CN106624837B - 旋转摆动工作台及其五轴高效立式加工中心 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数控加工技术领域，尤其涉及一种旋转摆动工作台及其五轴高效立式加工中心，包括工作台本体、桥架、尾架、C轴转动机构和B轴摆动机构，工作台本体通过C轴转动机构转动安装在桥架上，桥架的一端与尾架转动连接，B轴摆动机构与桥架的另一端转动连接，C轴转动机构中的C轴和B轴摆动机构中的B轴相互垂直。本发明的五轴高效立式加工中心采用旋转摆动工作台后不仅精度和刚度高、稳定性好，而且结构紧凑，操作简单，使用寿命长。

Description

旋转摆动工作台及其五轴高效立式加工中心

技术领域

本发明涉及数控加工技术领域，尤其涉及一种旋转摆动工作台及其五轴高效立式加工中心。

背景技术

五轴数控加工是为了克服三轴加工的不足而发展起来的一项先进制造技术，是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等加工的唯一手段。从理论上来说，加工刀具的自由度最多具有三个平移和三个转动自由度，相应的工作台的自由度最多也是六个，从中任取五个自由度来设计机床就被称为五轴数控机床。五个自由度的组合形式有许多，一般最为常见的是三个平移运动加上两个转动运动组成，现有的大部分五轴数控机床都配置了三个直线坐标轴和两个旋转坐标轴，并可以在计算机数控(CNC)系统的控制下同时协调运动进行加工。

当前，国外五轴联动数控机床以欧美、日本为代表，这些国家的五轴联动数控机床代表了当今五轴联动数控机床发展的最高水平。目前国外著名机床厂五轴联动数控机床技术发展重点可归结为：高速、高精度、环保、智能、复合化。力矩电机在国外作为回转坐标驱动装置的广泛使用，使得国外机床进给机构实现了高速、低损耗、高精度、高效率的目标。新的机床技术在五轴联动机床上的使用，使得五轴联动机床在结构上越来越简单，在性能、功能上却越来越优秀。

在国家相关政策的支持及相关企业、高校、科研院所等部门的努力下，我国五轴联动数控机床技术也得到了快速发展和长足进步，逐渐形成了较为成熟的产品，具有品种多样、技术成熟、拥有自主技术知识产权的特点。但由于国内工业基础薄弱，如数控系统、光栅尺反馈系统、导轨、丝杠及轴承等，还没有处于世界领先水平的品牌，再加上国外同类产品的技术封锁，国内五轴联动数控机床相对于国外整体水平还较低，具体体现在稳定性、精度等相差较大。

五轴数控加工技术发展到今天，虽然已经取得了很大的进步，但提高加工质量、效率及稳定性，充分满足产品生产的要求是制造技术发展的永恒主题，五轴数控加工技术也将朝着更高精度、更高效率及更高稳定性的方向发展。

随着我国航空航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备和能源等领域的不断发展，一些起主导作用的精密复杂零件对加工的效率、成形的精度以及成品率等指标提出了更高的要求。如飞机机体骨架、隔板、大梁等框架类零件，火箭发动机定位型面结构件，叶轮等回转类零件，其材料去除率达到70％左右，有的甚至达到90％以上，这些曲面类零件和大型回转类零件，多需利用五轴加工中心进行加工，而铣削加工作为一种高效的材料去除方式，尤其是复杂曲面的加工，通常采用数控铣削加工方式，因此，五轴铣削加工的应用十分广泛。

在传统加工过程中，由于切削力，颤振等动力学因素，对工艺参数的选择过于保守，经常造成工艺参数选择不当，引起加工系统失稳，对被加工表面质量产生了比较严重的影响，致使零件表面产生缺陷，影响零件的使用性能和寿命。在此背景下，高效铣削加工被提出，并引起研究人员及生产加工企业的重视。所谓高效铣削加工，是在保持加工系统稳定、被加工零件质量的同时，最大限度地提高材料去除率。国际生产工程学会(CIRP)召开了一系列高效切削国际会议，就高效切削涉及的关键技术进行了讨论，国内举行的先进制造技术方面的重要会议也逐渐的开始重视高效加工，可以说，高效加工技术研究已成为数控加工发展的新趋势。

