CN110893558B - 用于机床的c轴单元和包括c轴单元的机床 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于机床的C轴单元和包括C轴单元的机床。一种用于机床的C轴单元，包括：衬套(134)，适于固定到机床的单元支撑件(121)；头部安装平台(130)，适于接收操作头部(40)，所述头部安装平台由衬套(134)支撑并且能够绕竖直轴线相对于衬套(134)旋转；平台旋转马达(150)，由衬套(134)支撑，并被配置为控制头部安装平台(130)的旋转；以及主轴马达(160)，被配置为通过在穿过头部安装平台(130)获得的通孔(133)中布置的驱动延伸件(163)来控制在操作头部(40)上的工具承载主轴(45)的旋转。主轴马达(160)固定到头部安装平台(130)并与头部安装平台旋转地成一体。

Description

用于机床的C轴单元和包括C轴单元的机床
技术领域
本发明总体上涉及用于通过切屑去除加工的机床领域，并且具体涉及高速切削机(HSC)。
背景技术
HSC技术的强劲和持续发展要求机床具有进给轴和工具承载主轴的高动态性能。
在5轴雕刻加工领域，即在模塑、航空、能源领域、造型中心模型等中，对具有线性轴和极轴的高动态性能的5轴机器的需求越来越强烈和严格。
来自所述领域的其他强烈要求是降低加工成本和使用能够模块化和可重新配置的多任务机器，即满足加工过程的复杂和明确的问题。
考虑到源于加工过程的要求，这些要求横向影响机器的规格，已经定义了表征5轴机床当前技术水平的关键问题。
其中一些涉及需要配置5轴机床(3线性和2极)能够用操作头部进行粗操作和精操作，所述操作头部与HSC技术的当前技术水平一致。
加工系统的可配置性和模块性也受到极轴C的形态的强烈制约，极轴C必须能够允许自动联接一系列强大、快速且可靠的操作头部。
参考图1至3b，为此目的描述了一种已知的机床，其中仅有与根据极轴C的运动相关的部分在图1至3b中示出。在5轴机床中，三个线性轴通常用X、Y和Z表示，而围绕水平轴线X和围绕竖直轴线Z旋转的两个极轴分别用A和C表示。在图中，未示出的轴线Y垂直于绘图平面(轴线X和Y可颠倒)。
机床包括轴承结构10和单元支撑件21，轴承结构10简单地在图1中示出，单元支撑件21由轴承结构10支撑并且可以以本身已知的方式相对于轴承结构10沿至少一个轴线平移地移动，并且具体而言是沿着两个水平正交轴线X和Y并沿着竖直轴线Z移动。
在所示的实例中，单元支撑件21制成为沿竖直轴线Z延伸的滑枕(ram)，并且为了简单起见，在下文中将如此表示。滑枕21以本身已知的方式连接到机床的轴承结构10。
C轴单元20在滑枕的下端处布置在滑枕21上。
C轴单元包括适于接收操作头部40的头部安装平台30。头部安装平台30可相对于滑枕21围绕竖直轴线Z旋转，并因此在极轴C的方向上可旋转。头部安装平台30包括主体31和轴32，主体31用于固定操作头部40，轴32与轴线Z同轴延伸。轴32与主体31制成一体，并且如在下文中将阐明，构成旋转接头的旋转部分。通过头部安装平台30获得中心通孔33，其目的将在下文中阐明。一系列垫圈33a沿中心通孔33布置。
头部安装平台30由固定在滑枕21底部的衬套(bushing)34支撑。具体而言，头部安装平台30由衬套34通过径向轴向轴承35和滚柱轴承36支撑。头部安装平台30和衬套34之间进一步插入多片式离合器34a，当需要将头部安装平台30相对于衬套34/滑枕21锁定时，可启动多片式离合器34a。
