CN113695962B - 数控机床竖直轴的高精度快速驱动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种数控机床竖直轴的高精度快速驱动机构，包括滑板和滑枕，滑枕沿滑板外表面竖直滑动，滑枕的底部连接刀具，在滑枕的左右两侧对称设有直线导轨，直线导轨与滑板滑动连接；在滑枕的顶部左右两侧对称设置丝杠上支撑座，滑枕的中部左右两侧对称设置丝杠下支撑座，在同侧的丝杠上支撑座与丝杠下支撑座之间连接丝杠，每个丝杠上同轴配合直驱电机，直驱电机的电机座连接在滑板上。该高精度快速驱动机构规避了齿轮驱动产生的传动间隙，保证了传动链的高精度及动态响应速度，易于实现大行程高精度驱动。

Description

数控机床竖直轴的高精度快速驱动机构
技术领域
本发明涉及一种数控机床竖直轴的高精度快速驱动机构，属于数控机床制造的技术领域。
背景技术
随着科学技术的不断发展，现今在航空航天、轨道交通、军工等领域对大型高精度桥式五轴类数控机床的要求也不断提高。高档大型高精度五轴机床的最新要求是具备高精度、高动态特性等特点，应用于航空行业大部件整形加工主要设备是高精度桥式五轴机床，通常要求竖直轴行程大于2m，重复定位精度小于3微米，现有传统大型龙门五轴机床的主轴箱多采用电机连接丝杠驱动滑枕移动，平衡油缸平衡滑枕重力的形式，此结构由于传动链较长导致反向间隙大、传动链存在热变形误差大等问题，并且移动时平衡油缸波动阻力较大，所以滑枕轴的重复定位精度超差及动态性能均略显不足，不能满足设备高精度高动态响应的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种数控机床竖直轴的高精度快速驱动机构，该高精度快速驱动机构规避了齿轮驱动产生的传动间隙，保证了传动链的高精度及动态响应速度，易于实现大行程高精度驱动。
为解决以上问题，本发明的具体技术方案如下：一种数控机床竖直轴的高精度快速驱动机构，包括滑板和滑枕，滑枕沿滑板外表面竖直滑动，滑枕的底部连接刀具，在滑枕的左右两侧对称设有直线导轨，直线导轨与滑板滑动连接；在滑枕的顶部左右两侧对称设置丝杠上支撑座，滑枕的中部左右两侧对称设置丝杠下支撑座，在同侧的丝杠上支撑座与丝杠下支撑座之间连接丝杠，每个丝杠上同轴配合直驱电机，直驱电机的电机座连接在滑板上。
所述的直驱电机结构包括，在丝杠上螺纹配合丝母，丝母上端通过法兰连接内转子套，内转子套的外圆周中部通过连接台连接内转子，内转子套的外圆周上下两端分别设有角接触球轴承，上端和下端的角接触球轴承的外圈分别同轴配合轴承外环套，在两个轴承外环套之间设有外定子，外定子与内转子同轴配合；在外定子的外圆周同轴配合直驱电机的电机座，直驱电机的电机座上下两端与对应位置的轴承外环套连接；在上端的轴承外环套和下端的轴承外环套的外端部分别通过螺栓连接环形的锁紧螺母，上部的角接触球轴承上端限位在上端的锁紧螺母的底面，上部的角接触球轴承的底面设有内隔套，内隔套的下端限位在连接台上；下部的角接触球轴承顶面限位在内转子套的限位台上，下部的角接触球轴承下端限位在下端的锁紧螺母的顶面。
所述的直线导轨上配合连接抱闸滑块，抱闸滑块通过抱闸滑块座与滑板的顶面连接。
所述的丝杠下支撑座的底面设有凹槽，凹槽内设有丝杠下端固定涨紧套；在丝杠上支撑座的上表面设有凹槽，凹槽内设有丝杠上隔套，丝杠上隔套的同轴设置碟簧，碟簧底部限位在丝杠上隔套的限位台上，丝杠的顶端设有压紧螺母，压紧螺母通过垫片压紧在碟簧的顶面。
所述的丝杠安装时进行预拉伸，预拉伸量为11.6×10-6×L×ΔT，其中L为丝杠的支撑距离，ΔT为丝杠温升变化值。
