CN105773289B - 五轴联动数控加工中心 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种五轴联动数控加工中心(1)，其包括：底座(11)；固定于底座(11)上并可沿X轴滑动的横向基座(13)；固定于横向基座(13)上并可沿A轴和C轴转动的工件台(16)；固定于底座上的立柱(12)；固定于立柱上并可沿Y轴滑动的纵向基座(15)；和固定于纵向基座上并可沿Z轴滑动的主轴(14)。所述五轴联动数控加工中心的布局采用上扩式门洞型结构，对加工中心各主要运动部件均采用全行程支撑设计，保证加工中心的高速加工刚性。本发明具有提高加工中心运行共振频率，增强加工尺寸精度稳定性，从而提高工件表面光洁度的优势。
Description
技术领域
本发明涉及机械制造技术领域，具体涉及机床制造，尤其是五轴联动数控加工中心。
背景技术
随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档数控机床提出了迫切的大量需求。机床是一个国家制造业水平的象征，而代表机床制造业最高水平的五轴联动数控加工中心则从某种意义上说反映了一个国家的工业发展的整体状况。
五轴联动数控加工中心又称为五轴加工中心。加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心。立式加工中心的回转轴有两种方式，一种是工作台回转轴，另一种是依靠立式主轴头的回转。就前者而言，设置在底座上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围+30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。另一种是依靠立式主轴头的回转，主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还有带可环绕轴旋转的A轴，一般可达±90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。
中国发明专利申请200910028286公开了一种五轴联动数控加工中心，包括床身，龙门架，其包含左右两个龙门柱，以及设置于其间的龙门横梁，龙门立柱前部安装可使工作台同时绕AC轴转动的直驱式双轴精密转台。所述龙门架上设置有可X向运动的横梁，前部设置有Y向运动的溜板，溜板前部设有Z向运动的主轴。床身和龙门架之间的空腔内设有刀库。据称该发明具有占地少，节约空间，运行平稳，性能稳定，抗震性好，能长期保持精度等效果。
中国发明专利申请201310418350公开了一种五轴联动加工机床，包括，其包括底座、龙门立柱、加工部、工作台及摆动台，所述龙门立柱安装在所述底座上，所述加工部可移动地安装在所述龙门立柱上，并位于所述底座的上方，所述底座上设置有第一导轨和第一驱动装置，所述工作台可移动地安装在所述第一导轨上，并与所述第一驱动装置连接，所述摆动台安装在所述工作台上，所述摆动台的摆动轴线平行于所述第一导轨的延伸方向。据称该发明由于摆动台的摆动轴线平行于第一导轨的延伸方向，因此当工作台停止沿第一导轨移动时，摆动台不会因惯性而产生不必要的摆动，从而可以避免钟摆效应的产生，提高了加工精度。
然而，现有技术仍然存在重心配重不匀，共振，稳定性不足，工件表面光洁度不佳等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的一个甚至多个技术问题，所述技术问题包括重心配重不匀，共振，稳定性不足，工件表面光洁度不佳等。
本发明发明人意外发现，通过以下技术方案可以实现本发明的技术目的。
一种五轴联动数控加工中心(1)，包括：底座(11)；固定于底座(11)上并可沿X轴滑动的横向基座(13)；固定于横向基座(13)上并可沿A轴和C轴转动的工件台(16)；固定于底座上的立柱(12)；固定于立柱上并可沿Y轴滑动的纵向基座(15)；和固定于纵向基座上并可沿Z轴滑动的主轴(14)。