在头部安装平台30的主体31的下表面31a上布置有电连接器37和液压连接器38，适于对操作头部40上的电力、信号和流体使用者进行供应。在头部安装平台30的主体31的下部也布置有头部联接系统39，头部联接系统39可以是手动的或自动的(在图3b的放大细节中可见)。这些头部联接系统39还包括具有Hirth型带齿前部连接器39a的锁，该前部连接器39a可被激活以给头部安装平台30和操作头部40之间的连接提供更大的刚性和机械稳定性。
操作头部40被固定(手动、半自动或自动)到头部安装平台30的方式使得也可绕竖直轴线Z旋转。在所示的实例中，操作头部40的配置方式使得部分41可相对于操作头部40绕水平轴线X旋转，从而根据极轴A的方向旋转。在操作头部40的部分41上，布置有工具承载主轴45，其用于附接工具(未示出)。可移除上述头部40并用具有不同架构的头部替换。
在操作头部40的下方布置有工件承载单元以支撑工件。
C轴单元还包括平台旋转马达50，平台旋转马达50被配置为控制头部安装平台30的旋转。平台旋转马达50可例如由扭矩马达、蜗轮/螺旋齿轮马达或预加载电动双马达组成。平台旋转马达50包括固定到衬套34的径向外部定子部分51，以及固定到头部安装平台30的轴32的径向内部转子部分52。
主轴马达60在其上部与和主轴马达60相关联的齿轮箱61一起布置在滑枕21上。主轴马达60被配置为控制工具承载主轴45在操作头部40上的旋转。为此目的，提供传动轴62和驱动延伸件63以将动力传递到头部安装平台30。传动轴62的上端通过上传动联接器64连接到齿轮箱61的输出轴，而传动轴62的下端通过下传动联接器65与驱动延伸件63旋转地成一体。驱动延伸件63通过轴承66连接到头部安装平台30。
驱动延伸件63可通过键槽连接或带槽轴67-68连接到操作头部40内部的运动链或链接到主轴45。联接器构造成两部分，以确保操作头部40与头部安装平台30分离。联接器67的凹形部分与驱动延伸件63是一体的，而联接器68的凸形部分安装在操作头部40的输入轴上。
操作头部40上的流体使用者通过管道71供应，管道71将机床(未示出)的专用液压控制单元连接到固定到滑枕21的隔膜(水平肋)上的液压分配器72。液压分配器72的主体还用作马达/齿轮箱单元60、61的支撑件。
在液压分配器72和操作头部40上的使用者之间插入有流体旋转接头，该流体旋转接头包括静止部分73(相对于滑枕21静止)和旋转部分。该旋转部分由头部安装平台30的轴32组成。旋转接头的静止部分73被插入头部安装平台30的中心通孔33中。旋转接头的静止部分73的防旋转约束通过支撑件74(连接到旋转接头的静止部分73)获得，该支撑件74通过管75连接到液压分配器72的主体，该液压分配器72的主体固定到滑枕21的隔膜(水平肋)上。驱动轴62容纳在管75内。
旋转接头的静止部分73通过管道76进行流体供应，管道76将液压分配器72连接到支撑件74，然后连接到旋转接头的静止部分73。
通过在旋转接头的静止部分73中制成的流体供应孔73a和垫圈33a，流体被供应到头部安装平台30和液压连接器38。
操作头部40上的电力和信号使用者由电力和信号缆线供电，这些电力和信号缆线将机床(未示出)的电气和数字控制柜连接到电力和信号连接器81，这些电力和信号连接器81在静止部分中固定到分配器72的主体。
向头部安装平台30并因此向电连接器37进行的电力供应通过缆线82提供，这些缆线82根据螺旋轨迹缠绕，该螺旋轨迹将分配器72的电连接器81接合到与头部安装平台30的轴32一体布置的电连接器83。这些电连接器83又电连接到布置在头部安装平台30的表面31a上的电连接器37。
为了避免损坏沿螺旋轨迹移动的缆线82与固定且不旋转的管道76之间的碰撞和破损，采用具有光滑且润滑的外表面的管84，其随着头部安装平台30旋转，并允许缆线和液压管道之间的分离。
上述机器有几个关键问题。
首先，安装在滑枕21上的主轴马达60在其上端使得难以布置操作头部的电力和信号缆线、液压旋转接头的架构和液压管道的布局。
