CN1128041C - 动框式三维数控加工单元 - Google Patents
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Abstract
本发明动框式三维数控加工单元，包括底座、带导轨的龙门或立柱和主轴，其中主轴为电主轴，龙门或立柱固接在底座上，龙门或立柱上设有使电主轴作三维运动的包含有成对的X、Y、Z方向导轨和与其相配合的滑块及带电机的丝杠和螺母的机构。其中带电机的丝杠和螺母的机构由直线电机代替。本动框式三维数控加工单元加工精度高、噪音小，可形成多台加工平台对同一零件同时加工的高效、大批量柔性制造***。
Description
技术领域
本发明概括地说涉及一种机床，具体地说涉及一种动框式三维数控加工单元。
背景技术
目前的三维数控加工平台，其主轴通过X、Y、Z座标移动，可以实现空间三维运动。如美国专利US4604008公开了一种名称为“具有多边形刀库的金属加工机床”(METALWORKING MACHINE HAVING POLYGON TOOL SUPPORT BAR)，其主轴可以在立柱上作Y轴方向移动，立柱可以在滑板上作Z轴方向移动，滑板又可以在底座上作X轴方向移动。这样，主轴就实现了空间三维运动，它实质上是一种三维数控加工平台。因此，可以通过主轴直接找刀，简化了附加刀库的设计，省略了机械手。但是，由于这种三维数控加工平台的立柱是运动的，其重量很大，刚性差，难以实现高速移动；其主轴是由电机通过齿轮驱动的，转速低，噪声大，结构复杂，且主轴箱重量大，无法实现快速加工，生产效率低；又由于其导轨为滑动导轨，运动摩擦力大、间歇大、精度低。此种三维数控加工平台仅适合卧式铣、镗机床，不适用于其他类型机床。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种动框式三维数控加工单元，其结构简单、刚性好，加工精度高，噪音小，生产效率高，适用范围广。
本发明动框式三维数控加工单元，包括底座、带导轨的龙门或立柱和主轴，其中：所述主轴为电主轴。所述龙门或立柱固接在底座上。龙门或立柱上设有使电主轴作三维运动的包含有成对的X、Y、Z方向的导轨和与其相配合的滑块及带电机的丝杠和螺母的机构。
本发明动框式三维数控加工单元，其中：所述机构还包括动框、滑枕和滑鞍，其中两条X轴方向导轨上、下设置在龙门前立柱面上，与其相配合的滑块固接在动框后面；所述两条Y轴方向导轨左、右设置在动框前面，与其相配合的滑块设置在滑鞍上；所述两条Z轴方向滑块设置在滑鞍的两条Y轴方向导轨之间，与其相配合的导轨设置在滑枕上。所述螺母为分别设置在动框上的X轴螺母、设置在滑鞍上的Y轴螺母和设置在滑枕上的Z轴螺母。所述丝杠为设置在龙门上、动框上和滑鞍上，且分别与三个螺母相配合的X轴丝杠、Y轴丝杠和Z轴丝杠。所述电主轴设置在滑枕上，其一端伸入滑枕，另一端裸露其外。
本发明动框式三维数控加工单元，其中：所述机构还包括动框、滑鞍和方枕，其中两条X轴方向导轨左、右设置在立柱顶端，与其相配合的滑块固接在动框后面；所述两条Y轴方向导轨前、后设置在动框前面，与其相配合的滑块设置在滑鞍上；所述两条Z轴方向滑块设置在滑鞍的两条Y轴方向导轨之间，与其相配合的导轨设置在方枕上，所述螺母为分别设置在动框上的X轴螺母、设置在滑鞍上的Y轴螺母和设置在方枕上的Z轴螺母，所述丝杠为设置在立柱上、动框上和滑鞍上，且分别与三个螺母相配合的X轴丝杠、Y轴丝杠和Z轴丝杠，所述电主轴设置在方枕上，一端伸入方枕，另一端裸露其外。
本发明动框式三维数控加工单元，其中：还包括转台，其设置在底座上两立柱之间。
本发明动框式三维数控加工单元，其中：所述导轨为直线滚动导轨，所述丝杠为滚珠丝杠。
