旋轉擺動工作檯及其五軸高效立式加工中心的製作方法

2024-02-04 12:29:15

本發明涉及數控加工技術領域，尤其涉及一種旋轉擺動工作檯及其五軸高效立式加工中心。

背景技術：

五軸數控加工是為了克服三軸加工的不足而發展起來的一項先進位造技術，是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發電機轉子、汽輪機轉子、大型柴油機曲軸等加工的唯一手段。從理論上來說，加工刀具的自由度最多具有三個平移和三個轉動自由度，相應的工作檯的自由度最多也是六個，從中任取五個自由度來設計工具機就被稱為五軸數控工具機。五個自由度的組合形式有許多，一般最為常見的是三個平移運動加上兩個轉動運動組成，現有的大部分五軸數控工具機都配置了三個直線坐標軸和兩個旋轉坐標軸，並可以在計算機數控(CNC)系統的控制下同時協調運動進行加工。

當前，國外五軸聯動數控工具機以歐美、日本為代表，這些國家的五軸聯動數控工具機代表了當今五軸聯動數控工具機發展的最高水平。目前國外著名工具機廠五軸聯動數控工具機技術發展重點可歸結為：高速、高精度、環保、智能、複合化。力矩電機在國外作為迴轉坐標驅動裝置的廣泛使用，使得國外工具機進給機構實現了高速、低損耗、高精度、高效率的目標。新的工具機技術在五軸聯動工具機上的使用，使得五軸聯動工具機在結構上越來越簡單，在性能、功能上卻越來越優秀。

在國家相關政策的支持及相關企業、高校、科研院所等部門的努力下，我國五軸聯動數控工具機技術也得到了快速發展和長足進步，逐漸形成了較為成熟的產品，具有品種多樣、技術成熟、擁有自主技術智慧財產權的特點。但由於國 內工業基礎薄弱，如數控系統、光柵尺反饋系統、導軌、絲槓及軸承等，還沒有處於世界領先水平的品牌，再加上國外同類產品的技術封鎖，國內五軸聯動數控工具機相對於國外整體水平還較低，具體體現在穩定性、精度等相差較大。

五軸數控加工技術發展到今天，雖然已經取得了很大的進步，但提高加工質量、效率及穩定性，充分滿足產品生產的要求是製造技術發展的永恆主題，五軸數控加工技術也將朝著更高精度、更高效率及更高穩定性的方向發展。

隨著我國航空航天、軍事、科研、精密器械、高精醫療設備和能源等領域的不斷發展，一些起主導作用的精密複雜零件對加工的效率、成形的精度以及成品率等指標提出了更高的要求。如飛機機體骨架、隔板、大梁等框架類零件，火箭發動機定位型面結構件，葉輪等迴轉類零件，其材料去除率達到70％左右，有的甚至達到90％以上，這些曲面類零件和大型迴轉類零件，多需利用五軸加工中心進行加工，而銑削加工作為一種高效的材料去除方式，尤其是複雜曲面的加工，通常採用數控銑削加工方式，因此，五軸銑削加工的應用十分廣泛。

在傳統加工過程中，由於切削力，顫振等動力學因素，對工藝參數的選擇過於保守，經常造成工藝參數選擇不當，引起加工系統失穩，對被加工表面質量產生了比較嚴重的影響，致使零件表面產生缺陷，影響零件的使用性能和壽命。在此背景下，高效銑削加工被提出，並引起研究人員及生產加工企業的重視。所謂高效銑削加工，是在保持加工系統穩定、被加工零件質量的同時，最大限度地提高材料去除率。國際生產工程學會(CIRP)召開了一系列高效切削國際會議，就高效切削涉及的關鍵技術進行了討論，國內舉行的先進位造技術方面的重要會議也逐漸的開始重視高效加工，可以說，高效加工技術研究已成為數控加工發展的新趨勢。

