈上的齒輪分別與齒輪的兩個側面精密結合，有效消除了因為齒側間隙而形成的傳動誤差。兩個工作檯的旋轉分度精度都可以達到20′。
5.該發明橫樑滑鞍上的車削工作頭與雕銑工作頭並排放置，兩個工作頭都具有獨立的垂直進給系統，可以實現對石材製品的同步高效加工。兩個工作頭Y軸向位置錯位放置，這種結構能夠使雙工作頭在對迴轉體進行同步加工時避免產生過大的切向剪下力和振動。
附圖說明
圖1為《具有雙五軸聯動系統的異型石材多功能複合加工中心》加工中心的主視圖；
圖2為該發明加工中心的俯視圖；
圖3為該發明加工中心的A-A局部剖視圖；
圖4為該發明加工中心立式工作檯的主視圖。
權利要求
1.《具有雙五軸聯動系統的異型石材多功能複合加工中心》其特徵在於：該加工中心採用動龍門結構，龍門橫樑（2）由兩側的滾珠導軌支撐並定位在兩側立柱上，通過兩側的螺旋絲槓副驅動實現Y軸向進給，兩側的進給絲槓分別由兩部相同的伺服電機帶動，數控系統通過同一部變頻系統向該兩部伺服電機傳送相同的驅動信號，實現雙側高速高精密同步驅動；龍門橫樑（2）上安裝有Z軸水平橫樑滑鞍（10），橫樑滑鞍（10）上分別安裝有車削工作頭部件和雕銑工作頭部件，車削工作頭部件和雕銑工作頭部件都具有獨立的垂直方向進給系統，該垂直方向進給系統由一套螺旋絲槓進給系統和液壓輔助進給系統共同組成，螺旋絲槓進給系統的螺母（17）與垂直滑鞍（16）相連，液壓輔助進給系統的液壓缸與垂直滑鞍（16）相連，液壓閥與橫樑滑鞍上的支點通過迴轉副（23）相連，其中螺旋絲槓進給系統提供垂直方向的定位作用，液壓輔助進給系統為穩壓系統，提供輔助的重力支撐和斷電保護，其中車削工作頭部件通過同一部伺服電機（19）實現垂直方向進給軸旋轉分度和切削刀具的旋轉運動，雕銑工作頭部件能夠實現平行於Y軸軸線的旋轉分度，加工中心的龍門橫樑（2）下配有臥式旋轉分度工作檯和立式旋轉分度工作檯；該加工中心配有雙五軸聯動數控系統，實現對石材製品的臥式五軸聯動加工和立式五軸聯動加工，完成對石材製品車削、銑削、磨削、雕刻、鋸切多種加工形式。
2.根據權利1所述具有雙五軸聯動系統的異型石材多功能複合加工中心，其特徵在於：其中臥式旋轉分度工作檯的主軸箱由伺服電機（45）通過主軸（48）直接連線被加工工件；立式旋轉分度工作檯的伺服驅動電機通過一對對頂擰緊的蝸輪、蝸桿副消除齒輪傳動中的齒側間隙，實現高精度的旋轉分度。
3.根據權利要求1所述具有雙五軸聯動系統的異型石材多功能複合加工中心，其特徵在於，雕銑工作頭部件和車削工作頭部件並列放置在水平滑鞍上，兩個工作頭部件在Y軸向錯位距離在100毫米-350毫米之間，它們同步加工時：車削工作頭部件在迴轉體工件的側面進行車削加工的同時，雕銑工作頭部件沿迴轉體工件的軸線垂直方向進行端面磨削或高速切削。
實施方式
《具有雙五軸聯動系統的異型石材多功能複合加工中心》其橫樑上安裝有Z軸水平滑鞍，滑鞍上並列安裝著雕銑工作頭部件和車削工作頭部件。其中雕銑工作頭部件由一個帶自動換刀功能的高速電主軸與一套渦輪蝸桿旋轉分度機構共同組成，可實現B軸旋轉分度，其分度主軸上還安裝有一套液壓鎖緊的輔助裝置；其車削工作頭部件通過一部大功率的伺服電機既能為車削工作頭的旋轉運動提供主切削力，又能實現車削工作頭繞A軸的旋轉分度。其Z軸水平滑鞍上並列放置的車削工作頭與雕銑工作頭在Y軸向方向上錯位放置，分別具有獨立的伺服進給系統，可實現對迴轉體石材製品和平面石材製品的同步切削加工。其X軸垂直進給系統由一套螺旋絲槓副與液壓輔助系統共同組成，垂直方向由螺旋絲槓副定位，液壓系統提供輔助的重力支撐和斷電保護，可實現X軸垂直方向的高速高效進給。其龍門橫樑下分別安裝有臥式旋轉分度工作檯和立式旋轉分度工作檯。其中臥式旋轉分度工作檯的主軸箱由伺服電機通過主軸直接連線被加工工件；立式旋轉分度工作檯採用一種雙蝸桿對頂齒側消隙傳動技術，可實現高精度的旋轉分度。其兩側立柱上分別安裝有水平放置的刀庫，分別放置雕銑工具和磨拋工具，雕銑電主軸上安裝有液壓打刀和液壓夾具，可實現自動換刀，不使用額外的換刀手。