本发明动框式三维数控加工单元，包括底座、带导轨的龙门或立柱和主轴，其中：所述
主轴为电主轴，所述龙门或立柱固接在底座上，龙门或立柱上设有使电主轴作三维运动
的包含有成对的X、Y、Z方向导轨和与其相配合的滑块及直线电机。
本发明动框式三维数控加工单元，其中：所述直线电机为三个，它们分别为X轴直线电机、Y轴直线电机和Z轴直线电机，其动子分别设置在动框上、滑鞍上和滑枕或方枕上，其定子分别设置在龙门或立柱上、动框上和滑鞍上，且分别与所述三个动子相配合。
本发明动框式三维数控加工单元的优点和积极效果在于：工作时龙门不动，只有动框部分在动，运动部分的重量只有龙门运动时的1/6到1/3，因此提高了机床的刚度、固有频率和动态精度，同时也允许三维运动的速度加快，提高生产效率，又由于采用电主轴形式，省去了主轴箱的齿轮传动机构，其一方面使结构简化，另一方面使运动部分重量进一步减小，精度进一步提高，且电主轴本身转速高，从而大大提高了生产效率；其导轨采用直线滚动导轨，运动灵敏、精度高，同时可承受大的冲击负荷。本发明动框式三维数控加工单元不仅适合卧式铣、镗机床，还适用于其他类型机床。
本发明动框式三维数控加工单元的其他细节和特点可通过阅读下文结合附图详加描述的
实施例即可清楚明了。
附图说明
图1为本发明动框式三维数控加工单元的一个实施例局部剖视结构示意图；
图2为图1的主视图；
图3为图1的左视图；
图4为图1的俯视图；
图5为本发明动框式三维数控加工单元的又一实施例主视结构示意图；
图6为图5的左视图；
图7为图5的俯视图；
图8为本发明动框式三维数控加工单元的再一实施例主视结构示意图；
图9为图8的左视图；
图10为图8的俯视图。
具体实施方式
本发明中，具有刀库15的一面定义为前面，与其相反的另一面为后面。
图1、图2、图3和图4所示实施例适合作为卧式铣、镗机床使用，它包括底座1、带直线滚动导轨的龙门2和主轴5。所述主轴5为电主轴，其转速低速为10-30转/分，高速可达6000-40000转/分或更高。所述龙门2固接在底座1上，龙门2上设有使电主轴5作三维运动的包含有成对的X、Y、Z方向的直线滚动导轨301、302、303和与其相配合的滑块401、402、403及带伺服电机的滚珠丝杠和螺母的机构。所述机构还包括动框9、滑鞍10和滑枕11。其中动框9的形状可以与龙门2前立柱面相吻合，滑鞍10的横截面形状可以为方形，滑枕11的横截面形状可以为六边形(见图2)。两条X轴方向直线滚动导轨301上、下设置在龙门2前立柱面上，与其相配合的滑块401固接在动框9后面，在龙门2上X轴方向还设有X轴滚珠丝杠701，与其相配合的X轴螺母801固接在动框9上，X轴滚珠丝杠701的左端设有伺服电机601(见图2)；所述两条Y轴方向直线滚动导轨302左、右设置在动框9前面，与其相配合的滑块402设置在滑鞍10上，在龙门2和底座1之间Y轴方向还设有Y轴滚珠丝杠702，与其相配合的Y轴螺母802固接在滑鞍10上，Y轴滚珠丝杠702的上端设有伺服电机602；所述两条Z轴方向滑块403设置在滑鞍10的两条Y轴方向直线滚动导轨302之间，与其相配合的直线滚动导轨303设置在滑枕11上，在龙门2上Z轴方向还设有Z轴滚珠丝杠703，与其相配合的Z轴螺母803固接在滑枕11上，Z轴滚珠丝杠703的后端设有伺服电机603(见图3)，其中所述X、Y、Z轴滚珠丝杠均由高速、高精度的滚动轴承所支撑。所述电主轴5设置在滑枕11上，一端伸入滑枕11，另一端裸露其外。
