专利名称：A、b轴摆头结构附加装置的制作方法
技术领域：
本新型涉及机械制造设备机床中的A、B轴摆头结构附加装置，用于五轴加工设备。技术背景在国内数控机床市场中，国内企业占有份额较少，产品主要集中在经济型、普通型 等低档数控机床产品领域，而高档数控机床，特别是五坐标联动、大型数控机床的市场份额 为国外品牌所占领。机床工业的现状致使我国航空结构件数控加工装备长期以来以国外进 口设备为主，尤以A、B轴摆头结构的五轴加工等高技术关键装备接近100%依赖进口。由于 这类设备采购时必须向设备生产国申请许可证，设备的获取性受国际政治因素影响很大， 经常出现关键重要设备采购延误或采购不到而影响到飞机制造厂科研生产任务的完成。航空整体结构件具有尺寸大、壁薄、易变形，切削加工难度很大、零件精度高等工 艺特点。随着新一代战机性能要求的逐步提高，新型高性能材料不断引入，整体结构件材料 逐渐由铝合金为主转变为铝合金、钛合金、复合材料并重的局面。美国第四代战斗机的典型 代表F-22军用飞机上，钛合金的比例高达41 %，成为了该飞机上使用比例最高的材料。在 波音-777上大约采用了 11%的钛结构，估计每架波音-777飞机大约要使用12t到13t的 钛合金结构材料和零件。因此钛合金高效加工成为了现代航空制造企业和机床制造商面临 的共同难题，钛合金高效加工设备成为目前数控机床行业新的竞争点。钛合金加工要求机 床具有足够的刚性扭矩和功率，属于大扭矩强力切削。发明内容本实用新型的目的是提供一种A、B轴摆头结构附加装置，用于五轴联动加工，既 可安装在立式数控机床上，也可安装在龙门数控机床上，具有扭矩大，高刚性、铣头悬伸长 的特性，能满足钛合金航空结构件空间曲面的加工需求。A、B轴摆头结构附加装置，包括A轴结构、B轴结构、主轴箱和滑板，安装在三轴的 数控机床上，用于五轴加工，A、B轴结构均采用蜗杆副传动，其特征在于B轴结构固定在滑 板的上侧，B轴大齿圈与B轴支架固定，摆动轴通过螺钉固定在滑板上。B轴支架绕摆动轴 旋转作为B轴；A轴结构固定在B轴支架的右侧，主轴箱固定在B轴支架的两臂之间，A轴大 齿圈与主轴箱固定，左回转轴和右回转轴分别轴向水平地固定在主轴箱上，主轴箱通过左 回转轴和右回转轴分别绕左右轴套同步转动。轴套固定在B轴支架上。作为A轴；组成该直οA、B轴摆头结构附加装置总体设计布局为绕X轴线摆动士30°作为A轴，绕Y轴 线摆动士 30°作为B轴，A、B轴均有圆光栅闭环控制、均采用蜗杆副传动，降速比大，使输出 轴获得大扭矩，传动平稳，振动和噪声小，能阻滞扭转振动，反向有自锁保护功能。A、B轴摆 角扭距可达到7000Nm，快速移动速度500° /min。本装置A轴和B轴与X、Y、Z三个直线轴 实现联动就可加工出复杂的空间曲面，具有结构紧凑，具备高精度、高刚性、大扭矩等特点，4适用于大扭矩，重切削的五轴加工机床，尤其适合应用于钛合金航空结构件加工的立式五 轴加工中心和龙门五轴加工中心机床上。
附图1是A、B轴摆头结构装置示意图；附图2是A、B轴摆头结构装置安装在立式数控机床上；图3是A、B轴摆头结构装置安装在龙门数控机床上的应用；图4.1是B轴结构装配图；图4. 2是B轴结构与B轴支架结合的示意图；图4. 3是B轴支架与B轴摆动结构之间的示意图；图5. 1是A轴结构装配示意图；图5. 2是A轴结构传动示意图；图6是AB轴电气控制关系示意图；图7是CNC控制系统对本装置A/B轴控制原理框图。
具体实施方式