综上，本次项目所研究的高效五轴铣削加工中心，对我国航空航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备和能源等领域的发展都有着重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了提高五轴加工中心的效率，本发明提供一种旋转摆动工作台及其五轴高效立式加工中心。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种旋转摆动工作台，包括工作台本体、桥架、尾架、C轴转动机构和B轴摆动机构，工作台本体通过C轴转动机构转动安装在桥架上，桥架的一端与尾架转动连接，B轴摆动机构与桥架的另一端转动连接，C轴转动机构中的C轴和B轴摆动机构中的B轴相互垂直。本发明的旋转摆动工作台能够在两个自由度上进行工作，增加尾架结构，尾架与B轴摆动机构配合，与无尾架结构相比，具有更高的刚性及精度稳定性。

进一步地，所述C轴转动机构包括工作台支撑C轴(即C轴转动机构中的C轴)和C轴力矩电机，所述C轴力矩电机固定安装在桥架内，工作台支撑C轴的一端用于支撑工作台本体底部，工作台支撑C轴的另一端与C轴力矩电机的输出轴连接，工作台支撑C轴外还套装有能够抱死工作台支撑C轴的C轴钳夹抱轴机构，C轴钳夹抱轴机构中的C轴钳夹与工作台支撑C轴同轴设置。传统结构采用轴向压紧刹车片的方式，由于刹车片在压紧与松开的过程中，存在轴向的尺寸变化，会造成轴向窜动，影响转台精度。本结构采用径向抱轴机构即C轴钳夹抱轴机构，使用径向抱轴的钳夹系统，装配时，只需调整C轴钳夹使其与C轴旋转轴同轴，则可在不影响转台精度的情况下达到抱轴的目的。

传统的转台，在旋转件与固定件之间容易产生冷却液渗入，导致内部元器件损坏现象。所述工作台支撑C轴的一端与桥架之间采用双层旋转密封结构，所述双层旋转密封结构包括开设在桥架上的外密封槽和内密封槽，外密封槽的底部高于内密封槽的底部，外密封槽和内密封槽之间形成凸部，工作台支撑C轴的一端底部具有阶梯槽，阶梯槽卡接在凸部上，阶梯槽的内圈与内密封槽的外圈贴合，阶梯槽的外圈套装在外密封槽的外部，阶梯槽的外圈具有台阶，台阶的高度与凸部的高度相一致，台阶搭接在外密封槽上，所述外密封槽和内密封槽内均安装有V型密封圈。该方案采用阶梯状双层旋转密封，从结构上有效的预防冷却液渗入。

所述工作台支撑C轴外套装有工作台轴承，工作台轴承外套装有支撑环。与无支撑环结构相比，可增加轴承刚性30％，在保证轴承精度的情况下，增大其承载能力。

所述B轴摆动机构包括B轴安装套、B轴力矩电机和B轴输出轴，B轴力矩电机安装在B轴安装套内，B轴输出轴的一端与B轴力矩电机传动连接，B轴输出轴的另一端与桥架的另一端转动连接，所述尾架上设有尾部支撑轴，桥架的一端通过尾部支撑轴与尾架转动连接，尾部支撑轴和B轴输出轴同轴设置，所述工作台支撑C轴与B轴输出轴的轴线相互垂直。采用力矩电机直接驱动B轴输出轴，与传统涡轮蜗杆传动相比，该传动方式减少了中间环节；结构更紧凑；使用寿命长；运转平稳、无噪音；安装简单易操作。

