CN1174109A - 刚性加工中心 - Google Patents

Abstract

一种机床,包括一个刀具夹持装置(2)、一个工件夹持装置(3)、至少一个在刀具夹持装置和工件夹持装置之间进行相对移动的移动装置(25、32)、一个安装有工件夹持装置、刀具夹持装置和移动装置的机架(1)以及形成加工空间的壁元件,该机床可制造得更为紧凑,因为依据本发明的目的是提供带有下述壁元件(4、5、6、7、8、9)的机床,即壁元件与机架(1)组成一个整体构件,并且排列和设计成这种形式,即由这些壁元件(4—9)构成封闭的箱式结构,借助该箱式结构,在加工工件的过程中,增加的负载可被吸收。

Description

刚性加工中心

本发明涉及一种切削机床，特别是一种铣床，它包括一个刀具夹持装置、一个工件夹持装置、至少一个在刀具夹持装置和工件夹持装置之间进行相对移动的移动装置、一个安装有工件夹持装置、刀具夹持装置和移动装置的机架和形成加工空间的壁元件。

在工业生产中，机床用于通过切削来加工工件。已知这些机床适用于不同需要，比如铣床或车床等。因此，一方面，通过这种生产装置要达到尽可能高的加工精度。另一方面，利用这种机床还要达到有效的生产率，这通常需要高的切削能力。但是，通常，这只有在高旋转速度和大切削力的情况下才能达到，但这对机床的加工结果有不利影响，并从而使得保持小的加工误差变得更难。另外，为了达到经济生产，机床应尽可能廉价，这通常只能通过构造简单的结构来实现。因此，可以很容易地看出，这些基本上互相矛盾的需求都作用在机床上。

为了能够吸收在加工工件时产生的负载，铣床通常具有笨重的结构。它们包括多个承载元件，比如床身、立柱、延伸臂等构成，这些元件一起组成了机架结构，它们一部分是固定的、一部分是可移动的，并且还带有横向元件，比如滑板、旋转主轴等。因此，这些已知机床的承载结构通常具有支柱和梁等的杆状结构形式。为吸收负载，运动件本身也可设置杆状结构.因此，在加工中心和铣床中，通常在各机架构件(如已述的床身和立柱)中实际安装有多根旋转主轴。如果需要，机架构件也可以相互相对移动。

已知在这种结构中，设置在加工空间之外的那些机架构件均是根据例如箱式设计而独立装备的。在这种情况下，旋转主轴以下述方式安装在它们各自的机架构件内，即它们与安装在其上的工件夹持器或刀具夹持器一起从机架构件中伸出。

为了得到一个封闭式加工空间，采用了由金属板材或透明材料制成的箱室。这些壁的作用是确保人身安全并接收冷却润滑液、特别是切屑。在高速切削(HSC加工)过程中，由于存在可能损坏刀具或工件的高密度能量的原因，而工作空间面板可以对操作者起附加保护作用，因此应设计并构造成确保安全的形式。

但是，这种机器设计具有以下缺点，即机床相对庞大和笨重，如果要使机床更加紧凑，一般需要减小机架的横截面积。但是，这也会减小机架的刚度。因此，如上所述，实际上减小尺寸并从而降低机床费用，会导致承载能力降低，还降低了所达到的制造精度以及机床的生产能力。

当相关的构件自身移动的时候，重型承载结构特别不利，例如在构造成具有床身结构的机器中。在这种情况下，需要移动相对大的质量，这一方面需要有大驱动力，另一方面使机器具有不良的动力特性。

因此，本发明的目的是提供一种机床，该机床的机架具有良好的刚性，同时该机床又可以制造得更紧凑。

在开始所述的机床中，依据本发明的目的是这样达到的，即壁元件是机架的组成部分，并且排列和设计成这种形式，即在加工工件的过程中增加的负载能够借助这些壁元件而被吸收。

已经惊奇地发现，利用具有这种结构的机架，可以很明显地减小机床梁或其他支柱的数量和/或尺寸。因此，这种结构不仅可由梁组成，也可以由相互连接而构成封闭箱式结构的壁元件组成。为了达到适当的刚性，最好在本发明的机器设计中，使所有的壁面都被使用并不再使机架的各元件或部件相互独立。现在，能够完全或至少部分地避免使用那种承载元件，而不必考虑在静态或动态刚度方面所具有的不足。反之，通过选择适当的壁元件结构，尽管具有了更加紧凑的结构，机床仍可以设计成在机架刚度方面比已知机床具有更好性能的形式。已经发现，依据本发明设计的机床具有比传统机床大约小20％的工作空间。

