CN104440122A - 机械滑台用不等高组合导轨 - Google Patents

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CN104440122A CN201310422898.7A CN201310422898A CN104440122A CN 104440122 A CN104440122 A CN 104440122A CN 201310422898 A CN201310422898 A CN 201310422898A CN 104440122 A CN104440122 A CN 104440122A
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任志辉
杜长林
郭翠娟
王栋
张忠涛
张金龙
丁云飞
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DALIAN KEDE CNC Co Ltd
Dalian Kede Numerical Control Co Ltd
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23Q1/00—Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
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    • B23Q1/26—Movable or adjustable work or tool supports characterised by constructional features relating to the co-operation of relatively movable members; Means for preventing relative movement of such members

Abstract

本发明公开了一种机械滑台用不等高组合导轨，通过水平设置的床身及前后存在高度差的Y向直线导轨，Y向直线导轨前后导轨形成的高度差来增加Y向滑台的初始内应力，同时与加载到其上的负载产生的拉应力平衡，提高Y向滑台的尺寸稳定性及动态刚性，从而实现机床的高精度与高刚性，并大大提高了机床运行的稳定性。

Description

机械滑台用不等高组合导轨
技术领域
本发明涉及机床设备，特别涉及一种机械滑台用不等高组合导轨。
背景技术
随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对加工机床的要求越来越高。以较为典型的航空工业中涡轮机匣，风扇机匣等典型零件为例，这种零件的工艺上同时需要车削，铣削，径向钻镗孔等加工，而且多为薄壁件和高硬度材料加工精度要求也非常高。因此在选择机床上不仅要考虑机床的加工精度保持性，同时还要考虑机床的动态刚性。如果一台机床能将这些性能融合，必将极大的提高生产效率及加工精度。
而且，随着制造业的发展和竞争的日趋激烈，对零件的加工要求越来越复杂。对于某些大型高硬度材料薄壁零件同时要求车削铣削钻孔的加工。由于具备以上功能的机床很难做到精度与刚性相融合，从而往往实际加工中需要将工件在立车和铣床钻床间来回搬运对刀。这样不仅机床的利用率不高，而且繁琐的操作很大程度上的增加了加工辅助时间和其中产生的误差，影响了加工效率和加工精度。目前市面上已有的高精度复合类立式加工中心多数用来精加工使用，不具备大切削量加工。
复合类立式加工中心刀具的运动方向多为笛卡尔直角坐标系方向，复合类立式加工中心在完成笛卡尔直角坐标系方向运动一般通过多个机械滑台配合完成，这样就需要一个平移滑台（Y向滑台），一个横移滑台（X向滑台）和一个纵向移动滑台（Z向滑枕），复合类立式加工中心的电主轴装配于纵向移动滑台（Z向滑枕）上，即刀具装配于纵向移动滑台（Z向滑枕）上，这样当刀具需要对工件纵向加工时，纵向移动滑台（Z向滑枕）向下移动，进而改变了整个滑台组的重心，随着纵向移动滑台（Z向滑枕）向下移动滑台组的重心前倾，这样就会发生滑台组受力情况发生变化，部分构件发生形变，就会导致电主轴的中心轴线与初始位置垂直于工件的中心轴线产生一个夹角，就会出现加工误差，大大影响了工件的加工精度，非常不利于大切削量加工。
如果满足上述要求就需要在现有工艺中滑台组的各个部件都采用非常高刚性的材料或更改加强筋的布局，才能满足滑台组之间内应力足够抵消掉中心前倾所产生的拉力，机床成本将会非常高。
发明内容
