专利名称：一种铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心的制作方法
技术领域：
本发明涉及五轴龙门加工中心机床领域，具体为一种铣头可交换直驱式高速龙门 五轴加工中心，专门用来加工航空透明件模具及汽车工业中的模具制造。
背景技术：
传统的五轴龙门加工中心机床多采用齿条或丝杠传动，对于齿条传动来说，具有 力量大的优点，但是精度低。而丝杠传动时，丝母对丝杠施以扭力，当丝杠长度过长时会产 生晃动现象，从而影响工件的形状及尺寸精度，并且长期使用或受异物污染时，易磨损影响 机床的精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可快速交换主轴头的高速五轴龙门加工中心，解决现 有技术中存在的精度低等问题。为了实现上述目的，本发明的技术方案是一种铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，五轴加工中心包括工作台、左桥 梁、右桥梁、在左桥梁及右桥梁上移动的横梁、滑板、滑枕、AC双摆头、头库，具体结构如下左桥梁、右桥梁上分别放置两条直线导轨，滑板通过滑块与横梁上的导轨滑动配 合，滑枕与滑板通过双丝杠传动配合，滑枕底部安装AC双摆头，头库放置在工作台一侧；横 梁两端分别通过滑座安装在左桥梁、右桥梁上，五轴加工中心的X、Y向采用直线电机直接 驱动，横梁沿左桥梁、右桥梁作X向水平移动，滑板沿横梁作Y向水平移动，五轴加工中心的 Z向双电机重心驱动滑枕，滑枕在滑板上作Z向垂直移动。所述的铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，左桥梁或右桥梁上方通过滑座 与横梁相连，滑座上面与横梁连接，滑座下面安装滑块，直线导轨安装在左桥梁或右桥梁上 方，滑块与直线导轨呈滑动配合，直线电机初极位于滑座下方的左桥梁或右桥梁上，滑座与 左桥梁或右桥梁相对一侧安装直线电机次极，直线电机初极和直线电机次极相对应，左桥 梁或右桥梁外侧安装光栅尺。所述的铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，横梁采用焊接结构，横梁内部X 形筋布置，横梁外部形状为梯形。所述的铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，横梁一侧设置直线电机初级， 滑板与横梁相对应的一侧安装直线电机次级，所述直线电机初级与直线电机次级相对应； 横梁另一侧设置蓄能器，蓄能器与平衡油缸相连，滑板的顶部开有筋格，平衡油缸安装在筋 格槽内；丝杠安装在滑板上、位于滑枕的两侧，滑板上方安装伺服电机，通过双电机驱动滑 枕与丝杠传动配合，在滑枕两侧安装光栅尺。所述的铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，滑板与横梁相对应的一侧上下 为滑块安装面，滑板两边安装滑块，滑板中间安装夹紧块，夹紧块与横梁上的导轨相对应。所述的铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，滑枕全长横筋等距分布，竖筋对称分布、共线布置。所述的铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，竖筋八条，竖筋c与竖筋g在一 条直线，竖筋b与竖筋e在一条直线，两条直线垂直；竖筋d与竖筋f沿竖筋e对称分布，竖 筋d、竖筋f分别与竖筋e呈50°，竖筋a与竖筋h沿竖筋b对称分布，竖筋a、竖筋h与竖 筋b呈50°，竖筋a与竖筋f在一条直线，竖筋d与竖筋h在一条直线。所述的铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，AC双摆头A轴和C轴两部分，A 轴设有电主轴、主轴箱、外转子力矩电机、A轴箱体，电主轴装入主轴箱，主轴箱和力矩电机 外转子通过轴承连接到装有力矩电机定子的A轴箱体上；A轴通过端齿盘与C轴定位，端齿 盘通过液压拉爪与C轴连接；C轴设有电机转子、心轴、C轴底座，装有上、下电机转子的心轴 与C轴底座连接。