此外，在操作中，电力和信号缆线82以螺旋形式扭曲和弯曲，一方面将头部的角度行程限制在+/-180°，另一方面导致显著的缆线磨损，这需要经常维护。电缆线82的复杂管理进一步限制了C轴的动态性能，损害了HSC加工。通常，可实现5rpm的加工速度和0.1rad/sec2的角加速度。
此外，该系统的形态不允许采用允许无限加工(极轴的连续旋转)的滑环，这是例如在航空领域中强烈要求的特定特征。
齿轮箱/主轴马达单元61、60的上部的位置是强制性的，并且取决于传动轴62的长度，传动轴62必须高，以允许足够长度的缆线82，从而减少弯曲和扭曲相同的缆线，从而确保其可接受的寿命。长传动轴62对其扭转刚度具有严重的负面影响，从而限制需要大扭矩的重型粗操作。而且，由于传动轴62的长度，机械主轴45的高速精加工受到严格限制，这限制了临界转速。
由部分73和32形成的下液压旋转接头被集成到头部安装平台30中。供应操作头部的使用者所需的多个垫圈33a产生高摩擦扭矩，其产生对旋转平台马达50的扭矩扰动。
上述这些关键问题严重限制了C轴的动态性能和操作头部的主轴的马达驱动的动态性能。此外，各种单元的组装是复杂的，并且部件的构造不符合模块化和可重新配置系统的最现代指导方针。
发明内容
本发明的目的是提供一种机床，其允许至少部分地克服了根据现有技术的上述机器的缺点。
根据本发明，该目的和其他目的通过一种用于机床的C轴单元实现，用于机床的C轴单元包括：
衬套，适于在机床的单元支撑件的下端处固定到该单元支撑件上，所述衬套在被固定到机床的单元支撑件上时，沿竖直轴线延伸，
头部安装平台，适于接收操作头部，所述头部安装平台由衬套支撑并且可围绕所述竖直轴线相对于衬套旋转，和
平台旋转马达，由衬套支撑并且被配置为控制头部安装平台的旋转，
所述C轴单元的特征在于进一步包括：
主轴马达，被配置为通过布置在穿过头部安装平台获得的通孔中的驱动延伸件来控制操作头部的工具承载主轴的旋转，其中，主轴马达被固定到头部安装平台并且与头部安装平台旋转地一体化。
主轴马达不再一体地固定在滑枕的结构上，不会妨碍电力和信号缆线的通过，从而使组装更容易并延长电缆线的使用寿命，因为它们不再需要以在操作期间经受弯曲和扭转的方式布置。
与头部安装平台一体旋转的电缆线不再像已知的执行那样以螺旋方式缠绕，而是可在商业缆线承载链(cable-carrying chain)中传送，该缆线承载链适于可靠地实现，而不会扭曲和弯曲缆线，头部安装平台的旋转的角度行程相当大地增加到+/-360°，并且C轴的动态性能显著增加，诸如30rpm的角速度和30rad/sec2的角加速度。
主轴马达在头部安装平台上的应用也是液压头部管道的位置的重要简化，并且使得滑枕的上部可用，从而使得适用于由专用运动链驱动的流体旋转接头。旋转接头与头部安装平台分离，从而消除了垫圈的摩擦，对C轴的定位和加工精度以及操作头部可用的功率具有重要的积极影响。
旋转接头的顶部的位置允许用可能的滑环(slip ring)替换缆线承载链，该滑环允许C轴的无限旋转。
直接固定在头部安装平台上的主轴马达的应用允许运动链的组装的显著简化以及主轴旋转的运动链的动态性能的超常增加。
实际上，由于消除了长的传动杆，长的传动杆是显著的扭转故障的来源，因此获得扭转刚度和运动链频率的显著增加，从而允许高切屑去除的加工，消除了颤振的开始，以及实现操作头部转速的增加。
本发明的优点使得可能实现头部安装平台的动态性能的显著增加，例如30rpm的轴旋转速度和30rad/sec2的角加速度以及主轴旋转运动链的动态性能显著增加20％。
附图说明
通过下面的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，所述详细描述仅通过参考附图的非限制性实例提供，其中：