鉴于现有技术所存在的上述问题，本发明旨在提供一种机械滑台用不等高组合导轨，通过特殊的导轨安装方式，它可通过改变前后导轨形成的高度差来增加Y向滑台的初始内应力，同时与加载到其上的负载产生的拉应力平衡，从而提高Y向滑台的尺寸稳定性及动态刚性，实现机床的高精度与高刚性。
为达到以上目的，通过以下技术方案实现的：
机械滑台用不等高组合导轨，包括：机床床身、Y向滑台、X向滑台和Z向滑枕；Y向滑台通过Y向直线导轨安装于机床床身上端，且机床床身上设置有用于驱动Y向滑台的滚珠丝杠机构；X向滑台通过X向直线导轨安装于Y向滑台上；Z向滑枕通过Z向直线导轨安装于X向滑台上，且电主轴设置于Z向滑枕内部且伸出于下端；Y向直线导轨包括：前端导轨和设置于前端导轨后端的后端导轨，且前端导轨与后端导轨延长线为平行线；后端导轨安装平面位于前端导轨安装平面下方，且后端导轨安装平面与前端导轨安装平面为两平行平面；Y向滑台下端面设置有分别用于与前端导轨和后端导轨配合装配的前端滑块组和后端滑块组；
后端导轨安装平面位于前端导轨安装平面高度差为H，并设定Y向滑台的前端滑块组和后端滑块组距离为L，那么在Y向滑台、X向滑台和Z向滑枕的材质，结构，装配完全相同的情况下，L的大小决定H的大小，即L增大，H则变小，L变小，H则增大，此处可根据实际的设计需要进行判断。
上述结构装配要求为：
（1）机床床身，其水平设置；
（2）一个Y向滑台，水平安装于床身上平面的Y向直线导轨上；
（3）一个X向滑台，安装于Y向滑台X向直线导轨上，与床身导轨（Y向直线导轨）安装平面垂直；
（4）一个Z向滑枕，安装于X向滑台之上，与X向导轨（X向直线导轨）安装平面平行且与床身导轨（Y向直线导轨）安装平面垂直。
（5）一个电主轴，安装在Z向滑台内部；
采用上述方案的本发明，通过有限元分析以及数学计算，确定前端导轨高出后端导轨的高度差H，通过施加外力使Y向滑台与后端导轨贴合，这样Y向滑台内部产生一个与负载相平衡的一个拉应力，此处的拉应力主要抵消，在完成了Y向定位和X向定位后，Z向滑枕下行，由于X向滑台与Z向滑枕属于悬臂结构，在重力因素的影响下，Z向滑枕下移过程驱使Y向滑台形变的拉力，两个力相互抵消使电主轴的运动轨迹保持直线,从而在机械上提高了机床的几何精度；
综上本发明通过施加与负载相平衡的拉应力，使Y向滑台的初始内应力增加，从而提高Y向滑台在外界温度变化时的尺寸稳定性。
本发明不仅有效地提高了机床的精度，同时机床刚性也有了显著提高，在不需要通过增加滑台壁厚，以及改变滑台加强筋布局的方式来提高刚性，不仅降低了设计难度，同时还降低了制造成本。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
本发明共5幅附图,其中：
图1为本发明的侧视结构示意图。
图2为本发明的主视结构示意图。
图3为本发明的Y向直线导轨装配后俯视结构示意图。
图4为本发明Y向直线导轨的前端导轨与后端导轨不共面时Z向滑枕下行至极位时机构示意图。
图5为本发明Y向直线导轨的前端导轨与后端导轨共面时Z向滑枕下行至极位时机构示意图。
图中：1、机床床身，2、Y向滑台，2.1、前端滑块组，2.2、后端滑块组，3、X向滑台，4、Z向滑枕，5、Y向直线导轨，5.1、前端导轨，5.2、后端导轨，6、X向直线导轨，7、Z向直线导轨，8、电主轴，9、滚珠丝杠机构，X为X轴运动方向，Y为Y轴运动方向，Z为Z轴运动方向。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示的机械滑台用不等高组合导轨，包括：机床床身1、Y向滑台2、X向滑台3和Z向滑枕4；Y向滑台2通过Y向直线导轨5安装于机床床身1上端，且机床床身1上设置有用于驱动Y向滑台2的滚珠丝杠机构9；X向滑台3通过X向直线导轨6安装于Y向滑台2上；Z向滑枕4通过Z向直线导轨7安装于X向滑台3上，且电主轴8设置于Z向滑枕4内部且伸出于下端；
Y向直线导轨5包括：前端导轨5.1和设置于前端导轨5.1后端的后端导轨5.2，且前端导轨5.1与后端导轨5.2延长线为平行线；Y向滑台2下端面设置有分别用于与前端导轨5.1和后端导轨5.2配合装配的前端滑块组2.1和后端滑块组2.2；
上述结构装配要求为：
（1）机床床身，其水平设置；
（2）一个Y向滑台，水平安装于床身上平面的Y向直线导轨5上；
（3）一个X向滑台，安装于Y向滑台X向直线导轨6上，与床身导轨（Y向直线导轨5）安装平面垂直；
（4）一个Z向滑枕，安装于X向滑台之上，与X向导轨（X向直线导轨6）安装平面平行且与床身导轨（Y向直线导轨5）安装平面垂直。
（5）一个电主轴，安装在Z向滑台内部；
上述结构装配以Y向直线导轨5选用4导轨（即前端导轨5.1与后端导轨5.2都为双导轨）为例：
