CN114850890A - 一种多腔中空结构的机床碳纤维横梁 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机床碳纤维横梁技术领域，尤其是涉及一种多腔中空结构的机床碳纤维横梁。包括横梁主体和驱动机构安装板；所述横梁主体包括横梁主梁和导轨齿条安装面；所述轨齿条安装面水平安装在横梁主梁上；所述横梁主梁与驱动机构安装板一体成型。所述横梁主体的横截面上设置有隔板。隔板使横梁主梁横截面构成形成腔体结构，并且隔板之间构成中间腔。本发明在的碳纤维结构能够实现内部应力的平衡、最大程度上减少机加工，以防止机加工对材料内部的应力环境产生扰动，造成产品变形。

Description

一种多腔中空结构的机床碳纤维横梁

技术领域

本发明涉及机床碳纤维横梁技术领域，尤其是涉及一种多腔中空结构的机床碳纤维横梁。

技术背景

数控机床是现在工业的基础，广泛用于各行各业。机床的运动主要由三个直线方向轴及三个分别与直线方向轴垂直的旋转轴组成，6个轴运动可以包络形成任何曲面。龙门结构机床是数控机床的一个重要结构形式，三个直线运动轴的组成分别是沿着床体固定导轨运动的X轴，这部通常称为横梁。沿着横梁长度方向运动的Y轴，以及沿垂直方向运动的Z轴。这种结构里，横梁是组成机床运动的基本结构件。目前机床的横梁采用金属制造，主要是钢铁和铝合金。运动速度要求不高的机床，均采用钢铁制造，稳定性好，精度高。但是对于要求运动速度和加速度高的机床，如激光切割机床、机器人等，钢铁制造的横梁重量太大，要实现高速和高加速度，需要电机匹配很大的功率和扭矩，很难达到。因此这种高速运动机床通常使用铝合金材质的横梁。但是铝合金横梁的重量仍然偏大，同时，铝合金材料模量低，偏软，容易变形，高速和加速度提高有限，热胀系数大，温度变化影响精度。

碳纤维为无机纤维材料，具有高强度，高模量。比重仅1.78，模量超过230GPa，接近钢，比钢轻很多。因此非常适合于机床这种需要结构件刚性好，尺寸稳定性好的需求。碳纤维的主要成分是碳，为无机脆性材料，碳纤维没有塑性变形，断裂伸长率仅约2％，在长期使用中不存在儒变，没有疲劳，适合用于机床。碳纤维横梁的制造工艺采用碳纤维与树脂混合在一起，在温度和压力条件下，树脂发生交联反应硬化成固体，从而将碳纤维固定在一起，这个过程在模具内完成，制造出需要的产品的形状和尺寸。碳纤维复合材料就如同钢筋混凝土，碳纤维是钢筋，树脂是混凝土。碳纤维复合材料是由2种材料组合而成，两种材料的特性存在很大差异，碳纤维高强度高模量，热胀系数小，各方向上的热胀系数不同，树脂材料强度低模量低，是均质材料。这两种材料的结合需要在温度压力下完成，固化进程完成后，内部存在应力，应力表现在外，碳纤维复合材料制造的零件，就会发生变形。

对于这种机床零件，不希望发生变形，如果变形会给后续的加工及零部件组装带来很大困难。金属横梁通常采取铸造或者焊接成型，成型后机加工，在机加工过程中，通过反复热处理、校型等措施去除残余应力，以实现结构的稳定。碳纤维横梁上要安装导轨、齿条等零件，这些零件是保证机床运动的准确性和精度的关键零部件，需要安装面具有很高的直线度和平面度，并且，运动中，由运动载荷产生的变形量越小越好。这就是碳纤维横梁的最基本要求。碳纤维复合材料固化成型后，不可能通过其它措施来校正变形，必须在成型阶段通过结构来实现内部应力的平衡，不表现在外部，成型后即保持良好的直线度和平面度，最大程度上减少机加工，以防止机加工对材料内部的应力环境产生扰动，造成产品变形。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多腔中空结构的机床碳纤维横梁。

