具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床的製作方法
2023-06-03 01:52:06
專利名稱：具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床的製作方法
技術領域：
本實用新型是關於一種電腦數控車床。
一般電腦數值控制(Computer Numerical Control；簡稱CNC)的加工機具，為達成以刀具切削工件的目的，除必須設有可在切削操作期間進給刀具以接觸工件材料的機構裝置以外，亦必須設有可在非切削期間使刀具依設定程序接近或遠離工件的機構設備。在切削期間，刀具進給速度是必須根據被加工的材料特性而有特定要求，故無法加速。但，若在非切削期間提高刀具接近或遠離工件的移動速度，則整體的操作速度及加工效率將可顯著提升。
如
圖1所示，一般習知臥式車床，其工件是夾固於一固定位置的工件主軸S上，因此該工件僅可被轉動但無法產生位移。用以對工件進行切削加工的刀具是固設於一可對該工件產生位移的刀具座B上。該刀具座B一般是在工件的主軸方向(Z軸方向)上，以一螺杆R(較佳為滾珠螺杆)配合一固定於刀具座的螺帽N，以利用一伺服馬達M驅動旋轉該螺杆R以驅使刀具座接近/離開該工件。該刀具座更可在一垂直於工件主軸的方向上，亦可利用如前述的螺杆/螺帽機構，使刀具可在另一方向(X軸方向)上可經由轉動螺杆而相對於工件產生移動。
如圖2所示，一般習知CNC立式車床，其待加工的工件是可轉動地被夾設於一不可移位的工件置放臺T，其刀具則類似前進習知臥式車床，在一工件主軸方向(Z軸方向)及一垂直於工件主軸的方向(X軸方向)分別以一螺杆配合一螺帽，使刀具座可在二維方向接近或遠離工件。
如圖3所示，一般習知主軸倒逆式立式車床，其構造大致與圖2所示的立式車床相仿，惟其刀具座B是不可移動，而工件則夾固在可對於刀具座B轉動的工件座T。該種習知主軸倒逆式立式車床，類似於前述的習知立式車床，是在一主軸方向(Z軸方向)及一垂直於主軸的方向(X軸方向)分別以螺杆/螺帽構造，使工件與刀具的間可產生二維的移動。
習知利用螺杆/螺帽機構是可使刀具與工件在同一座標軸方向接近或遠離的機構及操作方式，若欲加快刀具接近工件的速度，則僅可藉提高驅動螺杆轉動的伺服馬達的轉速方可達成，但以現有可供運用的伺服馬達，尚無法使刀具及工件在非切削期間達到令人滿意的移動速度。
尤其，當習知的螺杆/螺帽機構運用在使刀具座及工件臺於直立方向移動時，例如運用在圖2所示的CNC立式車床的直立軸方向時，因刀具座B受重力影響，使伺服馬達M用以正轉驅動螺杆R以上升刀具座B所受的負荷明顯大於反轉驅動刀具座B下降所受的負荷，除影響伺服馬達的壽命，並且不利於操作速度的控制。習知技術為克服該種因重力影響造成在上升、下降產生不同負荷的問題乃利用鏈條或鋼索連接一配重(balance weight)，以平衡被上、下移動物體的重量，而避免伺服馬達在正/反轉驅動螺杆而將刀具座向上、下移動時產生過度負荷差異。但這將使構造相當複雜而不利於製造及保養，並使機器笨重。
如圖2所示的習知CNC立式車床，其刀具座B是以一伺服馬達M正、反向轉動螺杆R以使刀具座B可在直立方向上升、下降移動。該種以伺服馬達M配合螺杆/螺帽機構以將刀具座B上、下移動的機構及操作方式，在停電或伺服馬達失去動力時，刀具座B將因本身的重量驅使螺杆R轉動而使刀具座B逐漸下移，進而可能使刀具碰撞到工件、工件置放臺或機器的其它部位而造成損傷。
本實用新型的目的在於提供一種具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床，使刀具座與工件臺在主軸方向上的相對移動速度為傳統以伺服馬達配合螺杆/螺帽機構所可達成的移動速度的二倍，以顯著縮短CNC車床的非切削操作時間，而提升整體加工速度及效率。
