专利名称：卧式五轴加工中心机床用具有大摆角范围的高刚性摆头的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械制造设备，即卧式五轴加工中心机床用摆头，是卧式五轴加工中 心机床的核心功能部件。
背景技术：
近年来，卧式五轴加工中心以其高精度、高刚性、高效率、五轴联动等特点在航空 航天、国防军工等高端行业领域应用越来越多，主要用来加工具有复杂型面的高精度零件， 如航空结构件。卧式五轴加工中心可在三轴联动的标准型卧式加工中心的基础上，在主轴 或工作台上增加两个联动的回转轴加以实现，而具有主轴摆动功能的摆头是标准型卧式加 工中心升级为卧式五轴加工中心的关键功能部件之一。由于卧式五轴加工中心目前多用来 加工钛合金等难加工材料复杂型面零件，故要求摆头部件具有高刚性、大扭矩、高精度和大 摆角范围等特点。目前，尚无国内机床制造厂家能够生产满足上述特性的卧式五轴加工中 心机床用摆头，这已成为阻碍国产卧式五轴加工中心研制与发展的瓶颈。故研制开发出高 刚性、大扭矩、高精度和大摆角范围，满足航空航天等行业领域加工需求的高性能摆头对国 产卧式五轴加工中心的发展和我国航空航天、国防军工等行业的发展具有重大意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于卧式五轴加工中心机床用的具有大摆角范围的高 刚性摆头，满足航空航天等行业领域加工钛合金等难加工材料复杂型面高精度零件的需 求。一种卧式五轴加工中心机床用具有大摆角范围的高刚性摆头，包括包括摆头箱 体、旋转主轴箱、电主轴及其液压、气动、冷却及润滑配置，其特征在于左箱体与右箱体一侧 垂直相接，内装电主轴的旋转主轴箱通过左、右轴承支撑套和两交叉滚子轴承安装在左箱 体和右箱体中，并可绕其轴线在左箱体和右箱体中摆动，左箱体内有伺服电机，通过同步齿 型带与消隙的蜗轮蜗杆构成旋转主轴箱的传动机构，旋转主轴箱两侧均采用高刚性的两交 叉滚子轴承支撑；环形分配器安装在左箱体和旋转主轴箱中，摆头右侧设置编码器安装轴 和角度编码器；摆头的摆角范围为215°，以主轴呈水平状态为零点，向上可摆动95°，向 下可摆动120°。驱动伺服电机通过带斜筋板的L型电机座安装在摆头箱体内腔中，不占用摆头外 部空间，从而增大了机床的非干涉加工区和加工范围，并有利于伺服电机的防护。摆头左、 右两侧均设有防护罩，外形美观、宜人。旋转主轴箱两侧均采用高刚性的交叉滚子轴承支 撑，且两轴承内、外圈两端全部固定，并通过合理设计摆头基础部件、传动部件和支撑部件 的结构等措施，实现摆头的高刚性。通过采用消隙的高精度传动部件、提高关键部件的制 造、装配精度，并在摆头内设置角度编码器，进行闭环控制等措施，实现主轴的高精度摆动。 电主轴正常工作需要的液压、气动、冷却及润滑用各路油、气和驱动、检测等用的各电缆线 全部从其后端输入，并分别从其左、右两侧与外部油(或气)源和电气柜连接。其中各路油(或气)分别从外部油(或气)源流出，依次通过电主轴左侧的各入口端外接管、环形分配 器、旋转主轴箱和各出口端外接管，并从电主轴后端进入电主轴内部；各电缆线均从电主轴 后端接出，依次经由旋转主轴箱的走线孔、右轴承支撑套、空心的编码器安装轴、环形拖链 支架、可反向弯曲的RBR拖链，并从摆头箱体后端接出，进入机床走线系统和外部电气柜。 通过设计环形分配器、采用RBR拖链并优化各油、气管路和电缆线的路径，实现主轴215° 的大摆角范围摆动。为将带侧臂的旋转主轴箱安装到摆头箱体中，将摆头箱体分成左箱体 和右箱体两部分，装配时需先将旋转主轴箱通过支撑部件与右箱体连接，最后再连接左箱 体。
