CN103358186B - 卧式加工中心整机结构及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械制造设备领域，具体为一种卧式加工中心整机结构及制造方法，属于机床中的数控加工中心设计与制造技术。本发明包括床身、立柱、主轴箱、刀库等，刚性床身倾斜表面设置回水孔，床身上左右移动的龙门框架式立柱米字筋布局，在立柱上下移动的主轴箱上电机直联ZF减速箱通过皮带把动力输送到主轴，松夹刀采用气液转换增压缸，床身前后移动的回转工作台采用模块化设计，床身左侧的可变频式ATC与方形刀库本体刚性连接，床身右侧使用L型电气柜，床身中间大流量切削液直冲与链板排屑器组合的方式，在电气设计方面拥有功能设置界面、维修计划功能、节能功能。本发明解决了现有普通卧式加工中心体积庞大、能耗高、维修复杂等问题。
Description
技术领域
本发明涉及机械制造设备领域，具体为一种卧式加工中心整机结构及制造方法，属于机床中的数控加工中心设计与制造技术。
背景技术
近年来，国家确定振兴装备制造业，重点支持大力发展16项重大技术装备项目，对机床工业的发展也有重大利好。针对目前国家对企业节能减排的要求，企业对机床产品也提出了新要求。经过细致的市场调研分析，目前市场需要体积小、能源消耗小、维护成本低，满足加工要求的机床。
卧式加工中心是指主轴轴线与工作台平行设置的加工中心，主要适用于加工箱体类零件，其工作原理是工件在加工中心上经一次装夹后，控制系统能自动选择不同的刀具，自动改变机床主轴转速，依次完成工件多个面上多工序的加工。
中国发明专利申请(申请号：200910187703.9)公开了一种高速卧式加工中心整机结构及制造方法，采用三点支撑方式，安装方便，确保精度稳定性。X向床身导轨呈前低后高阶梯状分布，能在保证Z轴强度的情况下，极大减轻移动部件立柱的重量，从而获得更高的加速度性能。采用中间排屑方式，可以把在高速加工中产生的大量切屑快速可靠的输送走，同时前侧还有两个螺旋排屑器并配合防护间顶部喷淋装置冲刷，避免切屑堆积，减少机床热变性，提高机床精度稳定性。双油缸驱动的工作台交换装置，确保工作台交换的平稳性，保证交换精度。
卧式加工中心适用于零件形状比较复杂和精度要求高的产品的批量生产，特别是箱体和复杂结构件的加工。在汽车、航空航天、船舶和发电等行业被大量用于复杂零件的精密和高效加工。其优势是能够大大提高生产效率，但是占地大、成本高、能耗高、维修复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种占地面积小、能耗小的卧式加工中心整机结构及制造方法，解决了现有普通卧式加工中心体积庞大、能耗高、维修复杂等问题，该结构保证机床结构紧凑、维修成本低，适应国家对节能减排的要求。
本发明的技术方案是：
一种卧式加工中心整机结构，整机包括床身、主轴箱、回转工作台、交换站、刀库、立柱，刚性床身倾斜表面设置回水孔，床身上左右移动的龙门框架式立柱采用在框架上的米字筋布局，在立柱上下移动的主轴箱上电机直联ZF减速箱通过加强型齿形带把动力输送到主轴，沿床身前后移动的回转工作台和三轴传动机构采用模块化设计，床身右侧使用L型电气柜，床身中间的冲屑结构与床身后部的链板式水箱排屑器组合，床身左侧的可变频式ATC自动换刀装置与方形刀库本体刚性连接；交换站固定在床身上，交换站使用成组配置的自润滑轴承Ⅰ、自润滑轴承Ⅱ承担偏载力。
