CN102922286A - 一种宏微结合精密微小型复合加工机床 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宏微结合精密微小型复合加工机床，属于机械制造技术领域，包括床身、车削电主轴箱、电主轴、精密十字滑台、三自由度微动平台、快换主轴座、转台、读数头和光栅尺，精密十字滑台能实现X轴和Z轴方向上的宏动，三自由度微动平台能实现X、Y和Z轴方向上的微动，车削电主轴箱能够实现C轴运动，转台能够实现B轴运动，该机床能进行车、铣、磨、抛、钻、镗等高精度加工和车铣、车磨高精度复合加工，具有八轴可控和任意五轴联动的多轴数控加工能力，且采用宏动和微动结合，实现对运动部件精度的实时检测和补偿，即本发明能够实现三维微小型复杂异构件的高精度完整加工，且具有高转速、多功能、多工艺复合的特点，功能可靠、体积较小。

Description

一种宏微结合精密微小型复合加工机床

技术领域

本发明涉及一种机床，具体涉及一种宏微结合精密微小型复合加工机床，属于机械制造技术领域。

背景技术

随着航空航天、国防工业、微电子工业、现代医学以及生物工程技术的发展,对精密超精密三维微小型复杂异构件（特征尺寸在微米级到毫米级）的需求日益迫切。三维微小型复杂异构件，其特点是尺寸小，加工工序多，精度要求高，结构复杂。为实现微小型复杂结构件的微米、亚微米级精度的加工，通常要求一次装夹加工完成，这就要求加工设备具有高转速、高精度、多功能、多工艺复合的特点，如应具有车、铣、车铣、磨、车磨、抛、钻、镗等功能，但目前传统常规尺寸的精密超精密机床多数没有在一台机床上集成上述多种功能，尤其是磨、抛功能，难以实现一次装夹的完整性加工，也无法满足高精度高表面质量的需求，且其价格很高，不宜用于微小型结构件加工。因此，有必要研制一种新型精密微小型复合加工机床来满足三维微小型复杂异构件的高精度多工艺复合加工的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种宏微结合精密微小型复合加工机床，能够完成对三维复杂微小型异构件的亚微米级高精度完整加工，包括车、铣、车铣、磨、车磨、抛、钻、镗等功能，克服了普通加工机床不能同时完成车铣磨抛等工序，可以大大提高加工精度与加工效率，降低成本。

该复合加工机床包括床身、XZ轴精密十字滑台、车削主轴箱、车削电主轴、主轴座、电主轴、Y轴立柱、B轴转台、空气隔振立柱、三自由度微动平台、支撑架、Y轴溜板、连接块、滚珠丝杠螺母副、Y轴电机、带轮d和带轮e；

其中Y轴立柱为方形空腔结构，Y轴立柱的左侧面沿竖直方向安装有导轨；XZ轴精密十字滑台包括X轴滑台和Z轴滑台，Z轴滑台安装在X轴滑台上表面并能在X轴滑台上沿Z轴方向滑动；

整体安装关系：XZ轴精密十字滑台水平安装在床身的上端面，X轴滑台能在床身上沿X轴方向滑动且与Z轴滑台滑动的方向垂直，车削主轴箱安装在Z轴滑台上，车削电主轴水平安装在主轴箱内，车削电主轴的端部装夹工件，可以装夹回转类工件如盘状、杆状等；

B轴转台的底座固定在床身上端面并与车削电主轴的位置相对，Y轴立柱垂直固定在B轴转台的旋转座上；Y轴立柱的左侧面上安装Y轴溜板，且Y轴溜板与Y轴立柱的导轨相配合并能上下运动，滚珠丝杠螺母副丝杠的中部固定在Y轴立柱的上端面，丝杠的上端套装有带轮d，滚珠丝杠螺母副的螺母位于Y轴立柱的方形空腔内，且螺母上套装连接块，连接块与Y轴溜板固连，支撑架垂直安装在Y轴溜板上，三自由度微动平台安装在支撑架上端面，主轴座通过连接板安装在三自由度微动平台的上端面，主轴座上安装电主轴；Y轴电机通过连接板安装在Y轴立柱的右侧面上，Y轴电机的输出轴上套装带轮e，带轮e和带轮d之间通过皮带传动；床身的底面由四个空气隔振立柱支撑。

所述的机床还包括排刀架和龙门式主轴刀具架，其中龙门式主轴刀具架安装在床身的上端面且位于B轴转台的一侧，排刀架安装在龙门式主轴刀具架的上端面，排刀架上放置有刀具，龙门式主轴刀具架的上端面也安装有主轴座，主轴座上安装电主轴。

