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CN102632422B - 小型高速五轴联动机床 - Google Patents

小型高速五轴联动机床 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小型高速五轴联动机床，包括基础结构和支撑于基础结构的主轴箱组件及摇篮式工作台；框形结构的横梁设置于两个立柱上形成桥式龙门结构；本发明增加横梁承受扭转力矩的能力，具有现有技术中五轴联动机床的全部优点的同时，承受同样大小的加工反作用力则可使结构件体积减小、重量大大减轻；主轴箱位于框形横梁的两横杆之间，消除倾覆力矩，并能保证机床本身的稳定性；且在同等加工能力的前提下大大减小各个部件的尺寸，也可使机床的行程设计得更大；上述结构有效提高加工精度和加工范围，可以得到更高的动态特性、进给速度和切削速度，大大缩短切削加工时间并获得更好的加工表面质量，提高加工效率。

Description

小型高速五轴联动机床
技术领域
本发明涉及一种机床，特别涉及一种高速五轴联动机床。
背景技术
五轴联动机床属于数控机床中较先进的设备，可以通过一次装夹高效、高精度的完成复杂曲面的加工，比如大型发电机转子、船舶螺旋桨、大型柴油机曲轴等。比如分子泵的涡轮转子加工，涡轮转子上的叶片加工要求加工精度比较高，并且由于叶片之间的间隙小，只能使用直径比较小的刀具，要保证切削的线速度，就要采用高速旋转的主轴加工，而采用高速小型五轴联动机床加工整体涡轮转子则很好地解决上述问题。
小型高速五轴数控加工中心的布局以及为了适应加工需要所采用的本体结构形式多种。根据转动的布置位置可以分为：主轴铣头转动加摆动的铣头双转动结构；主轴摆动，工作台转动的摆头式结构；工作台既转动又摆动的双转台式结构。双转台式结构由于加工时工件需要在两个旋转方向运动，所以更适合于加工小型零件，且结构简单，价格相对较为低廉。除了转动轴的结构，根据X、Y、Z三个移动轴的叠加方式不一样可以分为五轴联动龙门铣床(包括定梁定柱结构、龙门移动结构、动梁结构、桥式结构等)，五轴联动床身铣床(包括立式、卧式、滑枕式、立柱移动式等)，五轴联动升降台铣床等等。
上述结构中，桥式龙门结构具有较多的优点，比如，相对于其他结构具有较大的行程；但是，龙门结构的横梁的变形较大，且主轴箱对横梁施加倾覆力矩，导致加工精度差；而现有技术较为普遍的解决方式则为增加支撑导轨，使得横梁向后运动时中间的支撑导轨随动延伸占用空间，使机床使用时占用较大空间；同时，为了增加机床的整体稳定性，横梁以及立柱结构较为笨重，横向尺寸也较大，从而影响机床的整体动作范围，相对减小动作行程。
因此，需要对现有的五轴联动机床进行改进，具有现有技术中五轴联动机床的全部优点的同时，体积小重量轻，并能保证机床本身的稳定性且可使行程能够相对增加，提高加工精度和加工范围，可以得到更高的动态特性、进给速度和切削速度，大大缩短切削加工时间并获得更好的加工表面质量，提高加工效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的提供一种小型高速五轴联动机床，具有现有技术中五轴联动机床的全部优点的同时，体积小重量轻，并能保证机床本身的稳定性且可使行程能够相对增加，提高加工精度和加工范围，可以得到更高的动态特性、进给速度和切削速度，大大缩短切削加工时间并获得更好的加工表面质量，提高加工效率。
