CN111843524A - 一种超高精密机床结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高精密机床结构，包括X轴组件、Z轴组件和大理石床身，大理石床身上设有相互垂直的第一H型梁和第二H型梁，X轴组件和Z轴组件分别安装在第一H型梁和第二H型梁上；X轴组件包括两个X轴超精密导轨、X轴滑板、X轴直线电机磁板和X轴直线电机线圈，X轴滑板通过其上两侧的凹槽分别嵌设到两个X轴超精密导轨上并可沿X轴超精密导轨自由滑动；Z轴滑板通过其上两侧的凹槽分别嵌设到两个Z轴超精密导轨上并可沿Z轴超精密导轨自由滑动，主轴安装在Z轴滑板上。本发明设计一种加工精度可达到0.0005mm，适用于小零件高精度加工的机床结构。

Description

一种超高精密机床结构

技术领域

本发明属于机械加工设备技术领域，尤其涉及一种超高精密机床结构。

背景技术

车床是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床，且现有机床多用十字滑架，Z轴移动干扰X轴的工作，影响定位精度，无法满足小零件的高精度制作需求，同时，多采用普通丝杠和伺服电机驱动的工作模式，误差较大。

市场现有流通的小型数控车床很少有精度做到0.001mm以内的数控机床，但是由于现代工业水平的飞速发展对于机床的加工精度越来越高，急需提高机床的加工精度，解决小零件高精度没有可用机床的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种可满足小零件高精度制作需求的超高精密机床结构。

为了解决技术问题，本发明的技术方案是：一种超高精密机床结构，包括X轴组件、Z轴组件和大理石床身，所述大理石床身上设有相互垂直的第一H型梁和第二H型梁，X轴组件和Z轴组件分别安装在第一H型梁和第二H型梁上；

所述X轴组件包括两个X轴超精密导轨、X轴滑板、X轴直线电机磁板和X轴直线电机线圈，两个X轴超精密导轨相互平行的安装在第一H型梁上，X轴滑板通过其上两侧的凹槽分别嵌设到两个X轴超精密导轨上并可沿X轴超精密导轨自由滑动，X轴直线电机磁板和X轴直线电机线圈依次安装在大理石床身上且位于第一H型梁之间；

所述Z轴组件包括两个Z轴超精密导轨、Z轴滑板、Z轴直线电机磁板、Z轴直线电机线圈和主轴，两个Z轴超精密导轨相互平行的安装在第二H型梁上，Z轴滑板通过其上两侧的凹槽分别嵌设到两个Z轴超精密导轨上并可沿Z轴超精密导轨自由滑动，Z轴直线电机磁板和Z轴直线电机线圈依次安装在大理石床身上且位于第二H型梁之间，主轴安装在Z轴滑板上。

优选的，还包括分别安装在X轴组件和Z轴组件上的两个光栅尺组件；

所述光栅尺组件包括光栅尺和连接板，两个光栅尺分别设置在第一H型梁和第二H型梁的一侧并通过两个连接板将其分别与X轴滑板和Z轴滑板连接。

优选的，所述光栅尺包括尺身和读数头，读数头位于尺身下方；

两个尺身分别固定连接在第一H型梁和第二H型梁上，两个读数头分别与两个连接板的一端连接，两个连接板的另一端分别与X轴滑板和Z轴滑板固定连接。

优选的，所述大理石床身、第一H型梁和第二H型梁的采用的材料均为天然大理石。

优选的，所述第二H型梁位于第一H型梁的中垂线上。

优选的，所述X轴超精密导轨、第一H型梁和大理石床身为一体成型，Z轴超精密导轨、第二H型梁和大理石床身为一体成型。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明将X轴和Z轴区别设置，互不干扰，使得定位精度较高，满足高精度小零件的制作需求；

