CN102126154A - 一种双丝杠驱动机床的丝杠导轨驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双丝杠驱动机床的丝杠导轨驱动装置，其特征在于：它包括固定件和运动件；所述固定件上平行设置有两条导轨，所述两条导轨内侧平行设置有两条丝杠，所述两条丝杠的一端连接设置在所述固定件上的驱动电机，所述两条丝杠的另一端设置在所述固定件上；所述运动件穿设在所述两条丝杠上，所述运动件上设置有与所述丝杠螺纹连接的螺母，所述运动件上设置有沿所述两条导轨滑动的滑块。本发明突破了常规双丝杠驱动导轨在内侧，丝杠在外侧的布置方法，将丝杠设置在内侧、导轨设置在外侧，具有结构刚度大的优点，可广泛用于双丝杠驱动机床上。

Description

一种双丝杠驱动机床的丝杠导轨驱动装置

技术领域

本发明涉及一种双丝杠驱动机床，特别是关于一种双丝杠驱动机床的丝杠导轨驱动装置。

背景技术

数控机床是制造业的基础，对国民经济的发展具有重要意义。为了提高竞争力，对数控机床加工精度的要求越来越高。影响数控机床加工精度的重要因素之一是机床的刚度。合理地设置机床的结构，可以提高机床的刚度。但是目前我国的机床结构设计，还是基于经验的设计，对受力分析，以及刚度校核，并没有太多的研究，因此从刚度的角度分析，目前机床结构的设置仍不够合理。

目前很多数控机床的驱动方式是双丝杠驱动(如图3所示)。被丝杠驱动的部件称为运动件，相对于丝杠不动的部件称为固定件。图3中相对于运动件主轴箱，立滑板是固定件；相对于运动件立滑板，立柱是固定件。作为固定件的立滑板和立柱均为并行的两条梁连接而成的结构。立柱和立滑板之间的导轨、丝杠布置方式，是当前导轨丝杠布置的主流方式，即导轨在内侧，丝杠在外侧。由于导轨是主要传递力的部件，导轨在内侧使得导轨间的力臂较小，抵抗力矩的能力也较小。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够提高导轨抵抗力矩能力，提高机床刚度，有利于实现高精度加工的双丝杠驱动机床的丝杠导轨驱动装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种双丝杠驱动机床的丝杠导轨驱动装置，其特征在于：它包括固定件和运动件；所述固定件上平行设置有两条导轨，所述两条导轨内侧平行设置有两条丝杠，所述两条丝杠的一端连接设置在所述固定件上的驱动电机，所述两条丝杠的另一端设置在所述固定件上；所述运动件穿设在所述两条丝杠上，所述运动件上设置有与所述丝杠螺纹连接的螺母，所述运动件上设置有沿所述两条导轨滑动的滑块。

所述运动件呈“工”字形，其上下端的左右两侧均设置有供所述丝杠穿过的通孔，所述螺母分别设置在每一所述通孔内；所述滑块设置在所述运动件上、各所述通孔的外侧。

所述驱动电机通过电机座设置在所述固定件上。

所述固定件是立滑板，所述运动件是主轴箱，所述导轨设置在所述立滑板外 侧，所述丝杠设置在所述立滑板内侧。

所述固定件是立柱，所述运动件是立滑板和主轴箱，所述导轨设置在所述立柱外侧，所述丝杠设置在所述立柱内侧。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：1、本发明将导轨安装在固定件的外侧，固定件上的空间有限，改变导轨的布置，丝杠的布置也要随之作出调整，因此，丝杠安装在固定件的内侧；与此相对应，滑块安装在运动件的外侧，螺母安装在滑块的内侧，突破了常规双丝杠驱动导轨在内侧，丝杠在外侧的布置方法，具有在有限的安装空间中，导轨的间距最大的优点。2、本发明将导轨设置在丝杠外侧，加大了两导轨之间的间距，间距越大，一方面可以减小固定件的变形，另一方面可以减小固定件变形对终端(工件、主轴)的影响。本发明突破了常规双丝杠驱动导轨在内侧，丝杠在外侧的布置方法，将丝杠设置在内侧、导轨设置在外侧，具有结构刚度大的优点，可广泛用于双丝杠驱动机床上。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是本发明运动件示意图

