CN1202933C - 磁悬浮轨道梁数控机床 - Google Patents
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Abstract
一种磁悬浮轨道梁数控机床，它包括床身、立柱、主轴箱、控制系统、操作站，其特征在于：床身长达36米，设置有由X轴消隙传动机构驱动可在床身上全长移动的立柱滑座；设置有由B轴回转机构驱动可在立柱滑座上作水平转动的立柱转座，构成B轴；立柱固定在立柱转座上；设置有可沿立柱上下移动的滑鞍；主轴箱设置在滑鞍上，由A轴回转机构驱动可在垂直平面内转动，构成A轴；设置有A轴平衡机构；控制系统和操作站连接在滑座上，X、A、B三个座标采用光栅尺测量，闭环控制。本发明解决工件就位后机床本身可以进行调整，使主轴轴线与被加工工件的表面垂直，即可加工直形工件又可加工弯曲工件以及在工件全长范围内保证高定位精度的技术的问题。
Description
技术领域：
本发明属于金属切削机床，尤其是一种适合于磁悬浮轨道梁等超长、超重构件的金属切削数控机床。
背景技术：
与本发明最接近的现有技术是落地式数控铣镗床，现有的落地式数控铣镗床的布局和运动方式是立柱在床身上横向移动构成X轴；滑枕主轴箱在立柱上上下移动构成Z轴；滑枕和主轴的纵向移动构成Y轴，这种布局和运动方式只有直线轴，没有回转轴，而且X轴的移动范围在15米以内。这种落地数控铣镗床一般是调整工件或者应用回转工作台来调整工件被加工表面与主轴回转轴线垂直，对于不便调整或无法调整的超长、超重的大型工件或者具有曲率的弯曲工件不适用。例如磁悬浮轨道梁，其长度达25米，重180吨，并有部分是曲梁，目前的机床无法进行加工。
发明内容：
本发明提供一种适合于磁悬浮轨道梁等超长、超重构件切削的数控机床，解决工件就位后机床本身可以进行调整，使主轴轴线与被加工工件的表面垂直，即可加工直形工件又可加工弯曲工件的技术问题；以及在工件全长范围内保证高定位精度的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种磁悬浮轨道梁数控机床，它包括床身、立柱、具有沿Y轴向移动的滑枕和主轴的主轴箱、控制系统、操作站，其特征在于：床身长达36米，其上部全长设置两条直线滚动导轨，内侧全长固定一排精密齿条，设置有在床身的直线滚动导轨上可全长移动的立柱滑座，并构成X轴，立柱滑座内设置有X轴消隙传动机构和B轴回转机构；在立柱滑座上设置有可相对立柱滑座在水平平面内转动的立柱转座，并构成B轴；立柱固定在立柱转座上；设置有固定在立柱上并由其顶端的伺服电机带动的滚珠丝杠的丝母上且可沿立柱上的两条导轨上下移动的滑鞍，并构成Z轴，该滑鞍中设有A轴回转机构；主轴箱设置在滑鞍上，在A轴回转机构的驱动下可相对滑鞍在垂直平面内转动，构成A轴；设置有连接在滑鞍和滑枕转座之间的A轴平衡油缸；控制系统和操作站连接在滑座上，与滑座同步沿X轴移动，可控制X、Y、Z、A、B轴和主轴6个坐标的运动状态；X、A、B三个坐标采用光栅尺测量，闭环控制。
所述的磁悬浮轨道梁数控机床，其特征在于：所述的X轴消除间隙传动机构包括伺服电机、由主动斜齿轮及被动斜齿轮组成的二对斜齿轮副、轴、齿轮、齿条、液压油缸；伺服电机可经锥齿轮副降速传动后传递给二对斜齿轮副，其中一对斜齿轮副在油缸活塞的轴向力作用下产生绕其输出轴的微小角度转动，消除了齿轮与齿条间的啮合间隙。