图1为本发明大摆角范围的摆头外形示意图；图2为其中的蜗轮蜗杆结构示意图；图3为摆头整体结构剖视图。
具体实施例方式一种卧式五轴加工中心机床用具有大摆角范围的高刚性摆头，如图1，图3所示， 具有大摆角范围的高刚性摆头，其特征在于内装电主轴13的旋转主轴箱3通过左轴承支撑 套7、右轴承支撑套17和交叉滚子轴承8、16安装在左箱体2和右箱体1中，装配时需先将 旋转主轴箱3、右轴承支撑套17、右交叉滚子轴承16、右轴承内圈压盖19、右轴承外圈压盖 18、左轴承支承套7与右箱体1 一侧的中部及右侧连接在一起，然后将左箱体2直角端垂直 固定在右箱体1 一侧的左侧，并装入左交叉滚子轴承8、左轴承内圈压盖9和左轴承外圈压 盖10，最后装入其它零、部件及左防护罩30。如图2，图3所示，带斜筋板的L形电机座15安装在左箱体2的内腔中，电机座4 的正面与左箱体2内腔中的安装面相连接，伺服电机4的安装法兰面与电机座15的顶面相 连接，布置在左箱体2的内腔中，避免了占用摆头外部空间，从而增大了机床的非干涉加工 区和加工范围，并有利于伺服电机4的防护。如图2，图3所示，左箱体2内腔中的小皮带轮23通过胀紧套25与伺服电机4的 电机轴相连，大皮带轮26通过胀紧套观与蜗杆11相连，蜗杆分为上下两段，通过调整安装 在蜗杆轴上的调整垫片27的厚度可消除蜗轮蜗杆11传动的反向间隙，蜗轮通过左轴承支 撑套7与旋转主轴箱3相连接；伺服电机4通过同步齿型带M和蜗轮蜗杆传动机构11带 动旋转主轴箱3连续摆动，摆角范围为215°，以主轴呈水平状态为零点，向上可摆动95°， 向下可摆动120°，电主轴13插入旋转主轴箱3内，其安装法兰面与旋转主轴箱3的前端面 相连接，外设左防护罩30，随旋转主轴箱3 —起摆动。如图3所示，旋转主轴箱3两侧均采用高刚性的交叉滚子轴承8、16支撑，两轴承 内孔分别与连接在旋转主轴箱3两侧的左轴承支撑套7和右轴承支撑套17的轴套配合，两 交叉滚子轴承8、16外圆分别与左箱体2和右箱体1内的轴承安装孔配合。左轴承内圈两 端分别由左轴承支撑套7和左轴承内圈压盖9固定，外圈分别由摆头左箱体2和左轴承外 圈压盖10固定，右轴承内圈两端分别由右轴承支撑套17和右轴承内圈压盖19固定，外圈 分别由右箱体1和右轴承外圈压盖18固定。两轴承内、外圈两端全部固定，以获得较高的支撑刚性。摆头右防护罩31内设置角度编码器21，其静环与右盖板20相连接，动环与编码 器安装轴22相连接，实时检测主轴的摆角位置，进行闭环控制，从而提高主轴摆动的精度。在摆头左防护罩30内，环形分配器12通过左盖板5与左箱体2相连接，其空心轴 部分插入旋转主轴箱3的侧臂内孔中，环形分配器12内部设有多路通油(或气)孔，各孔 入口均设置在其法兰盘左侧的突出部分，并通过输入端外接管34与外部油(或气)源相连 接；各孔出口均设置在其空心轴的外圆柱面上，沿轴向排列，并在各孔出口相应位置的圆柱 面上开设环形槽。