在一个优选的方面，所述滑动通过两条平行滑轨实现。
在一个优选的方面，所述底座具有V形上表面(110)。
在一个优选的方面，所述底座的下表面包括七、九或十一个支撑脚(114，115)，其中一个支撑脚(114)位于立柱下方，其余支撑脚(115)平均分布于相对两侧。
在一个优选的方面，所述底座的结构主体包括应力结点(111)和应力分散辐条(112，113)，其中一部分应力分散辐条(112)指向位于底座下表面的支撑脚(114，115)。
在一个优选的方面，一部分应力分散辐条(113)垂直于下表面。
在一个优选的方面，所述底座的上表面包括两条平行滑轨(117)，所述滑轨相对于上表面的端部下沉，所述滑轨大致位于应力结点正上方。
在一个优选的方面，所述底座的结构主体呈网格(116)状，包括纵横交错的加强筋条。
在一个优选的方面，所述立柱采用上扩式门洞型结构。
在一个优选的方面，所述立柱包括横梁(121)和两个柱脚(122)，所述横梁的中心点(123)和两个柱脚的中心点(124)可以重合也可以不重合。
在一个优选的方面，所述横梁的端距(h1)大于两个柱脚的端距(h2)。
在一个优选的方面，所述横梁相对于柱脚突出的部分和位于横梁另一端的自动换刀系统(17)平衡配重。
在一个优选的方面，所述横梁的结构主体采用交叉式互联筋肋布局(125)。
在一个优选的方面，所述五轴联动数控加工中心(1)的共振频率高于所述五轴联动数控加工中心(1)的加工频率。
在一个优选的方面，所述横向基座的下表面(131)采用具有两侧撑脚(133)的足形拱桥式结构。
在一个优选的方面，所述撑脚处安装支撑滑块(134)，用于在底座上沿X轴滑动。
在一个优选的方面，所述横向基座上表面(132)包括斜坡(135)和位于斜坡两侧的支点(136)，用于各自支撑工件台两侧的撑脚(161)。
在一个优选的方面，所述主轴下端(141)低于所述纵向基座沿Y轴滑动的滑轨位置。
在一个优选的方面，所述纵向基座通过四个固定位(152)固定于所述沿X轴滑动的滑轨上，所述四个固定位和用于在纵向基座上固定Z轴伺服电机座的上方固定位(153)以及主轴下端(141)构成偏六芒星布局(154)，其上下间距大于左右间距。
在一个优选的方面，所述主轴固定于主轴固定座(142)上，所述主轴固定座可沿Z轴滑动。
在一个优选的方面，所述主轴固定座通过两条移动轨道(143)固定于所述纵向基座上。
在一个优选的方面，所述两条移动轨道与主轴中心线(144)三者处于同一平面。
以上优选方面之间可以相互组合，各个方面中的技术特征亦可彼此组合。
和现有技术相比，本发明具有以下一项或多项优势：
1.重心驱动配重均匀，提高加工中心的共振频率；
2.加工中心的共振频率高于加工频率，降低了加工共振几率；
3.消除加工共振；
4.提高加工中心运行及尺寸加工稳定性；
5.大大提高工件表面光洁度。
附图说明
图1是本发明一个具体实施方案的立体示意图；
图2是本发明一个具体实施方案的立体示意图；
图3是本发明一个具体实施方案的立体示意图；
图4是本发明一个具体实施方案的底座的立体示意图；
图5是本发明一个具体实施方案的底座沿YZ平面的截面图；
图6是本发明一个具体实施方案的底座的应力分散示意图；
图7是本发明一个具体实施方案的底座的立体示意图；
图8是本发明一个具体实施方案的立柱的立体示意图；
图9是本发明一个具体实施方案的立柱沿YZ平面的截面图；
图10是本发明一个具体实施方案的横向基座沿YZ平面的截面图；
图11是本发明一个具体实施方案的横向基座的立体示意图；
图12是本发明一个具体实施方案的纵向基座的立体示意图；
图13是本发明一个具体实施方案的纵向基座的立体示意图；
图14a是本发明一个具体实施方案的纵向基座和主轴沿XY平面的截面图；图14b是和图14a比较的现有技术设计的截面图；