所述的铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，上、下电机转子外侧分别安装 上外壁和下外壁，上部电机转子通过轴承与下外壁相连；心轴外部为配油环内圈，配油环外 圈为上外壁的一部分，上外壁固定在下外壁上，力矩电机的定子固定在上外壁上。所述的铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，在A轴定位圆柱杆，A轴通过定 位圆柱杆设置于头库中，头库与定位圆柱杆对应位置设有定位斜面，A轴的主轴刀具安装孔 为定位孔，在头库底座仿照刀柄做成定位轴。本发明的有益效果是1、本发明用于航空透明件模具粗、精加工的高速龙门五轴加工中心机床，它由工 作台、左桥梁、右桥梁、横梁、滑板、滑枕、AC双摆头、头库、左右刀库组成，具有响应速度快， 加工精度高，实现五轴曲面加工的特点，加工精度可达到1 2um。主要应用于航空和汽车 工业中的模具制造、原型制造、大型钢模和铸铁模具的制造以及航空航天工业中的复杂零 件加工、用于原金属90%以上的铝结构的加工，是航空、航天、模具和机车等高科技领域的 关键加工装备。2、本发明双直线电机直接驱动横梁在左右桥梁上移动，消除了传动环节，其运行 平稳，性能稳定，适用于航空、航天、汽车等模具的精密加工。3、本发明Y轴横梁使用直线电机直接驱动，利用了直线电机主次极间的吸引力， 减少了导轨所承受的力矩和压力，降低了导轨副的摩擦力，提高其刚性及寿命。4、本发明在滑板内部开有方孔，将平衡油缸安装在其内，节省了空间，使机床整体 结构更合理。5、本发明结构精简的AC双摆头头库，创造地利用斜面和A轴刀柄定位，使得定位 准确，换头灵活。6、本发明由交流永磁同步内转子力矩电机驱动的可交换A轴的双摆铣头，在X，Y 两个方向上采用直线电机驱动技术，为了提高机床的响应速度，保证机床刚度的前提下尽 可能的减轻机床移动件的重量，打破国外在AC双摆头方面的垄断。7、本发明在用于航空透明件模具加工的高速龙门五轴加工中心(机床)上使用直 线电机的尝试，利用了直线电机主次极间无法克服的吸引力来改善导轨副的受力状态。另 外，本发明提供了一种新的平衡油缸配置方法，优化了机床滑板滑枕的空间布置。8、本发明直线电机则直接驱动负载节省中间传动环节，控制手段更加精确，在动 梁双驱方面直线电机的控制也比传统的驱动方式有更多的优越性。
图1本发明的结构示意图；图2本发明的工作台地脚安装孔结构示意图；图3本发明的桥梁横梁安装驱动结构示意图；图4本发明的滑板滑枕结构示意图；图5(a)-图5(b)本发明的抱闸工作原理图；其中，图5(a)为主视图；图5(b)为侧 视图。图6和图7本发明的平衡油缸安装示意图；其中，图6为滑板示意图；图7为平衡 油缸安装于滑板示意图。图8本发明的滑枕内部结构图；图9本发明的AC双摆头结构图；图10本发明的头库立体结构图；图11本发明的头库定位原理图。图中，01工作台；02左桥梁；03右桥梁；04横梁；05滑板；06滑枕；07AC双摆头； 08头库；09刀库；10刀库；11数控系统；12液压缓冲器；13直线导轨；14直线电机初级；15 直线电机次级；16滑块；17光栅尺；18滑座；19直线电机初级；20直线电机次级；21丝杠； 22伺服电机；23光栅尺拖链支架；25液压缓冲器J6拖链；27平衡油缸；观液压站；四 滑块；30蓄能器；31导轨；32夹紧块；33电机转子；34心轴；35配油环；36下外壁；37C轴 底座；38A轴箱体；39力矩电机；40主轴箱；41电主轴；42地脚孔；43筋；44筋格；45横筋； 46端齿盘；47液压拉爪；48上外壁；49定位圆柱杆；50定位斜面；51主轴刀具安装孔；52 定位轴。