本发明动框式三维数控加工单元工作时，由X轴电机601带动X轴丝杠701旋转，与X轴丝杠701相配合的X轴螺母801固接在动框9上，这样动框9就实现了X轴方向移动；Y轴电机602带动Y轴丝杠702旋转，与Y轴丝杠702相配合的Y轴螺母802固接在滑鞍10上，这样滑鞍10就实现了Y轴方向移动；Z轴电机603带动Z轴丝杠703旋转，与Z轴丝杠703相配合的Z轴螺母803固接在滑枕11上，这样滑枕11就实现了Z轴方向移动；而电主轴5设置在滑枕11上，所以电主轴5就实现了X、Y、Z方向三维运动，可以到刀库15中找刀，省略了机械手及附加刀库的设计。本发明动框式三维数控加工单元加工时，工件不动，因此可以实现两台以上的加工单元同时加工同一零件，当多台动框式三维数控加工单元组成生产线时，就组成了高效、大批量柔性制造***。
图5、图6、和图7所示的实施例适合作为立式铣、镗、车、磨机床使用，它包括底座1、带直线滚动导轨的立柱2和主轴5。所述主轴5为电主轴，其转速低速为10-30转/分，高速可达6000-40000转/分或更高。所述立柱2固接在底座1上，立柱2上设有使电主轴5作三维运动的包含有成对的X、Y、Z方向的直线滚动导轨301、302、303和与其相配合的滑块401、402、403及带伺服电机的滚珠丝杠和螺母的机构。所述机构还包括动框9、滑鞍10和方枕18。其中动框9的截面形状可以为阶梯状，滑鞍10的截面形状可以为长方形，方枕18的截面形状可以为正方形(见图7)。两条X轴方向直线滚动导轨301左、右设置在立柱2顶端，与其相配合的滑块401固接在动框9后面，在立柱2上X轴方向还设有X轴滚珠丝杠701，与其相配合的X轴螺母801固接在动框9上，X轴滚珠丝杠701的后端设有伺服电机601(见图7)；所述两条Y轴方向直线滚动导轨302前、后设置在动框9前面，与其相配合的滑块402设置在滑鞍10上，在动框9上还设有Y轴滚珠丝杠702，与其相配合的Y轴螺母802固接在滑鞍10上，Y轴滚珠丝杠702的右端设有伺服电机602；所述两条Z轴方向滑块403设置在的两条Y轴方向直线滚动导轨302之间，与其相配合的直线滚动导轨303设置在上，在滑鞍10上Z轴方向还设有Z轴滚珠丝杠703，与其相配合的Z轴螺母803固接在方枕18上，Z轴滚珠丝杠703的上端设有伺服电机603(见图5)，其中所述X、Y、Z轴滚珠丝杠均由高速、高精度的滚动轴承所支撑。所述电主轴5设置在滑枕11上，一端伸入滑枕11，另一端裸露其外。
本实施例中，在底座1上两立柱2之间还可以设置转台20，变形为立式车床或立式磨床。
图8、图9、和图10是上述第一个实施例用于高速情况下的结构，其中带电机的丝杠和螺母的机构由直线电机代替。其中X轴滚珠丝杠由X轴直线电机定子21代替，X轴螺母801由X轴直线电机动子31代替；Y轴滚珠丝杠702由Y轴直线电机定子22代替，Y轴螺母802由Y轴直线电机动子32代替；Z轴滚珠丝杠703由Z轴直线电机定子23代替，Z轴螺母803由Z轴直线电机动子33代替。速度可达120米/分。该种直线电机结构也适合用于上述第二个实施例的情况。
本发明动框式三维数控加工单元，不同于传统立柱式三维运动，不仅具有质量轻、刚性高的特点，而且把动力部件——电主轴和三维的直线运动相关部件——直线滚动导轨和滚珠丝杠全部集成在一起，以动框为核心，形成了一个具有主轴高速旋转，三维高速运动的超级大部件，使其可以像各种其他部件一样，在专业化的工厂生产，从而扩大批量，降低成本。然后，由机床厂和直接用户在这样的超级功能部件的基础上，根据使用要求，增加固定工作台或可交换工作台、转台、冷却装置、排屑装置、自动润滑装置等标准功能部件，组成适用的数控机床。本发明动框式三维数控加工单元，是一个可以在各种不同类别机床之间通用的大部件，以它为平台，可以组成卧式加工中心、立式加工中心、龙门式加工中心、立式磨床、立式车削中心等不同数控机床，其核心是动框式三维数控运动。
Claims (8)
