CN102357833A - 复杂曲面多轴联动加工机床的垂直轴配重装置 - Google Patents

Abstract

复杂曲面多轴联动加工机床的垂直轴配重装置，本发明涉及一种复杂曲面多轴联动加工机床的配重装置。为解决在复杂曲面多轴联动加工机床的垂直轴上应用的直线电机平台或滚珠丝杠导轨的承载能力有限及质心偏离问题。大配重块与两个小配重块连接，大配重块与吊环螺钉连接，大配重块的每个轴承通孔内装有法兰直线轴承，每两个法兰直线轴承的内孔中装有一根光轴，法兰直线轴承与光轴滑动配合，每根光轴与两个光轴支承座连接，每根光轴上套装有限位弹簧，两个导轮连接板之间垂直设置有两个支承轴，每个支承轴与两块导轮连接板连接，每个导线轮通过轴孔配合与支承轴连接，绳索的两端与吊环螺钉和负载连接。本发明用于复杂曲面多轴联动加工机床。

Description

复杂曲面多轴联动加工机床的垂直轴配重装置

技术领域

本发明涉及一种复杂曲面多轴联动加工机床的配重装置。

背景技术

随着现代科技的迅猛发展，许多尖端装备需要各种典型结构与复杂面形的高精度零件，这些零件的制造大多采用高精度多轴联动加工机床来实现，如仿生光学复眼自由曲面、光学晶体微缺陷的曲面修复等等复杂曲面零件，均需要三轴或五轴联动的精密超精密机床来实现其加工。在复杂曲面多轴联动加工机床的研制过程中，大多采用由三个直线移动轴和两个旋转轴构成五轴联动的加工系统，其中的三个直线轴中有一个轴为垂直轴，垂直轴可采用直线电机平台或滚珠丝杠导轨来完成。在机床设计时，需要在垂直轴上安装旋转电机和微铣削刀具主轴等，这将使得该部分的质量增大，并造成其质心远偏离垂直移动轴滑块平面，因而使得该直线移动轴的工作性能、微量进给精度及其稳定性等受到很大的影响。为了满足复杂型面零件多轴联动机床的加工精度和工作性能的要求，必须对垂直轴进行相应的有效配重，以减少甚至消除相关因素给垂直移动轴的工作性能等带来的影响，由此提高多轴联动机床的整体加工精度和使用性能。在高精度多轴联动机床的设计和制造过程中，垂直移动轴如何稳定可靠地实现其配重是多轴联动机床研制的关键环节，这正是本发明的意义所在。

发明内容

本发明为解决在复杂曲面多轴联动加工机床的垂直轴上应用的直线电机平台或滚珠丝杠导轨的承载能力有限及质心偏离等核心问题，提供一种复杂曲面多轴联动加工机床的垂直轴配重装置。

本发明的复杂曲面多轴联动加工机床的垂直轴配重装置，用以平衡直线电机平台或滚珠丝杠导轨的滑块部分质量和载荷质量，解决其质心偏离问题。从而，使多轴联动机床在复杂结构或自由曲面零件加工过程中，垂直轴所承受的载荷在允许的范围之内，以保证零件加工工作的正常进行。同时，该装置通过合理的结构设计，以及选择合适的配重质量、绳索弹性系数以及绳索斜拉角度，使得垂直轴的受力状况达到最佳，从而保证垂直轴在运动过程中能达到最佳的工作性能，以确保垂直轴的微量进给精度及其运动平衡性。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种复杂曲面多轴联动加工机床的垂直轴配重装置，所述垂直轴配重装置包括配重单元和导轮单元；所述配重单元包括配重块、吊环螺钉、四个光轴支承座垫片、四个光轴支承座、六个限位弹簧、四个法兰直线轴承和两个光轴；所述配重块包括大配重块和两个小配重块；所述导轮单元包括绳索、导轮支撑件、两个支承轴、导轮支撑连接件、两个导线轮、四个轴端挡圈和两个导轮连接板；