綜上，本次項目所研究的高效五軸銑削加工中心，對我國航空航天、軍事、 科研、精密器械、高精醫療設備和能源等領域的發展都有著重要的意義。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：為了提高五軸加工中心的效率，本發明提供一種旋轉擺動工作檯及其五軸高效立式加工中心。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：一種旋轉擺動工作檯，包括工作檯本體、橋架、尾架、C軸轉動機構和B軸擺動機構，工作檯本體通過C軸轉動機構轉動安裝在橋架上，橋架的一端與尾架轉動連接，B軸擺動機構與橋架的另一端轉動連接，C軸轉動機構中的C軸和B軸擺動機構中的B軸相互垂直。本發明的旋轉擺動工作檯能夠在兩個自由度上進行工作，增加尾架結構，尾架與B軸擺動機構配合，與無尾架結構相比，具有更高的剛性及精度穩定性。

進一步地，所述C軸轉動機構包括工作檯支撐C軸(即C軸轉動機構中的C軸)和C軸力矩電機，所述C軸力矩電機固定安裝在橋架內，工作檯支撐C軸的一端用於支撐工作檯本體底部，工作檯支撐C軸的另一端與C軸力矩電機的輸出軸連接，工作檯支撐C軸外還套裝有能夠抱死工作檯支撐C軸的C軸鉗夾抱軸機構，C軸鉗夾抱軸機構中的C軸鉗夾與工作檯支撐C軸同軸設置。傳統結構採用軸向壓緊剎車片的方式，由於剎車片在壓緊與鬆開的過程中，存在軸向的尺寸變化，會造成軸向竄動，影響轉臺精度。本結構採用徑向抱軸機構即C軸鉗夾抱軸機構，使用徑向抱軸的鉗夾系統，裝配時，只需調整C軸鉗夾使其與C軸旋轉軸同軸，則可在不影響轉臺精度的情況下達到抱軸的目的。

傳統的轉臺，在旋轉件與固定件之間容易產生冷卻液滲入，導致內部元器件損壞現象。所述工作檯支撐C軸的一端與橋架之間採用雙層旋轉密封結構，所述雙層旋轉密封結構包括開設在橋架上的外密封槽和內密封槽，外密封槽的底部高於內密封槽的底部，外密封槽和內密封槽之間形成凸部，工作檯支撐C 軸的一端底部具有階梯槽，階梯槽卡接在凸部上，階梯槽的內圈與內密封槽的外圈貼合，階梯槽的外圈套裝在外密封槽的外部，梯槽的外圈具有臺階，臺階的高度與凸部的高度相一致，臺階搭接在外密封槽上，所述外密封槽和內密封槽內均安裝有V型密封圈。該方案採用階梯狀雙層旋轉密封，從結構上有效的預防冷卻液滲入。

所述工作檯支撐C軸外套裝有工作檯軸承，工作檯軸承外套裝有支撐環。與無支撐環結構相比，可增加軸承剛性30％，在保證軸承精度的情況下，增大其承載能力。

所述B軸擺動機構包括B軸安裝套、B軸力矩電機和B軸輸出軸，B軸力矩電機安裝在B軸安裝套內，B軸輸出軸的一端與B軸力矩電機傳動連接，B軸輸出軸的另一端與橋架的另一端轉動連接，所述尾架上設有尾部支撐軸，橋架的一端通過尾部支撐軸與尾架轉動連接，尾部支撐軸和B軸輸出軸同軸設置，所述工作檯支撐C軸與B軸輸出軸的軸線相互垂直。採用力矩電機直接驅動B軸輸出軸，與傳統渦輪蝸杆傳動相比，該傳動方式減少了中間環節；結構更緊湊；使用壽命長；運轉平穩、無噪音；安裝簡單易操作。

傳統的抱軸機構，只有單獨的一個抱軸機構，存在因抱軸油路洩露，油缸卡死等抱軸機構失效情況，造成擺動軸自由下擺，出現安全事故。本結構採用雙鉗夾抱軸，利用兩個獨立的鉗夾分別抱軸，有效的降低了風險。B軸輸出軸外還安裝有雙抱軸機構。雙抱軸機構包括第一B軸鉗夾抱軸機構和第二B軸鉗夾抱軸機構，第一B軸鉗夾抱軸機構和第二B軸鉗夾抱軸機構相互獨立。