发明内容

本发明提供一种多腔中空结构的机床碳纤维横梁，包括横梁主体和驱动机构安装板；所述横梁主体包括横梁主梁和导轨齿条安装面；所述轨齿条安装面水平安装在横梁主梁上；所述横梁主梁与驱动机构安装板一体成型。

导轨齿条安装面是用于安装导轨、齿条等功能部件。

所述导轨齿条安装面的个数可以根据需要进行选择，比如说为2个、3个、4个、5个、6个等。

所述的驱动机构安装板为2个，分别对称设置于横梁主体水平方向的两端。

传统的金属机床横梁通常采取横梁主梁与驱动机构安装板分别制造，然后通过螺钉连接或者焊接在一起，但是碳纤维复合材料不可焊接，其它连接方式都对材料有较大损伤，在本发明中采用一体化制造横梁主体与驱动机构安装板为一体，这样形成的机床碳纤维横梁在结构上具有较好的刚性。

优选的，所述横梁主体的横截面上设置有隔板。

优选的，所述隔板的个数＝导轨齿条安装面的个数+(1-2)个。比如说，当导轨齿条安装面有1个时，隔板有2个；当导轨齿条安装面有3个时，隔板有4个。

进一步优选的，所述隔板垂直于导轨齿条安装面。

更进一步优选的，所述隔板对称设置于导轨齿条安装面上和横梁主梁上，隔板使横梁主梁横截面构成形成腔体结构，并且隔板之间构成中间腔。

腔体的结构形成可以为四边形结构，也可以为其他多边形结构，主要是根据横梁尺寸及导轨齿条安装面的数量进行调整，对于大型设备的横梁，横截面尺寸加大，腔的数量相应要增加。如果导轨齿条安装面的数量增加，腔的数量相应要增加，当导轨齿条安装面位于横梁主梁四个边上的时候不需要设置隔板，其他每个导轨齿条安装面的对应位置，都应有隔板，这是保证运动件精度的重要措施。

金属结构横梁，通常采取内部设置网格筋的措施，采用焊接或者铸造成型。这种网格筋结构，不适用于纤维复合材料，受纤维复合材料性能特性限制，网格筋结构很大程度上打断了纤维在材料内部分布的连续性，材料内部应力更加复杂，且模具及成型工艺复杂，大大拉高了制造成本。碳纤维机床横梁的主要受力来自导轨齿条安装面上安装的导轨和齿条，对应部位的刚度决定了横梁的刚度。在本发明中设置了垂直于安装面的隔板，采用多腔结构使得构成腔体的隔板直接支撑在受力位置下，并且贯穿整个截面，完全制约了变形，而形成的中间腔，起到制约隔板变形量的作用，同时阻止主梁发生扭转的作用。

优选的，横梁主体的非导轨安装面为外鼓出的弧形曲面。

进一步优选，非导轨安装面的弧度：横梁主体长度＝(5-20)mm:3900mm；优选为(5-10)mm:3900mm。

金属机床横梁通常采用型材加工，为等截面。但是碳纤维复合材料内部存在应力且不可消除，如果是等截面梁，那么如果发生变形，其变形的方向是不可预料的，这将给成型加工带来极大难度，在本发明中的非导轨安装面的形状采用向外鼓出的弧形曲面，是一种不等截面，能够很好的限制材料变形的方向，使横梁弯曲变形的趋势只能趋向于非导轨安装面，而不可能向导轨安装面发展。

所述碳纤维机床横梁还包括固定结构。

固定结构是指在碳纤维机床横梁上固定安装导轨、齿条、驱动电机、滑轨块部件采用的结构。

碳纤维机床横梁上需要安装导轨、齿条、电机等金属零件，均需要适用螺钉固定紧固，但是碳纤维表面加工后的表面质量不如金属，在安装导轨、齿条、电机等部件的安装精度比较高，为了解决这一问题，所述固定结构为金属定位面结构。