所述的主轴座包括上盖板、下盖板、两根销轴和菱形螺母，其中上盖板的下端面和下盖板的上端面分别水平贯穿加工有半圆形槽，上盖板的一端由前到后加工有销轴孔，另一端由上到下加工有弧形通孔；下盖板一个侧面的中部加工有矩形凹槽使两侧形成卡台；

上盖板一端的销轴孔内安装销轴，且销轴两端与下盖板的卡台连接，上盖板另一端的弧形通孔也安装销轴且销轴的上端套装菱形螺母，菱形螺母与上盖板的弧形通孔相配合，上盖板和下盖板形成的圆形槽内安装电主轴，以实现电主轴的快速更换。

所述的机床使用光栅进行位置精度检测，分辨率达到1nm，包括Y轴光栅读数头、Y轴光栅尺、B轴光栅读数头、B轴圆光栅尺、Z轴光栅尺、Z轴读数头、X轴光栅尺和X轴读数头；分别实现对X、Y、Z以及B轴的位置检测，同时反馈给控制系统。

Y轴光栅读数头安装在Y轴立柱上，Y轴光栅尺安装在Y轴溜板上，B轴光栅读数头安装在B轴转台的底座上，B轴圆光栅尺安装在B轴转台的旋转座上，X轴读数头安装在床身上，X轴光栅尺和Z轴读数头安装在X轴滑台上，Z轴光栅尺安装在Z轴滑台上，且所有的读数头和光栅尺的位置相对，以实现机床各运动部件的闭环控制。

有益效果：（1）本发明通过XZ轴精密十字滑台和Y轴溜板实现X、Y、Z三个方向的宏动，其定位精度为微米级，通过三自由度微动平台也实现X、Y、Z三个方向的微动，其定位精度为10nm，宏动和微动结合运动，定位精度可达纳米级，车削电主轴具有C轴分度功能，工件可以在C向360度范围内任意定位，定位精度达到3″，Y轴立柱本身可旋转实现B轴分度功能，从而使机床具有八轴可控和五轴联动功能，实现对工件不同表面的车、铣、车铣、磨、车磨、抛、钻、镗等加工，使机床整体结构成本低、功能可靠且加工精度高；（2）本发明在机床上设置有刀具架，用于放置待更换的电主轴和排刀架，且刀具架采用龙门式，体积小、结构简单；（3）本发明的主轴座由上盖板和下盖板通过销轴和菱形螺母连接，当需要更换主轴时，旋开菱形螺母，打开上盖板即可快速更换所需主轴，整体结构简单、灵活且精度易于保证；（4）本发明通过读数头和光栅尺来检测在X、Y、Z和B轴的运动，从而实现精确定位。

附图说明

图1为本发明机床的整体结构图。

图2为本发明快换主轴座的主视图。

图3为本发明快换主轴座的俯视图。

图4为本发明的局部剖视图。

其中，1-床身、2-XZ轴精密十字滑台、3-车削主轴箱、4-车削电主轴、5-快换主轴座a、6-磨削电主轴、7-抛光电主轴、8-铣削电主轴、9-排刀架、10-龙门式主轴刀具架、11-Y轴立柱、12-B轴转台、13-Y轴光栅读数头、14-Y轴光栅尺、15-B轴光栅读数头、16-B轴圆光栅尺、17-Z轴光栅尺、18-Z轴读数头、19-X轴光栅尺、20-X轴读数头、22-空气隔振立柱、24-三自由度微动平台、25-支撑架、26-Y轴溜板、27-连接块、28-滚珠丝杠螺母副、32-Y轴电机、33-带轮d、36-带轮e、37-上盖板、38-下盖板、39-菱形螺母、41-快换主轴座b、42-快换主轴座c

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了一种宏微结合精密微小型复合加工机床，该机床的坐标系分为宏动X、Y、Z，微动平台坐标系X₁、Y₂、Z₃、B和C轴，B轴绕Y轴旋转，C轴绕Z轴旋转；

该复合加工机床包括床身1、XZ轴精密十字滑台2、车削主轴箱3、车削电主轴4、快换主轴座a5、磨削电主轴6、抛光电主轴7、铣削电主轴8、排刀架9、龙门式主轴刀具架10、Y轴立柱11、B轴转台12、Y轴光栅读数头13、Y轴光栅尺14、B轴光栅读数头15、B轴圆光栅尺16、Z轴光栅尺17、Z轴读数头18、X轴光栅尺19、X轴读数头20、空气隔振立柱22、三自由度微动平台24、支撑架25、Y轴溜板26、连接块27、滚珠丝杠螺母副28、Y轴电机32、带轮d33、带轮e36、快换主轴座b41和快换主轴座c42；