A、B轴摆头结构附加装置，见图1，包括A轴结构、B轴结构、主轴箱和滑板，安装在 三轴的数控机床上，可用于安装在立式数控机床或龙门数控机床上，实现立式五轴加工中 心或龙门五轴加工中心机床，其特征在于B轴结构固定在滑板3的上侧，B轴大齿圈25与B 轴支架2固定，摆动轴34通过螺钉固定在滑板3上。B轴支架2绕摆动轴34旋转，作为B 轴。A轴结构固定在B轴支架子的右侧，A轴大齿圈45与主轴箱1固定，主轴箱1固定在B 轴支架2的两臂之间，左回转轴50和右回转轴52分别轴向水平地固定在主轴箱1上。主 轴箱1、左回转轴50和右回转轴52通过两端圆锥滚子轴承绕左、右两端的轴套53同步转 动，作为A轴。组成该装置。图2的所示为A、B轴摆头结构4安装在立式数控机床上，滑板 3安装在立式数控机床6的正面平行竖立的两导轨上。本附加装置的另一种应用形式见图 3所示，改变滑板5与龙门横梁导轨面的连接方式，在第三座标轴上，A、B轴摆头结构4就可 安装在龙门数控机床7的龙门横梁上。本装置中的B轴结构的传动机构如图4. 1-4. 3所示该结构中伺服电机8固定在 带轮箱一侧，电机轴通过胀紧环与带轮箱内的小带轮9相联，小带轮9靠齿形带11与大带 轮13联接，大带轮13固定在带轮轴14上。带轮轴14靠两个向心球轴承12支承。蜗杆轴 16靠一个向心球轴承12和一个双列圆锥滚子轴承15支承，带轮轴14上右端一个向心球轴 承12内环由带轮轴14上的轴肩靠紧，左端锁紧螺母10锁紧。蜗杆轴16上的向心球轴承 12内环左侧靠蜗杆轴16的轴肩靠紧，右端靠端盖20压紧。蜗杆轴16与带轮轴14通过胀 紧套23连为一起，上述部件都安装在减速箱21中，构成B轴传动装置。减速箱21通过螺 钉固定在滑板连接体3上。图4. 1的B轴结构中蜗杆19通过平键22与蜗杆轴16联接在一起，蜗杆轴16本 身带一个蜗杆，蜗杆19和它并列组装在一起。有两个相同的蜗轮轴27，平行组装。每个蜗 轮轴27上固定有一个小齿轮沈，其中一个蜗轮轴27上还固定一个蜗轮17，见图4. 2 ；同理 另一个蜗轮轴27上也固定一个蜗轮18。两个蜗杆之间中心距大于蜗轮17和蜗轮18半径之和。蜗杆轴16和蜗轮轴27呈90°交角。在图4. 3，两个小齿轮沈同时与B轴齿圈25 啮合，啮合间隙靠减速箱21下面的调整垫M调整。B轴齿圈25通过螺钉四固定在B轴支 架2上。图4. 3中摆动轴34前端加调整垫33通过螺钉固定在滑板3上。摆动轴34靠两 个圆锥滚动轴承41支承，摆动轴34外周两个圆锥滚动轴承41之间内环由内隔套32固定 由锁紧螺母42轴向锁紧。摆动轴34轴心内有小轴38，前端通过两个向心推力球轴承37支 承，由螺母35轴向锁紧。圆光栅36安装在小轴38前端。后端通过销子44和端盖43连在 一起，端盖43通过螺钉固定在轴承套31上，轴承套31通过螺钉40固定在B轴支架2上。 B轴摆到极限位置由行程开关30控制。装配传动机构伺服电机8带动小带轮9旋转，通过齿形带11与大带轮13啮合， 靠平键22将动力传递到带轮轴14上，带轮轴14与蜗杆轴16通过胀紧套23连接在一起， 作同步运动。蜗杆19通过平键22与蜗杆轴16联接在一起，蜗杆轴16在右端向心球轴承 12和圆锥滚子轴承15的支撑下，蜗杆轴16上的两个蜗杆分别同蜗轮17和蜗轮18啮合，传 递扭矩和动力。蜗杆19与蜗轮18的啮合位置调整靠蜗杆轴16上的调整套25调整。调好 后蜗杆19相邻锁紧螺母10锁紧。蜗杆轴16和两个蜗轮轴27呈90°交角。每个蜗轮轴 27上都固定一个小齿轮26，随着两个蜗轮轴27运动，两个小齿轮沈同时和B轴齿圈25啮 合，B轴齿圈25固定在B轴支架2上，摆动轴34前端通过螺钉固定在滑板3上，摆动轴34 靠两个圆锥滚子轴承41支撑。B轴支架2与小轴38同心绕摆动轴34转动，轴承套31通过 螺钉40固定在B轴支架2上，随着B轴齿圈25转动带动B轴支架2以摆动轴34为回转中 心运动，实现B轴摆动。最大摆角为士 30°。见图5. 1，A轴结构装配图，主轴箱1轴向垂直地安装在B轴支架2两臂之间，主轴 箱1中心位置调整靠调整垫49。支架46安装在B轴支架2上，A轴齿圈45通过螺钉固定 在主轴箱1的一侧，靠近A轴减速箱70。左回转轴50和右回转轴52分别轴向水平地固定 在主轴箱1上，左回转轴50和右回转轴52分别由圆锥滚子轴承48支承，圆锥滚子轴承48 镶嵌在轴套53上，轴套53通过螺钉固定在B轴支架2上，主轴箱1通过左回转轴50和右 回转轴52分别绕左右轴套53转动，回转作为A轴，其回转中心线与B轴摆动的回转轴中心 线垂直。