CN117320838A - 用于加工半成品铝合金或钛合金产品的机床 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机床(1)，该机床用于加工半成品铝合金或钛合金产品并且包括支撑结构(2)、立柱(4)、滑架(6)以及工作头(7)。支撑结构(2)进而包括彼此刚性连接的台架(20)和后支撑部(22)。台架(20)沿着纵向方向(X)延伸，而后支撑部(22)沿着纵向方向(X)和竖直方向(Y)两者延伸。支撑结构(2)还设置有立柱平移装置(3)。立柱(4)借助于立柱平移装置(3)连接到支撑结构(2)，以沿着纵向方向(X)平移，并且该立柱还设置有滑架平移装置(5)。滑架(6)借助于滑架平移装置(5)连接到立柱(4)，以可以沿着竖直方向(Y)平移。最后，工作头(7)与滑架(6)接合。机床(1)还包括四对齿轮马达(81，82，83，84)，这四对齿轮马达位于立柱(4)上并与立柱平移装置(3)接合。

Description

用于加工半成品铝合金或钛合金产品的机床

本发明涉及机床领域，尤其涉及大型机床(诸如卧式镗床或铣床或车床)的技术领域。特别地，本发明涉及适于加工半成品铝合金或钛合金产品的机床。

这些机床用于对航空、航天和船舶工业中的大型半成品产品进行机械加工。

由于这些工业应用的重要性，通常要求极低的加工公差。因此，机床制造商一直致力于研究和开发可以保证这些公差的解决方案。

在半成品钛合金加工的情况下，观察到在排屑操作的过程中，刀具产生频率在12Hz至18Hz之间的振动。考虑到根据现有技术的机床的共振频率在14Hz至16Hz之间，对本领域的技术人员来说清楚的是，钛合金的加工会产生在这些机器的共振范围内的振动，这实际上阻止了满足所获得的成品件所要用于的工业应用所要求的公差。

另一方面，在半成品铝合金产品加工的情况下，符合尺寸公差需要非常长的生产时间。显然，通过增加机器的刚性并增加第一共振频率的值可以改进机床的动态性能，并且因此可以在不损害所要求的公差的情况下缩短生产时间。

因此，为了符合公差和/或改进动态性能，机床应当具有足够刚性以确保共振频率在23Hz至30Hz之间。

迄今为止，制造商所做的努力旨在增加这些机器的刚性。尽管可以通过增加机器结构的刚度来提高刚度，然而，无论结构科学如何证明其合理性，迄今为止尚未产生任何令人满意的结果。

本发明的目的是提供一种能够消除以上提到的缺点的大型机床。

这个目的利用根据所附权利要求1的用于加工半成品铝合金或钛合金产品的机床来实现。从属权利要求确定了本发明的另外的有利实施方式。

参考附图，通过仅以非限制性实例的方式提供的优选示例性实例的以下描述，根据本发明的机床的特征和优点将变得显而易见，在附图中：

图1是一个实施方式中的机床的立体图；

图2是根据不同角度的图1中的机床的立体图；

图3是图1中的机床的前视图；

图4是图1中的机床的侧视图；

图5是图4中的正方形中的细节V的放大图；

图6是图1中突出的细节VI的放大图；

图7是图1中突出的细节VII的放大图，以及

图8是图4中的正方形中的细节VIII的放大图。

在以下描述中，在附图中表示的多个实施方式共有的元件利用相同的参考标号来指示。

参考附图中的图，参考标号1总体上指示适于加工半成品铝合金或钛合金产品的机床。

在一般实施方式中，用于加工半成品铝合金或钛合金产品的机床1设计成搁置在水平参考平面G上，例如地平面。这种机床1包括支撑结构2、立柱4、滑架6以及工作头7。

支撑结构2包括台架20和后支撑部22。台架20具有沿着纵向方向X延伸的主延伸部，而后支撑部22沿着纵向方向X和竖直方向Y延伸。

台架和后支撑部彼此刚性地连接，即接合并制成一体。例如，台架20和后支撑部22连接成使得支撑结构2具有“L”形截面，其中，这种截面旨在沿着正交于纵向方向X的平面获得。