一種五軸高效立式加工中心，包括底座、機架、刀庫和上述所述的旋轉擺動工作檯，機架固定在底座上，旋轉擺動工作檯的尾架固定在底座上，B軸擺動機構安裝在機架的側面，機架上安裝有X軸傳動機構，X軸傳動機構上滑動安裝 有滑架，滑架上安裝有Y軸傳動機構，Y軸傳動機構上滑動安裝有Y軸滑枕，滑枕的一端安裝有Z軸傳動機構，Z軸傳動機構上套裝有Z軸滑枕，刀庫安裝在Z軸滑枕上，Z軸傳動機構位於旋轉擺動工作檯的上方，所述C軸與Z軸傳動機構的Z軸方向相互平行，所述B軸與Y軸傳動機構的Y軸方向相互平行。本發明的五軸高效立式加工中心採用旋轉擺動工作檯後，不僅精度和剛度高、穩定性好，而且結構緊湊，操作簡單，使用壽命長。

所述底座上還安裝有操作臺。用於操控整個五軸傳動機構。

所述底座的側面還安裝有電櫃。用於提供電源以及各控制系統的布置。

本發明的有益效果是，本發明的旋轉擺動工作檯及其五軸高效立式加工中心，

1)本結構採用徑向抱軸機構即C軸鉗夾抱軸機構，使用徑向抱軸的鉗夾系統，裝配時，只需調整C軸鉗夾使其與C軸旋轉軸同軸，則可在不影響轉臺精度的情況下達到抱軸的目的；

2)採用階梯狀雙層旋轉密封，從結構上有效的預防冷卻液滲入；

3)工作檯軸承外套裝有支撐環，與無支撐環結構相比，可增加軸承剛性30％，在保證軸承精度的情況下，增大其承載能力；

4)採用力矩電機直接驅動B軸輸出軸，與傳統渦輪蝸杆傳動相比，該傳動方式減少了中間環節；結構更緊湊；使用壽命長；運轉平穩、無噪音；安裝簡單易操作；

5)傳統的抱軸機構，只有單獨的一個抱軸機構，存在因抱軸油路洩露，油缸卡死等抱軸機構失效情況，造成擺動軸自由下擺，出現安全事故。本結構採用雙鉗夾抱軸，利用兩個獨立的鉗夾分別抱軸，有效的降低了風險；

6)本發明的五軸高效立式加工中心採用旋轉擺動工作檯後，不僅精度和剛 度高、穩定性好，而且結構緊湊，操作簡單，使用壽命長。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1是本發明五軸高效立式加工中心的立體結構示意圖。

圖2是本發明旋轉擺動工作檯的立體結構示意圖。

圖3是本發明旋轉擺動工作檯的剖視圖。

圖4是圖3中A處放大圖。

圖5是本發明工作檯支撐C軸的結構示意圖。

圖中：1、工作檯本體，2、橋架，21、外密封槽，22、內密封槽，24、凸部，3、尾架，4、工作檯支撐C軸，41、階梯槽，42、臺階，5、C軸力矩電機，6、V型密封圈，7、B軸安裝套，8、B軸力矩電機，9、B軸輸出軸，10、尾部支撐軸，11、工作檯軸承，12、支撐環，13、C軸鉗夾，14、第一B軸鉗夾抱軸機構，15、第二B軸鉗夾抱軸機構，101、底座，102、機架，103、刀庫，104、旋轉擺動工作檯，105、X軸傳動機構，106、滑架，107、Y軸傳動機構，108、Y軸滑枕，109、Z軸傳動機構，110、Z軸滑枕，111、操作臺，112、電櫃。