图1示出了根据现有技术的机床的C轴单元，以剖面表示；
图2和图3a是图1中C轴单元的部分放大比例的视图，分别在图1中的II和III处表示；
图3b是图1中的C轴单元的部分放大比例的视图；
图4示出了根据本发明的实施方式的用于机床的C轴单元，以剖面表示；
图5至图7是图4中C轴单元的部分放大比例的视图，分别如V、VI和VII所示；
图8示出了根据本发明另一实施方式的用于机床的C轴单元，以剖面表示；和
图9至图11是关于图8中的C轴单元的部分放大比例的视图，分别如IX，X和XI所示。
具体实施方式
参考图4至图7，现在将描述包括根据本发明的C轴单元的机床。在图4至图6中仅示出了与根据极轴C的运动相关的部分。传统上，两个线性轴以X和Y表示，而两个极轴围绕水平轴线X和围绕竖直轴线Z旋转，分别指定为A和C。在这些图中，未示出的轴线Y垂直于绘图平面(轴线X和Y可颠倒)。然而，对于本发明的目的而言，机床具有5个运动轴线并不是必需的。
机床包括轴承结构10和单元支撑件121，轴承结构10简单地在图4中示出，单元支撑件121由轴承结构10支撑并且可以以本身已知的方式相对于轴承结构10沿至少一个轴线移动，并且具体而言是沿着两个水平正交轴线X和Y并沿着竖直轴线Z移动。
在所示的实例中，单元支撑件121形成为沿竖直轴线Z延伸的滑枕，并且为了简单起见将在下文中表示为滑枕。滑枕121以本身已知的方式连接到机床的轴承结构10。
C轴单元120在其下端处布置在滑枕121上。
C轴单元包括适于接收操作头部40的头部安装平台130。头部安装平台130可相对于滑枕121围绕竖直轴线Z旋转，并因此沿极轴线C的方向旋转。头部安装平台130包括主体131和轴132，主体131用于固定操作头部40，轴132与轴线Z同轴延伸。轴132与主体131一体制成。通过头部安装平台130获得中心通孔133，其目的将在下文中阐明。
头部安装平台130由固定到滑枕121的底部的衬套134支撑。具体而言，头部安装平台130通过径向-轴向轴承135和滚柱轴承136由衬套134支撑。在头部安装平台130和衬套134之间，还插入有多片式离合器134a，当需要相对于衬套134/滑枕121锁定头部安装平台130时，可启动多片式离合器134a。
在头部安装平台130的主体131的下表面131a上布置有多个电连接器137和多个液压连接器138，它们适于对在操作头部40上的电力、信号和流体使用者进行供应。在头部安装平台130的主体131的下部还布置有头部联接系统，这些头部联接系统可以是手动的或自动的，例如类似于图3b中所示的那些。
操作头部40被固定(手动、半自动或自动)到头部安装平台130，以便也可绕竖直轴线Z旋转。在所示的实例中，操作头部40的配置方式使得具有可围绕水平轴线X相对于操作头部40旋转的部分41，并因此根据极轴A的方向旋转。在操作头部40的部分41上布置有工具承载主轴45，其用于附接工具(未示出)。可移除上述头部40并用具有不同架构的头部替换。操作头部40的配置对于本发明的目的而言不是必需的。
在操作头部40的下方布置有工件承载单元以支撑工件。
C轴单元还包括平台旋转马达150，该平台旋转马达150配置成控制头部安装平台130的旋转。平台旋转马达150可例如由扭矩马达、蜗轮/螺旋齿轮马达或预加载电动双马达组成。平台旋转马达150包括固定到衬套134的径向外定子部分151，以及固定到头部安装平台130的轴132的径向内转子部分152。
C轴单元还包括主轴马达160，主轴马达160通过马达支撑件固定到头部安装平台130，马达支撑件由彼此固定的两个部分组成，并在图中以161和160a示出。因此，主轴马达160连接到头部安装平台130的轴132，并因此与头部安装平台130旋转地成一体。