具体实施例方式如图1所示，本发明的五轴加工中心包括工作台01、左桥梁02、右桥梁03、在左桥 梁02及右桥梁03上移动的横梁04、滑板05、滑枕06、AC双摆头07、头库08等，五轴加工 中心的X向、Y向采用直线电机直接驱动，Z向采用双电机重心驱动滑枕，其具体结构如下如图1、3、4所示，工作台01固定在地基上，通过地脚灌浆固定。床身左右两边是 两个排屑器，排屑器将加工铁屑倒入机床后面的接屑车内。左桥梁02、右桥梁03上分别放 置两条直线导轨13，左桥梁02或右桥梁03中间安装直线电机初级14，左桥梁02、右桥梁 03采用铸造结构。左桥梁02侧面设有方型空窗，安装玻璃视窗观察加工情况，其中一个窗 口安装刀库09，刀库09安装在导轨上，可伸缩换刀，刀库09可容纳32把刀具。右桥梁03 侧面设有方型空窗，安装玻璃视窗观察加工情况，其中一个窗口安装刀库10，刀库10安装 导轨上，可伸缩换刀，刀库10可容纳32把刀具。左桥梁02、右桥梁03前后各安装两个液压 缓冲器12，当机床运行至前后极限位置时，液压缓冲器12起到刹车并防止横梁04脱出桥梁 的作用。头库08放置在工作台01—侧(后面)，可方便的实现A轴摆头的自动交换，数控 系统11悬挂安装在机床前方右桥梁03上，与工作台01相对应。滑板05通过滑块四与横梁04上的导轨31滑动配合，滑枕06与滑板05通过丝杠 传动配合，滑枕06底部安装AC双摆头07。横梁04两端分别通过滑座18安装在桥梁(左桥梁02、右桥梁0 上，横梁04沿左桥梁02、右桥梁03作X向水平移动(X轴运动)；滑板 05沿横梁04作Y向水平移动(Y轴运动)；滑枕06在滑板05上作Z向垂直移动(Z轴运 动)。横梁04承载着作Y向移动的滑板05及作Z向移动的滑枕06。工作台01的中间地脚螺钉安装孔布置如图2所示，地脚孔42布置在封闭的筋43 中间，和传统方式相比提高了床身的支撑能力。如图3所示，桥梁横梁安装驱动结构如下桥梁(左桥梁02或右桥梁0 上方通过滑座18与横梁04相连，由于滑座18除 承受横梁运动件的重力外，还承受直线电机主次级间很强的吸引力，为提高其承受能力，滑 座材料使用40Cr。滑座18上面与横梁04连接，滑座18下面安装滑块16，直线导轨13安 装在桥梁上方，滑块16与直线导轨13呈滑动配合，直线电机初极14位于滑座18下方的桥 梁上，滑座18与桥梁相对一侧安装直线电机次极15，直线电机初极14和直线电机次极15 相对应，横梁04在直线电机驱动下前后移动，光栅尺17安装在桥梁外侧，用来测量机床X 向运行位置并精确控制机床的加工。如图1、4、7所示，滑板滑枕结构如下横梁04采用焊接结构，为尽量减小惯性，内部X形筋布置，梯形外部形状以减轻重 量。横梁04 —侧立面安装导轨31滑板05通过滑块四与横梁04上的导轨31滑动配合， 直线电机初级19位于横梁04 —侧中间的安装面。横梁04另一侧装有两个蓄能器30，蓄能 器30与平衡油缸27相连，为平衡油缸27提供能量。滑板05扁平结构，滑板05与横梁04相对应的一侧安装直线电机次级20，直线电 机初级19与直线电机次级20相对应，滑板05内部放置平衡油缸27，本发明中直线电机的 吸引力对机床的整体运行起有利作用。吸力抵消了滑板滑枕向下的力矩，减轻了滑块四的 受力，提高了导轨副的使用寿命。导轨选型在同等条件下和丝杠传动相比可以减小一个规 格型号。丝杠21安装在滑板05上、位于滑枕06的左右两侧中间位置，应用双丝杠重心驱 动原理，通过双电机驱动滑枕06与丝杠21传动配合。滑板05上方安装伺服电机22，伺服 电机22驱动Z轴上下移动。滑板05上固定拖链支架M，液压缓冲器25通过支板固定在滑 枕06的上方，来防止滑枕整部超程。拖链沈通过拖链支架M连接到滑枕06的支架上，平 衡油缸27安装在滑板05的筋格槽内，拖链支架M上面为液压站观。如图4、5、6、7所示，平衡油缸安装结构如下滑板05顶面中间位置设计两个方型孔筋格44，用来安装平衡油缸27。有效利用 了焊接滑板的空腔结构，否则在本发明机床中就没有空间布置平衡油缸，而不得不使用大 规格伺服电机。平衡油缸27纵向插入滑板05的方形筋格44中，滑板05与横梁04相对应的一侧 上下为滑块安装面，滑板05两边各安装两个滑块29，中间安装夹紧块32，夹紧块32与横梁 04上的导轨31相对应。在滑枕06两侧安装两套光栅尺23，光栅尺23来检测机床Z向的 位置与运动控制。夹紧块32由液压控制刹车，靠夹紧导轨产生摩擦力停车。如图5(a)-图5(b)所示，夹紧块工作原理，当机床运行时，夹紧块32松开；当需 要减速或停车时，夹紧块32夹紧导轨产生摩擦力来制动机床运行。图中，KBHS代表夹紧块 32。滑枕06全长横筋45等距分布，竖筋对称分布、共线布置，如图8所示7