本发明的小型高速五轴联动机床，包括基础结构和支撑于基础结构的主轴箱组件及摇篮式工作台；
所述基础结构包括机床基座和沿X轴并列固定于基座的两个立柱；
主轴箱组件包括Y轴移动组件、X轴移动组件和Z轴移动组件；
所述Y轴移动组件包括跨于两个立柱之间并可沿Y轴方向单自由度往复移动的框形横梁和用于驱动框形横梁移动的Y轴驱动装置，所述框形横梁所在的平面为X轴和Y轴形成的坐标平面；
所述X轴移动组件包括跨于框形横梁的两横杆之间并可沿X轴方向单自由度往复移动的X轴拖板和用于驱动X轴拖板移动的X轴驱动装置；所述Z轴移动组件包括位于框形横梁的两横杆之间安装在X轴拖板上并可沿Z轴方向单自由度往复移动的主轴箱和用于驱动主轴箱移动的Z轴驱动装置；
摇篮式工作台位于两个立柱之间支撑于机床基座。
进一步，所述立柱为沿Y轴方向竖直设置的板形结构，立柱上端面设有沿Y轴方向的Y轴滑轨，框形横梁单自由度往复滑动配合于两个立柱的Y轴滑轨；框形横梁的两横杆上分别设有沿X轴方向的X轴滑轨，X轴拖板单自由度往复滑动配合于框形横梁的两横杆的X轴滑轨；所述主轴箱设有沿Z轴方向的Z轴滑轨，所述主轴箱通过Z轴滑轨单自由度往复滑动配合于X轴拖板；
进一步，所述Y轴驱动装置包括与两个Y轴滑轨对应设置的两个Y轴丝杠副和与两个Y轴丝杠副对应的两个Y轴驱动伺服电机，两个Y轴丝杠副均包括沿Y轴方向的Y轴丝杠，两个Y轴驱动伺服电机对应固定于两个立柱与两个Y轴丝杠对应传动配合，所述框形横梁上设有与两个Y轴丝杠对应配合的两个Y轴螺母；X轴驱动装置包括与两个X轴滑轨对应设置的两个X轴丝杠副和与两个X轴丝杠副对应的两个X轴驱动伺服电机，两个X轴丝杠副均包括沿X轴方向的X轴丝杠，两个X轴驱动伺服电机固定于框形横梁与两个X轴丝杠对应传动配合，所述X轴拖板上与两个X轴丝杠对应固定设有两个X轴螺母；所述Z轴驱动装置包括Z轴丝杠副和Z轴驱动伺服电机，Z轴丝杠副包括沿Z轴方向的Z轴丝杠，所述X轴拖板上固定设有与Z轴丝杠配合的Z轴螺母，所述Z轴丝杠以可绕自身轴线转动的方式单自由度设置于主轴箱，所述Z轴驱动伺服电机固定于主轴箱并与并与Z轴丝杠传动配合；
进一步，所述X轴拖板设有用于通过主轴箱的Z轴通槽，Z轴通槽的X轴方向至少一侧壁向上下延伸并设有与Z轴滑轨配合的Z轴滑槽，沿Y轴方向的两侧壁分别对应与两个X轴滑轨沿X轴方向单自由度往复滑动配合；
进一步，所述摇篮式工作台可绕与X轴平行的轴线摆动；
进一步，两个立柱之间沿Y轴方向远离摇篮式工作台的端部固定设有加强梁，与摇篮式工作台对应的端部下部形成用于避开篮式工作台的空槽；
进一步，所述Z轴驱动伺服电机的动力输出轴与Z轴丝杠一端同轴传动配合，Z轴丝杠另一端与主轴箱的盲端单自由度转动配合；
进一步，所述X轴拖板的Z轴通槽沿X轴方向相对的两侧壁均向上下延伸形成H形结构，该两侧壁均设有与Z轴滑轨配合的Z轴滑槽；或者，所述X轴拖板的Z轴通槽沿X轴方向的其中一侧壁向上下延伸形成T形结构。