具體實施方式

現在結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發明的基本結構，因此其僅顯示與本發明有關的構成。

如圖1所示，是本發明最優實施例，一種五軸高效立式加工中心，包括底座101、機架102、刀庫103和旋轉擺動工作檯104，機架102固定在底座101上，旋轉擺動工作檯104的尾架3固定在底座101上，B軸擺動機構安裝在機架102的側面，機架102上安裝有X軸傳動機構105，X軸傳動機構105上滑動安裝有滑架106，滑架106上安裝有Y軸傳動機構107，Y軸傳動機構107上滑動 安裝有Y軸滑枕108，Y軸滑枕108的一端安裝有Z軸傳動機構109，Z軸傳動機構109上套裝有Z軸滑枕110，刀庫103安裝在Z軸滑枕110上，Z軸傳動機構109位於旋轉擺動工作檯104的上方，C軸與Z軸傳動機構109的Z軸方向相互平行，B軸與Y軸傳動機構107的Y軸方向相互平行。底座101上還安裝有操作臺111。底座101的側面還安裝有電櫃112。

如圖2-5所示，旋轉擺動工作檯104，包括工作檯本體1、橋架2、尾架3、C軸轉動機構和B軸擺動機構，工作檯本體1通過C軸轉動機構轉動安裝在橋架2上，橋架2的一端與尾架3轉動連接，B軸擺動機構與橋架2的另一端轉動連接，C軸轉動機構中的C軸和B軸擺動機構中的B軸相互垂直。

C軸轉動機構包括工作檯支撐C軸4和C軸力矩電機5，C軸力矩電機5固定安裝在橋架2內，工作檯支撐C軸4的一端用於支撐工作檯本體1底部，工作檯支撐C軸4的另一端與C軸力矩電機5的輸出軸連接，工作檯支撐C軸4外還套裝有能夠抱死工作檯支撐C軸4的C軸鉗夾抱軸機構，C軸鉗夾抱軸機構中的C軸鉗夾13與工作檯支撐C軸4同軸設置。

工作檯支撐C軸4的一端與橋架2之間採用雙層旋轉密封結構，雙層旋轉密封結構包括開設在橋架2上的外密封槽21和內密封槽22，外密封槽21的底部高於內密封槽22的底部，外密封槽21和內密封槽22之間形成凸部24，工作檯支撐C軸4的一端的具有周向的外凸圈，外凸圈的底部具有階梯槽41，階梯槽41卡接在凸部24上，階梯槽41的內圈與內密封槽22的外圈貼合，階梯槽41的外圈套裝在外密封槽21的外部，階梯槽41的外圈具有臺階42，臺階42的高度與凸部24的高度相一致，臺階42搭接在外密封槽21上，外密封槽21和內密封槽22內均安裝有V型密封圈6。

工作檯支撐C軸4外套裝有工作檯軸承11，工作檯軸承11外套裝有支撐環 12。

B軸擺動機構包括B軸安裝套7、B軸力矩電機8和B軸輸出軸9，B軸力矩電機8安裝在B軸安裝套7內，B軸輸出軸9的一端與B軸力矩電機8傳動連接，B軸輸出軸9的另一端與橋架2的另一端轉動連接，所述尾架3上設有尾部支撐軸10，橋架2的一端通過尾部支撐軸10與尾架3轉動連接，尾部支撐軸10和B軸輸出軸9同軸設置，工作檯支撐C軸4與B軸輸出軸9的軸線相互垂直。

B軸輸出軸9外還安裝有雙抱軸機構。雙抱軸機構包括第一B軸鉗夾抱軸機構14和第二B軸鉗夾抱軸機構15，第一B軸鉗夾抱軸機構14和第二B軸鉗夾抱軸機構15相互獨立。

B軸電纜旋轉出線結構，傳統方案採用線纜拖鏈引導，但由於內部空間狹小，拖鏈旋轉空間有限，易造成拖鏈擠壓斷裂。該方案採用簡潔的一端固定在擺動軸上，一端在固定點上方，利用線纜自身在保證適當長度情況下的可扭轉性，達到從擺動軸上將電纜引導到固定點的出線目的。

以上述依據本發明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發明技術思想的範圍內，進行多樣的變更以及修改。本項發明的技術性範圍並不局限於說明書上的內容，必須要根據權利要求範圍來確定其技術性範圍。