大配重块的上端面与两个小配重块连接，两个小配重块相对于大配重块的竖直方向的中心线对称设置，大配重块的上端面的中心处连接有吊环螺钉，大配重块上沿其厚度方向加工有两个轴承通孔，两个轴承通孔相对于大配重块的竖直方向的中心线对称设置，并靠近大配重块的外侧壁设置，每个轴承通孔内装有两个相对设置的法兰直线轴承，每个法兰直线轴承与大配重块连接，每两个相对设置的法兰直线轴承的内孔中装有一根光轴，法兰直线轴承与光轴滑动配合，每根光轴的上端面和下端面各与一个光轴支承座连接，每个光轴支承座与机床本体相邻的一侧端面上固定有一个光轴支承座垫片，每根光轴上套装有三个限位弹簧，配重单元通过四个光轴支承座和四个光轴支承座垫片与机床本体连接；

两个导轮连接板并列设置，两个导轮连接板之间垂直设置有两个支承轴，每个支承轴的两端分别通过一个轴端挡圈与两块导轮连接板连接，每个导线轮通过轴孔配合与支承轴连接，绳索绕过两个导线轮，绳索的一端与吊环螺钉连接，绳索的另一端与负载连接，导轮支撑件的上端与两块导轮连接板连接，且导轮支撑件的上端设置在两个导线轮之间，导轮支撑件的下端与导轮支撑连接件连接，配重单元通过导轮支撑连接件与机床本体连接。

本发明的有益效果是：

1、本发明的装置可以通过对小配重块质量的精确调整，并在这两个小配重块上添加若干个不同质量的调整垫片，由此可以很好的平衡负载部分的重量，从而能够有效改善直线电机平台或滚珠丝杠导轨的受力状况；

2、当多轴联动机床意外掉电或失控时，该装置安装有限位弹簧，对负载部分可有效的起到缓冲和限位的作用，由此防止直线电机平台或滚珠丝杠导轨受到刚性冲击；另外可防止刀具与工件之间发生碰撞，以保护刀具的完好性；

3、配重块在运动过程中由两根光轴对其进行导向，并且其间的摩擦系数极小，该机构有效地确定了配重块的运动方向，减小了配重块的质心偏离，对负载部分实现了稳定可靠的配重。

4、通过改变绳索的材质，亦即改变绳索的弹性系数，可以调整该机械系统的动态性能，使其处于最佳工作状态。

5、本发明的装置整体结构简单，装配和拆卸都很方便，因而便于维护。

附图说明

图1是本发明的复杂曲面多轴联动加工机床的垂直轴配重装置的受力分析图，图2是本发明装置中的配重块的位移分析简图，图3是本发明装置的整体结构主视图，图4是图3的左视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明，本实施方式的复杂曲面多轴联动加工机床的垂直轴配重装置，所述垂直轴配重装置包括配重单元和导轮单元；所述配重单元包括配重块34、吊环螺钉22、四个光轴支承座垫片25、四个光轴支承座1、六个限位弹簧2、四个法兰直线轴承3和两个光轴7；所述配重块34包括大配重块4和两个小配重块5；所述导轮单元包括绳索8、导轮支撑件10、两个支承轴13、导轮支撑连接件9、两个导线轮11、四个轴端挡圈12和两个导轮连接板14；

大配重块4的上端面与两个小配重块5连接，两个小配重块5相对于大配重块4的竖直方向的中心线对称设置，大配重块4的上端面的中心处连接有吊环螺钉22，大配重块4上沿其厚度方向加工有两个轴承通孔，两个轴承通孔相对于大配重块4的竖直方向的中心线对称设置，并靠近大配重块4的外侧壁设置，每个轴承通孔内装有两个相对设置的法兰直线轴承3，每个法兰直线轴承3与大配重块4连接(通过内六角螺钉23连接)，每两个相对设置的法兰直线轴承3的内孔中装有一根光轴7，法兰直线轴承3与光轴7滑动配合(即法兰直线轴承3可以在光轴7上顺利滑动，由于光轴7与法兰直线轴承3之间的间隙很小，大配重块4在竖直方向上滑动时，其重心基本不会偏离竖直位置，因此，大配重块4的运动是稳定可靠的)，每根光轴7的上端面和下端面各与一个光轴支承座1连接，每个光轴支承座1与机床本体26相邻的一侧端面上固定有一个光轴支承座垫片25(可保证大配重块4不与机床本体26产生干涉)，每根光轴7上套装有三个限位弹簧2(它们在大配重块4上下运动时起着缓冲的作用，以保护直线电机平台或滚珠丝杠导轨在断电等意外情况下不会受到刚性冲击，可最大限度地保证机床垂直轴的直线运动精度及工作安全)，配重单元通过四个光轴支承座1和四个光轴支承座垫片25与机床本体26连接；