八条竖筋a、b、c、d、e、f、g、h，竖筋c与竖筋g在一条直线，竖筋b与竖筋e在一 条直线，两条直线垂直。竖筋d与竖筋f沿竖筋e对称分布，竖筋d、竖筋f分别与竖筋e呈 50°，竖筋a与竖筋h沿竖筋b对称分布，竖筋a、竖筋h与竖筋b呈50°，竖筋a与竖筋f 在一条直线，竖筋d与竖筋h在一条直线。虽然增加了滑枕的焊接难度，却使整个滑枕各向 受力对称，大大减小了滑枕在大负载下的弯曲变形。AC双摆头07结构如图9所示，由交流永磁同步内转子力矩电机驱动的可交换A轴 的双摆铣头，铣头由A轴(I)和C轴(II)两部分组成。A轴(I)的主要结构由电主轴41、 主轴箱40、外转子力矩电机39、A轴箱体38组成，电主轴41装入主轴箱40，主轴箱40和力 矩电机39外转子通过轴承连接到装有力矩电机定子的A轴箱体38上。A轴通过端齿盘46 与C轴定位，端齿盘46通过液压拉爪47与C轴连接，液压拉爪47由液压控制实现A轴的 交换。C轴(II)由两个外转子力矩电机联合驱动，其主要结构由电机转子33、心轴34、配油 环35、C轴底座37等组成，装有上下两个交流永磁同步外转子力矩电机转子33的心轴34 与C轴底座37连接，上、下电机转子33外侧分别安装上外壁48和下外壁36，上部电机转子 33通过轴承与下外壁36相连实现旋转驱动，可进行大于士360°旋转。心轴34外部为配 油环35内圈，配油环35外圈为上外壁48的一部分，上外壁48固定在下外壁36上，为固定 件。各油孔之间由密封圈密封，力矩电机的定子固定在上外壁48上。C轴上的力矩电机通 过端齿盘46传递扭矩实现A轴的圆周旋转，A轴上的外转子力矩电机39实现主轴箱40的 摆动。如图10-11所示，头库08为框架结构，用来储放和切换AC双摆头的A轴，在A轴 前后有四个定位圆柱杆49，头库对应位置设计成四个定位斜面50，再利用主轴刀具安装孔 51为定位孔，在底座仿照刀柄做成定位轴52。该结构定位准确，换头时只需程序控制使横梁、滑板移动到换头位置，滑枕缓缓向 下将A轴放入头库。机床加工运行时，头库08被防护罩隔离，换头时由气缸推开头库门进 行换头动作。
权利要求
1.一种铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，其特征在于，五轴加工中心包括工 作台、左桥梁、右桥梁、在左桥梁及右桥梁上移动的横梁、滑板、滑枕、AC双摆头、头库，具体 结构如下左桥梁、右桥梁上分别放置两条直线导轨，滑板通过滑块与横梁上的导轨滑动配合，滑 枕与滑板通过双丝杠传动配合，滑枕底部安装AC双摆头，头库放置在工作台一侧；横梁两 端分别通过滑座安装在左桥梁、右桥梁上，五轴加工中心的X、Y向采用直线电机直接驱动， 横梁沿左桥梁、右桥梁作X向水平移动，滑板沿横梁作Y向水平移动，五轴加工中心的Z向 双电机重心驱动滑枕，滑枕在滑板上作Z向垂直移动。
2.按照权利要求1所述的铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，其特征在于，左 桥梁或右桥梁上方通过滑座与横梁相连，滑座上面与横梁连接，滑座下面安装滑块，直线导 轨安装在左桥梁或右桥梁上方，滑块与直线导轨呈滑动配合，直线电机初极位于滑座下方 的左桥梁或右桥梁上，滑座与左桥梁或右桥梁相对一侧安装直线电机次极，直线电机初极 和直线电机次极相对应，左桥梁或右桥梁外侧安装光栅尺。
3.按照权利要求1所述的铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，其特征在于，横 梁采用焊接结构，横梁内部X形筋布置，横梁外部形状为梯形。