首先两个前端导轨5.1安装于机床床身1两侧墙上平面上，两个后端导轨5.2安装于床身尾座上平面上；滚珠丝杠机构9安装于机床床身上方四根导轨中心位置；Y向滑台2通过前端滑块组2.1和后端滑块组2.2分别与前端导轨5.1与后端导轨5.2配合装配于床身上方Y向直线导轨5上（此处确定Y向滑台2的运动平面）；
X向直线导轨6安装在Y向滑台2上；X向滑台3安装在X向直线导轨6上（此处确定X向滑台3的运动平面）；
Z向直线导轨7安装在Z向滑枕4上；Z向滑枕4安装在X向滑台上，并垂直于机床床身上导轨安装面（此处确定Z向滑台4的运动平面）；
电主轴8安装于Z向滑枕4内部，如图1和图2所示；
此种结构Y向滑台2下方的前端滑块组2.1和后端滑块组2.2交错排列在四根相互平行的导轨（即前端导轨5.1和后端导轨5.2）上，四点支撑结构与中心驱动（滚珠丝杠机构9）系统如图3所示，实现了卓越的导轨移动性；
在前端导轨5.1与后端导轨5.2共面的情况下，由于X向滑台3与Z向滑枕4属于悬臂结构，在Z向滑枕4加工工件过程中下行，在重力因素的影响下，导致重心前倾，促使Y向滑台2形变,使电主轴8在Z向正负向极限时,电主轴8中心轴线会与初始定位的电主轴8中心轴线形成一个夹角α，此时电主轴的运动轨迹并不是直线，如图5所示，这对保证机床精度是非常不利的；
本发明通过有限元分析以及数学计算，确定前端导轨5.1高出后端导轨5.2的高度差H（后端导轨5.2安装平面位于前端导轨5.1安装平面下方，且后端导轨5.2安装平面与前端导轨5.1安装平面为两平行平面，两平面之间高度差即为H），通过施加外力使Y向滑台2与后端导轨5.2贴合，这样Y向滑台2内部产生一个与负载相平衡的一个拉应力，此处的拉应力主要抵消，在完成了Y向定位和X向定位后，Z向滑枕4下行，由于X向滑台3与Z向滑枕4属于悬臂结构，在重力因素的影响下，Z向滑枕4下移过程驱使Y向滑台2形变的拉力，两个力相互抵消使电主轴8的运动轨迹保持直线如图4所示,从而在机械上提高了机床的几何精度，如下表（表1）所示；
●表1
后端导轨5.2安装平面位于前端导轨5.1安装平面高度差为H，并设定Y向滑台2的前端滑块组2.1和后端滑块组2.2距离为L，那么在Y向滑台2、X向滑台3和Z向滑枕4的材质，结构，装配完全相同的情况下，L的大小决定H的大小，即L增大，H则变小，L变小，H则增大，此处可根据实际的设计需要进行判断。
综上本发明通过改变前后导轨形成的高度差来增加Y向滑台的初始内应力来施加与负载相平衡的拉应力，使Y向滑台2的初始内应力增加，从而提高Y向滑台2在外界温度变化时的尺寸稳定性及动态刚性如下表(表2)所示；
●表2
固有频率(Hz) 一阶 二阶 三阶 四阶 五阶
四轨共面时 63.971 89.065 105.11 108.96 126.35
四轨有高度差时(提高20%) 75.66 106.54 126.132 129.521 151.625
不仅有效地提高了机床的精度，同时机床刚性也有了显著提高，在不需要通过增加滑台壁厚，以及改变滑台加强筋布局的方式来提高刚性，不仅降低了设计难度，同时还降低了制造成本。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上诉揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.机械滑台用不等高组合导轨，包括：机床床身（1）、Y向滑台（2）、X向滑台（3）和Z向滑枕（4）；Y向滑台（2）通过Y向直线导轨（5）安装于机床床身（1）上端，且机床床身（1）上设置有用于驱动Y向滑台（2）的滚珠丝杠机构（9）；X向滑台（3）通过X向直线导轨（6）安装于Y向滑台（2）上；Z向滑枕（4）通过Z向直线导轨（7）安装于X向滑台（3）上，且电主轴（8）设置于Z向滑枕（4）内部且伸出于下端；其特征在于：Y向直线导轨（5）包括：前端导轨（5.1）和设置于前端导轨（5.1）后端的后端导轨（5.2），且所述前端导轨（5.1）与后端导轨（5.2）延长线为平行线；所述后端导轨（5.2）安装平面位于前端导轨（5.1）安装平面下方，且后端导轨（5.2）安装平面与前端导轨（5.1）安装平面为两平行平面；所述Y向滑台（2）下端面设置有分别用于与前端导轨（5.1）和后端导轨（5.2）配合装配的前端滑块组（2.1）和后端滑块组（2.2）。
2.根据权利要求1所述的机械滑台用不等高组合导轨，其特征在于：后端导轨（5.2）安装平面位于前端导轨（5.1）安装平面高度差为H，并设定Y向滑台（2）的前端滑块组（2.1）和后端滑块组（2.2）距离为L，那么在Y向滑台（2）、X向滑台（3）和Z向滑枕（4）的材质，结构，装配完全相同的情况下，L的大小决定H的大小，即L增大，H则变小，L变小，H则增大。
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