旋转主轴箱3内部亦开有多路通油(或气)孔，并与环形分配器12内部 的各通油(或气)孔一一对应，各孔入口均设置在旋转主轴箱3侧臂内孔的孔臂上，并沿轴 向与环形分配器12各孔出口一一对应；各孔出口均设置在旋转主轴箱3的后端面上，并通 过输出端外接管四与电主轴13后端的各液压、气动、冷却及润滑接口相连接。通油(或气) 时，各路油(或气)从外部油(或气)源通过输入端外接管34进入环形分配器12相应的 各路通油(或气)孔的入口，从环形分配器12相应的各路通油(或气)孔的出口流出后， 分别流入对应的旋转主轴箱3各路通油(或气)孔的入口，从旋转主轴箱3各路通油(或 气)孔的出口流出后，再分别通过输出端外接管四流入电主轴13的各路油(或气)接口， 满足电主轴13的正常工作需求。环形分配器12各路通油(或气)孔的出口处开设的环行 槽，保证了旋转主轴箱3摆动到任意角度时，从环形分配器12各路通油(或气)孔的出口 流出的油(或气)均能流入相应的旋转主轴箱3各路通油(或气)孔的入口。此外，在环 形分配器(1 各路通油(或气)孔出口的各环形槽间均开设密封沟槽，并在密封沟槽内设 置旋转密封圈33，以保证各路油(或气)不会相互窜通，保证电主轴13安全、可靠地工作。摆头右侧设置空心的编码器安装轴22，其左端与右轴承支撑套17相连接，其右端 连接环形拖链支架14，并随旋转主轴箱3摆动，环形拖链支架14上连接可反向弯曲的RBR 拖链6的动端，RBR拖链6的静端通过连接架32与右箱体1相连。旋转主轴箱3上设有一 个走线孔，其入口设置在旋转主轴箱3的后端，其出口设置在旋转主轴箱3的右侧，并与右 轴承支撑套17及编码器安装轴22的中心孔相通。连接电主轴13的各电缆线均从电主轴 13的后端接出，并依次通过旋转主轴箱3的走线孔，右轴承支撑套17的中心孔、编码器安装 轴22的中心孔，环形拖链支架14的中心孔，进入RBR拖链6，从RBR拖链6出来后，通过摆 头右箱体1的走线孔从摆头后方接出，进入摆头外部的机床走线系统和电气柜。最后安装 和右防护罩31。
权利要求
1.一种卧式五轴加工中心机床用具有大摆角范围的高刚性摆头，包括摆头箱体、旋转 主轴箱、电主轴及其液压、气动、冷却及润滑配置，其特征在于左箱体( 与右箱体(1) 一侧 垂直相接，带侧臂的旋转主轴箱( 通过左轴承支撑套(7)、右轴承支撑套(17)和交叉滚子 轴承(8、16)安装在左箱体(2)和右箱体(1)中，并可绕其轴线在左箱体(2)和右箱体(1) 中摆动，旋转主轴箱(3)内的电主轴(1 的液压、气动、冷却及润滑用油、气管路和驱动、检 测用电缆线全部从电主轴(1 的后端输入，并分别从其左、右两侧与外部油或气源和电气 柜连接；左箱体⑵内有伺服电机G)，通过同步齿型带04)与消隙的蜗轮蜗杆(11)构成 旋转主轴箱C3)的传动机构，旋转主轴箱C3)两侧均采用高刚性的交叉滚子轴承(8，16)支 撑；环形分配器(1 安装在左箱体( 和旋转主轴箱(3)中，摆头右侧设置编码器安装轴 (22)和角度编码器；摆头的摆角范围为215°，以主轴呈水平状态为零点，向上可摆动 95°，向下可摆动120°。
2.根据权利要求1所述的卧式五轴加工中心机床用具有大摆角范围的高刚性摆头，其 特征在于伺服电机(4)通过带斜筋板的L型电机座(15)安装在左箱体(2)的内腔中，电机 座(15)的正面与左箱体(2)内腔中的安装面相连接，伺服电机⑷的安装法兰面与电机座 (15)的顶面相连接；小皮带轮通过胀紧套0 与伺服电机的电机轴相连，大皮 带轮06)通过胀紧套08)与蜗杆(11)相连，其蜗轮通过左轴承支撑套(7)与旋转主轴箱 ⑶相连接。