其中床身1为长方体，其上端面还安装有两道导轨；Y轴立柱11为方形空腔结构，Y轴立柱11的左侧面沿竖直方向平行安装有两道导轨。

XZ轴精密十字滑台2包括X轴移动台和Z轴移动台，X轴移动台包括X轴滑台、X轴电机和滚珠丝杠螺母副，X轴滑台的底面平行加工有两道滑块，X轴滑台的上端面也安装有两道导轨，且滑块与导轨的布置方向互相垂直；Z轴移动台包括Z轴滑台、Z轴电机和滚珠丝杠螺母副，Z轴滑台的底面平行加工有两道滑块；安装关系：X轴电机安装在X轴滑台的后侧面，且其输出轴与滚珠丝杠螺母副的丝杠固连，滚珠丝杠螺母副的螺母安装在X轴滑台的内部且与之固连；Z轴电机安装在Z轴滑台的左侧面，且其输出轴与滚珠丝杠螺母副的丝杠连接，滚珠丝杠螺母副的螺母安装在Z轴滑台的底部且与之固连；Z轴移动台的Z轴滑台安装在X轴移动台的X轴滑台上，且Z轴滑台底面的滑块与X轴滑台上端面的导轨相配合。

如附图2及附图3所示，快换主轴座a5、快换主轴座b41和快换主轴座c42均包括上盖板37、下盖板38、两根销轴和菱形螺母39，其中上盖板37的下端面和下盖板38的上端面分别水平加工有贯穿前后侧面的半圆形槽，上盖板37的一端从前到后加工有销轴孔，另一端从上到下加工有弧形通孔；下盖板38左侧面的中部加工有矩形凹槽使两侧形成卡台；安装关系：上盖板37一端的销轴孔内安装销轴，且销轴两端与下盖板38的卡台连接，上盖板37另一端的弧形通孔也安装销轴且销轴的上端套装菱形螺母39，菱形螺母39与上盖板37的弧形通孔相配合；当需要更换主轴时，旋开菱形螺母39，打开上盖板37，即可快速更换所需主轴。

整体安装关系：XZ轴精密十字滑台2安装在床身1的上端面，且X轴滑台上的滑块与床身1上的导轨相配合，车削主轴箱3安装在Z轴移动台的Z轴滑台上端面上，车削电主轴4水平安装在主轴箱3内，车削电主轴4的端部安装工件；

龙门式主轴刀具架10安装在床身1的上端面，排刀架9安装在龙门式主轴刀具架10上端面的一侧，排刀架9上放置有刀具，快换主轴座b41和快换主轴座c42分别通过下盖板38平行安装在门式主轴刀具架10上端面的中部和另一侧，快换主轴座b41上安装抛光电主轴7，快换主轴座c42上安装磨削电主轴6；

B轴转台12的底座安装在床身1的上端面并与车削电主轴4的位置相对，Y轴立柱11安装在B轴转台12的旋转座上；如附图4所示，Y轴立柱11的左侧面上安装Y轴溜板26，且Y轴溜板26与Y轴立柱11的导轨相配合，滚珠丝杠螺母副28丝杠的中部固定在Y轴立柱11的上端面，丝杠的上端套装有带轮d36，滚珠丝杠螺母副28的螺母位于Y轴立柱11内，且螺母上套装连接块27，连接块27与Y轴溜板26固连，支撑架25垂直安装在Y轴溜板26上，三自由度微动平台24安装在支撑架25上端面，快换主轴座a5通过连接板安装在三自由度微动平台24的上端面，快换主轴座a5上安装铣削电主轴8；Y轴电机32通过连接板安装在Y轴立柱11的右侧面上，Y轴电机32的输出轴上套装带轮e33，带轮e33和带轮d36之间通过皮带连接。

Y轴光栅读数头13安装在Y轴立柱11上，Y轴光栅尺14安装在Y轴溜板26上，且Y轴光栅读数头13与Y轴光栅尺14位置相对，当Y轴溜板26在Y轴立柱11上下移动时，Y轴光栅读数头13检测Y轴光栅尺14的位置，从而实现Y轴的精确定位。B轴光栅读数头15安装在B轴转台12的底座上，B轴圆光栅尺16安装在B轴转台12的旋转座上，且B轴光栅读数头15与B轴圆光栅尺16位置相对，用来检测Y轴立柱在B轴转台12上的转动位置。X轴读数头20安装在床身1上，X轴光栅尺19和Z轴读数头18安装在X轴滑台上，Z轴光栅尺17安装在Z轴滑台上，且X轴读数头20和X轴光栅尺19位置相对，Z轴光栅尺17和Z轴读数头18位置相对，用于检测XZ轴精密十字滑台2在Z向和X向的运动。