图15是本发明一个具体实施方案的工件台的立体示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方案结合附图对本发明作进一步说明。
图1显示了本发明涉及的高速高精度五轴联动数控复合高光洁度加工中心的一个具体实施方案。图2-3显示了该实施方案从不同角度观察的立体示意图。
所述附图显示的五轴联动数控加工中心1(下文有时简称机床)可沿图1所示的XYZ三轴滑动并沿AC两轴转动，且可沿XYZAC五轴联动。该五轴联动数控加工中心1主要包括以下部件：
底座11；
固定于底座11上并可沿X轴滑动的横向基座13；
固定于横向基座13上并可沿A轴和C轴转动的工件台16；
固定于底座上的立柱12；
固定于立柱上并可沿Y轴滑动的纵向基座15；
固定于纵向基座上并可沿Z轴滑动的主轴14；
固定于立柱上的自动换刀系统17。
下面对其中的各个重要部件作具体说明。
1.底座11
参见图4-7，底座11采用最新的框架式设计，内部包括多个网格116，各个网格116由高刚性筋肋交错叠加而成。底座11的上表面110上安装两条平行导轨，用于支撑横向基座13，横向基座13的下表面安装支撑滑块134，由此实现沿X轴的滑动。
由图5清晰可见，两条导轨的位置低于上表面两侧高度，相对于两侧下沉，由此底座11的上表面110呈现马鞍状结构，整体具有V形截面形状。这一结构设计可以使得机床运行时产生的应力集中于底座11的下方，增加机床的稳定性。此外，如图5-7所示，底座11的下表面包括九个支撑脚，其中一个支撑脚114位于立柱12下方，其余支撑脚115)平均分布于相对两侧，一侧四个。底座11的结构主体包括应力结点111和应力分散辐条(112，113)，其中一部分应力分散辐条汇聚于应力结点；其中一部分应力分散辐条(112)由应力结点111指向位于底座下表面的支撑脚(114，115)；另一部分应力分散辐条(113)则由应力结点111指向下表面并与之垂直。
如图6所示，这一设计可以使得机床的自重和运行过程中产生的应力均匀地分散于九个支撑脚，使机床运行平稳。底座上表面的两条滑轨可以大致位于应力结点的正上方，使应力分散更为精准高效。
此外，内部筋条相互交错支撑形成网格状的高刚性架构可以很好地解决机床局部受力过大产生的局部变形问题。
本实施方案的底座设计可以大大提高机床的使用稳定性及支撑刚性。
2.立柱12
参见图8-9，立柱12采用倒锥形外扩式门洞型一体高刚性结构，区别于现有的上下等宽设计。从结构上说，立柱12由横梁121和位于两侧的两个柱脚122形成，整体呈门洞形状。横梁121沿Y轴的投影宽度h1大于两个柱脚沿Y轴的投影宽度h2。在现有技术上下等宽的设计中，h1大致等于h2。
在本实施方案的设计中，从图9的截面来看，横梁明显向右侧突出，使得横梁的中心点123和两个柱脚的中心点124不重合，两者之间存在沿Y轴的投影距离。
当然，在某些技术方案中，横梁也可向左右侧等距离突出，由此横梁的中心点123和两个柱脚的中心点124重合。
本发明的这一上扩式门洞型结构设计可最大限度节省机床底座的占地面积，并同时保证足够的加工行程与机床的重心配重问题，可保证主轴14高速切削的超高刚性支撑能力。
另外，立柱内部，尤其是横梁的结构主体，采用交叉式互联筋肋布局125，如图9所示，这一防共振加强设计可以大大提高立柱自身的共振频率，使得机床在高效率加工及高频率切削时不会出现共振问题，从而极大地提高机床的高速加工能力及零件的加工品质和表面光洁度。
上述设计特点的组合优化了机床立柱以及整个机床的共振频率区间，使得机床的共振频率大大高于机床加工频率，从而在根本上避免了共振问题的出现。
另一方面，使用外扩式门洞设计可有效的缩短立柱的中空跨度，提高立柱的整体刚性，使得横梁和柱脚成为一个整体的封闭结构，上宽下窄，保证主轴在立柱中部进行加工作业时不会出现超微量下垂的问题。