本實用新型的另一目的在於提供一種具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控立式車床，其刀具座與工件臺在直立方向移動是以伺服馬達驅動一具有正、反向螺紋的螺杆配合二個分別固設於刀具座與工件置放臺的螺帽所達成，該伺服馬達正、反向轉動螺杆以便刀具座相對於工件置放臺接近或遠離所受負荷大致相同，而不必另外增設配重；並且在停電或機臺關機時，可使刀具座避免碰撞工件或機臺。
為了達到上述目的，本實用新型提供一種具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床，其特徵在於包含一機臺，具有一縱長主軸方向及一垂直於該主軸方向的橫寬方向；一螺杆，包括螺旋方向相反的一正旋螺紋段及一反旋螺紋段，沿縱長主軸方向可轉動但不可移動地樞設於機臺；一設置工件的工件臺總成，沿縱長主軸方向可相對移動地結合於機臺，包括一配合於該螺杆的反旋螺紋段的螺帽，該螺帽固設於工件臺總成上；一設置刀具的刀具座總成，沿縱長主軸方向可相對移動地結合於機臺，包括一配合於該螺杆的正旋螺紋段的螺帽，該螺帽固設於刀具座總成上。
所述的具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床，其特徵在於該螺杆是被一可正、反向轉動的伺服馬達驅動。
所述的具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床，其特徵在於該機臺的縱長主軸方向可以是一直立方向，而該機臺包含一機臺底座及一直立向上延伸於該機臺底座的機臺立柱，該螺杆是沿直立主軸方向樞設於機臺立柱，且刀具座總成及工件臺總成是受該螺杆驅動而沿直立主軸方向作上、下反向相對運動。
所述的具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床，其特徵在於該刀具座總成是位於工件臺總成的上方。
上述的具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床，其特徵在於該工件臺總成的重量不小於刀具座總成的重量；所述的具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床，其特徵在於該刀具座總成是位於工件臺總成的下方。
上述的具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床，其特徵在於其中該刀具座總成的重量不小於工件臺總成的重量。
所述的具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床，其特徵在於該機臺沿縱長主軸方向形成有二平行滑軌，而該工件座總成及刀具座總成均設有與該滑軌形成動配合的滑塊。
本實用新型的具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床，使刀具座與工件臺在主軸方向上的相對移動速度為傳統以伺服馬達配合螺杆/螺帽機構所可達成的移動速度的二倍，以顯著縮短CNC車床的非切削操作時間，而提升整體加工速度及效率。
本實用新型的具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控立式車床，其刀具座與工件臺在直立方向移動是以伺服馬達驅動一具有正、反向螺紋的螺杆配合二個分別固設於刀具座與工件置放臺的螺帽所達成，該伺服馬達正、反向轉動螺杆以使刀具座相對於工件置放臺接近或遠離所受負荷是大致相同，而不必另外增設配重。
本實用新型的具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控立式車床，其在停電或機臺關機時，可使刀具座避免碰撞工件或機臺。