3.根据权利要求1所述的卧式五轴加工中心机床用具有大摆角范围的高刚性摆头，其 特征在于环形分配器(1 通过左盖板( 与左箱体( 相连，其空心轴部分插入旋转主轴 箱(3)的侧臂内孔中，环形分配器(1 内部设有多路通油或气孔，各孔入口均设置在其法 兰盘左侧的突出部分，并分别通过各输入端外接管(34)与外部油或气源相连接，各孔出口 均设置在其空心轴的外圆柱面上，沿轴向排列，并在各孔出口相应位置的圆柱面上开设环 形槽；旋转主轴箱(3)内部亦开有多路通油或气孔，并与环形分配器(1 内部的各通油或 气孔一一对应，各孔入口均设置在旋转主轴箱C3)侧臂内孔的孔壁上，沿轴向排列，并与环 形分配器(1 各孔的出口一一对应；旋转主轴箱(3)的各孔出口均设置在其后端面上，并 通过各输出端外接管09)与电主轴(13)后端的各液压、气动、冷却及润滑接口相连接；在 环形分配器(1 各路通油或气孔的出口的环形槽间均开设密封沟槽，并在各密封沟槽内 设置旋转密封圈(33)。
4.根据权利要求1所述的卧式五轴加工中心机床用具有大摆角范围的高刚性摆头，其 特征在于安装在摆头右侧防护罩(31)内的空心的编码器安装轴(22)，其左端与右轴承支 撑套(17)相连，其右端连接环形拖链支架(14)，环形拖链支架(14)上连接可反向弯曲的 RBR拖链(6)的动端，RBR拖链(6)的静端通过连接架(3 与右箱体(1)相连；编码器安装 轴02)中心孔供走线。
5.根据权利要求1所述的卧式五轴加工中心机床用具有大摆角范围的高刚性摆头，其 特征在于旋转主轴箱C3)上设有一个走线孔，其入口设置在旋转主轴箱C3)的后端，其出口 设置在旋转主轴箱(3)的右侧，并与右轴承支撑套(17)及编码器安装轴0 的中心孔相 通；连接电主轴(1 的各电缆线均从电主轴(1 的后端接出，并依次通过旋转主轴箱(3) 的走线孔、右轴承支撑套(17)的中心孔、编码器安装轴0 的中心孔，环形拖链支架(14) 的中心孔，穿过RBR拖链(6)出来后，通过摆头右箱体(1)的走线孔从摆头后方接出，进入摆头外部的机床走线系统和电气柜。
全文摘要
卧式五轴加工中心机床用具有大摆角范围的高刚性摆头，包括摆头箱体、旋转主轴箱及其辅助配置，其特征在于左箱体与右箱体一侧垂直相接，内装电主轴的旋转主轴箱通过左、右轴承支撑套和两交叉滚子轴承安装在左箱体和右箱体中，并可绕其轴线在左箱体和右箱体中摆动，左箱体内有伺服电机，通过同步齿型带与消隙的蜗轮蜗杆构成旋转主轴箱的传动机构，旋转主轴箱两侧均采用高刚性的两交叉滚子轴承支撑；环形分配器安装在左箱体和旋转主轴箱中，摆头右侧设置编码器安装轴和角度编码器；摆头的摆角范围为215°，以主轴呈水平状态为零点，向上可摆动95°，向下可摆动120°。本设备能够满足航空航天等行业领域加工钛合金等难加工材料复杂型面高精度零件的需求。
文档编号B23Q11/12GK102085616SQ20101061097
公开日2011年6月8日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者候延星, 刘丹阳, 刘春时, 化春雷, 尚红, 张传思, 张凯, 张建中, 徐吉存, 接明, 李焱, 李瑞敏, 李秀敏, 李英杰, 杨东, 王仁斌, 王跃武, 谢志坤, 赵雷, 闫海 申请人:中捷机床有限公司