图3是本发明在卧式加工机床上的应用示意图

图4是本发明双丝杠的相关平面、受力方向的示意图

图5是本发明主轴、主轴箱、立滑板的受力情况示意图

图6是本发明立滑板的截面惯性矩示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括一个固定件1、一个运动件2，以及两者间的丝杠导轨等装置。

固定件1上平行设置有两条导轨3，两条导轨3内侧平行设置有两条丝杠4，两条丝杠4的一端连接驱动电机，驱动电机通过电机座5设置在固定件1上，两条丝杠4的另一端通过轴承座6设置在固定件1上。

运动件2穿设在两条丝杠4上，运动件2上与丝杠4的连接处设置有螺母7，运动件2通过螺母7与丝杠4螺纹连接，驱动电机带动丝杠4转动，通过螺母7转化成为运动件2沿丝杠4的平动。运动件2与两条导轨3之间分别设置有滑块8，运动件2通过滑块8沿导轨3滑动。导轨3和滑块8传递法向压力，丝杠4和螺母7驱动运动件2产生运动。

如图2所示，运动件2可以设置呈“工”字形，其上下端的左右两侧均设置 有允许丝杠4穿过的通孔，每侧通孔内设置有一与相应丝杠4配合的螺母7；运动件2上，四个通孔的外侧均设置有一可沿相应导轨3滑动的滑块8。

下面列举一具体实施例，如图3所示，本发明在卧式加工机床上的应用，固定件1是立滑板，运动件2是主轴箱，导轨3设置在立滑板外侧，丝杠4设置在立滑板内侧，主轴箱由设置在立滑板上的丝杠4提供运动动力。

如图3所示，在实际工作时，立滑板和主轴箱同时也作为一个整体，即作为运动件，在固定件立柱9上运动，图3中立柱9上的导轨和丝杠的设置，即导轨设置在立柱9内侧，丝杠设置在立柱9外侧，是现有技术，也可以采用本发明的设置，将导轨设置在立柱9外侧，丝杠设置在立柱9内侧(图中未示出)。

上述实施例中，固定件1可以是平行设置的两条梁，每条梁上设置有一导轨和一丝杠，这样可以节省材料，并且为运动件2提供运动空间。

采用本发明设置方式的原理为：双丝杠数控机床，尤其是铣床，在铣削轮廓时，工作台、主轴箱和立滑板等运动件经常会受到与刀具轴线垂直的力，受力方向如图4所示，即双丝杠组成的平面I与丝杠法向面II的交线方向(图4中所示箭头方向)。但是，目前主流的导轨丝杠布置，从运动件、导轨、固定件的整体刚度角度考虑，会使得固定件产生较大的变形，并且把固定件的变形以比较大的比率传递到终端上，即工件或主轴上。下面通过上述具体实施例对此进行受力变形分析，证明采用本发明设置方式的优越性。

如图5所示，本实施例中，以主轴箱为运动件2，以立滑板为固定件1，立滑板内侧设置有丝杠4，外侧设置有导轨，主轴箱2穿设在丝杠4上，并且通过滑块7与立滑板上的导轨相配合。双丝杠组成的平面与丝杠法向面的交线方向为运动件的受力方向，作为x方向。分析x方向刚度，就要分析x方向的受力和变形，本实施例中x方向受力变形均在主轴10的端部。

x方向力Fx作用在主轴10的端部上，传递到立滑板上时，成为一个力和一个力偶，如图5所示(点画线为施加在主轴10上的力，实线为作用在立滑板上的力，虚线为尺寸值)，作用在立滑板弯曲中心A上的力Fx的大小方向与主轴10的端部x方向的受力相同。力偶通过滑块7作用在立滑板上，设为Fxz。