床身1的底面由四个空气隔振立柱22支撑。

工作原理：X轴电机带动滚珠丝杠螺母副的丝杠转动，并带动螺母沿X轴水平移动，从而带动X轴滑台沿X轴水平移动，Z轴电机带动滚珠丝杠螺母副的丝杠转动，并带动螺母沿Z轴水平移动，从而带动Z轴滑台沿Z轴水平移动，实现XZ轴精密十字滑台2在X轴和Z轴的精确定位，车削电主轴4带动工件转动，实现C轴方向的运动；

电机32的输出轴带动带轮e33转动，通过带轮d36和带轮e33皮带传动，即带动带轮d36转动，从而带动滚珠丝杠螺母副28的丝杠转动，并带动滚珠丝杠螺母副28的螺母上下移动，即带动螺母上的连接块27上下移动，从而带动Y轴溜板26上下移动，实现Y轴的进给运动，B轴转台12的旋转座带动Y轴立柱转动，实现B轴方向的运动；同时三自由度微动平台24能够带动快换主轴座沿X轴、Y轴、Z轴方向运动，从而带动电主轴及其刀具实现微位移。

车削时，加工轴为X轴、Z轴以及三自由度微动平台的X轴和Z轴。将装有车刀的排刀架9置于三自由度微动平台24上，车削主轴4上装夹的工件绕Z轴方向做旋转运动，且具有分度定位功能，实现车削加工的主运动；车削宏动进给由XZ轴精密滑台2带动车削主轴箱3沿X向导轨和Z向导轨运动完成，沿X向为径向进给，沿Z向为轴向进给，这个过程中，三自由度微动平台24位置不变，当X轴和Z轴光栅尺检测到刀具和工件的相对位置误差处在三自由度微动平台24的行程范围内时，反馈给数控系统，控制宏动平台停止移动，将光栅尺测得的位置误差值输入三自由度微动平台24的控制系统，三自由度微动平台24带动排刀架9运动，分别对X和Z轴宏动进行误差补偿，实现轴向径向进给的精确控制。

铣削时，加工轴为X轴、Y轴、Z轴、B轴、C轴和三自由度微动平台的X₁轴、Y₂轴、Z₃轴。将龙门式主轴刀具架10上的铣削电主轴8连同快换主轴座a5一并取下，与三自由度微动台24上的排刀架9进行位置互换。铣削电主轴8端部可以装夹多种铣刀，实现铣削加工的主运动；铣削电主轴8沿Y轴立柱上的Y向导轨运动，实现Y向进给，车削主轴箱3在XZ精密十字滑台2的带动下沿X向和Z向导轨运动，实现径向和轴向宏进给，B轴转台可以带动Y轴立柱旋转分度，即为B轴运动，三自由度微动平台24可以在X、Y、Z三个方向对宏进给进行补偿，实现精确进给。铣削过程中C轴锁紧，加工完某一特征后，不用重新装夹工件，C轴带动工件旋转一定角度，开始另一特征的加工。

车铣复合加工时，加工轴为X轴、Y轴、Z轴和三自由度微动平台的X₁轴、Y₂轴、Z₃轴。铣削主轴端部安装有铣刀，实现车铣的进给运动，铣削主轴沿Y轴立柱上的Y向导轨运动，带动铣刀实现车铣的切深进给运动，即为Y轴运动；车削主轴箱在XZ精密十字滑台的Z轴滑台带动下，沿Z向导轨运动，即为Z轴运动；三自由度微动平台的X₁轴、Y₂轴、Z₃轴分别对X₁轴、Y₂轴、Z₃轴宏动进给进行补偿，实现精确进给。

钻孔时，将Y轴立柱11在B轴转台的带动下可实现对工件任意角度的钻孔，当旋转90度，即可对工件进行端面钻孔加工。磨抛时，分别更换磨削电主轴8和抛光电主轴7进行加工，加工过程同铣削过程。车磨加工过程同车铣加工过程。

加工完每一道工序后，如需更换主轴，可将Y轴溜板26旋转至易于更换的位置，松开菱形螺母39，抬起主轴座上盖，取下主轴，快速换上所需的主轴，再拧紧菱形螺母39。

在各种加工过程中，XYZ三轴均可以宏动和微动相结合，从而实现高精度定位与精确进给。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种宏微结合精密微小型复合加工机床，其特征在于，该复合加工机床包括床身（1）、XZ轴精密十字滑台（2）、车削主轴箱（3）、车削电主轴（4）、主轴座、电主轴、Y轴立柱（11）、B轴转台（12）、空气隔振立柱（22）、三自由度微动平台（24）、支撑架（25）、Y轴溜板（26）、连接块（27）、滚珠丝杠螺母副（28）、Y轴电机（32）、带轮d（33）和带轮e（36）；