本實用新型的電腦數控車床，以具有正、反旋螺紋段的螺杆配合分別固定於刀具座總成及工件臺總成的螺帽，而可以單一伺服馬達轉動該螺杆，使刀具座總成可以雙倍速度接近或遠離工件臺總成，以縮短非切削操作時間，提高工作效率。
本實用新型的目的、操作原理、構造特徵及操作狀態，經所附圖式顯示的較佳具體實施例配合如下的詳細說明，應可更具體被充分了解。
附圖圖面的說明
圖1是一般習知臥式車床的立體構造示意圖，顯示刀具座利用伺服馬達配合螺杆/螺帽機構而可在X軸及Z軸方向上接近或遠離夾設在工件轉軸的工件；圖2是一般習知立式車床的立體構造示意圖，顯示刀具座利用伺服馬達配合螺杆/螺帽機構而可在X軸及Z軸方向接近或遠離夾設在工件轉軸的工件；圖3是一般習知主軸倒逆式立式車床的立體構造示意圖，顯示刀具座利用伺服馬達配合螺杆/螺帽機構而可在X軸及Z軸方向接近或遠離夾設在工件置放臺的工件；圖4是根據本實用新型的CNC車床的第一較佳實施例的立體構造示意圖，顯示一臥式CNC車床其水平縱長方向樞設一具有正、反向螺紋的螺杆，用以分別配合設在工件臺總成與刀具座總成的螺帽，使工件臺總成與刀具座總成二者在主軸方向上同時反向運動，以增加刀具座總成接近或遠離工件臺總成的相對移動速度；圖5是根據本實用新型的具有正、反向螺紋的螺杆配合二分別固定於刀具座總成及工件臺總成的螺帽的操作示意圖，顯示螺杆順時鐘方向轉動(正轉)而使分別固定於刀具座總成及工件臺總成的螺帽互相接近移動的狀態；圖6是本實用新型的另一操作示意圖，顯示螺杆逆時鐘方向轉動(反轉)而使分別固定於刀具座總成及工件臺總成的螺帽互相遠離移動的狀態；圖7是根據本實用新型的CNC車床的第二較佳實施例的立體構造示意圖，顯示一CNC立式車床，其直立主軸方向樞設一具有正、反向螺紋的螺杆以同時驅動刀具座總成及工件臺總成，使刀具座總成及工件臺總成可在直立主軸方向互相接近或遠離；及圖8是根據本實用新型的CNC車床的第三較佳實施例的立體構造示意圖，顯示一主軸倒逆式立式車床，其直立主軸方向樞設一具有正、反向螺紋的螺杆以同時驅動刀具座總成及工件臺總成，使其可在直立軸方向互相接近或遠離。
為便於說明，以下所稱X、Y、Z軸方向是互相垂直的三座標軸方向且為各相關附圖中所標示的方向，直立方向則指大致垂直於地面的方向，而且相同的參考號碼代表相同的元件。
如圖4所示，根據本實用新型第一較佳具體實施例的CNC車床，是一CNC臥式車床，主要包含一機臺1、一工件臺總成2及一刀具座總成3；其中該機臺1具有一長度較長的縱長主軸方向Z的及一垂直於該縱長方向且長度較短的橫寬方向X。該機臺1、沿縱長主軸方向Z設有二平行滑軌11。螺杆12包含一段正旋螺紋段121以及一段螺旋方向與該正旋螺紋段121相反的反旋螺紋段122。該螺杆12沿機臺的縱長主軸方向Z與滑軌11平行地樞設於機臺1，並以一伺服馬達M驅動而可正、反向轉動。
工件臺總成2包含一工件臺21、二滑塊22及一螺帽23。該工件臺21可設有一由電動馬達(未標號)驅動旋轉的車削主軸S，其一端設有夾具以夾固工件。二滑塊22固設於工件臺21底部，用以分別與機臺1的滑軌11配合，而使工件臺總成2可沿Z軸縱長方向在機臺1上自由滑移。螺帽23固設於工件臺21底部，用以與螺杆12的正旋螺紋段121配合，而可於螺杆12被伺服馬達M轉動時，配合該正旋螺紋段121而可在機臺1的縱長方向Z來回移動。
刀具座總成3包含一Z軸移動座31、一X軸移動座32及一刀具臺33；其中，該Z軸移動座31的底部設有二滑塊311及一螺帽312，用以分別與機臺1的滑軌11及螺杆12的反旋螺紋段122配合，而可於螺杆12被轉動時，使該Z軸移動座31可在機臺1上沿縱長方向Z被來回移動。該Z軸移動座31的上部沿X軸方向設有二平行滑軌313並樞設一螺杆314。X軸移動座32的底部設有二滑塊321及一螺帽(未示)，用以分別與Z軸移動座31的滑軌313及螺杆314配合，而可在Z軸移動座31上大致沿X軸方向移動。刀具座33則可調整地固定於X軸移動座32的上部。