所述金属定位面结构包括金属定位镶块；所述金属定位镶块部分嵌入横梁主体中与横梁主体一体式成型连接。

所述金属定位面结构上开设有打孔攻螺纹；所述金属定位面结构还包括钢制螺套；所述钢制螺套通过打孔攻螺纹与金属定位镶块配合。

其中，打孔攻螺纹的位置开设位置是根据需要螺孔连接位置来进行开设的。

具体的，金属定位镶块在碳纤维横梁主体成型时即布置在相应位置，成型时同时完成金属定位镶块与碳纤维横梁本体之间的胶接，成型后，在需要螺孔连接位置成型时打孔攻螺纹，将钢制螺套带树脂旋入，钢制螺套的部分螺纹与金属定位镶块配合，配合长度满足螺纹紧固长度要求，剩余部分螺纹旋入碳纤维横梁主体，相应部位碳纤维横梁主体的厚度要适当增厚，与钢制螺套的长度匹配。树脂完成固化后，钢制螺套即与碳纤维横梁主体及金属定位镶块结合，耐受的拉力可以满足零件安装紧固需求。

本发明的有益效果是：

目前，以激光切割机床、雕刻机等需要高的运动速度的机床，要提高加工效率，尤其是提高对精细小尺寸零件的加工，运动轴的加速度是关键指标，其中最关键是横梁的加速度。加速度越大，机床在切割小尺寸弯曲轨迹时效率就越高，反之，就越低。受制于目前金属横梁，钢制横梁太重，驱动电机功率扭矩不足。铝合金结构横梁虽然重量减轻，但是材料偏软，刚性不足，同时热胀系数大，儒变大，精度保持时间短，加速度造成的振颤等现象，限制了性能的提升。

在机器人系统中，这种结构的碳纤维梁或者臂的结构同样适用。机器人的结构里，大量采用悬臂梁结构，对驱动机构的扭矩和运动刚度要求非常高。目前，机器人多采用金属结构，受驱动机构性能的局限，这些悬臂的长度和承载受到局限。如果采用碳纤维结构，性能可以大大提高。

每种材料都有其特性，金属材料可以通过变形加工、焊接、铸造等方法制造零件。碳纤维横梁重量轻，刚度比铝合金好，并且不存在儒变，且材料本身对振动传播的阻尼较金属材料大的多，有利于降低运动中的振动。这些优势必将大大提高机床的性能。但是碳纤维复合材料只能一次性固化成型。如果照搬金属横梁的结构，既不能发挥碳纤维的性能优势，在制造工艺上也是十分困难的，高成本必然造成产品无法推广使用。本发明提出的特定的结构形式，对原金属结构进行了很大修改，适应材料特性，便于开展制造，制造工效大大提高，从而降低成本。本发明在的碳纤维结构能够实现内部应力的平衡、最大程度上减少机加工，以防止机加工对材料内部的应力环境产生扰动，造成产品变形。

附图说明

图1为实施例1的机床碳纤维横梁的结构示意图；

图2为实施例1的机床碳纤维横梁主体的截面图；

图3为实施例1的横梁主体的非导轨安装面的结构示意图；

图4为实施例1的金属定位面结构与横梁主体固定时的示意图；

图5为实施例1的金属定位面结构的结构示意图。

1、横梁主体；11、横梁主梁；12、导轨齿条安装面；2、驱动机构安装板；3、隔板；13、非导轨安装面；4、金属定位面结构；41、金属定位镶块；42、钢制螺套。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：参照图1-5，一种多腔中空结构的机床碳纤维横梁，包括横梁主体1和驱动机构安装板2；所述横梁主体1包括横梁主梁11和导轨齿条安装面12；所述轨齿条安装面12水平安装在横梁主梁11上；所述横梁主梁11与驱动机构安装板2一体成型；所述导轨齿条安装面12为3个；所述的驱动机构安装板2为2个，分别对称设置于横梁主体1水平方向的两端；采用一体化制造横梁主体1与驱动机构安装板2为一体，这样形成的机床碳纤维横梁在结构上具有较好的刚性。

所述横梁主体1的横截面上设置有隔板3；所述隔板3有4个；所述隔板3对称设置于导轨齿条安装面12上和横梁主梁11上并垂直于导轨齿条安装面12；隔板3使横梁主体1横截面构成形成腔体结构，并且隔板3之间构成中间腔；腔体的结构形成可以为四边形结构；在本实施例中设置了垂直于导轨齿条安装面13的隔板3，周边四个腔的隔板3直接支撑在受力位置下，并且贯穿整个截面，完全制约了变形，而形成的中间腔，起到制约隔板变形量的作用，同时阻止横梁主梁11发生扭转的作用。