传统的抱轴机构，只有单独的一个抱轴机构，存在因抱轴油路泄露，油缸卡死等抱轴机构失效情况，造成摆动轴自由下摆，出现安全事故。本结构采用双钳夹抱轴，利用两个独立的钳夹分别抱轴，有效的降低了风险。B轴输出轴外还安装有双抱轴机构。双抱轴机构包括第一B轴钳夹抱轴机构和第二B轴钳夹抱轴机构，第一B轴钳夹抱轴机构和第二B轴钳夹抱轴机构相互独立。

一种五轴高效立式加工中心，包括底座、机架、刀库和上述所述的旋转摆动工作台，机架固定在底座上，旋转摆动工作台的尾架固定在底座上，B轴摆动机构安装在机架的侧面，机架上安装有X轴传动机构，X轴传动机构上滑动安装有滑架，滑架上安装有Y轴传动机构，Y轴传动机构上滑动安装有Y轴滑枕，滑枕的一端安装有Z轴传动机构，Z轴传动机构上套装有Z轴滑枕，刀库安装在Z轴滑枕上，Z轴传动机构位于旋转摆动工作台的上方，所述C轴与Z轴传动机构的Z轴方向相互平行，所述B轴与Y轴传动机构的Y轴方向相互平行。本发明的五轴高效立式加工中心采用旋转摆动工作台后，不仅精度和刚度高、稳定性好，而且结构紧凑，操作简单，使用寿命长。

所述底座上还安装有操作台。用于操控整个五轴传动机构。

所述底座的侧面还安装有电柜。用于提供电源以及各控制系统的布置。

本发明的有益效果是，本发明的旋转摆动工作台及其五轴高效立式加工中心，

1)本结构采用径向抱轴机构即C轴钳夹抱轴机构，使用径向抱轴的钳夹系统，装配时，只需调整C轴钳夹使其与C轴旋转轴同轴，则可在不影响转台精度的情况下达到抱轴的目的；

2)采用阶梯状双层旋转密封，从结构上有效的预防冷却液渗入；

3)工作台轴承外套装有支撑环，与无支撑环结构相比，可增加轴承刚性30％，在保证轴承精度的情况下，增大其承载能力；

4)采用力矩电机直接驱动B轴输出轴，与传统涡轮蜗杆传动相比，该传动方式减少了中间环节；结构更紧凑；使用寿命长；运转平稳、无噪音；安装简单易操作；

5)传统的抱轴机构，只有单独的一个抱轴机构，存在因抱轴油路泄露，油缸卡死等抱轴机构失效情况，造成摆动轴自由下摆，出现安全事故。本结构采用双钳夹抱轴，利用两个独立的钳夹分别抱轴，有效的降低了风险；

6)本发明的五轴高效立式加工中心采用旋转摆动工作台后，不仅精度和刚度高、稳定性好，而且结构紧凑，操作简单，使用寿命长。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明五轴高效立式加工中心的立体结构示意图。

图2是本发明旋转摆动工作台的立体结构示意图。

图3是本发明旋转摆动工作台的剖视图。

图4是图3中A处放大图。

图5是本发明工作台支撑C轴的结构示意图。

图中：1、工作台本体，2、桥架，21、外密封槽，22、内密封槽，24、凸部，3、尾架，4、工作台支撑C轴，41、阶梯槽，42、台阶，5、C轴力矩电机，6、V型密封圈，7、B轴安装套，8、B轴力矩电机，9、B轴输出轴，10、尾部支撑轴，11、工作台轴承，12、支撑环，13、C轴钳夹，14、第一B轴钳夹抱轴机构，15、第二B轴钳夹抱轴机构，101、底座，102、机架，103、刀库，104、旋转摆动工作台，105、X轴传动机构，106、滑架，107、Y轴传动机构，108、Y轴滑枕，109、Z轴传动机构，110、Z轴滑枕，111、操作台，112、电柜。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，是本发明最优实施例，一种五轴高效立式加工中心，包括底座101、机架102、刀库103和旋转摆动工作台104，机架102固定在底座101上，旋转摆动工作台104的尾架3固定在底座101上，B轴摆动机构安装在机架102的侧面，机架102上安装有X轴传动机构105，X轴传动机构105上滑动安装有滑架106，滑架106上安装有Y轴传动机构107，Y轴传动机构107上滑动安装有Y轴滑枕108，Y轴滑枕108的一端安装有Z轴传动机构109，Z轴传动机构109上套装有Z轴滑枕110，刀库103安装在Z轴滑枕110上，Z轴传动机构109位于旋转摆动工作台104的上方，C轴与Z轴传动机构109的Z轴方向相互平行，B轴与Y轴传动机构107的Y轴方向相互平行。底座101上还安装有操作台111。底座101的侧面还安装有电柜112。