所述的卧式加工中心整机结构,立柱在床身上左右移动为X轴，主轴箱在立柱上上下移动为Y轴，回转工作台在床身上前后移动为Z轴；刀库、冲屑结构的水箱排屑器、电气柜、液压站直接安装在床身上，液压站放置在床身左前侧。
所述的卧式加工中心整机结构,三轴传动机构采用交流伺服电机作为动力源，三轴传动机构滚珠丝杠作为传动部件，三轴传动机构两端轴承固定支撑，轴承两端安装油封。
所述的卧式加工中心整机结构,主轴箱部分结构采用主电机直联ZF减速箱，ZF减速箱与主轴通过加强型齿形带连接，通过加强型齿形带将动力1:1传递给主轴，ZF减速箱实现1:1和1:4两个档位，主轴的一端设置气液转换增压缸，主轴的松夹刀采用主轴后面的气液转换增压缸。
所述的卧式加工中心整机结构,回转工作台部分采用伺服电机通过皮带带动的蜗杆与蜗轮配合，蜗轮与下牙盘分别通过连接件、回转轴承配合，回转工作台与液压站通过液压管路连接，回转工作台锁紧动力来自于液压站；回转工作台偏置丝杠在滚柱直线导轨内侧，蜗杆采用双导程结构，通过蜗轮带动回转工作台和上牙盘在滚动轴承上分度，上牙盘、下牙盘啮合定位。
所述的卧式加工中心整机结构,交换站的交换臂安装在交换站中间心轴外侧，交换站中间心轴上下腔进油带动交换臂浮起落下，交换臂上安装台板，通过交换臂托起台板及上方固定的零件；
成组使用的自润滑轴承Ⅰ、自润滑轴承Ⅱ承担交换臂两侧重量差产生的偏载力；交换站中间心轴上安装齿轮齿条机构，齿轮齿条机构的齿轮安装在交换站中间心轴上，通过油缸带动齿条和齿轮实现左右旋转运动，油缸两端有旋转到位缓冲结构，采用偏心结构调整齿轮、齿条间隙。
所述的卧式加工中心整机结构,床身中间设有冲屑结构，冲屑结构包括提升式链板、冲屑水泵、水箱排屑器、喷头，具体结构如下：水箱排屑器直接在床身后侧，水箱排屑器上面集成提升式链板和冲屑水泵，水箱排屑器下方是集屑小车，冲屑水泵通过管路与床身前端的三个喷头连接；加工过程中，切削会堆积到床身中间，冲屑水泵通过管路将水箱里的切削液输送到床身前端的三个喷头处，将切削冲回到水箱排屑器里，由提升式链板排出，切削液循环利用。
所述的卧式加工中心整机结构,刀库的结构为，方形刀库本体和ATC自动换刀装置刚性连接，自动换刀装置通过刀库底座连接到床身上，自动换刀装置再通过支架将方形刀库本体上部分和床身连接。
所述的卧式加工中心整机结构,还包括用户参数设置界面和维修计划界面，其中，
用户功能设置界面将各种机床功能实现可视化，分成选项设置和延时设置两部分；选项设置部分采用下拉菜单形式，用户通过不同的菜单选项即可对机床各部分进行设置；在延时设置部分界面中，在对应延时后的对话框内直接输入延时即可；
维修计划界面将要维修的项目显示在系统人机接口HMI上，定期进行提示，在超出规定维修时间后机床采取相应的控制策略保护机床安全。
所述的卧式加工中心整机结构的制造方法,经三维软件设计后，采用ANSYS软件分析静态和动态特性，优化床身、立柱内部结构，创新的刀库、电气柜结构直接安装在床身上，保证整个机床宽度最小；主传动采用ZF减速箱控制档位，变档速度快，采用气液转换打刀缸，整个松夹刀时间1.8秒；驱动轴电机直联丝杠，配合高刚性滚柱导轨实现0.5g的加速性能；
采用西门子CTRL-ENERGY功能对系统进行节能优化，此功能使机床在整个生命周期内保持很高的能源利用率和生产率，从而使机床在最佳配置下运行。
本发明的技术特点及相应的显著效果是：
1、本发明床身上回水孔结构减少切削液残留，避免对光栅尺等部件造成伤害。