所述的磁悬浮轨道梁数控机床，其特征在于：所述的B轴回转机构包括：伺服电机、减速器、蜗杆蜗轮副、轴、齿轮副；该伺服电机通过减速器降速后与蜗杆蜗轮副相连，蜗杆蜗轮副设置在滑座内，与蜗轮同轴的小齿轮与固定在立柱转座上的在齿轮啮合，带动立柱转座转动。
所述的磁悬浮轨道梁数控机床，其特征在于：所述的A轴平衡机构包括平衡油缸、数字比例控制阀，平衡油缸设置在滑鞍和滑枕转座之间，该油缸中压力油的压力大小是随着滑枕移动及主轴箱转动的位置变化，产生电信号，经数字比例阀控制，调整平衡力矩，实现滑枕重心位置变化的动态平衡。
所述的磁悬浮轨道梁数控机床，其特征在于：滑座与立柱转座之间设置有夹紧与松开的夹紧器；立柱转座采用精密轴承定心，交叉滚子轴承支撑。
同现有技术相比，本发明具有X、Y、Z三个直线坐标和A、B、两个回转坐标，全部由计算机系统控制，任意三坐标可联动，本发明采用立柱在水平面的回转(B轴)和主轴箱在垂直平面的回转(A轴)来实现主轴轴线与工件被加工面的垂直。A轴设有平衡机构，其中平衡油缸通过数字比例阀控制，根据滑枕移动与主轴箱转动所处的不同位置随时动态调整平衡力矩，补偿滑枕运动的重心偏移。A轴和B轴采用消隙降速传动机构、精密定心轴承支撑、光栅尺测量全闭环控制、滑动面贴塑，并在B轴上采用滚动——滑动混合摩擦副，实现了回转轴高精度、小角度分度定位，定位精度达到10”；重复定位精度达到5”。本发明滑座相对床身的移动(X轴)33米，导轨副采用直线滚动导轨，传动部件采用精密齿轮、齿条消隙传动机构，伺服链采用光栅尺测量闭环控制，实现了大型动立柱长距离移动的平滑控制和高精度定位，X轴的定位精度达到±0.015mm/4000mm；重复定位精度达到±0.008mm。本发明通过在上海磁悬浮轨道梁制梁基地的应用，各项经济技术指标均达到了设计要求，特别适合于超长、超重的大型构件和具有一定曲率的弯曲工件进行金属切削加工。
下面结合附图对发明进行详细描述。
附图说明：
图1为本发明磁悬浮轨道梁数控机床的总体结构示意图。
图2为本发明传动系统图。
图3为本发明X轴消隙传动的结构示意图。
图4为本发明B轴回转结构示意图。
图5为本发明A轴平衡机构示意图。
具体实施方式：
首先请参阅图1。由图可见，本发明磁悬浮轨道梁数控机床，包括床身1、立柱8、主轴箱5、滑枕4、主轴11、控制系统9、操作站16，其特点是床身1长达36米，床身1的上部全长设置有两条直线滚导轨17，床身1内侧全长固定一排精密齿条19。在床身1的直线滚动导轨17上设置有立柱滑座2，通过齿条19传动可沿导轨17全长移动，构成X轴。立柱滑座2内设有X轴消隙传动机构和B轴回转机构；在立柱滑座2上设置有立柱转座3，通过B轴回转机构可相对立柱滑座2在水平平面内转动，构成B轴；立柱转座3通过精密轴承59(参见图4)定心在立柱滑座2的回转轴62上，通过交叉滚子轴承60支承在滑座2上，并用夹紧器61实现立柱滑座2与立柱转座3间的夹紧与松开。立柱8固定在立柱转座3上，既可随立柱滑座2沿X轴移动，又可随立柱转座3同步转动。立柱8前面固定两条导轨18和一根滚珠丝杠15，该滚珠丝杠15的顶端连接一个伺服电机14。设置有滑鞍7，该滑鞍7固定在立柱8中滚珠丝杠15的丝母33上，当滚珠丝杠15转动时，滑鞍7可沿立柱8上的导轨18上下移动，构成Z轴，在滑鞍7中设有A轴回转机构。