在本发明的最佳实施例中，机床的承载结构仅由壁元件组成，它们设置在相互固定的位置上，并在一段上通过接缝(比如焊缝等)连接在一起。

在其他实施例中，机架由灰铸铁或无机铸件(mineral casting)制成。另外，可以采用仅包括梁元件的封闭结构，该结构最好是用网格或其他柱结构加强。壁元件可以在内侧、在梁元件之间或在外侧交替地分配给这种梁元件或柱结构，梁元件或柱结构(例如工件夹持装置、刀具夹持装置和移动装置)可以设置在其上，并且借助壁元件，在加工工件的过程中增加的负载可被吸收。壁元件和梁元件的任意组合设置、或者省略壁元件的形式都在本发明的范围之内。

考虑到机器的刚度和共振特性，如果将壁元件相互设置成立方体或平行六面体形则特别有利。在机架内所有空间方向上都能够形成封闭的力束，借助于这样的力束，可以减小机架的变形，或在特别成功的情况下避免这种变形。

因此，在本发明的机床中，加工空间由承载壁元件构成。机架在各面围绕加工空间。刀具夹持器和工件夹持器位于机架内部。不同于已知的机床设计形式，本发明的机床机架合适地设计成一体，所有的运动轴都支撑在该机架上。根据这种机器结构，可建立起尽可能小的、用于保持机床“运动物件”(movingmasses)的机座。为了能传递运动轴上产生的负载，不再需要设计作为笨重机架构件的、且必须相对于其他机架构件可移动地设置的轴。类似的，不再需要将负载从有关机架构件传递到另一机架构件。

本发明的另一方面，这也是机床机架的重要独立设计方面，就是移动装置的导轨设置在加工空间以外。但最好是设置成将导轨与依据本发明设计的机架结合起来的形式。

为了被用作导轨的支撑件，壁元件的外表面经适当地加工和准备。借助刚性或具有加强肋的壁元件，可以在不花费额外费用的情况下将导轨实际设置在加工空间外的任一点。在本发明的最佳实施例中，导轨设置在远离加工空间的壁元件的外壁上。这就避免了切屑或冷却润滑剂落到移动装置的导轨上的局面。其它的优点在于，在机床制造过程中，实际上只有容易接近的外表面被加工。这样就不必进行在机架内部的导轨或导轨支撑表面上的复杂加工操作。

为了进一步提高机床的刚性，最好是移动装置的三个普通平移轴或线性轴中的至少一个来驱动工件夹持装置。在本发明的这种最佳实施例中，工件夹持装置与移动装置可操作地相连。

在本发明的最佳实施例中，线性驱动装置、比如磁性线性驱动装置等可用作移动装置。如前所述，如果所有各运动轴的导轨和驱动装置均设置在壁元件的外壁上，则对本机床将更为有利。因此，就可以使用通常对杂质非常敏感的线性驱动装置，并免去了由杂质、比如由切屑或冷却润滑剂产生污染后的维护保养。

本发明其它有利的改进可从所附的权利要求中体现出来。

本发明将参照附图所示的实施例加以详细描述，其中：

图1是本发明机床的立体示意图；

图2表示了图1所示的机床，其中壁元件的一部分以剖视形式表示；

图3是对应于图2所示的本发明机床的示意图，其中表示了壁元件的另一种可能的结构；

图4表示了图1所示的本发明机床的另一立体示意图；

图5a)、b)表示了本发明机床的另外两个实施例；

图6a)表示传统铣床的侧视图；

图6b)表示图1所示机床的俯视图。

依据本发明图1所示的加工中心具有一机架1、一可相对移动并横向延伸的刀具夹持装置2和一可移动的工件夹持装置3。

依据本发明，机架1设计成一个封闭箱体，它带有多个板状壁元件4、5、6、7、8、9。这些壁元件4-9主要由带肋的空心体构成。图2表示了这些壁元件4-9的可能结构。从图2中以剖视形式表示的壁元件4、8中可以看出，每一壁元件4-9包括两块诸如15mm厚的金属板12、13和12’、13’，它们通过大约等厚的并以“蜂窝”状设置的金属肋14相互连接。壁元件就形成了例如150mm到200mm的厚度。肋14通过焊缝(未表示)固定在对应壁元件的板12、13和12’、13’上，在每一种情况下，肋14基本上平行延伸。壁元件4-9在其端面由各邻近的壁元件的板封闭，这就进一步增加了机架的刚度。在这种情况下，各板上的肋14也焊接在这些邻近的板上。