本领域一直使用上下等宽的设计，避免使用上宽下窄的外扩式结构，以免提升立柱的重心，导致机床加工时重心不稳。然而，本发明发明人意外发现，通过使立柱一侧的外扩量大于另一侧的外扩量，比如图9所示的右侧外扩量大于左侧的外扩量，主轴在Y轴的加工行程得以增加，此外，这一不平衡外扩更可以实现与左侧的自动换刀系统17的平衡配重，使得立柱可左右承载均匀，不容易变形，还可减小立柱的安装支撑面积，实现机床的小型化，提高机床使用的空间利用率。
3.横向基座13(工作台)
参见图10-11，水平横向基座13采用足型拱桥式全支撑设计，图10所示的横截面图展示了横向基座的下表面131以及位于下表面131上的足底形表面和位于两端的撑脚133。
图10所示的具有两侧撑脚133的足形拱桥式结构设计可承受沿AC双轴旋转的工作台的自重及工件高速旋转所产生的高惯性力和加工时产生的切削离心力。此外，这一结构设计可保证双旋转工作台沿A轴高速摇摆时产生的惯性力获得足够的支撑力，并保证双旋转工作台在垂直加工时横向基座不会产生微量的侧倾，从而保证工件的加工品质及工件表面光洁度。
通过横向基座下部的拱桥式设计，可有效的把双旋转工作压力分散到下部撑脚处安装的支撑滑块134上，使得横向基座的支撑刚性得以提高。
如图11所示，横向基座的上表面132包括斜坡135用于出料和位于斜坡两侧的支点136，支点136用于各自支撑工件台16两侧的撑脚161。
4.纵向基座15(左右滑动座)
如图12所示，纵向基座采用超高稳定性偏六芒星高刚性组合结构布局154，能最大程度地保证机床刀具的高速加工稳定性及切削刚性。该偏六芒星布局154的上下间距大于左右间距。
偏六芒星的中部四角为Y轴滑块的固定位置(四个固定位152)，偏六芒星顶部角处为Z轴伺服电机座的固定位153，其支撑刚性直接影响主轴箱高加减速运动的能力，其为主轴动态性能保证的关键结构所在。偏六芒星的下部顶角处为主轴下端141。主轴下端141低于纵向基座沿Y轴滑动的滑轨位置。
如图13所示，主轴14通过主轴固定座142安装于纵向基座15上，可通过主轴固定座142沿着Z轴滑动，此处主轴下端141处于主轴沿着Z轴上下滑动的最下方位置。
5.主轴固定座142
如图13和图14a所示，主轴固定座142采用中心对称式高刚性一体式蜂窝状结构，其设计为Z轴两条移动轨道143与主轴中心线144三条者处于同一平面(YZ平面)内，大大提高主轴固定座142对主轴14的支撑刚性。通过此设计可加大Z轴两条移动轨道143的中心距从而提高纵向基座对主轴固定座的支撑刚性，使得主轴固定座在最大行程悬空状态时仍然保持超强的约束刚性。
另外Z轴移动轨道143与主轴中心线144对称式共面设计可保证主轴与Z轴移动轨道143之间无不必要的悬长，从而提高Z轴移动轨道143对主轴的约束刚性，并使得整个上下传动机构更加紧凑并保证传动的有效性。
图14b显示了一个现有技术设计，其中主轴中心线144与Z轴移动轨道143所在的平面之间存在悬长d，这一悬长降低了Z轴移动轨道143对主轴的约束刚性。
6.工件台16
如图15所示，工件台16可采用本领域的常规设计，其固定于横向基座13上，并可沿A轴和C轴转动。
下表1列举了多个机床具体实施例的操作参数及规格参数：
实施例4
本实施例证实本发明的上扩式门洞型结构对于提高机床共振频率的意外效果。
在实施例1的基础上，将立柱替换为现有技术中采用上下等宽设计的立柱，得到比较实施例1。经测试，比较实施例1的机床具有67.386赫兹的共振频率，经过本发明的立柱设计优化后，实施例1的机床的共振频率提高到103.64，提升幅度约为30％。提升后的共振频率已远远避开了一般的机床加工共振频率50-60赫兹，有利于减少甚至消除机床在加工时的加工共振，从而大大提升机床的运行稳定性。
实施例5
本实施例证实本发明的机床设计对于提高工件表面光洁度的意外效果。
基于本发明实施例2的机床设计尺寸，去除本发明权利要求请求保护的技术特征，得到一个现有技术中采用的机床设计，作为比较实施例2。经过实际加工测试，对于相同的工件，比较实施例2获得的工件的表面光洁度为Ra 1.6左右，与之相比，通过本发明实施例2的机床加工得到的工件的表面光洁度达到Ra 0.4以下。