支撑结构2还设置有沿着纵向方向X定向的立柱平移装置3。

立柱4借助于立柱平移装置3连接到支撑结构2以沿着纵向方向X平移。该立柱4还设置有沿着竖直方向Y定向的滑架平移装置5。

滑架6借助于滑架平移装置5连接到立柱4以可以沿着竖直方向Y平移。

工作头7与滑架6接合并具有刀架座70，该刀架座适于容纳用于排屑加工的刀具。

机床1还包括四对齿轮马达81、82、83、84，这些齿轮马达位于立柱4上并与立柱平移装置3接合。

根据图6和图7中所示的实施方式，立柱平移装置3包括固定到台架20的第一对立柱平移构件31和固定到后支撑部22的第二对立柱平移构件32。

根据图1和图2中所示的实施方式，四对齿轮马达81、82、83、84中的第一对齿轮马达81和第二对齿轮马达82与第一对立柱平移构件31接合。

替代地，这四对齿轮马达81、82、83、84中的第三对齿轮马达83和第四对齿轮马达84与第二对立柱平移构件32接合。

在一个实施方式中，第一对齿轮马达81和第三对齿轮马达83位于立柱4的第一侧41上，而第二对齿轮马达82和第四对齿轮马达84位于立柱4的与第一侧41相对的第二侧42上。

所述第一侧41和第二侧42相对于滑架6在其上平移的滑架平移装置5的位置是侧向地。换句话说，第一侧41和第二侧42相对于滑架6布置在侧向上。

根据实施方式，属于第一对齿轮马达81或第三对齿轮马达83的第一主齿轮马达831是主动件，而第一对齿轮马达和第三对齿轮马达中的其余三个齿轮马达是从动件。此外，属于第二对齿轮马达82或第四对齿轮马达84的第二主齿轮马达842是主动件，而第二对齿轮马达和第四对齿轮马达中的其余三个齿轮马达是从动件。

优选地，第一主齿轮马达831属于第三对齿轮马达83并且定位成邻近后支撑部22的上端22”。第二主齿轮马达842属于第四对齿轮马达84并且定位成邻近上端22”。

特别地，在立柱4的第一侧41和第二侧42上存在主从架构。

在一个实施方式中，第一对立柱平移构件31和第二对立柱平移构件32中的每个立柱平移构件都是齿条。此外，四对齿轮马达81、82、83、84中的每对齿轮马达中的每个齿轮马达都包括电动马达800和减速器802。电动马达800具有平行于竖直方向Y的电动马达轴线M。减速器802具有与电动马达800接合的入口和与齿条接合的出口。

图5至图8示出了运动链，其中，每个立柱平移构件是固定到支撑结构的齿条，并且其中，每个齿轮马达固定在立柱4上并与齿条接合。

优选地，减速器802的入口和出口与马达轴线M同轴，并且出口包括与齿条接合的带齿的轮。

根据实施方式，滑架平移装置5包括一对滚珠丝杠，其中，这一对滚珠丝杠中的每个滚珠丝杠通过一对滑架驱动齿轮马达61、62；63、64致动，这些滑架驱动齿轮马达安装在立柱4上。

换句话说，应当考虑的是，构成滑架平移装置5的所述一对滚珠丝杠中的每个滚珠丝杠通过一对滑架驱动齿轮马达61、62；63、64来驱动。因此，在立柱4上还存在两对滑架驱动齿轮马达，即第一对滑架驱动齿轮马达61、62和第二对滑架驱动齿轮马达63、64。

特别地，这一对滚珠丝杠与形成在滑架6上的相应一对螺母接合。

根据实施方式，形成两对滑架驱动齿轮马达61、62；63、64的四个滑架驱动齿轮马达61、62、63、64中仅有一个滑架驱动齿轮马达是主动件，而其余三个滑架驱动齿轮马达是从动件。

因此，滑架6沿着竖直方向Y的平移的致动也由主从架构引导。

根据实施方式，在每个主动件与相应的从动件之间提供了龙门控制(gantrycontrol)。

因此，在立柱4的第一侧41和第二侧42上也提供了龙门控制。此外，在四个滑架驱动齿轮马达61、62、63、64之间也提供了龙门控制。

龙门控制是借助于MIMO(多输入和多输出)通信在主从架构上实现的，在主从架构中，从动齿轮马达遵循由主动件控制的位置并将它们的反馈数据发送到该主动件，以获得闭环控制。