本发明具有如下创新点：
1.本发明通过直驱丝母结构可以有效降低传动间隙，传动效率高，可以保证高精度五轴加工中心的高精度传动和高动态响应；
2.丝杠经预拉伸后两端固定，一端通过碟簧结构预紧可实现消隙并且消除传动过程中丝杠体自身热变形引起的膨胀；
3.直驱丝母结构驱动形式相比较于丝杠旋转驱动能够实现大行程驱动，优化丝杠规格，避免了因行程过长丝杠自身极限转速不够而加大丝杠直径规格，同时相比较丝杠旋转可有效降低负载惯量，实现更好的惯量匹配；
4.在驱动端布置两套直驱结构易于实现大负载驱动，相比较传统平衡油缸平衡掉负载重量，本发明这种配置可有效避免压力变化对加工精度的扰动；
5.在左右两个导轨上额外设置抱闸滑块，抱闸滑块通过碟簧提供锁紧力将滑枕部件牢固锁紧于滑板上，双重抱闸可降低急停或机床突然断电引起的竖直轴坠落的风险的概率；
综上所述，本发明数控机床竖直轴的高精度快速驱动机构相比传统丝杠旋转可减小负载惯量，并且适合大行程高速驱动，相比带有平衡油缸结构减少了压力变化对加工精度的扰动，可实现滑枕在竖直轴的高精度高动态特性移动。
附图说明
图1为数控机床竖直轴的高精度快速驱动机构的轴测图。
图2为丝杠与直驱电机及丝杠上支撑座和丝杠下支撑座连接的剖视图。
具体实施方式
如图1所示，一种数控机床竖直轴的高精度快速驱动机构，包括滑板22和滑轨20，滑枕20沿滑板22外表面竖直滑动，滑枕20的底部连接刀具19，在滑枕20的左右两侧对称设有直线导轨25，直线导轨25与滑板22滑动连接；在滑枕20的顶部左右两侧对称设置丝杠上支撑座14，滑枕20的中部左右两侧对称设置丝杠下支撑座2，在同侧的丝杠上支撑座14与丝杠下支撑座2之间连接丝杠3，丝杠3为中空结构，用于冷却水循环，每个丝杠3上同轴配合直驱电机12，直驱电机12的电机座连接在滑板22上。在直线导轨25上配合连接抱闸滑块24，抱闸滑块24通过抱闸滑块座23与滑板22的顶面连接。
如图2所示，所述的直驱电机12结构包括，在丝杠3上螺纹配合丝母13，丝母13上端通过法兰连接内转子套8，内转子套8的外圆周中部通过连接台连接内转子9，内转子套8的外圆周上下两端分别设有角接触球轴承7，上端和下端的角接触球轴承7的外圈分别同轴配合轴承外环套5，在两个轴承外环套5之间设有外定子10，外定子10与内转子9同轴配合；在外定子10的外圆周同轴配合直驱电机12的电机座，直驱电机12的电机座上下两端与对应位置的轴承外环套5连接；在上端的轴承外环套5和下端的轴承外环套5的外端部分别通过螺栓4连接环形的锁紧螺母6，上部的角接触球轴承7上端限位在上端的锁紧螺母6的底面，上部的角接触球轴承7的底面设有内隔套11，内隔套11的下端限位在连接台上；下部的角接触球轴承7顶面限位在内转子套8的限位台上，下部的角接触球轴承7下端限位在下端的锁紧螺母6的顶面。轴线运动时丝母13只做旋转运动，而不做直线运动，外定子10与内转子9通过电磁感应传动丝母13旋转，外定子10的外周布置环形冷却沟槽通过水冷却机对外定子10与内转子9进行冷却，减少电磁驱动发热传递，轴承外环套5外圆柱面同样布置冷却沟槽，丝母13内滚珠带动两条丝杠3及滑枕20部件直线竖直移动，在左右两个直线导轨25上额外设置抱闸滑块24，抱闸滑块24通过碟簧提供锁紧力将滑枕20部件牢固锁紧于滑板22上，可降低急停或机床突然断电引起的竖直轴坠落的风险的概率。