如图1所示，壁元件4-9设置成平行六面体形，这样每一壁元件位于平行六面体的每一侧的表面上。平行六面体的各侧表面完全由壁元件的相应外板12、12’构成。壁元件4-9通过沿接触边缘的焊缝(图2)相互连接。除了壁元件，机架1不再有承载元件。

加工空间16由壁元件4-9的所有内表面13、13’构成。因此，加工空间被加工中心的具有整体结构的单一机架构件完全封闭。在机架1的机座元件9的内侧低于工件夹持器处有一斜板17。该板17用作切屑和冷却润滑剂的溜槽，从而使切屑和冷却润滑剂进入沟道状的凹槽18中。另外，面对板17还设置有金属板19，该金属板19也向沟道18倾斜。

一个切屑传送带(未表示)能通过一开口20接收沟道18中的切屑。如图1至3所示，面对工件夹持装置3的壁元件4可带有一操纵者用的矩形开口22。壁元件4在开口22的边界表面处由板24封闭。另外，面对刀具夹持装置2的壁元件7带有另一开口23，通过该开口23，托板转换装置(未表示)可将工件从加工中心移走并将要加工的工件传递给机床。从刀库(未表示)中卸下的刀具可以通过另一开口(类似地也没有表示)进行交换，该开口可位于刀具夹持装置2的主轴的上方。在切削过程中，所有这些开口均由拉门关闭。根据实际需要，壁元件中的所述开口可以被省略，也可以比图示中的开口大。

图3表示了壁元件4-9的另一种可能的设计。这里，板或空心体的刚度可由以“锯齿”状设置在壁元件4-9中的肋14’实现。原则上，加强肋可以以实际上加强空心体的任意方式设置在壁元件4-9中。这样，例如，在另一替换实施例中也可用类似波纹金属板的结构来加强壁元件4-9。

从图4中可以看出加工中心的移动元件。刀具夹持装置2可沿以双箭头指示的两运动轴X和Y移动。为此目的，刀具夹持装置2紧固在移动装置25上，该移动装置25设置在壁元件5的矩形开口中。移动装置25配备有一横跨开口的滑板27，它以下述方式设置在线性导轨(未详细表示)的导轨28、28’上，即可以以平移方式在X方向移动。在这种情况下，根据本发明，线性导轨的导轨28、28’位于加工空间16的外部、且在壁元件5的外表面12’’上。类似地，Y轴的导轨紧固在横跨开口滑板27的侧表面29、29’上且远离加工空间16。横跨开口的滑板27的电驱动装置(未表示)也位于由壁元件4-9形成的加工空间16的外部。

类似地，位于刀具夹持装置2中的刀具旋转轴(刀具轴)的驱动装置30也设置在壁元件5的外表面12’’的区域内。工件夹持装置3带有一移动装置32，它用于在另一运动轴-Z轴上的平移运动，该Z轴与X轴和Y轴一起构成了一个笛卡尔坐标系。Z轴用的移动装置32也具有设置在对应壁元件6的外表面上12’’’上的导轨31、31’。另外，工件夹持装置3可绕两个旋转轴A和B(图1至3)转动。在这种情况下，A轴的方向是垂直于Y-Z平面的，而B轴与X-Z平面垂直。这样，不仅是用于线性导轨的、而且是用于旋转导轨的驱动装置和中间进给机构都可以设置在工作空间的外部。

从上面的说明中可以更清楚地看出，各运动轴的所有电机均设置在封闭的加工空间16的外部。由于驱动装置产生的热得以散失而不产生问题(比如导轨的变形)，所以可以在最大程度上避免由热产生的加工误差。

如果壁元件、最好是所有的壁元件和加工空间都是热稳定性的，则由热变形产生的加工误差的危险可进一步降低。为了达到这种热稳定性，壁元件可填充冷却剂，最好是冷却液。借助于集成在冷却剂循环回路中的热交换器，尽管机床是封闭的，在加工空间中由于加工产生的热也可以传递到加工空间的外部。