A轴上的圆光栅M安装在右回转轴52的外侧端面上。见图5. 2可以看到A轴减 速箱70中有两个蜗轮轴56，每个蜗轮轴56上都装有一个小齿轮55，见图5. 1，它们同时同 A轴齿圈45啮合，啮合间隙靠减速箱70下面的调整垫71调整。图5. 1右上方的其它部件 见图5. 2。A轴传动机构见图5. 2，A轴减速箱70通过螺钉固定在支架46上，其特征为A轴 减速箱70中伺服电机66输出轴由胀紧环62连接小带轮61、小带轮61靠齿形带60与大 带轮59联接，大带轮59通过平键58固定在蜗杆轴65上。蜗杆轴65两端靠两个向心球轴 承57支承，靠近蜗杆部由双列圆锥滚子轴承64支承，并由锁紧螺母63固定，蜗杆轴65上 有两个蜗杆，分别与左蜗轮67、右蜗轮68啮合。蜗杆轴65上的两个蜗杆同蜗杆轴65制为一体，两个蜗杆之间中心距大于左蜗轮 67和右蜗轮68半径之和。左蜗轮67的轮径内有腰形孔、右蜗轮68的轮径内有两个相隔 180°偏心轴69，与蜗轮轴56平行，并且圆心在同一中心线上。蜗杆轴65和两个蜗轮轴56呈90°交角。蜗杆轴65在两个向心球轴承57和双列圆锥滚子轴承64支撑下，克服蜗轮蜗 杆传动中产生的力，传递扭矩和动力。双列圆锥滚子轴承64靠锁紧螺母63压紧内环。两 个蜗轮轴56上分别固定一个小齿轮55，随着蜗轮轴56运动，两个小齿轮55和A轴齿圈45 同时啮合，随着A轴齿圈45转动带动主轴箱1通过左回转轴50和右回转轴52同步以两个 轴套53为回转中心运动，实现A轴摆动。最大摆角为士30°。A轴的传动状态伺服电机66转动，带动小带轮61旋转，通过齿形带60与大带轮 59啮合，靠平键58将动力传递到蜗杆轴65上，为了保证蜗轮蜗杆传动正确啮合，装配在调 整时利用装配技术保证元件的相对位置精度，保证蜗杆轴心线与蜗轮轴心线互相垂直，即 α =90°。为保证中心距准确，靠调整垫71作调整。为保证有适当的啮合侧隙和正确的 接触斑点。先调A轴结构中右蜗轮68与蜗杆轴65上之间的啮合间隙，右蜗轮68上安装两 个偏心轴69，调整偏心轴69与蜗轮轴56在同一中心线上，调好后螺钉锁紧。再调左蜗轮 67与蜗杆轴65上的另一个蜗杆的啮合间隙，左蜗轮67上有腰形孔，用螺钉固定在蜗轮轴 56上，将螺钉松开串动左蜗轮67来消除左蜗轮67与蜗杆轴65上的蜗杆之间的间隙。调好 后把螺钉拧紧，打好锥销定位，消除了蜗轮蜗杆之间的传动间隙。右回转轴52端部安装圆 光栅M形成闭环控制，使A轴回转动态性能好，定位精度高。A轴摆到极限位置由行程开关 控制。A、B轴电气控制部分，如图6所示，A、B轴摆头的运动控制系统由伺服控制单元， 即图6中虚框区域、伺服电机SM+PG、机械传动部件以及圆光栅或光栅尺组成。伺服系统将 运动控制指令加以转换和放大，不仅能控制伺服电机的速度、方向，而且能精确控制机械运 动部件的实际运动位置。伺服控制单元上的接口 -Χ431中的端子09为使能电源，端子663 为脉冲使能信号，端子09和端子663连接后，该坐标轴的脉冲使能有效。伺服控制单元通 过接口 -Χ141与CNC相连，获取CNC的运动控制指令，并将伺服控制单元检测到的速度和位 置测量值反馈至CNC中，接口 -Χ341用于与下一级伺服控制单元的接口 -Χ141相连，形成伺 服驱动总线的串联连接；伺服控制单元通过接口 -Χ151与驱动系统的电源模块相连，获取 驱动数字电路正常工作所需的工作电源，再通过接口 -351将数字电路电源传递至下一级 伺服控制单元；P端子和M端子分别用于连接前一级伺服控制单元的直流母线连接片，通过 直流母线连接片获取电源模块提供的600V直流电压，伺服控制单元再根据CNC指令将直流 电转换成所需频率的交流电输出给伺服电机，控制其正反向运动；伺服控制单元Al端口通 过动力电缆与伺服电机相连，传递电机的运动控制电压信号；伺服电机的编码器PG通过编 码器电缆将电机的转子位置信号传递会伺服控制单元的信号接口 -Χ411 ；圆光栅通过光栅 尺电缆将机械运动部件的实际位置检测信号传回至伺服控制单元的接口 -Χ421，系统在整 体上实现半闭环速度控制+全闭环位置控制的模式。