齿轮箱，例如行星齿轮箱，可与主轴马达160相关联。
主轴马达160被配置为控制工具承载主轴45在操作头部40上的旋转。为此，提供驱动延伸件163以将动力传递到头部安装平台130。驱动延伸件163的上端通过上传动联接器164连接到主轴马达160的输出轴，而驱动延伸件163的下端被插入头部安装平台130的中心通孔133并通过轴承166连接到头部安装平台130。
驱动延伸件163可通过键槽连接或带槽轴167-168连接到操作头部40内部的运动链和主轴45。联接器构造成两部分，以确保操作头部40与头部安装平台130分离。联接器167的凹形部分附接到驱动延伸件163，而联接器168的凸形部分安装在操作头部40的输入轴上。
操作头部40上的流体使用者是通过管道171进行供应，管道171将机床(未示出)的专用液压控制单元连接到液压分配器172。液压分配器172安装在液压旋转接头的静止部分173上，静止部分173又固定到滑枕121的隔膜(水平肋)上。
流体旋转接头包括被插入静止部分173中的孔中的旋转部分174。在旋转接头的静止部分173和旋转部分174之间插入一系列垫圈174a，这些垫圈174a沿着容纳旋转部分174的孔放置。
旋转接头的旋转部分174通过在旋转接头的静止部分173中制成的流体供应孔173a和垫圈174a进行流体供应。通过在旋转接头的旋转部分174中制成并连接到管道175的流体供应孔174b，管道175一侧连接到旋转接头的旋转部分174，另一侧连接到马达支撑件160a，对马达支撑件160a进行流体供应。通过在马达支撑件160a中制造的流体供应孔160b，连接到在头部安装平台130中制成的相应供应孔130b，对头部安装平台130和液压连接器138进行供应。
操作头部40上的电力和信号使用者由电力和信号缆线181进行供应，电力和信号缆线181将机床(未示出)的电气和数字控制柜连接到C轴单元。缆线181锚定到板181a，板181a又固定在输入支撑件181b。输入支撑件181b附接到分配器172并且附接到旋转接头的静止部分173。缆线承载链182的顶端固定到板181a并且布置在旋转接头的旋转部分174中的中心通孔内。因此，来自板181a的缆线181被布线在缆线承载链182内。缆线承载链182的下端固定到支撑件183，支撑件183通过一些柱184固定到马达支撑件160a，马达支撑件160a与头部安装平台130旋转。因此，缆线181部分地电连接到主轴马达160，并且部分地电连接到布置在头部安装平台130的底表面131a上的一些电连接器137。当然，还有电力和信号缆线连接到固定的使用者，例如连接到旋转平台马达的定子，但是这些缆线未示出，因为不是可相对于彼此旋转的连接部分，它们对于本发明的目的不是感兴趣的。
为了消除由于垫圈174a的摩擦而对平台旋转马达150的扭矩干扰，液压旋转接头由专用的运动链190和接头马达191旋转地控制。液压旋转接头的旋转与平台旋转马达150的旋转的同步是通过集成在平台旋转马达150和接头马达191中的两个测量系统以及数控(CNC)的控制算法实现。
上述配置中的C轴单元能够根据C轴完成+/-360°的旋转，其中线缆181的有限扭转布置在头部安装平台30的旋转轴线处，在缆线承载链182中。
参考图8至图11，现在将描述根据本发明第二实施方式的包括C轴单元的机床。与前述实施方式相对应的元件用相同的参考标号表示，并且不再进一步描述。图8至图11的实施方式与前一实施方式的不同之处主要在于它提供了滑环来代替缆线承载链。该装置允许实现C轴单元的无限旋转。