1、一种动框式三维数控加工单元，包括底座(1)、带导轨的龙门或立柱(2)和主轴(5)，其中所述主轴(5)为电主轴，所述龙门或立柱(2)固接在底座(1)上，其特征在于：所述龙门或立柱(2)上设有使电主轴(5)作三维运动的包含有成对的X、Y、Z方向导轨(301)、(302)、(303)和与其相配合的滑块(401)、(402)、(403)及带电机的丝杠和螺母的机构。
2、根据权利要求1所述的动框式三维数控加工单元，其特征在于：所述机构还包括动框(9)、滑鞍(10)和滑枕(11)，其中两条X轴方向导轨(301)上、下设置在龙门(2)前立柱面上，与其相配合的滑块(401)固接在动框(9)后面；所述两条Y轴方向导轨(302)左、右设置在动框(9)前面，与其相配合的滑块(402)设置在滑鞍(10)上；所述两条Z轴方向滑块(403)设置在滑鞍(10)的两条Y轴方向导轨(302)之间，与其相配合的导轨(303)设置在滑枕(11)上，所述螺母为分别设置在动框(9)上的X轴螺母(801)、设置在滑鞍(10)上的Y轴螺母(802)和设置在滑枕(11)上的Z轴螺母(803)，所述丝杠为设置在龙门(2)上、动框(9)上和滑鞍(10)上，且分别与三个螺母相配合的X轴丝杠(701)、Y轴丝杠(702)和Z轴丝杠(703)，所述电主轴(5)设置在滑枕(11)上，一端伸入滑枕(11)，另一端裸露其外。
3、根据权利要求1所述的动框式三维数控加工单元，其特征在于：所述机构还包括动框(9)、滑鞍(10)和方枕(18)，其中两条X轴方向导轨(301)左、右设置在立柱(2)顶端面上，与其相配合的滑块(401)固接在动框(9)后面；所述两条Y轴方向导轨(302)前、后设置在动框(9)前面，与其相配合的滑块(402)设置在滑鞍(10)上；所述两条Z轴方向滑块(403)设置在滑鞍(10)的两条Y轴方向导轨(302)之间，与其相配合的导轨(303)设置在方枕(18)上，所述螺母为分别设置在动框(9)上的X轴螺母(801)、设置在滑鞍(10)上的Y轴螺母(802)和设置在方枕(18)上的Z轴螺母(803)，所述丝杠为设置在立柱(2)上、动框(9)上和滑鞍(10)上，且分别与三个螺母相配合的X轴丝杠(701)、Y轴丝杠(702)和Z轴丝杠(703)，所述电主轴(5)设置在方枕(18)上，一端伸入方枕(18)，另一端裸露其外。
4、根据权利要求1或3所述的动框式三维数控加工单元，其特征在于：还包括转台(20)，其设置在底座(1)上两立柱(2)之间。
5、根据权利要求1、2或3所述的动框式三维数控加工单元，其特征在于：所述导轨为直线滚动导轨，所述丝杠为滚珠丝杠。
6、根据权利要求4所述的动框式三维数控加工单元，其特征在于：所述导轨为直线滚动导轨，所述丝杠为滚珠丝杠。
7、一种动框式三维数控加工单元，包括底座(1)、带导轨的龙门或立柱(2)和主轴(5)，其特征在于：所述主轴(5)为电主轴，所述龙门或立柱(2)固接在底座(1)上，龙门或立柱(2)上设有使电主轴(5)作三维运动的包含有成对的X、Y、Z方向导轨(301)、(302)、(303)和与其相配合的滑块(401)、(402)、(403)及直线电机。
8、根据权利要求7所述的动框式三维数控加工单元，其特征在于：所述直线电机为三个，它们分别为X轴直线电机、Y轴直线电机和Z轴直线电机，其动子(31)、(32)、(33)分别设置在动框(9)上、滑鞍(10)上和滑枕(11)或方枕(18)上，其定子(21)、(22)、(23)分别设置在龙门或立柱(2)上、动框(9)上和滑鞍(10)上，且分别与所述三个动子相配合。
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