本发明的有益效果：本发明为小型高速五轴联动机床，采用类似龙门结构的布局，横梁采用框形结构，增加横梁承受扭转力矩的能力，具有现有技术中五轴联动机床的全部优点的同时，承受同样大小的加工反作用力则可使体积重量大大减轻；主轴箱位于框形横梁的两横杆之间，消除倾覆力矩，并能保证机床本身的稳定性；且在同等加工能力的前提下大大减小各个部件的尺寸，因而可使行程能够相对增加；上述结构有效提高加工精度和加工范围，可以得到更高的动态特性、进给速度和切削速度，大大缩短切削加工时间并获得更好的加工表面质量，提高加工效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明的结构示意图；
图2为X轴驱动结构示意图；
图3为Z轴驱动结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明的结构示意图，图2为X轴驱动结构示意图，图3为Z轴驱动结构示意图，如图所示：本实施例的小型高速五轴联动机床，包括基础结构和支撑于基础结构的主轴箱组件及摇篮式工作台2；
所述基础结构包括机床基座3和沿X轴并列固定于基座3的两个立柱1；可以是一体结构，也可以是后续焊接或联接形成；
主轴箱组件包括Y轴移动组件、X轴移动组件和Z轴移动组件；
所述Y轴移动组件包括跨于两个立柱1之间并可沿Y轴方向单自由度往复移动的框形横梁10和用于驱动框形横梁10移动的Y轴驱动装置，所述框形横梁10所在的平面为X轴和Y轴形成的坐标平面；
所述X轴移动组件包括跨于框形横梁10的两横杆10a之间并可沿X轴方向单自由度往复移动的X轴拖板5和用于驱动X轴拖板5移动的X轴驱动装置；所述Z轴移动组件包括位于框形横梁10的两横杆10a之间安装在X轴拖板5上并可沿Z轴方向单自由度往复移动的主轴箱7和用于驱动主轴箱7移动的Z轴驱动装置；主轴箱7即是用于安装主轴并支撑主轴进行加工的部件；
摇篮式工作台2位于两个立柱1之间支撑于机床基座3，摇篮式工作台2为现有技术的结构，即普遍采用的工作台具有可摆动和转动两个自由度，外购成品安装即可；
如图所示，X轴为横向，Y轴为纵向，二者形成平面坐标系，Z轴即为垂直于该平面坐标系的方向共同形成三维坐标系。
本实施例中，所述立柱1为沿Y轴方向竖直设置的板形结构，即两个立柱1呈平行并列的板形；立柱1上端面设有沿Y轴方向的Y轴滑轨11，Y轴滑轨11与立柱1之间采用可拆卸式连接结构；框形横梁10单自由度往复滑动配合于两个立柱1的Y轴滑轨11，单自由度配合采用线性滑轨结构；框形横梁10的两横杆10a上分别设有沿X轴方向的X轴滑轨9，X轴拖板5单自由度往复滑动配合于框形横梁10的两横杆10a的X轴滑轨9，本结构的X轴滑轨9与X轴拖板5之间的配合仍然采用线性滑轨结构；所述主轴箱7设有沿Z轴方向的Z轴滑轨22，所述主轴箱7通过Z轴滑轨22单自由度往复滑动配合于X轴拖板5；本实施例中，Y轴方向的驱动以及X轴方向的驱动均采用双驱动结构，与双滑轨相结合实现驱动结构的对称性，从而使驱动稳定，可大大提高机床精度，同时避免运动件出现偏转力矩，从而消除对滑轨的偏磨，保证精度的同时，提高滑轨的的使用寿命。