其中Y轴立柱（11）为方形空腔结构，Y轴立柱（11）的左侧面沿竖直方向加工有导轨；XZ轴精密十字滑台（2）包括X轴滑台和Z轴滑台，Z轴滑台安装在X轴滑台上表面并能在Z轴滑台上滑动；

整体安装关系：XZ轴精密十字滑台（2）水平安装在床身（1）的上端面，X轴滑台能在床身（1）上沿X轴方向滑动且与Z轴滑台滑动的方向垂直，车削主轴箱（3）安装在Z轴滑台上，车削电主轴（4）水平安装在主轴箱（3）内，车削电主轴（4）的端部可装夹工件；

B轴转台（12）的底座固定在床身（1）上端面并与车削电主轴（4）的位置相对，Y轴立柱（11）垂直固定在B轴转台（12）的旋转座上；Y轴立柱（11）的左侧面上安装Y轴溜板（26），且Y轴溜板（26）与安装在Y轴立柱（11）上的导轨连接并通过滚珠丝杠螺母副实现上下运动，滚珠丝杠螺母副（28）丝杠的中部固定在Y轴立柱（11）的上端面，丝杠的上端套装有带轮d（36），滚珠丝杠螺母副（28）的螺母位于Y轴立柱（11）的方形空腔内，且螺母上套装连接块（27），连接块（27）与Y轴溜板（26）固连，支撑架（25）垂直安装在Y轴溜板（26）上，三自由度微动平台（24）安装在支撑架（25）上端面，主轴座通过连接板安装在三自由度微动平台（24）的上端面，主轴座上安装电主轴；Y轴电机（32）通过连接板安装在Y轴立柱（11）的右侧面上，Y轴电机（32）的输出轴上套装带轮e（33），带轮e（33）和带轮d（36）之间通过皮带传动；床身（1）的底面由四个空气隔振立柱（22）支撑。

2.如权利要求1所述的一种宏微结合精密微小型复合加工机床，其特征在于，所述的机床还包括排刀架（9）和龙门式主轴刀具架（10），其中龙门式主轴刀具架（10）安装在床身（1）的上端面且位于B轴转台（12）的一侧，排刀架（9）安装在龙门式主轴刀具架（10）的上端面，排刀架（9）上放置有刀具，龙门式主轴刀具架（10）的上端面也安装有主轴座，主轴座上安装电主轴。

3.如权利要求1所述的一种宏微结合精密微小型复合加工机床，其特征在于，所述的主轴座包括上盖板（37）、下盖板（38）、两根销轴和菱形螺母（39），其中上盖板（37）的下端面和下盖板（38）的上端面分别水平贯穿加工有半圆形槽，上盖板（37）的一端由前到后加工有销轴孔，另一端由上到下加工有弧形通孔；下盖板（38）一个侧面的中部加工有矩形凹槽使两侧形成卡台；

上盖板（37）一端的销轴孔内安装销轴，且销轴两端与下盖板（38）的卡台连接，上盖板（37）另一端的弧形通孔也安装销轴且销轴的上端套装菱形螺母（39），菱形螺母（39）与上盖板（37）的弧形通孔相配合，上盖板（37）和下盖板（38）形成的圆形槽内安装电主轴，以实现电主轴的快速更换。

4.如权利要求1所述的一种宏微结合精密微小型复合加工机床，其特征在于，所述的机床还包括Y轴光栅读数头（13）、Y轴光栅尺（14）、B轴光栅读数头（15）、B轴圆光栅尺（16）、Z轴光栅尺（17）、Z轴读数头（18）、X轴光栅尺（19）和X轴读数头（20）；

Y轴光栅读数头（13）安装在Y轴立柱（11）上，Y轴光栅尺（14）安装在Y轴溜板（26）上，B轴光栅读数头（15）安装在B轴转台（12）的底座上，B轴圆光栅尺（16）安装在B轴转台（12）的旋转座上，X轴读数头（20）安装在床身（1）上，X轴光栅尺（19）和Z轴读数头（18）安装在X轴滑台上，Z轴光栅尺（17）安装在Z轴滑台上，且所有的读数头和光栅尺的位置相对，以实现机床各运动部件的闭环控制。

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