如图2-5所示，旋转摆动工作台104，包括工作台本体1、桥架2、尾架3、C轴转动机构和B轴摆动机构，工作台本体1通过C轴转动机构转动安装在桥架2上，桥架2的一端与尾架3转动连接，B轴摆动机构与桥架2的另一端转动连接，C轴转动机构中的C轴和B轴摆动机构中的B轴相互垂直。

C轴转动机构包括工作台支撑C轴4和C轴力矩电机5，C轴力矩电机5固定安装在桥架2内，工作台支撑C轴4的一端用于支撑工作台本体1底部，工作台支撑C轴4的另一端与C轴力矩电机5的输出轴连接，工作台支撑C轴4外还套装有能够抱死工作台支撑C轴4的C轴钳夹抱轴机构，C轴钳夹抱轴机构中的C轴钳夹13与工作台支撑C轴4同轴设置。

工作台支撑C轴4的一端与桥架2之间采用双层旋转密封结构，双层旋转密封结构包括开设在桥架2上的外密封槽21和内密封槽22，外密封槽21的底部高于内密封槽22的底部，外密封槽21和内密封槽22之间形成凸部24，工作台支撑C轴4的一端的具有周向的外凸圈，外凸圈的底部具有阶梯槽41，阶梯槽41卡接在凸部24上，阶梯槽41的内圈与内密封槽22的外圈贴合，阶梯槽41的外圈套装在外密封槽21的外部，阶梯槽41的外圈具有台阶42，台阶42的高度与凸部24的高度相一致，台阶42搭接在外密封槽21上，外密封槽21和内密封槽22内均安装有V型密封圈6。

工作台支撑C轴4外套装有工作台轴承11，工作台轴承11外套装有支撑环12。

B轴摆动机构包括B轴安装套7、B轴力矩电机8和B轴输出轴9，B轴力矩电机8安装在B轴安装套7内，B轴输出轴9的一端与B轴力矩电机8传动连接，B轴输出轴9的另一端与桥架2的另一端转动连接，所述尾架3上设有尾部支撑轴10，桥架2的一端通过尾部支撑轴10与尾架3转动连接，尾部支撑轴10和B轴输出轴9同轴设置，工作台支撑C轴4与B轴输出轴9的轴线相互垂直。

B轴输出轴9外还安装有双抱轴机构。双抱轴机构包括第一B轴钳夹抱轴机构14和第二B轴钳夹抱轴机构15，第一B轴钳夹抱轴机构14和第二B轴钳夹抱轴机构15相互独立。

B轴电缆旋转出线结构，传统方案采用线缆拖链引导，但由于内部空间狭小，拖链旋转空间有限，易造成拖链挤压断裂。该方案采用简洁的一端固定在摆动轴上，一端在固定点上方，利用线缆自身在保证适当长度情况下的可扭转性，达到从摆动轴上将电缆引导到固定点的出线目的。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种旋转摆动工作台，其特征在于：包括工作台本体（1）、桥架（2）、尾架（3）、C轴转动机构和B轴摆动机构，工作台本体（1）通过C轴转动机构转动安装在桥架（2）上，桥架（2）的一端与尾架（3）转动连接，B轴摆动机构与桥架（2）的另一端转动连接，C轴转动机构中的C轴和B轴摆动机构中的B轴相互垂直，所述工作台支撑C轴（4）的一端与桥架（2）之间采用双层旋转密封结构，所述双层旋转密封结构包括开设在桥架（2）上的外密封槽（21）和内密封槽（22），外密封槽（21）的底部高于内密封槽（22）的底部，外密封槽（21）和内密封槽（22）之间形成凸部（24），工作台支撑C轴（4）的一端底部具有阶梯槽（41），阶梯槽（41）卡接在凸部（24）上，阶梯槽（41）的内圈与内密封槽（22）的外圈贴合，阶梯槽（41）的外圈套装在外密封槽（21）的外部，阶梯槽（41）的外圈具有台阶（42），台阶（42）的高度与凸部（24）的高度相一致，台阶（42）搭接在外密封槽（21）上，所述外密封槽（21）和内密封槽（22）内均安装有V型密封圈（6）。