相同的工件通过本发明实施例1和3的机床加工亦可得到Ra 0.4以下的表面光洁度，证实本发明的机床设计在不同的尺寸大小均可实现良好的表面光洁度，优于现有技术机床的加工表现。
需要说明的是，尽管本发明的两个旋转轴以A轴和C轴为例，但本领域技术人员同样可将本发明的技术特征应用于旋转轴为B轴和C轴的技术方案。甚至，本领域技术人员可将本发明的技术特征应用于超过五轴联动的技术方案。本发明亦旨在保护本领域技术人员可以作出的这些等同替换或者常规修改。
需要说明的是，限于篇幅，本发明没有详细描述五轴联动数控加工中心的更进一步的细节，比如沿着X，Y和Z轴滑动的实现方式，驱动电机，伺服电机，控制系统，刀具系统，换刀系统等等，然而这些技术方面的细节均在本领域技术人员的常识和能力范围之内。本领域技术人员亦可参考本发明引用的现有技术文献。本发明引用的文献以全文引用的方式并入本文，仿佛原文引述于此。
Claims (9)
1.一种五轴联动数控加工中心(1)，包括：底座(11)；固定于底座(11)上并可沿X轴滑动的横向基座(13)；固定于横向基座(13)上并可沿A轴和C轴转动的工件台(16)；固定于底座上的立柱(12)；固定于立柱上并可沿Y轴滑动的纵向基座(15)；和固定于纵向基座上并可沿Z轴滑动的主轴(14)，其特征在于，所述立柱采用上扩式门洞型结构；所述立柱包括横梁(121)和两个柱脚(122)，所述横梁的中心点(123)和两个柱脚的中心点(124)不重合；横梁的端距(h1)大于两个柱脚的端距(h2)；横梁相对于柱脚突出的部分和位于横梁另一端的自动换刀系统(17)平衡配重。
2.如权利要求1所述的五轴联动数控加工中心(1)，其特征在于，所述底座具有V形上表面(110)；所述底座的下表面包括七、九或十一个支撑脚(114，115)，其中一个支撑脚(114)位于立柱下方，其余支撑脚(115)平均分布于相对两侧。
3.如权利要求1所述的五轴联动数控加工中心(1)，其特征在于，所述底座的结构主体包括应力结点(111)和应力分散辐条(112，113)，其中一部分应力分散辐条(112)指向位于底座下表面的支撑脚(114，115)，一部分应力分散辐条(113)垂直于下表面；所述底座的上表面包括两条平行滑轨(117)，所述滑轨位于应力结点正上方；所述底座的结构主体呈网格(116)状，包括纵横交错的加强筋条。
4.如权利要求1所述的五轴联动数控加工中心(1)，其特征在于，所述横梁的结构主体采用交叉式互联筋肋布局(125)。
5.如权利要求1所述的五轴联动数控加工中心(1)，其特征在于，所述五轴联动数控加工中心(1)的共振频率高于所述五轴联动数控加工中心(1)的加工频率。
6.如权利要求1所述的五轴联动数控加工中心(1)，其特征在于，所述横向基座的下表面(131)采用具有两侧撑脚(133)的足形拱桥式结构；所述撑脚处安装支撑滑块(134)，用于在底座上沿X轴滑动；所述横向基座上表面(132)包括斜坡(135)和位于斜坡两侧的支点(136)，用于各自支撑工件台两侧的撑脚(161)。
7.如权利要求1所述的五轴联动数控加工中心(1)，其特征在于，所述主轴下端(141)低于所述纵向基座沿Y轴滑动的滑轨位置；所述纵向基座通过四个固定位(152)固定于所述沿Y轴滑动的滑轨上，所述四个固定位和用于在纵向基座上固定Z轴伺服电机座的上方固定位(153)以及主轴下端(141)构成偏六芒星布局(154)，其上下间距大于左右间距。
8.如权利要求1所述的五轴联动数控加工中心(1)，其特征在于，所述主轴固定于主轴固定座(142)上，所述主轴固定座可沿Z轴滑动；所述主轴固定座通过两条移动轨道(143)固定于所述纵向基座上。
9.如权利要求8所述的五轴联动数控加工中心(1)，其特征在于，所述两条移动轨道与主轴中心线(144)三者处于同一平面。
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