下面计算Fxz的大小，根据力矩平衡条件得到：

Fx·Lx＝2·Fxz·a

其中，Lx是主轴10的端部到立滑板弯曲中心A的距离，a是两滑块7之间的距离，因为每个导轨上有两个滑块7，所以Fxz乘以系数2。

解得滑块7的压力：

$\mathrm{Fxz}=\frac{\mathrm{Fx}\·\mathrm{Lx}}{2\·a}$

以上分析了受力，下面分析变形。作用在立滑板弯曲中心A的力，使立滑板产生x方向的变形(绕z轴的弯曲，对应惯性矩Iz)，设对应的刚度为k_x。作用在立滑板上的力偶，分别使立滑板的两条梁发生方向相反的z向变形(绕x轴的弯曲，对应惯性矩Ix)，设每条梁对应的刚度为k_z/2(立滑板的两条梁为并联，总弯曲刚度设为k_z，则每个梁刚度为k_z/2)。力作用在立滑板上产生的变形带动主轴平移，力偶作用在立滑板上产生的变形带动主轴发生偏摆(设摆角为θ)。力和力偶产生的变形叠加共同导致主轴头的x向变形。

其中力引起的变形为

$u_{\mathrm{xx}}=\frac{\mathrm{Fx}}{k\_x}$

力偶引起的变形为

$u_{\mathrm{xz}}=\mathrm{Lx}\·\mathrm{\θ}=\mathrm{Lx}\·\frac{\frac{2\·\mathrm{Fxz}}{k\_z/2}}{a/2}=\frac{4\·{\mathrm{Lx}}^2\·\mathrm{Fx}}{a^2\·k\_z}$

总变形为

$u_x=u_{\mathrm{xx}}+u_{\mathrm{xz}}=\mathrm{Fx}\·(\frac{1}{k\_x}+\frac{4\·{\mathrm{Lx}}^2}{a^2\·k\_z})$

如图6所示，把立滑板近似视为等截面梁，对于等截面梁，其刚度与惯性矩成正比。由立滑板的结构形式知道，Iz远大于Ix(如图6所示)，k_x与Iz成正比，k_z与Ix成正比，所以k_x是远大于k_z的。上式中，4·Lx²和a²的大小相当，易看出，括号内加号右侧项远大于左侧项。所以，x向变形主要取决于 

其中，k_z是立滑板的固有属性；Lx取决于主轴10的长度，不易改变；a是导轨x向的距离，它的平方与变形成反比，增大a可以大幅减小变形。所以，为了提高x向刚度，可以通过增加导轨间距来实现。

根据以上力学推导的结论，提出了本发明的丝杠导轨的布置方法：为了增加导轨间距，导轨布置在外侧，丝杠布置在内侧。有上述的推导，可知这样的布置，能够提高导轨抵抗力矩减小变形的能力，从而提高了机床的刚度。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种双丝杠驱动机床的丝杠导轨驱动装置，其特征在于：它包括固定件和运动件；所述固定件上平行设置有两条导轨，所述两条导轨内侧平行设置有两条丝杠，所述两条丝杠的一端连接设置在所述固定件上的驱动电机，所述两条丝杠的另一端设置在所述固定件上；所述运动件穿设在所述两条丝杠上，所述运动件上设置有与所述丝杠螺纹连接的螺母，所述运动件上设置有沿所述两条导轨滑动的滑块。

2.如权利要求1所述的一种双丝杠驱动机床的丝杠导轨驱动装置，其特征在于：所述运动件呈“工”字形，其上下端的左右两侧均设置有供所述丝杠穿过的通孔，所述螺母分别设置在每一所述通孔内；所述滑块设置在所述运动件上、各所述通孔的外侧。

3.如权利要求1所述的一种双丝杠驱动机床的丝杠导轨驱动装置，其特征在于：所述驱动电机通过电机座设置在所述固定件上。

4.如权利要求2所述的一种双丝杠驱动机床的丝杠导轨驱动装置，其特征在于：所述驱动电机通过电机座设置在所述固定件上。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种双丝杠驱动机床的丝杠导轨驱动装置，其特征在于：所述固定件是立滑板，所述运动件是主轴箱，所述导轨设置在所述立滑板外侧，所述丝杠设置在所述立滑板内侧。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种双丝杠驱动机床的丝杠导轨驱动装置，其特征在于：所述固定件是立柱，所述运动件是立滑板和主轴箱，所述导轨设置在所述立柱外侧，所述丝杠设置在所述立柱内侧。

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