两个导轮连接板14并列设置，两个导轮连接板14之间垂直设置有两个支承轴13，每个支承轴13的两端分别通过一个轴端挡圈12与两块导轮连接板14连接，每个导线轮11通过轴孔配合与支承轴13连接，绳索8绕过两个导线轮11，绳索8的一端与吊环螺钉22连接，绳索8的另一端与负载27连接，导轮支撑件10的上端与两块导轮连接板14连接(通过螺钉连接)，且导轮支撑件10的上端设置在两个导线轮11之间，导轮支撑件10的下端与导轮支撑连接件9连接(通过螺钉连接)，配重单元通过导轮支撑连接件9与机床本体26连接。

具体实施方式二：结合图1和图2说明，本实施方式的套装在每根光轴7上三个限位弹簧2的具体设置位置如下：与每根光轴7的上端面连接的光轴支承座1至大配重块4的上端面之间设置有一个限位弹簧2，与每根光轴7的下端面连接的光轴支承座1至大配重块4的下端面之间设置有两个限位弹簧2。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明，本实施方式的每个小配重块5的上端面与至少一个调整垫片28连接(通过双头螺柱21连接，这两个小配重块5的质量可改变，并且可在这两个小配重块5上添加若干个不同质量的调整垫片28，根据直线电机或滚珠丝杠工作平台部分及负载的质量变化，可起到综合调节整个配重部分质量的作用)。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1和图2说明，本实施方式的绳索为钢丝绳。其它与具体实施方式一、二或三相同。

对本发明的复杂曲面多轴联动加工机床的垂直轴配重装置进行如下理论分析：

对于直线电机平台或滚珠丝杠导轨来说，其负载27主要包括四部分，即滑块29、旋转电机30、电主轴31和连接件32，上述四部分的质量分别定义为：滑块29的质量m₁、旋转电机30的质量m₂、电主轴31的质量m₃以及连接件32的质量m₄，如图1所示。设负载27的总重量为G₁，即有

G₁＝(m₁+m₂+m₃+m₄)g    (1)

设整个负载27的重心在点A处，且点A到机床本体26右侧面(即与滑块29相邻的侧面)的距离设为L₂；设配重块34的总重量为G₂，其重心在点B处；绳索8的一端与配重块34相连，另一端与负载27的C点相连；设C点与机床本体26右侧面(即与滑块29相邻的侧面)的距离为L₁。当滑块29处于零位时，绳索8与负载27连接的一端的延长线恰好能交于负载27的重心A点处，此时，两个导线轮11中与负载27相邻的一个导线轮11与绳索8相切的点至C点的垂直距离为H，并且绳索8与垂直线的角度为θ。

在滑块29处于零位时，通过适当选取配重块34的质量，使得负载27所受绳索8的拉力T与负载27的重量G₁的合力垂直于机床本体26的右侧面(即与滑块29相邻的侧面)，此时右侧移动副33仅承受正压力；有以下关系式：

G₂＝T            (2)

Tcosθ＝G₁         (3)

由以上(1)(2)(3)式可得：

G₂＝(m₁+m₂+m₃+m₄)g/cosθ     (4)

当滑块29离开零位而做上下运动时，由于在机床工作过程中，该滑块29的上下移动行程很小，仅有几个至十几个毫米左右，其值相对于H值来说可以忽略不计。因此，右侧移动副33的受力情况基本不变。

设绳索8的弹性系数为K，负载27和配重块34的质量分别用m_a和m_b表示。对于直线电机或滚珠丝杠，如要求其运动，设其所需要的驱动力为F，如图2所示。负载27和配重块34的位移分别用y_a和y_b表示，绳索8的相对变形量用Δy表示，假设当滑块29处于零位时有Δy＝0。另外，设负载27与机床本体26间的摩擦系数为f_a，配重块34与机床本体26间的摩擦系数为f_b；

根据牛顿定律，可列出该机械系统的运动方程为：

$m_b{a}_b=\mathrm{K\Δy}-f_b\frac{{\mathrm{dy}}_b}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