如圖4、5、6所示，由於沿縱長主軸方向樞設於機臺1的螺杆12具有正旋螺紋段121與反旋螺紋段122，用以分別配合可沿主軸方向滑移的工件臺總成2及刀具座總成3的螺帽23及312，因此當螺杆12於一方向(例如順時鐘方向)轉動時，螺帽23及312會同時反向相對運動而互相接近(如圖5)，進而使工件臺總成2及刀具座總成3同時反向相對運動而互相接近。如圖6所示，當螺杆12於一相反方向(例如逆時鐘方向)轉動時，螺帽23及312乃同時反向相對運動而互相遠離(如圖6)，進而使工件臺總成2及刀具座總成3同時反向相對運動而互相遠離。無論用以驅動螺杆轉動的伺服馬達的轉速如何改變，運用本實用新型所提供的具有二段不同螺旋方向的螺紋的螺杆使刀具座及工件臺在主軸方向同時反向移動的驅動方式，其刀具座與工件臺之間的相對移動速度永遠為習知以單向螺紋/螺杆機構僅驅動刀具座移向/移離工件的速度的二倍，故而可在主要運動方向(即主軸方向)上將刀具快速移向或移離工件；再者，因主軸方向是車床操作時，刀具相對於工件必須長距離移動的方向，因此使刀具座總成及工件臺總成在該縱長主軸方向同時反向相對運動，可顯著縮短CNC車床的非切削操作時間，進而顯著縮短整體加工時間並提高加工效率。
如圖7所示，根據本實用新型第二較佳具體實施例的CNC車床是一CNC立式車床，其構造類似於如圖4所示第一實施例的臥式車床，惟其主軸是成直立方向延伸而非成水平方向延伸。該第二實施例的CNC立式車床主要包含一機臺1』、一工件臺總成2』及一刀具座總成3』；其中該機臺1』，包含一機臺底座13及一直立沿伸於其上的機臺立柱14。該機臺立柱14沿直立主軸方向Z形成有二平行滑軌11』，並樞設一具有正旋螺紋段121』及反旋螺紋段122』的螺杆12』，該螺杆12』以一伺服馬達M驅動而可正反向轉動。
工件臺總成2』包含一工件臺21』、二滑塊22』，及一螺帽23』。該工件臺21』可設有一由電動馬達(未標號)驅動旋轉的車削主軸S，其一端設有夾具以夾固工件，二滑塊22』固設於工件臺21』一側，用以分別與機臺1』的滑軌11』配合，而使工件臺總成2』可在機臺1』沿直立Z軸方向上、下自由滑移。螺帽23』固設於工件臺21』一側，用以與螺杆12』的正旋螺紋段121』配合，而可於螺杆12』被伺服馬達M轉動時，配合該正旋螺紋段121』而可在機臺1』的直立主軸方向Z上、下移動。
刀具座總成3』包含一Z軸移動座31』、一X軸移動座32』及一刀具臺33』；其中，該Z軸移動座31』的一側設有二滑塊311』及一螺帽312』，用以分別與機臺1』的滑軌11』及螺杆12』的反旋螺紋段122』配合，而可於螺杆12』被轉動時，使該Z軸移動座31』可在機臺立柱14上沿主軸方向Z被上下移動。該Z軸移動座31』的另一側沿X軸方向設有二平行滑軌313』並樞設一螺杆314』。X軸移動座32』的一側設有二滑塊321』及一螺帽322』，用以分別與Z軸移動座31』的滑軌313』及螺杆314』配合，而可在Z軸移動座31』上大致沿X軸方向移動。刀具臺33』是固設於X軸移動座32』的接近工件臺的一側。
由於直立Z軸方向的螺杆12』具有二段不同螺旋方向的螺紋段121』及122』用以分別配合工件臺總成2』的螺帽23』及刀具座總成3』的螺帽312』，若使工件臺總成2』的總重量大致等於刀具座總成3』的總重量，則工件臺總成2』受重力而對螺杆12』在一轉動方向產生的扭轉力，恰可被刀具座總成3』受重力而對螺杆12』在一相反轉動方向產生的扭轉力所抵消；因此，伺服馬達M正、反向轉動螺杆12』所需的扭轉力或負荷大致相同，故不必額外增設配重以平衡物體在直立方向被向上及向下移動所產生的顯著負荷差異。
當工件臺21』上置放有工件時，若此時突然停電或機臺關機，則工件臺總成2』的重量以及其上的工件的重量總合將略大於刀具座總成3』的總重量，故可使工件臺總成2』緩慢下降，並對螺杆12』產生一扭轉力而使刀具座總成3』緩慢向上移動。因此在突然停電或機臺關機的情況下，刀具座或刀具不會使刀具座受重力影響而下移碰撞工件。