在一个实施方式中，工作头7可以围绕俯仰轴线A和翻滚轴线C旋转。

根据图4中所示的实施方式，刀架座70可以围绕刀具轴线T旋转。

应当注意，借助于要对半成品产品进行加工的类型，刀具轴线T可以与翻滚轴线C共线或重合。

在一个实施方式中，台架20还包括立柱4在其上滑动的第一对引导件201。

此外，后支撑部22在下端22’与上端22”之间延伸，该下端连接到台架20，其中，第二对立柱平移构件32和立柱4在其上滑动的第二引导件202位于该上端处。

在图1和图2中所示的实施方式中，固定到后支撑部22且立柱4在其上滑动的至少第三引导件203位于上端22”与下端22’之间。

优选地，该第三引导件203与第二对立柱平移构件32竖直地(即沿着竖直方向Y)间隔开。

特别地，第一对引导件201、第二引导件202以及第三引导件203是纵向滑轨(即沿着纵向方向X定向)。

根据实施方式，第一对立柱平移构件31和第二对立柱平移构件32都沿着纵向方向X在第一端3’和与第一端3’相对的第二端3”之间延伸。位置传感器30(例如光学标尺)与该第一端3’和第二端3”相关联。

在一个实施方式中，立柱4还包括滑架6在其上滑动的一对竖直引导件9。

优选地，这一对竖直引导件9的两个竖直引导件也是竖直滑轨(即沿着竖直方向Y定向)。

创造性地，本发明的机床对象满足预期目的，因为该机床达到了这样一种刚度，即使得第一共振频率包括在24Hz至30Hz之间的范围内。

分析性地，通过对本发明的机床对象的有限元分析(FEA)进行软件仿真，已经计算出第一共振频率为大约30Hz。考虑到所获得的值是表示现实情况的简化模型的结果，为了安全起见，决定考虑计算值的80％。因此，第一个保守计算的共振频率等于24Hz，即通过FEA模拟获得的结果的80％。

有利地，本发明的机床对象比根据现有技术的机床刚性更大。

与试图仅通过增加结构的刚性来改进机器的刚性的技术偏见相反，在本发明中增加了立柱与支撑结构之间的约束度。

当从现有技术中所设想的仅具有与立柱平移装置接合的四个齿轮马达的解决方案转变为其中引入与立柱平移装置接合的四对齿轮马达的本发明时，实现了刚度和第一共振频率值的增加。因此，立柱与支撑结构之间的约束度从四个约束度变为八个约束度。

分析性地，已经观察到，立柱与支撑结构之间的约束度的增加引起共振频率的增加，以能够以绝对安全且按照所要求的公差加工钛合金。换句话说，已经观察到，通过利用一对更小的齿轮马达来替换每个齿轮马达，机器的总刚性显著增加并且其动态性能也得到改进。

根据有利方面，本发明的机床对象是安全的，因为该机床运行在远离机床本身的共振频率的频率。

根据另一有利方面，本发明的机床对象具有更低的制造成本或与根据现有技术的机床相当。

显然，为了满足可能的需要，在不背离所附权利要求的保护范围的情况下，本领域技术人员可以对以上描述的机床进行修改，或者利用其他功能上等效的元件来替换元件。描述为属于可能的实施方式的每个特征可以在其他描述的实施方式中独立地获得。

Claims (15)

1.一种机床(1)，适于加工半成品铝合金或钛合金产品并且设计成搁置在水平参考平面(G)上，所述水平参考平面例如是地平面，所述机床包括：

-支撑结构(2)，包括：台架(20)，具有沿着纵向方向(X)延伸的主延伸部；以及后支撑部(22)，沿着所述纵向方向(X)和竖直方向(Y)两者延伸，其中，所述台架和所述后支撑部彼此刚性地连接，并且其中，所述支撑结构(2)设置有沿着所述纵向方向(X)定向的立柱平移装置(3)；

-立柱(4)，通过所述立柱平移装置(3)连接到所述支撑结构(2)以沿着所述纵向方向(X)平移，所述立柱(4)还设置有沿着所述竖直方向(Y)定向的滑架平移装置(5)；