2、本发明龙门框架式立柱米字筋布局，减轻重量，提高刚性，更好的抵抗受力时扭曲变形。
3、本发明主轴部分ZF减速箱的应用，提高换挡效率，避免机械式换挡对齿轮轴的伤害。
4、本发明回转工作台采用双导程蜗轮保证传动精度，减少齿面磨损，延长使用寿命。
5、本发明交换站提升部分采用成组自润滑轴承结构，减小交换臂两端重量不一致带来的偏载磨损，采用偏心结构调整齿轮齿条间隙，保证使用寿命。
6、本发明特殊的刀库和电气柜结构，减少机床宽度和机床占地面积。
7、本发明用户功能设置界面将各种机床功能实现可视化，方便用户使用。
8、本发明维修计划功能可将要维修的项目显示在系统人机接口(HMI)上，定期进行提示，降低维修成本，延长机床使用寿命。
9、本发明采用西门子CTRL-ENERGY功能对系统进行节能优化，减少能源消耗。
附图说明
图1是卧式加工中心结构立体图；
图2是卧式加工中心结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是图2的左视图；
图5是主轴箱结构示意图；
图6是回转工作台结构示意图；
图7是交换站结构示意图；
图8是冲屑结构示意图；
图9是刀库结构图；
图10是用户功能设置界面；
图11是维修计划功能界面；
图12是刚性床身倾斜表面设置回水孔的结构示意图；
图13是立柱米字筋结构示意图；
图14是三轴传动机构示意图。
图中，1、减速箱；2加强型齿形带；3主轴；4上牙盘；5下牙盘；6回转轴承；7蜗杆；8蜗轮；9自润滑轴承Ⅰ；10自润滑轴承Ⅱ；11齿条；12齿轮；13提升式链板；14冲屑水泵；15水箱排屑器；16管路；17喷头；18方形刀库本体；19、自动换刀装置；20刀库底座；21床身；22支架；23主轴箱；24回转工作台；25交换站；26冲屑结构；27刀库；28电气柜；29液压站；30立柱；31米字筋；32回水孔；33三轴传动机构；34气液转换增压缸；35回转工作台偏置丝杠；36集屑小车；37三轴传动机构滚珠丝杠；38滚柱直线导轨；39台板；40交换臂；41油缸；42交换站中间心轴；43丝杠支撑轴承；44油封；45丝杆；46丝母；47伺服电机；48联轴器。
具体实施方式
如图1-图13所示，本发明卧式加工中心整机结构及制造方法，整机包括床身21、主轴箱23、回转工作台24、交换站25、刀库27、立柱30等，刚性床身21倾斜表面设置回水孔32(图12)，床身21上左右移动的龙门框架式立柱30采用在框架上的米字筋31(图13)布局，在立柱30上下移动的主轴箱23上电机直联ZF减速箱1通过加强型齿形带2把动力输送到主轴3，松夹刀采用气液转换增压缸(打刀缸)34，沿床身21前后移动的回转工作台24和三轴传动机构33采用模块化设计，床身21右侧使用最小空间的L型电气柜28，床身21中间的冲屑结构26大流量切削液(冷却液)直冲与床身21后部的链板式水箱排屑器15组合的方式，床身21左侧的可变频式ATC自动换刀装置19与方形刀库本体18刚性连接。交换站25固定在床身21上，交换站25的作用通过旋转交换方式将加工完成的零件和未加工的零件交换位置，批量生产时提高效率。交换站25使用成组配置的自润滑轴承Ⅰ9、自润滑轴承Ⅱ10承担偏载力，采用偏心结构调整齿轮12、齿条11间隙。采用结构优化的小型液压站29放置在床身21左前侧，拥有功能设置界面、维修计划功能、节能功能。在电气设计方面，拥有功能设置界面、维修计划功能、节能功能。