主轴箱5设置在滑鞍7上，在A轴回转机构的驱动下可相对滑鞍7在垂直平面内转动，构成A轴。主轴箱5中设有Y轴传动机构；滑枕4安装在主轴箱5中，在Y轴传动机构的驱动下可沿主轴箱5中的导轨纵向移动，构成Y轴。滑枕4内设置有主轴11，主轴11前端设有自动拉刀机构，以安装刀具12。设置有连接在滑鞍7和主轴箱5之间的A轴平衡油缸6(请同时参见图5)，该平衡油缸6中的压力大小是随着滑枕4移动坐标位置变化所产生的电讯号，经控制系统9控制数字比例阀随时调整，用来动态平衡滑枕4移动和主轴箱5转动时重心变动量。控制系统9和操作站16固定在滑座2上，与滑座2同步沿X轴移动，通过该控制系统9的计算机控制X、Y、Z、A、B和主轴11的运动状态，任意三轴可联动，X、A、B三个坐标采用光栅尺测量，闭环控制。
本发明的传动系统如图2所示，其X、Y、Z、A、B轴和主轴11的传动机构及其传动原理如下：
X轴消隙传动机构(请同时参见图3)包含伺服电机20、轴21、由主动斜齿轮25与26及被动斜齿轮29和27组成的二对斜齿轮副、齿轮22和23、齿条19和液压油缸58，其传动链如下：伺服电机20通过轴21带动一对啮合锥齿轮22/23转动，传递给轴24转动，轴24上的斜齿轮26和25分别与齿轮27和29啮合，带动轴28和轴30转动，轴28和轴30上的齿轮31和32与固定在床身1上的齿条19啮合，以上各轴通过轴承固定安装在滑座2上，当伺服电机20带动轴21转动时，通过锥齿轮22/23带动轴24转动，轴24上的斜齿轮25在液压油缸58活塞的轴向力作用下沿轴24向下产生位移，使斜齿轮29产生围绕轴30的微小角度转动量，这一微小角度的转动传递给齿轮32，消除了齿轮32、齿轮31与齿条19之间的啮合间隙，实现滑座2相对床身1的消隙直线运动。
Z轴传动机构包括：伺服电机14、滚珠丝杠15和丝母33。伺服电机14与滚珠丝杠15连接，滚珠丝杠15通过轴承固定在立柱8上，丝母33固定在滑鞍7上。启动Z轴传动链时，伺服电机14带动滚珠丝杠15转动，使与滚珠丝杠15啮合的丝母33与滑鞍7一起沿立柱8的导轨做Z向上下直线运动。
Y轴传动机构包括：伺服电机34、滚珠丝杠35和丝母36、伺服电机34与滚珠丝杠35连接，滚珠丝杠35通过轴承固定在主轴箱5上，丝母36固定在滑枕4上。启动Z轴传动链时，伺服电机34带动滚珠丝杠35转动，使与滚珠丝杠35啮合的丝母36与滑枕4一起沿主轴箱5的导轨作Y向直线运动。
A轴回转传动机构包括伺服电机37、蜗杆38、蜗轮39、轴42和齿轮40、41，伺服电机37与蜗杆38连接，蜗杆38、轴42通过轴承固定在滑鞍7上，蜗轮39、齿轮40与轴42固定连接，齿轮41固定在主轴箱5上。启动A轴传动链时，伺服电机37带动蜗杆38、蜗轮39转动，通过轴42带动齿轮40转动，齿轮40与齿轮41啮合，实现滑枕转座5相对滑鞍7的转动。
B轴回转传动机构包括伺服电机43、减速器44、蜗杆45、蜗轮46、轴47和齿轮48、49，其中：伺服电机43通过减速器44与蜗杆45连接，蜗杆45、轴47通过轴承固定在滑座2上，蜗轮46和齿轮48与轴47固定连接，齿轮49固定在立柱转座3上。启动B轴传动链时，伺服电机43通过减速器44带动蜗杆45、蜗轮46转动，通过轴47带动齿轮48转动，齿轮48与齿轮49啮合，实现立柱转座3相对滑座2的转动。