类似地，所有的导轨都设置在加工空间16的外部且在壁元件4-9的侧表面12、12’、12’’、12’’’上，远离加工空间。这种结构，与将导轨设置在加工空间内的其他传统结构相比，保证了导轨不会被冷却润滑剂和切屑弄脏。

图5a)和5b)表示了本发明加工中心的另一实施例。与上述机床不同，这里的移动装置安装在其它的壁元件上。这样，在图5a)所示的加工中心中，工件夹持装置3的移动装置32安装在顶部元件8上。与之相比较，图5b)所示的加工中心的横滑板27则与刀具夹持装置2一起设置在相应的顶部元件8上。另外，该图中所示的加工中心不同于上述的加工中心，不同点在于线性运动轴的定位。这里，刀具夹持装置2可在X和Y方向移动，工件夹持装置3可在Y方向移动。但根据不同的需求，在实际中，其它实施例中的运动轴也可以任意方式分配给各壁元件和工件夹持装置、刀具夹持装置。在图6a)和6b)中，在传统铣床(图6a))中用虚线40、41表示的力束与本发明加工中心(图6b))中的力束进行了对比。从图6a)中可以看出，传统铣床中的力束从刀具42施加到第一机架构件(即支柱43)上，并从那儿通过导轨44施加到第二机架构件(即床身45)上。力束通过滑板46施加到工件47上。在支柱43和滑板46上增加了很大的弯曲负载(箭头48所示)，该弯曲负载几乎不能被机架、特别是床身45抵销。

在本发明加工中心中对工件进行相同的加工时，加工时增加的力仅通过呈一体的机架。由于壁元件的作用，在机架中形成了封闭的力束，结果是弯曲负载被吸收和补偿。因此以很好的方式避免了机架的变形。

Claims (13)

1.一种用于切削加工的机床，特别是一种铣床，包括一个刀具夹持装置、一个工件夹持装置、至少一个在刀具夹持装置和工件夹持装置之间进行相对移动的移动装置、一个安装有工件夹持装置、刀具夹持装置和移动装置的机架以及形成加工空间的壁元件，其特征在于，壁元件(4、5、6、7、8、9)与机架(1)组成一个整体构件，并且排列和设计成这种形式，即在加工工件的过程中，增加的负载能够借助这些壁元件(4-9)而被吸收。

2.如权利要求1所述的机床，其特征在于，壁元件(4-9)设计成包括呈一体的板状元件(12、12’、12”、12”’、13、13’)的承载元件的形式。

3.如权利要求2所述的机床，其特征在于，每一壁元件(4-9)带有两块板(12、13；12’、13’)，它们至少有部分设置成基本上相互平行的形式并通过加强肋(14)相互连成一体。

4.如前述任一权利要求所述的机床，其特征在于，带有壁元件(4-9)的非梁和/或非柱状的机架(1)完全相互连接以吸收负载。

5.如前述任一权利要求所述的机床，其特征在于，壁元件(4-9)设置成这种形式，即在所有方向上负载的力束都封闭。

6.如前述任一权利要求所述的机床，其特征在于，壁元件(4-9)相互设置成平行六面体或立方体形。

7.如前述任一权利要求所述的机床，其特征在于，加工空间(16)由形成机架(1)的壁元件(4-9)封闭。

8.如前述任一权利要求所述的机床，其特征在于，至少一个移动装置的一条导轨位于设置在加工空间(16)外部的外表面(12，12’)上。

9.如权利要求8所述的机床，其特征在于，移动装置(25、32)的所有线性运动轴(X、Y、Z)的导轨均设置在加工空间(16)的外部。

10.如权利要求1-9所述的机床，其特征在于，在其上设置有工件夹持装置、刀具夹持装置和移动装置的机架(1)包括梁，借助它，在加工工件的过程中增加的负载可被吸收。

11.如前述任一权利要求所述的机床，其特征在于，至少一个移动装置(25、32；34)的驱动装置设置在加工空间(16)的外部。

12.如前述任一权利要求所述的机床，其特征在于，至少一个移动装置(25、32)带有线性驱动装置。

13.如前述任一权利要求所述的机床，其特征在于，工件夹持装置与移动装置的至少一个线性轴可操作地相连。

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