液压站29采用结构优化的小型液压站，本发明中，液压站29的规格型号是：NSP-27-22V2A3D-F1S-A0118A，生产厂家是：不二越。
如图3、图14所示，三轴传动机构33的结构和工作过程如下：
三轴传动机构33采用伺服电机47作为动力源，三轴传动机构滚珠丝杠37作为传动部件，三轴传动机构滚珠丝杠37的两端采用丝杠支撑轴承43固定支撑，轴承两端安装油封44防止润滑脂流失和异物进入，丝杠支撑轴承43预紧、三轴传动机构滚珠丝杠37预拉伸来提高传动系统刚性。三轴传动机构滚珠丝杠37为丝杆45、丝母46配套传动结构，三轴传动机构滚珠丝杠37的丝杆45和伺服电机47通过联轴器48连接，做旋转运动；丝母46和移动部件连接，做直线运动，将伺服电机47动力传递给移动部件实现进给动作。
如图1-图4所示，本发明卧式加工中心整机结构，立柱30在床身21上左右移动为X轴，主轴箱23在立柱30上上下移动为Y轴，回转工作台24在床身21上前后移动为Z轴；刀库27、冲屑结构26的水箱排屑器、电气柜28、液压站29直接安装在床身21上。
本发明的具体结构特点如下：
1、主轴箱23采用德国ZF公司生产的ZF减速箱，见图1、图5；
主轴箱部分结构采用主电机直联ZF减速箱1，ZF减速箱1与主轴3通过加强型齿形带2连接，加强型齿形带2将动力1:1传递给主轴3，ZF减速箱1可以实现1:1和1:4两个档位，能同时满足用户对高转速和高扭矩的要求，主轴3的一端设置气液转换增压缸34，主轴3的松夹刀是通过主轴3后面的气液转换增压缸34实现的，松夹刀时间短。
2、回转工作台，见图1、图4、图6；
回转工作台24部分采用伺服电机通过皮带带动双导程的蜗杆7配合高精度蜗轮8实现驱动，上牙盘4和下牙盘5啮合实现高精度定位，蜗轮8与下牙盘5分别通过连接件、回转轴承6配合，回转轴承6保证旋转刚性，回转工作台24与液压站29通过液压管路连接，回转工作台24锁紧动力来自于液压站29，回转工作台24的顶部为台板39。
模块化设计的回转工作台24，回转工作台偏置丝杠35在滚柱直线导轨38内侧，蜗杆7采用双导程结构，通过蜗轮8带动回转工作台24和上牙盘4在大尺寸高刚性滚动轴承上实现分度，上牙盘4、下牙盘5啮合实现定位。
3、交换站，见图1、图7；
交换站25的交换站中间心轴42上下腔进油带动交换臂40浮起落下，交换臂40安装在交换站中间心轴42外侧，交换臂40上安装台板39，通过交换臂40托起台板39及上方固定的零件。成组使用的自润滑轴承Ⅰ9、自润滑轴承Ⅱ10承担交换臂40两侧重量差产生的偏载力；交换站中间心轴42上安装齿轮齿条机构，齿轮齿条机构的齿轮12安装在交换站中间心轴42上，通过油缸41带动齿条11和齿轮12实现左右旋转运动，油缸41两端有旋转到位缓冲结构。
4、床身21中间冲屑结构26，见图1、图3、图8；
冲屑结构26包括提升式链板13、冲屑水泵14、水箱排屑器15、管路16、喷头17，具体结构如下：水箱排屑器15直接在床身21后侧，水箱排屑器15上面集成提升式链板13和冲屑水泵14，水箱排屑器15下方是集屑小车36，冲屑水泵14通过管路16与床身前端的三个喷头17连接。加工过程中，切削会堆积到床身21中间，用冲屑水泵14通过管路16将水箱里的切削液输送到床身前端的三个喷头17处，将切削冲回到水箱排屑器15里，然后由提升式链板13排出，切削液循环利用。
5、刀库结构，见图1、图4、图9；