滑环，如图8至图11中的200所示，包括安装在输入支撑件181b上的静止部分201和与流体旋转接头的旋转部分174制成一体的旋转部分202。将机床的电气和数字控制柜连接到C轴单元120的电力和信号缆线181电连接到滑环的静止部分201。电流和信号以本身已知的方式从滑环的静止部分201传递到旋转部分202。附加电缆线181c连接到滑环的旋转部分202并且分布在各种使用者之间。因此，这些缆线181c部分地电连接到主轴马达160，并且部分地电连接到布置在头部安装平台130的底表面131a上的电连接器137。在滑环正下方的部分中，这些缆线181c贯穿通过液压旋转接头的旋转部分174获得的中心通孔。
当然，在不改变本发明的原理的情况下，这些实施方式和构造的细节可相对于纯粹通过非限制性实例描述和说明的那些内容变化很大，而不会因此脱离由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (5)

1.一种用于机床的C轴单元，包括：
衬套(134)，适于在机床的单元支撑件(121)的下端处固定到所述单元支撑件(121)，当所述衬套被固定到所述机床的所述单元支撑件(121)时，所述衬套沿竖直轴线(Z)延伸，
头部安装平台(130)，适于接收操作头部(40)，所述头部安装平台由所述衬套(134)支撑并且能够绕所述竖直轴线相对于所述衬套(134)旋转，以及
平台旋转马达(150)，由所述衬套(134)支撑并被配置为控制所述头部安装平台(130)的旋转，
其特征在于，所述C轴单元进一步包括：
主轴马达(160)，所述主轴马达被配置为通过在穿过所述头部安装平台(130)获得的通孔(133)中布置的驱动延伸件(163)来控制在所述操作头部(40)上的工具承载主轴(45)的旋转，其中，所述主轴马达(160)被固定到所述头部安装平台(130)并与所述头部安装平台(130)旋转地成一体。
2.一种机床，包括：
单元支撑件(121)，所述单元支撑件能够沿着至少一个轴线平移地移动，在所述单元支撑件的下端安装有根据权利要求1所述的C轴单元，和
流体旋转接头，所述流体旋转接头被设置用于向所述操作头部(40)供应至少一种流体，所述流体旋转接头被布置在所述单元支撑件(121)的上端处并包括固定到所述单元支撑件(121)的静止部分(173)和能围绕所述竖直轴线相对于所述衬套(134)旋转的旋转部分(174)。
3.根据权利要求2所述的机床，其中，所述流体旋转接头的所述旋转部分(174)通过布置在所述单元支撑件(121)上并与所述平台旋转马达(150)分离的接头马达(191)而可控制地旋转，所述接头马达(191)和所述平台旋转马达(150)是可控制的，以使所述流体旋转接头的所述旋转部分(174)的角位置和旋转速度与所述头部安装平台(130)的角位置和旋转速度同步。
4.根据权利要求2或3所述的机床，包括多条电力和信号缆线(181)，用于对所述主轴马达(160)和所述操作头部(40)中的至少一者进行供电和控制，所述电力和信号缆线从所述单元支撑件(121)的外部通过位于所述主轴马达(160)上方并在所述竖直轴线(Z)上径向地布置的缆线承载链(182)而被传送，所述缆线承载链的上端被固定到所述单元支撑件(121)，且所述缆线承载链的下端与所述流体旋转接头的所述旋转部分(174)旋转地成一体。
5.根据权利要求2或3所述的机床，包括多条电力和信号缆线(181)，用于对所述主轴马达(160)和所述操作头部(40)中的至少一者进行供电和控制，并且还包括滑环，该滑环被布置在所述单元支撑件(121)的上端并包括固定到所述单元支撑件(121)的静止部分(201)和与所述流体旋转接头的所述旋转部分(174)旋转地成一体的旋转部分(202)，所述滑环的所述旋转部分(202)电连接到所述主轴马达(160)和所述操作头部(40)中的至少一者。
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