本实施例中，所述Y轴驱动装置包括与两个Y轴滑轨11对应设置的两个Y轴丝杠副和与两个Y轴丝杠副对应的两个Y轴驱动伺服电机6，两个Y轴丝杠副均包括沿Y轴方向的Y轴丝杠12，两个Y轴驱动伺服电机6对应固定于两个立柱1与两个Y轴丝杠12对应传动配合，所述框形横梁10上设有与两个Y轴丝杠12对应配合的两个Y轴螺母13；X轴驱动装置包括与两个X轴滑轨9对应设置的两个X轴丝杠副和与两个X轴丝杠副对应的两个X轴驱动伺服电机16，两个X轴丝杠副均包括沿X轴方向的X轴丝杠15，两个X轴驱动伺服电机16固定于框形横梁10与两个X轴丝杠15对应传动配合，所述X轴拖板5上与两个X轴丝杠15对应固定设有两个X轴螺母18，如图所示，两个X轴驱动伺服电机16对应通过传动带传动副17与两个X轴丝杠15传动配合；所述Z轴驱动装置包括Z轴丝杠副和Z轴驱动伺服电机19，Z轴丝杠副包括沿Z轴方向的Z轴丝杠20，所述X轴拖板5上固定设有与Z轴丝杠20配合的Z轴螺母21，所述Z轴丝杠20以可绕自身轴线转动的方式单自由度设置于主轴箱7，所述Z轴驱动伺服电机19固定于主轴箱7并与Z轴丝杠20传动配合；Z轴驱动伺服电机19固定于主轴箱7并通过自身驱动主轴箱7的结构，可大大减小加工形成所需的空间，进一步减小本发明所占用的空间，并能够达到所需的行程；上述各个伺服电机与丝杠之间的传动关系可根据需要进行选择，可选用带传动、齿轮传动或通过联轴器联接，均能实现发明目的。
本实施例中，所述X轴拖板5设有用于通过主轴箱7的Z轴通槽23，Z轴通槽23的X轴方向至少一侧壁向上下延伸并设有与Z轴滑轨22配合的Z轴滑槽，沿Y轴方向的两侧壁分别对应与两个X轴滑轨9沿X轴方向单自由度往复滑动配合；X轴拖板5形成Z轴通槽23的结构使得主轴箱7的支撑较为稳定，较好的对主轴箱7进行导向和支撑，从而提高加工精度，并增加X轴拖板5本身的稳定性。
本实施例中，所述摇篮式工作台2可绕与X轴平行的轴线摆动；利于布置并便于工件的安装和加工。
本实施例中，两个立柱1之间沿Y轴方向远离摇篮式工作台2的端部固定设有加强梁4，提高稳定性并且不干扰加工行程；与摇篮式工作台2对应的端部下部形成用于避开篮式工作台的空槽；避免部件之间形成布局干扰，从而保证整体结构的紧凑性。
本实施例中，所述Z轴驱动伺服电机19的动力输出轴与Z轴丝杠20一端同轴传动配合，Z轴丝杠20另一端与主轴箱7的盲端单自由度转动配合，单自由度转动配合的方式可采用现有的任何能实现此目的的机械结构，即能够实现发明目的。
本实施例中，所述X轴拖板5的Z轴通槽23，沿X轴方向相对的两侧壁均向上下延伸形成H形结构，该两侧壁均设有与Z轴滑轨22配合的Z轴滑槽；在两侧壁均形成Z轴滑槽，结构对称，驱动力易于达到平衡，对主轴箱的约束更为有效；或者，所述X轴拖板5的Z轴通槽23沿X轴方向的其中一侧壁8向上下延伸形成T形结构，本实施例为T形结构，便于加工，并利于减小整机重量。
以上记载中，对称设置的部件且作用相同的采用相同的附图标记进行标示，并不影响且有助于对本发明的理解。
本发明中，滑轨和滑块之间的配合关系可以互换，并不局限于运动件为滑块，固定件为滑轨；本领域技术人员根据本记载均应知道，滑轨和滑块的配合关系能够互换且达到相同的目的；与丝杠配合的螺母同其连接的部件之间均可采用现有的固定连接方式，包括焊接、可拆卸式连接等等。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种小型高速五轴联动机床，其特征在于：包括基础结构和支撑于基础结构的主轴箱组件及摇篮式工作台；