40把方形刀库本体18和自动换刀装置19(ATC换刀结构)刚性连接，自动换刀装置19通过刀库底座20连接到床身21上，再通过支架22将方形刀库本体18上部分和床身21连接起来，加强刚性，形成刀库27。
6、用户参数设置界面，见图10；
用户功能设置界面将各种机床功能实现可视化，主要分成选项设置和延时设置两部分。选项设置部分采用下拉菜单形式，用户通过不同的菜单选项即可对机床各部分进行设置。在延时设置部分界面中，在对应延时后的对话框内直接输入延时即可。数控系统二次开发，方便直观。
7、维修计划界面，见图11；
维修计划功能可将要维修的项目显示在系统人机接口(HMI)上，定期进行提示，在超出规定维修时间后机床采取相应的控制策略保护机床安全。数控系统二次开发，方便直观。
本发明采用西门子CTRL-ENERGY功能对系统进行节能优化，此功能可使机床在整个生命周期内保持很高的能源利用率和生产率，从而使机床在最佳配置下运行。此技术提供的综合节能解决方案完全符合绿色机床概念，使机床厂商和用户通过机床节能管理功能收益。
本发明卧式加工中心结构的设计方法如下：
经三维软件设计后，采用ANSYS软件分析静态和动态特性，优化床身、立柱内部结构，创新的刀库、电气柜结构直接安装在床身上，保证整个机床宽度最小；主传动采用ZF减速箱控制档位，变档速度快，采用气液转换打刀缸，整个松夹刀时间1.8秒；驱动轴电机直联丝杠，配合高刚性滚柱导轨实现0.5g的加速性能。
实施例结果表明，本发明适用于一切普通卧加产品可应用的行业，相对于普通卧加产品减小了占地面积，能源消耗小、维修成本低。同时，转台和交换站在保证精度的前提下大幅减低了成本，使整机性价比更高。
Claims (2)
1.一种卧式加工中心整机结构，其特征在于，整机包括床身(21)、主轴箱(23)、回转工作台(24)、交换站(25)、刀库(27)、立柱(30)，刚性床身(21)倾斜表面设置回水孔(32)，床身(21)上左右移动的龙门框架式立柱(30)采用在框架上的米字筋(31)布局，在立柱(30)上下移动的主轴箱(23)上主电机直联ZF减速箱(1)通过加强型齿形带(2)把动力输送到主轴(3)，沿床身(21)前后移动的回转工作台(24)和三轴传动机构(33)采用模块化设计，床身(21)右侧使用L型电气柜(28)，床身(21)左侧的可变频式自动换刀装置(19)与方形刀库本体(18)刚性连接；交换站(25)固定在床身(21)上，交换站(25)使用成组配置的自润滑轴承Ⅰ(9)、自润滑轴承Ⅱ(10)承担偏载力；
立柱(30)在床身(21)上左右移动为X轴，主轴箱(23)在立柱(30)上上下移动为Y轴，回转工作台(24)在床身(21)上前后移动为Z轴；刀库(27)、冲屑结构(26)的水箱排屑器、电气柜(28)、液压站(29)直接安装在床身(21)上，液压站(29)放置在床身(21)左前侧；
三轴传动机构(33)采用交流伺服电机作为动力源，三轴传动机构滚珠丝杠(37)作为传动部件，三轴传动机构(33)两端轴承固定支撑，轴承两端安装油封；三轴传动机构滚珠丝杠(37)为丝杆(45)、丝母(46)配套传动结构，三轴传动机构滚珠丝杠(37)的丝杆(45)和伺服电机(47)通过联轴器(48)连接，做旋转运动；丝母(46)和移动部件连接，做直线运动，将伺服电机(47)动力传递给移动部件实现进给动作；