(2)本发明多为一体成型结构，使用零件数量较少，装配难度低，不易损坏；

(3)本发明采用直线电机以及纳米级光栅尺组成全闭环传动机构，消除传统机床采用丝杠传动所产生的缺点；

(4)本发明机床整体骨架采用大理石材料，此材料的应用使得机床对于由于温度变化所产生的误差及为微小，与传统的铸铁材料相比稳定性提高了一个数量级。

附图说明

图1、本发明一种超高精密机床结构的结构示意图；

图2、本发明图1的放大图；

图3、本发明一种超高精密机床结构的光栅尺的结构示意图；

附图标记说明：

1、大理石床身，1-1、第一H型梁，1-2、第二H型梁；

2、X轴超精密导轨，3、X轴滑板，4、X轴直线电机磁板，5、X轴直线电机线圈，6、Z轴超精密导轨，7、Z轴滑板，8、Z轴直线电机磁板，9、Z轴直线电机线圈，10、主轴；

11、光栅尺组件，11-1、光栅尺，11-1-1、尺身，11-1-2、读数头，11-2、连接板。

具体实施方式

下面结合实施例描述本发明具体实施方式：

需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-3所示，一种超高精密机床结构，包括X轴组件、Z轴组件和大理石床身1，大理石床身1上设有相互垂直的第一H型梁1-1和第二H型梁1-2，X轴组件和Z轴组件分别安装在第一H型梁1-1和第二H型梁1-2上；

X轴组件包括两个X轴超精密导轨2、X轴滑板3、X轴直线电机磁板4和X轴直线电机线圈5，两个X轴超精密导轨2相互平行的安装在第一H型梁1-1上，X轴滑板3通过其上两侧的凹槽分别嵌设到两个X轴超精密导轨2上并可沿X轴超精密导轨2自由滑动，X轴直线电机磁板4和X轴直线电机线圈5依次安装在大理石床身1上且位于第一H型梁1-1之间；

Z轴组件包括两个Z轴超精密导轨6、Z轴滑板7、Z轴直线电机磁板8、Z轴直线电机线圈9和主轴10，两个Z轴超精密导轨6相互平行的安装在第二H型梁1-2上，Z轴滑板3通过其上两侧的凹槽分别嵌设到两个Z轴超精密导轨6上并可沿Z轴超精密导轨6自由滑动，Z轴直线电机磁板8和Z轴直线电机线圈9依次安装在大理石床身1上且位于第二H型梁1-2之间，主轴10安装在Z轴滑板7上。

机床X、Z轴没有采用传统的十字滑台结构而是采用了分体式结构X轴组件与Z轴组件直接与床身连接，从而不会出现十字滑台会产生的累计误差。同时在机床的加工过程中使用传统丝杆也会存在热伸长问题以及丝杆制作出来就存在自身的运动误差，为了避免这个问题此款机床传动部位没有选用传统的丝杆，而是采用了零误差的Z轴直线电机线圈9、Z轴直线电机磁板8以及X轴直线电机线圈5、X轴直线电机磁板6，并且采用了Z轴超精密导轨6和X轴超精密导轨2，在精度反馈放面使用了纳米级X轴光栅尺11-1和Z轴光栅尺11-1，从而使得机床的精度可以达到0.0005mm。

直线电机线圈与直线电机磁板之间具有间隙、两者之间为磁悬浮关系。

具体地，第二H型梁1-2位于第一H型梁1-1的中垂线上。该设计工作面工作面最大。

具体地，还包括分别安装在X轴组件和Z轴组件上的两个光栅尺组件11；

光栅尺组件11包括光栅尺11-1和连接板11-2，两个光栅尺11-1分别设置在第一H型梁1-1和第二H型梁的一侧并通过两个连接板11-2将其分别与X轴滑板3和Z轴滑板7连接。

光栅尺，也称为光栅尺位移传感器(光栅尺传感器)，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。光栅尺按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅。