所述基础结构包括机床基座和沿X轴并列固定于基座的两个立柱；
主轴箱组件包括Y轴移动组件、X轴移动组件和Z轴移动组件；所述Y轴移动组件包括横跨于两个立柱之间并可沿Y轴方向单自由度往复移动的框形横梁和用于驱动框形横梁移动的Y轴驱动装置，所述框形横梁所在的平面为X轴和Y轴形成的坐标平面；
所述X轴移动组件包括跨于框形横梁的两横杆之间并可沿X轴方向单自由度往复移动的X轴拖板和用于驱动X轴拖板移动的X轴驱动装置；所述Z轴移动组件包括位于框形横梁的两横杆之间安装在X轴拖板上并可沿Z轴方向单自由度往复移动的主轴箱和用于驱动主轴箱移动的Z轴驱动装置；
摇篮式工作台位于两个立柱之间支撑于机床基座；
所述X轴拖板设有用于通过主轴箱的Z轴通槽，Z轴通槽的X轴方向至少一侧壁向上下延伸并设有与Z轴滑轨配合的Z轴滑槽，沿Y轴方向的两侧壁分别对应与两个X轴滑轨沿X轴方向单自由度往复滑动配合。
2.根据权利要求1所述的小型高速五轴联动机床，其特征在于：所述立柱为沿Y轴方向竖直设置的板形结构，立柱上端面设有沿Y轴方向的Y轴滑轨，框形横梁单自由度往复滑动配合于两个立柱的Y轴滑轨；框形横梁的两横杆上分别设有沿X轴方向的X轴滑轨，X轴拖板单自由度往复滑动配合于框形横梁的两横杆的X轴滑轨；所述主轴箱设有沿Z轴方向的Z轴滑轨，主轴箱通过Z轴滑轨单自由度往复滑动配合于X轴拖板。
3.根据权利要求2所述的小型高速五轴联动机床，其特征在于：所述Y轴驱动装置包括与两个Y轴滑轨对应设置的两个Y轴丝杠副和与两个Y轴丝杠副对应的两个Y轴驱动伺服电机，两个Y轴丝杠副均包括沿Y轴方向的Y轴丝杠，两个Y轴驱动伺服电机对应固定于两个立柱与两个Y轴丝杠对应传动配合，所述框形横梁上设有与两个Y轴丝杠对应配合的两个Y轴螺母；X轴驱动装置包括与两个X轴滑轨对应设置的两个X轴丝杠副和与两个X轴丝杠副对应的两个X轴驱动伺服电机，两个X轴丝杠副均包括沿X轴方向的X轴丝杠，两个X轴驱动伺服电机固定于框形横梁与两个X轴丝杠对应传动配合，所述X轴拖板上与两个X轴丝杠对应固定设有两个X轴螺母；所述Z轴驱动装置包括Z轴丝杠副和Z轴驱动伺服电机，Z轴丝杠副包括沿Z轴方向的Z轴丝杠，所述X轴拖板上固定设有与Z轴丝杠配合的Z轴螺母，所述Z轴丝杠以可绕自身轴线转动的方式单自由度设置于主轴箱，所述Z轴驱动伺服电机固定于主轴箱并与并与Z轴丝杠传动配合。
4.根据权利要求3所述的小型高速五轴联动机床，其特征在于：所述摇篮式工作台可绕与X轴平行的轴线摆动。
5.根据权利要求4所述的小型高速五轴联动机床，其特征在于：两个立柱之间沿Y轴方向远离摇篮式工作台的端部固定设有加强梁，与摇篮式工作台对应的端部下部形成用于避开篮式工作台的空槽。
6.根据权利要求5所述的小型高速五轴联动机床，其特征在于：所述Z轴驱动伺服电机的动力输出轴与Z轴丝杠一端同轴传动配合，Z轴丝杠另一端与主轴箱的盲端单自由度转动配合。
7.根据权利要求6所述的小型高速五轴联动机床，其特征在于：所述X轴拖板的Z轴通槽沿X轴方向相对的两侧壁均向上下延伸形成H形结构，该两侧壁均设有与Z轴滑轨配合的Z轴滑槽；或者，所述X轴拖板的Z轴通槽沿X轴方向的其中一侧壁向上下延伸形成T形结构。
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