4.按照权利要求1所述的铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，其特征在于，横 梁一侧设置直线电机初级，滑板与横梁相对应的一侧安装直线电机次级，所述直线电机初 级与直线电机次级相对应；横梁另一侧设置蓄能器，蓄能器与平衡油缸相连，滑板的顶部开 有筋格，平衡油缸安装在筋格槽内；丝杠安装在滑板上、位于滑枕的两侧，滑板上方安装伺 服电机，通过双电机驱动滑枕与丝杠传动配合，在滑枕两侧安装光栅尺。
5.按照权利要求1所述的铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，其特征在于，滑 板与横梁相对应的一侧上下为滑块安装面，滑板两边安装滑块，滑板中间安装夹紧块，夹紧 块与横梁上的导轨相对应。
6.按照权利要求1所述的铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，其特征在于，滑 枕全长横筋等距分布，竖筋对称分布、共线布置。
7.按照权利要求6所述的铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，其特征在于，竖 筋八条，竖筋c与竖筋g在一条直线，竖筋b与竖筋e在一条直线，两条直线垂直；竖筋d与 竖筋f沿竖筋e对称分布，竖筋d、竖筋f分别与竖筋e呈50°，竖筋a与竖筋h沿竖筋b 对称分布，竖筋a、竖筋h与竖筋b呈50°，竖筋a与竖筋f在一条直线，竖筋d与竖筋h在 一条直线。
8.按照权利要求1所述的铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，其特征在于，AC 双摆头A轴和C轴两部分，A轴设有电主轴、主轴箱、外转子力矩电机、A轴箱体，电主轴装 入主轴箱，主轴箱和力矩电机外转子通过轴承连接到装有力矩电机定子的A轴箱体上；A轴 通过端齿盘与C轴定位，端齿盘通过液压拉爪与C轴连接；C轴设有电机转子、心轴、C轴底 座，装有上、下电机转子的心轴与C轴底座连接。
9.按照权利要求8所述的铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，其特征在于，上、 下电机转子外侧分别安装上外壁和下外壁，上部电机转子通过轴承与下外壁相连；心轴外 部为配油环内圈，配油环外圈为上外壁的一部分，上外壁固定在下外壁上，力矩电机的定子 固定在上外壁上。
10.按照权利要求8所述的铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，其特征在于，在 A轴定位圆柱杆，A轴通过定位圆柱杆设置于头库中，头库与定位圆柱杆对应位置设有定位 斜面，A轴的主轴刀具安装孔为定位孔，在头库底座仿照刀柄做成定位轴。
全文摘要
本发明涉及五轴龙门加工中心机床领域，具体为一种铣头可交换直驱式高速龙门五轴加工中心，解决现有技术中存在的精度低等问题。在左桥梁、右桥梁上分别放置两条直线导轨，滑板通过滑块与横梁上的导轨滑动配合，滑枕与滑板通过双丝杠传动配合，滑枕底部安装AC双摆头，头库放置在工作台一侧；横梁两端分别通过滑座安装在左桥梁、右桥梁上，五轴加工中心的X、Y向采用直线电机直接驱动，横梁沿左桥梁、右桥梁作X向水平移动，滑板沿横梁作Y向水平移动，五轴加工中心的Z向双电机重心驱动滑枕，滑枕在滑板上作Z向垂直移动。本发明运行平稳，性能稳定，适用于航空、航天、汽车等模具的精密加工。
文档编号B23Q37/00GK102049705SQ20101054198
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月12日 优先权日2010年11月12日
发明者侯延星, 刘春时, 刘波, 化春雷, 尹刚, 张磊, 张金军, 徐兆成, 徐吉存, 徐玉波, 李焱, 梁艳超, 王刚, 隋海卓 申请人:中捷机床有限公司