具体地，光栅尺11-1包括尺身11-1-1和读数头11-1-2，读数头11-1-2位于尺身11-1-1下方；现有技术中通常将读数头设置在尺身上，正向放置，且读数头固定在床身上，尺身固定在滑板上，这样设置滑板变形会影响光栅尺的精度；本专利将光栅尺11-1反向放置，既能避免滑板变形影响精度的问题又能具有抗污染能力强的优点，避免油污及碎屑污染，保证光栅尺11-1的使用寿命和精度。

两个尺身11-1-1分别固定连接在第一H型梁1-1和第二H型梁1-2上，两个读数头11-1-2分别与两个连接板11-2的一端连接，两个连接板11-2的另一端分别与X轴滑板3和Z轴滑板7固定连接。连接板11-1随着滑板移动带动读数头11-1-2的移动。

具体地，大理石床身1、第一H型梁1-1和第二H型梁1-2的采用的材料均为天然大理石。天然大理石的容量为2800kg/m³，导热系数为2.91W/m·K，蓄热系数23.35W/(㎡·K)。机床在加工过程中会产生热量，用传统的铸铁床身肯定会产生热变形，天然大理石具有良好的稳定性，可以避免热变形问题。

具体地，X轴超精密导轨2、第一H型梁1-1和大理石床身1为一体成型，Z轴超精密导轨6、第二H型梁1-2和大理石床身1为一体成型。一体成型的设计可减少零件的使用，提高整个机床的精度，且提高机床使用的稳定性，避免零件损坏需要较多的维护，使用体验度较好。

综上所述，本发明提供了一种可加工小零件的机床，且加工精度可以达到0.0005mm。

上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (6)

1.一种超高精密机床结构，其特征在于：包括X轴组件、Z轴组件和大理石床身，所述大理石床身上设有相互垂直的第一H型梁和第二H型梁，X轴组件和Z轴组件分别安装在第一H型梁和第二H型梁上；

所述X轴组件包括两个X轴超精密导轨、X轴滑板、X轴直线电机磁板和X轴直线电机线圈，两个X轴超精密导轨相互平行的安装在第一H型梁上，X轴滑板通过其上两侧的凹槽分别嵌设到两个X轴超精密导轨上并可沿X轴超精密导轨自由滑动，X轴直线电机磁板和X轴直线电机线圈依次安装在大理石床身上且位于第一H型梁之间；

所述Z轴组件包括两个Z轴超精密导轨、Z轴滑板、Z轴直线电机磁板、Z轴直线电机线圈和主轴，两个Z轴超精密导轨相互平行的安装在第二H型梁上，Z轴滑板通过其上两侧的凹槽分别嵌设到两个Z轴超精密导轨上并可沿Z轴超精密导轨自由滑动，Z轴直线电机磁板和Z轴直线电机线圈依次安装在大理石床身上且位于第二H型梁之间，主轴安装在Z轴滑板上。

2.根据权利要求1所述的一种超高精密机床结构，其特征在于：还包括分别安装在X轴组件和Z轴组件上的两个光栅尺组件；

所述光栅尺组件包括光栅尺和连接板，两个光栅尺分别设置在第一H型梁和第二H型梁的一侧并通过两个连接板将其分别与X轴滑板和Z轴滑板连接。

3.根据权利要求2所述的一种超高精密机床结构，其特征在于：所述光栅尺包括尺身和读数头，读数头位于尺身下方；

两个尺身分别固定连接在第一H型梁和第二H型梁上，两个读数头分别与两个连接板的一端连接，两个连接板的另一端分别与X轴滑板和Z轴滑板固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种超高精密机床结构，其特征在于：所述大理石床身、第一H型梁和第二H型梁的采用的材料均为天然大理石。

5.根据权利要求1所述的一种超高精密机床结构，其特征在于：所述第二H型梁位于第一H型梁的中垂线上。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种超高精密机床结构，其特征在于：所述X轴超精密导轨、第一H型梁和大理石床身为一体成型，Z轴超精密导轨、第二H型梁和大理石床身为一体成型。

Images