所述的丝杠下支撑座2的底面设有凹槽，凹槽内设有丝杠下端固定涨紧套1；在丝杠上支撑座14的上表面设有凹槽，凹槽内设有丝杠上隔套15，丝杠上隔套15的同轴设置碟簧16，碟簧16底部限位在丝杠上隔套15的限位台上，丝杠3的顶端设有压紧螺母18，压紧螺母18通过垫片17压紧在碟簧16的顶面。此机构规避了齿轮驱动产生的传动间隙，保证了传动链的高精度及动态响应速度，易于实现大行程高精度驱动，相比较传统平衡油缸平衡还可有效避免压力变化对加工精度的扰动；丝杠支撑端通过碟簧结构预紧实现消隙并且经过预拉伸消除传动过程中丝杠体自身热变形引起的膨胀，可以有效控制丝杠副高速旋转产生的热变形影响，循环冷却系统能有效控制温度场对传动精度的影响，从而提升高精度五轴机床的加工精度和表面质量。
所述的丝杠3安装时进行预拉伸，预拉伸量为11.6×10-6×L×ΔT，其中L为丝杠的支撑距离，ΔT为丝杠温升变化值。丝杠支撑端通过碟簧结构预紧实现消隙并且经过预拉伸消除传动过程中丝杠体自身热变形引起的膨胀，可以有效控制丝杠副高速旋转产生的热变形影响，从而提升机床的加工精度和表面质量。

Claims (4)

1.一种数控机床竖直轴的高精度快速驱动机构，包括滑板（22）和滑枕（20），滑枕（20）沿滑板（22）外表面竖直滑动，滑枕（20）的底部连接刀具（19），其特征在于：在滑枕（20）的左右两侧对称设有直线导轨（25），直线导轨（25）与滑板（22）滑动连接；在滑枕（20）的顶部左右两侧对称设置丝杠上支撑座（14），滑枕（20）的中部左右两侧对称设置丝杠下支撑座（2），在同侧的丝杠上支撑座（14）与丝杠下支撑座（2）之间连接丝杠（3），每个丝杠（3）上同轴配合直驱电机（12），直驱电机（12）的电机座连接在滑板（22）上；所述的直驱电机（12）结构包括，在丝杠（3）上螺纹配合丝母（13），丝母（13）上端通过法兰连接内转子套（8），内转子套（8）的外圆周中部通过连接台连接内转子（9），内转子套（8）的外圆周上下两端分别设有角接触球轴承（7），上端和下端的角接触球轴承（7）的外圈分别同轴配合轴承外环套（5），在两个轴承外环套（5）之间设有外定子（10），外定子（10）与内转子（9）同轴配合；在外定子（10）的外圆周同轴配合直驱电机（12）的电机座，直驱电机（12）的电机座上下两端与对应位置的轴承外环套（5）连接；在上端的轴承外环套（5）和下端的轴承外环套（5）的外端部分别通过螺栓（4）连接环形的锁紧螺母（6），上部的角接触球轴承（7）上端限位在上端的锁紧螺母（6）的底面，上部的角接触球轴承（7）的底面设有内隔套（11），内隔套（11）的下端限位在连接台上；下部的角接触球轴承（7）顶面限位在内转子套（8）的限位台上，下部的角接触球轴承（7）下端限位在下端的锁紧螺母（6）的顶面。
2.如权利要求1所述的数控机床竖直轴的高精度快速驱动机构，其特征在于：所述的直线导轨（25）上配合连接抱闸滑块（24），抱闸滑块（24）通过抱闸滑块座（23）与滑板（22）的顶面连接。
3.如权利要求1所述的数控机床竖直轴的高精度快速驱动机构，其特征在于：所述的丝杠下支撑座（2）的底面设有凹槽，凹槽内设有丝杠下端固定涨紧套（1）；在丝杠上支撑座（14）的上表面设有凹槽，凹槽内设有丝杠上隔套（15），丝杠上隔套（15）的同轴设置碟簧（16），碟簧（16）底部限位在丝杠上隔套（15）的限位台上，丝杠（3）的顶端设有压紧螺母（18），压紧螺母（18）通过垫片（17）压紧在碟簧（16）的顶面。
4.如权利要求3所述的数控机床竖直轴的高精度快速驱动机构，其特征在于：所述的丝杠（3）安装时进行预拉伸，预拉伸量为11.6×10-6×L×ΔT，其中L为丝杠的支撑距离，ΔT为丝杠温升变化值。
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