主轴11回转传动机构包括伺服电机50、减速器51、轴52、55和齿轮54、57、53、56。轴52、55和主轴11通过轴承固定在滑枕4上，伺服电机50、减速器51与轴52连接，齿轮53固定在轴52上，齿轮54和56固定在轴55上，齿轮57固定在主轴11上。启动主轴回转传动链时，伺服电机50通过减速器51带动固定在轴52上的齿轮53转动。齿轮53与齿轮54啮合，带动轴55转动，轴55上的齿轮57啮合，实现主轴11转动。
Claims (5)
1、一种磁悬浮轨道梁数控机床，它包括床身(1)、立柱(8)、具有沿Y轴向移动的滑枕(4)和主轴(11)的主轴箱(5)、控制系统(9)、操作站(16)，其特征在于：床身长达36米，其上部全长设置两条直线滚动导轨(17)，内侧全长固定一排精密齿条(19)，设置有在床身(1)的直线滚动导轨(17)上可全长移动的立柱滑座(2)，并构成X轴，立柱滑座(2)内设置有X轴消隙传动机构和B轴回转机构；在立柱滑座(2)上设置有可相对立柱滑座(2)在水平平面内转动的立柱转座(3)，并构成B轴；立柱(8)固定在立柱转座(3)上；设置有固定在立柱(8)上并由其顶端的伺服电机(14)带动的滚珠丝杠(15)的丝母(33)上且可沿立柱(8)上的两条导轨(18)上下移动的滑鞍(7)，并构成Z轴，该滑鞍(7)中设有A轴回转机构；主轴箱(5)设置在滑鞍(7)上，在A轴回转机构的驱动下可相对滑鞍(7)在垂直平面内转动，构成A轴；设置有连接在滑鞍(7)和滑枕转座(5)之间的A轴平衡油缸(6)；控制系统(9)和操作站(16)连接在滑座(2)上，与滑座(2)同步沿X轴移动，可控制X、Y、Z、A、B轴和主轴6个坐标的运动状态；X、A、B三个坐标采用光栅尺测量，闭环控制。
2、根据权利要求1所述的磁悬浮轨道梁数控机床，其特征在于：所述的X轴消除间隙传动机构包括伺服电机(20)、由主动斜齿轮(25)和(26)及被动斜齿轮(29)和(27)组成的二对斜齿轮副、轴(21)、齿轮(22、23)、齿条(19)、液压油缸(58)；伺服电机(20)可经锥齿轮副降速传动后传递给二对斜齿轮副，其中一对斜齿轮副在油缸活塞的轴向力作用下产生绕其输出轴的微小角度转动，消除了齿轮(22、23)与齿条(19)间的啮合间隙。
3、根据权利要求1所述的磁悬浮轨道梁数控机床，其特征在于：所述的B轴回转机构包括：伺服电机(43)、减速器(44)、蜗杆蜗轮副(45、46)、轴(47)、齿轮副(48、49)；该伺服电机(43)通过减速器(44)降速后与蜗杆蜗轮副(45、46)相连，蜗杆蜗轮副(45、46)设置在滑座(2)内，与蜗轮(46)同轴的小齿轮(48)与固定在立柱转座(3)上的齿轮(49)啮合，带动立柱转座(3)转动。
4、根据权利要求1所述的磁悬浮轨道梁数控机床，其特征在于：所述的A轴平衡机构包括平衡油缸(6)、数字比例控制阀，平衡油缸(6)设置在滑鞍(7)和滑枕转座(5)之间，该油缸(6)中压力油的压力大小是随着滑枕(4)移动及主轴箱(5)转动的位置变化，产生电信号，经数字比例阀控制，调整平衡力矩，实现滑枕(4)重心位置变化的动态平衡。
5、根据权利要求1所述的磁悬浮轨道梁数控机床，其特征在于：滑座(2)与立柱转座(3)之间设置有夹紧与松开的夹紧器(61)；立柱转座(3)采用精密轴承(59)定心，交叉滚子轴承(60)支撑。
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