加工中心採用動龍門結構，圖1為該發明的主視圖。加工中心的龍門橫樑2由兩側立柱1上的定位導軌3支撐，通過兩側的螺母4、7與絲槓5、8構成的螺旋副獲得進給運動。從圖2可以看出，絲槓5、8分別由相同的伺服電機6和9驅動。數控系統通過同一部變頻系統向兩部電機傳送相同的變頻信號，從而實現Y軸向同步高速高精密驅動。其軸向最大進給速度可達20（米/秒），重複定位精度可達20（微米/米）。在龍門橫樑2的側面安裝有Z軸水平橫樑滑鞍10，從圖3上可以看出該橫樑滑鞍10通過安裝在橫樑頂端的導軌11和安裝在側面的導軌12定位和支撐。橫樑滑鞍10通過與其相連的螺母13與絲槓14組成螺旋傳動鏈，從圖1可以看出，絲槓14是由伺服電機15直接驅動的。
橫樑滑鞍10上分別安裝有雕銑工作頭部件和車削工作頭部件，其雕銑工作頭和車削工作頭具有獨立的垂直進給系統，其進給系統都由一套螺旋絲槓進給系統與液壓輔助支撐系統組成。從圖3中可以看出，垂直滑鞍16通過絲桿螺母17與絲槓18組成的螺旋副定位，絲槓18由伺服電機19驅動，伺服電機19安裝在支撐架25上，垂直滑鞍16通過定位導軌41定位。同時滑鞍16還與一個液壓缸20相連，液壓缸的活塞21與導桿22相連，導桿22與固定在橫樑滑鞍10上的構件24組成一個迴轉副23，有效避免了兩套系統的重複定位。其液壓系統採用穩壓系統控制，提供恆定的工作壓力來承載垂直工作部件的重力。該結構有效減輕了絲槓的負載，在提高垂直進給系統的進給效率的同時，保證了進給的精度和相應時間。
雕銑工作頭由帶自動換刀機構的高速電主軸26安裝在一個旋轉分度工作檯上組成。電主軸26安裝在連線件27上，連線件27與分度主軸28相連。其分度運動是通過安裝在分度主軸上的渦輪29與安裝在分度箱32上的蝸桿30組成的運動副實現傳動的，蝸桿由電機31驅動。同時分度主軸28上還安裝有一個鎖緊羅盤34，該羅盤由液壓系統35鎖緊。雕銑工作頭是通過螺栓33將分度箱32固定在垂直滑鞍16上的。從圖1與圖2上還可以看出，車削工作頭部件的垂直進給系統通過伺服電機36、螺旋絲槓副37、液壓輔助進給系統38組成，其工作原理與雕銑部件相同。車削工作頭部件是由大功率伺服電機39通過一個專利機構實現車削工作頭40的旋轉切割運動與0°—105°間的分度運動的，該部分結構已另行申報專利。
龍門橫樑的下方分別安裝有臥式旋轉分度工作檯、立式旋轉分度工作檯和刀庫架58。其臥式旋轉分度工作檯由床頭箱42與床尾頂針44安裝在工作檯43上組成，其旋轉分度運動是由伺服電機45直接驅動主軸46完成的。立式工作檯由支撐系統與傳動系統組成，其T型工作檯通過螺栓組47與大齒輪49相連，通過滑動軸承放置在箱體59上，同時該工作檯還通過主軸48定位。大齒輪49分別與齒輪軸50、51構成齒輪傳動機構，齒輪軸50、51通過安裝在其上的渦輪52、53帶動並由蝸桿54、55驅動。伺服電機57通過主軸56帶動蝸桿54、55的運動。其中蝸桿54、55採用定位螺母實現軸向固定，兩定位螺母向相反方向對頂旋轉，使得蝸桿54、55之間的軸向距離最大，從而使傳動鏈中的齒輪副之間形成了預警力，使得齒輪副之間始終保持單側接觸，從而消除了齒側間隙，使其進給精度達到20′。
榮譽表彰
2013年10月，《具有雙五軸聯動系統的異型石材多功能複合加工中心》獲得第十五屆中國專利優秀獎。