横梁主体1的非导轨安装面13为外鼓出的弧形曲面；非导轨安装面13的弧度：横梁主体长度＝8mm:3900mm；非导轨安装面13的形状采用向外鼓出的弧形曲面，是一种不等截面，能够很好的限制材料变形的方向，使横梁弯曲变形的趋势只能趋向于非导轨安装面13，而不可能向导轨安装面12发展。

所述碳纤维机床横梁还包括固定结构；所述固定结构为金属定位面结构4；所述金属定位面结构4包括金属定位镶块41；所述金属定位镶块41部分嵌入横梁主体1中与横梁主体1一体式成型连接；所述金属定位面结构4上开设有打孔攻螺纹；所述金属定位面结构还包括钢制螺套42；所述钢制螺套42通过打孔攻螺纹与金属定位镶块41配合；金属定位镶块41在碳纤维横梁主体成型时即布置在相应位置，成型时同时完成金属定位镶块41与碳纤维横梁本体1之间的胶接，成型后，在需要螺孔连接位置成型时打孔攻螺纹，将钢制螺套42带树脂旋入，钢制螺套42的部分螺纹与金属定位镶块41配合，配合长度满足螺纹紧固长度要求，剩余部分螺纹旋入碳纤维横梁主体1，相应部位碳纤维横梁主体1的厚度要适当增厚，与钢螺套的长度匹配。树脂完成固化后，钢制螺套42即与碳纤维横梁主体1及金属定位镶块41结合，耐受的拉力可以满足零件安装紧固需求。

采用实施例1中的碳纤维机床横梁制造的激光切割机床碳纤维横梁，长约3900mm，截面尺寸约200×220mm，将原金属结构横梁的主体、驱动安装板、装饰护板等结构一体化制造，总重量约60Kg。同样尺寸的铝合金结构的横梁，总重接近150公斤，重量减轻60％。铝合金结构的机床横梁已经比钢制横梁减轻约50％，因此如果用碳纤维横梁替代钢制横梁，效果更加显著。

Claims (10)

1.一种多腔中空结构的机床碳纤维横梁，包括横梁主体和驱动机构安装板，其特征在于，所述横梁主体包括横梁主梁和导轨齿条安装面；所述轨齿条安装面水平安装在横梁主梁上；所述横梁主梁与驱动机构安装板一体成型。

2.根据权利要求1所述的一种多腔中空结构的机床碳纤维横梁，其特征在于，所述的驱动机构安装板为2个，分别对称设置于横梁主体水平方向的两端。

3.根据权利要求1所述的一种多腔中空结构的机床碳纤维横梁，其特征在于，所述横梁主体的横截面上设置有隔板。

4.根据权利要求3所述的一种多腔中空结构的机床碳纤维横梁，其特征在于，所述隔板的个数＝导轨齿条安装面的个数+(1-2)个。

5.根据权利要求3或4所述的一种多腔中空结构的机床碳纤维横梁，其特征在于，所述隔板垂直于导轨齿条安装面。

6.根据权利要求5所述的一种多腔中空结构的机床碳纤维横梁，其特征在于，所述隔板对称设置于导轨齿条安装面上和横梁主梁上，隔板使横梁主梁横截面构成形成腔体结构，并且隔板之间构成中间腔。

7.根据权利要求1或3所述的一种多腔中空结构的机床碳纤维横梁，其特征在于，横梁主体的非导轨安装面为外鼓出的弧形曲面。

8.根据权利要求1或3所述的一种多腔中空结构的机床碳纤维横梁，其特征在于，所述碳纤维机床横梁还包括固定结构；所述固定结构为金属定位面结构。

9.根据权利要求8所述的一种多腔中空结构的机床碳纤维横梁，其特征在于，所述金属定位面结构包括金属定位镶块；所述金属定位镶块部分嵌入横梁主体中与横梁主体一体式成型连接。

10.根据权利要求9所述的一种多腔中空结构的机床碳纤维横梁，其特征在于，所述金属定位面结构上开设有打孔攻螺纹；所述金属定位面结构还包括钢制螺套；所述钢制螺套通过打孔攻螺纹与金属定位镶块配合。

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