-滑架(6)，借助于所述滑架平移装置(5)连接到所述立柱(4)以能够沿着所述竖直方向(Y)平移；

-工作头(7)，与所述滑架(6)接合并承载有刀架座(70)，所述刀架座适于容纳用于排屑加工的刀具，

其中，所述机床还包括四对齿轮马达(81，82，83，84)，所述四对齿轮马达位于所述立柱(4)上并与所述立柱平移装置(3)接合。

2.根据前一权利要求所述的机床(1)，其中，所述立柱平移装置(3)包括固定到所述台架(20)的第一对立柱平移装置(31)和固定到所述后支撑部(22)的第二对立柱平移装置(32)。

3.根据前一权利要求所述的机床(1)，其中，所述四对齿轮马达(81，82，83，84)中的第一对齿轮马达(81)和第二对齿轮马达(82)与所述第一对立柱平移装置(31)接合，并且其中，所述四对齿轮马达(81，82，83，84)中的第三对齿轮马达(83)和第四对齿轮马达(84)与所述第二对立柱平移装置(32)接合。

4.根据前一权利要求所述的机床(1)，其中，所述第一对齿轮马达(81)和所述第三对齿轮马达(83)位于所述立柱(4)的第一侧(41)上，并且其中，所述第二对齿轮马达(82)和所述第四对齿轮马达(84)位于所述立柱(4)的与所述第一侧(41)相对的第二侧(42)上。

5.根据权利要求4所述的机床(1)，其中，属于所述第一对齿轮马达(81)或所述第三对齿轮马达(83)的第一主齿轮马达(831)是主动件，而所述第一对齿轮马达和所述第三对齿轮马达中的其余三个齿轮马达是从动件，并且其中，属于所述第二对齿轮马达(82)或所述第四对齿轮马达(84)的第二主齿轮马达(842)是主动件，而所述第二对齿轮马达和所述第四对齿轮马达中的其余三个齿轮马达是从动件。

6.根据权利要求2至5中的任一项所述的机床(1)，其中，所述第一对立柱平移装置(31)和所述第二对立柱平移装置(32)中的每个立柱平移装置都是齿条，并且其中，所述四对齿轮马达(81，82，83，84)中的每个齿轮马达都包括：电动马达(800)，具有平行于所述竖直方向(Y)的马达轴线(M)；以及减速器(802)，具有与所述电动马达(800)接合的入口和与所述齿条接合的出口。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的机床(1)，其中，所述滑架平移装置(5)包括一对滚珠丝杠，其中，所述一对滚珠丝杠中的每个滚珠丝杠通过一对滑架驱动齿轮马达(61，62；63、64)致动，所述滑架驱动齿轮马达安装在所述立柱(4)上。

8.根据权利要求7所述的机床(1)，其中，形成两对所述滑架驱动齿轮马达(61，62；63，64)的四个所述滑架驱动齿轮马达(61，62，63，64)中仅有一个滑架驱动齿轮马达是主动件，而其余三个滑架驱动齿轮马达是从动件。

9.根据权利要求5和8所述的机床(1)，包括位于每个所述主动件与相应的所述从动件之间的龙门控制。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的机床(1)，其中，所述工作头(7)能围绕俯仰轴线(A)和翻滚轴线(C)旋转。

11.根据权利要求10所述的机床(1)，其中，所述刀架座(70)能围绕刀具轴线(T)旋转。

12.根据权利要求2至11中的任一项所述的机床(1)，其中，所述台架(20)还包括第一对引导件(201)，所述立柱(4)在所述第一对引导件上滑动，并且其中，所述后支撑部(22)在下端(22’)与上端(22”)之间延伸，所述下端连接到所述台架(20)，其中，所述第二对立柱平移装置(32)和第二引导件(202)位于所述上端处，所述立柱(4)在所述第二引导件上滑动。

13.根据前一权利要求所述的机床(1)，其中，固定到所述后支撑部(22)的至少第三引导件(203)位于所述上端(22”)与所述下端(22’)之间，并且所述立柱(4)在所述至少第三引导件上滑动。

14.根据权利要求2至13中的任一项所述的机床(1)，其中，所述第一对立柱平移装置(31)和所述第二对立柱平移装置(32)都沿着所述纵向方向(X)在第一端(3’)和与所述第一端(3’)相对的第二端(3”)之间延伸，所述第一端(3’)和所述第二端(3”)与位置传感器(30)相关联，所述位置传感器例如为光学标尺。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的机床(1)，其中，所述立柱(4)还包括一对竖直引导件(9)，所述滑架(6)在所述一对竖直引导件上滑动。