如圖8所示為根據本實用新型第三較佳具體實施例的CNC主軸倒逆式立式車床，其構造類似於前述如圖7所示的第二實施例的立式車床，惟其工件臺總成2」是倒逆式設於刀具座總成3」的上方。該工件臺總成2」及刀具座總成3」在直立軸方向上均可受具有正旋螺121」及反旋螺紋段122」的螺杆12」的驅動而可快速反向相對運動。於該種倒逆式立式車床的實施例中，可使刀具座總成3」的重量大致等於或略大於工件臺總成2」加上其所夾固工件的重量總合，可於突然停電或機臺關機的情況下，使工件臺總成2」不致於受重力作用而下降碰撞刀具或刀具座總成3」。
權利要求1．一種具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床，其特徵在於包含一機臺，具有一縱長主軸方向及一垂直於該主軸方向的橫寬方向；一螺杆，包括螺旋方向相反的一正旋螺紋段及一反旋螺紋段，沿縱長主軸方向可轉動但不可移動地樞設於機臺；一設置工件的工件臺總成，沿縱長主軸方向可相對移動地結合於機臺，包括一配合於該螺杆的反旋螺紋段的螺帽，該螺帽固設於工件臺總成上；一設置刀具的刀具座總成，沿縱長主軸方向可相對移動地結合於機臺，包括一配合於該螺杆的正旋螺紋段的螺帽，該螺帽固設於刀具座總成上。
2.如權利要求1所述的具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床，其特徵在於該螺杆是被一可正、反向轉動的伺服馬達驅動。
3.如權利要求1所述的具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床，其特徵在於該機臺的縱長主軸方向是一直立方向，而該機臺包含一機臺底座及一直立向上延伸於該機臺底座的機臺立柱，該螺杆是沿直立主軸方向樞設於機臺立柱，且刀具座總成及工件臺總成是受該螺杆驅動而沿直立主軸方向作上、下反向相對運動。
4．如權利要求3所述的具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床，其特徵在於該刀具座總成是位於工件臺總成的上方。
5.如權利要求4所述的具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床，其特徵在於該工件臺總成的重量不小於刀具座總成的重量；
6.如權利要求3所述的具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床，其特徵在於該刀具座總成是位於工件臺總成的下方。
7.如權利要求6所述的具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床，其特徵在於其中該刀具座總成的重量不小於工件臺總成的重量。
8.如權利要求1所述的具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床，其特徵在於該機臺沿縱長主軸方向形成有二平行滑軌，而該工件座總成及刀具座總成均設有與該滑軌形成動配合的滑塊。
專利摘要一種具有主軸方向倍速相對運動特性的電腦數控車床,包含:一機臺及一螺杆,該螺杆包括螺旋方向相反的一正旋螺紋段及一反旋螺紋段,沿縱長主軸方向可轉動但不可移動地樞設於機臺;一工件臺總成沿縱長主軸方向可相對移動地結合於機臺,包括一配合於該螺杆的反旋螺紋段的螺帽,一刀具座總成包括一配合於該螺杆的正旋螺紋段的螺帽。本實用新型可提高刀具座與工件臺在主軸方向上的移動速度,而提升加工效率。
文檔編號B23Q5/22GK2449865SQ0026217
公開日2001年9月26日 申請日期2000年11月10日 優先權日2000年11月10日
發明者陳錫寬 申請人:陳錫寬