$m_a{a}_a=F-\mathrm{K\Δ}y\cos \mathrm{\θ}-f_a\frac{{\mathrm{dy}}_a}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

式中

——负载的运动加速度；

——配重块34的运动加速度；

Δy＝y_a-y_b——绳索的相对变形量。

将(5)、(6)两式整理成标准形式为：

$m_b\frac{d^2{y}_b}{{\mathrm{dt}}^2}+f_b\frac{{\mathrm{dy}}_b}{\mathrm{dt}}-K(y_a-y_b)=0---\left(7\right)$

$m_a\frac{d^2{y}_a}{{\mathrm{dt}}^2}+f_a\frac{{\mathrm{dy}}_a}{\mathrm{dt}}+K(y_a-y_b)\cos \mathrm{\θ}=F---\left(8\right)$

通过上述理论分析，本发明可求解出配重块34的质量，并可根据摩擦运动副间的关系，求解出负载27的运动特性，由此来设计具体的配重装置结构。

Claims (4)

1.一种复杂曲面多轴联动加工机床的垂直轴配重装置，其特征在于：所述垂直轴配重装置包括配重单元和导轮单元；所述配重单元包括配重块(34)、吊环螺钉(22)、四个光轴支承座垫片(25)、四个光轴支承座(1)、六个限位弹簧(2)、四个法兰直线轴承(3)和两个光轴(7)；所述配重块(34)包括大配重块(4)和两个小配重块(5)；所述导轮单元包括绳索(8)、导轮支撑件(10)、两个支承轴(13)、导轮支撑连接件(9)、两个导线轮(11)、四个轴端挡圈(12)和两个导轮连接板(14)；

大配重块(4)的上端面与两个小配重块(5)连接，两个小配重块(5)相对于大配重块(4)的竖直方向的中心线对称设置，大配重块(4)的上端面的中心处连接有吊环螺钉(22)，大配重块(4)上沿其厚度方向加工有两个轴承通孔，两个轴承通孔相对于大配重块(4)的竖直方向的中心线对称设置，并靠近大配重块(4)的外侧壁设置，每个轴承通孔内装有两个相对设置的法兰直线轴承(3)，每个法兰直线轴承(3)与大配重块(4)连接，每两个相对设置的法兰直线轴承(3)的内孔中装有一根光轴(7)，法兰直线轴承(3)与光轴(7)滑动配合，每根光轴(7)的上端面和下端面各与一个光轴支承座(1)连接，每个光轴支承座(1)与机床本体(26)相邻的一侧端面上固定有一个光轴支承座垫片(25)，每根光轴(7)上套装有三个限位弹簧(2)，配重单元通过四个光轴支承座(1)和四个光轴支承座垫片(25)与机床本体(26)连接；

两个导轮连接板(14)并列设置，两个导轮连接板(14)之间垂直设置有两个支承轴(13)，每个支承轴(13)的两端分别通过一个轴端挡圈(12)与两块导轮连接板(14)连接，每个导线轮(11)通过轴孔配合与支承轴(13)连接，绳索(8)绕过两个导线轮(11)，绳索(8)的一端与吊环螺钉(22)连接，绳索(8)的另一端与负载(27)连接，导轮支撑件(10)的上端与两块导轮连接板(14)连接，且导轮支撑件(10)的上端设置在两个导线轮(11)之间，导轮支撑件(10)的下端与导轮支撑连接件(9)连接，配重单元通过导轮支撑连接件(9)与机床本体(26)连接。

2.根据权利要求1所述的一种复杂曲面多轴联动加工机床的垂直轴配重装置，其特征在于：套装在每根光轴(7)上三个限位弹簧(2)的具体设置位置如下：与每根光轴(7)的上端面连接的光轴支承座(1)至大配重块(4)的上端面之间设置有一个限位弹簧(2)，与每根光轴(7)的下端面连接的光轴支承座(1)至大配重块(4)的下端面之间设置有两个限位弹簧(2)。

3.根据权利要求1所述的一种复杂曲面多轴联动加工机床的垂直轴配重装置，其特征在于：每个小配重块(5)的上端面与至少一个调整垫片(28)连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种复杂曲面多轴联动加工机床的垂直轴配重装置，其特征在于：绳索为钢丝绳。

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