主轴箱部分结构采用主电机直联ZF减速箱(1)，ZF减速箱(1)与主轴(3)通过加强型齿形带(2)连接，通过加强型齿形带(2)将动力1:1传递给主轴(3)，ZF减速箱(1)实现1:1和1:4两个档位，主轴(3)的一端设置气液转换增压缸(34)，主轴(3)的松夹刀采用主轴(3)后面的气液转换增压缸(34)；
回转工作台(24)部分采用伺服电机通过皮带带动的蜗杆(7)与蜗轮(8)配合，蜗轮(8)与下牙盘(5)分别通过连接件、回转轴承(6)配合，回转工作台(24)与液压站(29)通过液压管路连接，回转工作台(24)锁紧动力来自于液压站(29)；回转工作台偏置丝杠(35)在滚柱直线导轨(38)内侧，蜗杆(7)采用双导程结构，通过蜗轮(8)带动回转工作台(24)和上牙盘(4)在滚动轴承上分度，上牙盘(4)、下牙盘(5)啮合定位；
交换站(25)的交换臂(40)安装在交换站中间心轴(42)外侧，交换站中间心轴(42)上下腔进油带动交换臂(40)浮起落下，交换臂(40)上安装台板(39)，通过交换臂(40)托起台板(39)及上方固定的零件；
成组使用的自润滑轴承Ⅰ(9)、自润滑轴承Ⅱ(10)承担交换臂(40)两侧重量差产生的偏载力；交换站中间心轴(42)上安装齿轮齿条机构，齿轮齿条机构的齿轮(12)安装在交换站中间心轴(42)上，通过油缸(41)带动齿条(11)和齿轮(12)实现左右旋转运动，油缸(41)两端有旋转到位缓冲结构，采用偏心结构调整齿轮(12)、齿条(11)间隙；
床身(21)中间设有冲屑结构(26)，冲屑结构(26)包括提升式链板(13)、冲屑水泵(14)、水箱排屑器(15)、喷头(17)，具体结构如下：水箱排屑器(15)直接在床身(21)后侧，水箱排屑器(15)上面集成提升式链板(13)和冲屑水泵(14)，水箱排屑器(15)下方是集屑小车(36)，冲屑水泵(14)通过管路(16)与床身前端的三个喷头(17)连接；加工过程中，切屑会堆积到床身(21)中间，冲屑水泵(14)通过管路(16)将水箱里的切削液输送到床身前端的三个喷头(17)处，将切屑冲回到水箱排屑器(15)里，由提升式链板(13)排出，切削液循环利用；
刀库(27)的结构为，方形刀库本体(18)和自动换刀装置(19)刚性连接，自动换刀装置(19)通过刀库底座(20)连接到床身(21)上，自动换刀装置(19)再通过支架(22)将方形刀库本体(18)上部分和床身(21)连接；
还包括用户参数设置界面和维修计划界面，其中，
用户功能设置界面将各种机床功能实现可视化，分成选项设置和延时设置两部分；选项设置部分采用下拉菜单形式，用户通过不同的菜单选项即可对机床各部分进行设置；在延时设置部分界面中，在对应延时后的对话框内直接输入延时即可；
维修计划界面将要维修的项目显示在系统人机接口HMI上，定期进行提示，在超出规定维修时间后机床采取相应的控制策略保护机床安全。
2.一种权利要求1所述的卧式加工中心整机结构的制造方法,其特征在于：经三维软件设计后，采用ANSYS软件分析静态和动态特性，优化床身、立柱内部结构，创新的刀库、电气柜结构直接安装在床身上，保证整个机床宽度最小；主传动采用ZF减速箱控制档位，变档速度快，采用气液转换增压缸，整个松夹刀时间1.8秒；驱动轴电机直联丝杠，配合高刚性滚柱导轨实现0.5g的加速性能；
采用西门子CTRL-ENERGY功能对系统进行节能优化，此功能使机床在整个生命周期内保持很高的能源利用率和生产率，从而使机床在最佳配置下运行。
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