2.如权利要求1所述的旋转摆动工作台，其特征在于：所述C轴转动机构包括工作台支撑C轴（4）和 C轴力矩电机（5），所述C轴力矩电机（5）固定安装在桥架（2）内，工作台支撑C轴（4）的一端用于支撑工作台本体（1）底部，工作台支撑C轴（4）的另一端与C轴力矩电机（5）的输出轴连接，工作台支撑C轴（4）外还套装有能够抱死工作台支撑C轴（4）的C轴钳夹抱轴机构，C轴钳夹抱轴机构中的C轴钳夹（13）与工作台支撑C轴（4）同轴设置。

3.如权利要求2所述的旋转摆动工作台，其特征在于：所述工作台支撑C轴（4）外套装有工作台轴承（11），工作台轴承（11）外套装有支撑环（12）。

4.如权利要求3所述的旋转摆动工作台，其特征在于：所述B轴摆动机构包括B轴安装套（7）、B轴力矩电机（8）和B轴输出轴（9），B轴力矩电机（8）安装在B轴安装套（7）内，B轴输出轴（9）的一端与B轴力矩电机（8）传动连接，B轴输出轴（9）的另一端与桥架（2）的另一端转动连接，所述尾架（3）上设有尾部支撑轴（10），桥架（2）的一端通过尾部支撑轴（10）与尾架（3）转动连接，尾部支撑轴（10）和B轴输出轴（9）同轴设置，所述工作台支撑C轴（4）与B轴输出轴（9）的轴线相互垂直。

5.如权利要求4所述的旋转摆动工作台，其特征在于：所述B轴输出轴（9）外还安装有双抱轴机构。

6.如权利要求5所述的旋转摆动工作台，其特征在于：所述双抱轴机构包括第一B轴钳夹抱轴机构（14）和第二B轴钳夹抱轴机构（15），第一B轴钳夹抱轴机构（14）和第二B轴钳夹抱轴机构（15）相互独立。

7.一种五轴高效立式加工中心，其特征在于：包括底座（101）、机架（102）、刀库（103）和权利要求1-6任一项所述的旋转摆动工作台（104），机架（102）固定在底座（101）上，旋转摆动工作台（104）的尾架（3）固定在底座（101）上，B轴摆动机构安装在机架（102）的侧面，机架（102）上安装有X轴传动机构（105），X轴传动机构（105）上滑动安装有滑架（106），滑架（106）上安装有Y轴传动机构（107），Y轴传动机构（107）上滑动安装有Y轴滑枕（108），Y轴滑枕（108）的一端安装有Z轴传动机构（109），Z轴传动机构（109）上套装有Z轴滑枕（110），刀库（103）安装在Z轴滑枕（110）上，Z轴传动机构（109）位于旋转摆动工作台（104）的上方，所述C轴与Z轴传动机构（109）的Z轴方向相互平行，所述B轴与Y轴传动机构（107）的Y轴方向相互平行。

8.如权利要求7所述的五轴高效立式加工中心，其特征在于：所述底座（101）上还安装有操作台（111）。

9.如权利要求7所述的五轴高效立式加工中心，其特征在于：所述底座（101）的侧面还安装有电柜（112）。