CNC控制系统的位置控制功能是由软件和电器电路硬件两部分共同实现的。如图 7所示，软件负责跟随误差的计算，硬件的A轴、B轴两个驱动模块电路接受进给指令，进行 D/A转换，为速度控制单元提供控制电压，以驱动电机带动坐标轴移动。CNC控制系统在每 一个采样周期读取位置检测单元反馈的位置脉冲数。CNC控制系统实时监控坐标轴的位置值，与参数设定的摆动轴极限位置值相比较， 从而实现CNC的软件限位功能。A、B轴驱动电路设计上采用组合行程开关，用以在半闭环 控制下，以实现坐标轴的回零和未回零状态下的硬件限位的监控功能。组合行程开关由三组动作触点开关构成，其中一组采用常开点连接方式，用于回零功能。另外两组用于正向限 位和负向限位功能。每组开关触点通过电缆与系统的PLC输入模块相连，传递相应的信号 给CNC系统，使之实现坐标轴回零和坐标轴的运动极限监控功能。
权利要求1.一种A、B轴摆头结构附加装置，包括A轴结构、B轴结构、主轴箱和滑板，安装在三轴 的数控机床上，用于五轴加工，A、B轴结构均采用蜗杆副传动，其特征在于B轴结构固定在 滑板⑶的上侧，B轴大齿圈05)与B轴支架⑵固定，B轴支架⑵绕摆动轴(34)旋转 作为B轴；A轴结构固定在B轴支架O)的右侧，主轴箱(1)固定在B轴支架O)的两臂之 间，A轴大齿圈0 与主轴箱固定，左回转轴(50)和右回转轴(5 分别轴向水平地固定 在主轴箱(1)上，主轴箱(1)、左回转轴(50)和右回转轴(5 通过两端圆锥滚子轴承G8) 绕左右两端的轴套(5 同步转动，作为A轴，组成该装置。
2.根据权利要求1所述的A、B轴摆头结构附加装置，其特征在于B轴结构的传动机构 伺服电机(8)固定在带轮箱一侧，电机轴通过胀紧环与带轮箱内的小带轮(9)相联，小带轮(9)靠齿形带(11)与大带轮(1 联接，大带轮(1 固定在带轮轴(14)上，带轮轴(14)靠 两个向心球轴承(1 支承，蜗杆轴(16)靠向心球轴承(1 和双列圆锥滚子轴承(15)支 承，带轮轴(14)上右端向心球轴承(1 内环与带轮轴(14)上的轴肩靠紧、左端锁紧螺母(10)锁紧，蜗杆轴(16)上的向心球轴承(1 内环靠端盖00)压紧；蜗杆轴(16)与带轮 轴(14)通过胀紧套连为一起，上述部件都安装在减速箱中，构成B轴传动装置； 减速箱通过螺钉固定在滑板连接体C3)上。
3.根据权利要求1所述的A、B轴摆头结构附加装置，其特征在于B轴结构蜗杆(19) 通过平键0 与蜗杆轴(16)联接在一起，蜗杆轴(16)本身带一个蜗杆，蜗杆(19)和它 并列组装在一起，两个蜗杆之间中心距大于蜗轮(17)和蜗轮(18)半径之和、蜗杆轴(16) 和蜗轮轴07)呈90°交角；有两个相同的蜗轮轴(27)，平行组装，蜗轮轴07)上均有小 齿轮(26)，其中一个蜗轮轴(XT)上固定一个蜗轮(17)、另一个蜗轮轴(XT)上固定一个蜗 轮(18)，两个蜗轮轴(XT)上的小齿轮06)同时与B轴齿圈05)啮合，啮合间隙靠减速箱 (21)下面的调整垫04)调整，B轴齿圈05)通过螺钉09)固定在B轴支架(2)上。
4.根据权利要求1所述的A、B轴摆头结构附加装置，其特征在于B轴结构的摆动轴 (34)靠两个圆锥滚动轴承Gl)支承，摆动轴(34)外周两个圆锥滚动轴承Gl)之间内环由 内隔套(3 固定由锁紧螺母0 轴向锁紧，摆动轴(34)轴心内有小轴(38)，前端通过两 个向心推力球轴承(37)支承，由螺母(3 轴向锁紧；圆光栅(36)安装在小轴(38)前端， 后端通过销子08)和端盖连在一起，端盖通过螺钉固定在轴承套(31)上，轴承 套(31)通过螺钉00)固定在B轴支架(2)上，B轴摆到极限位置由行程开关(30)控制。
5.根据权利要求1所述的A、B轴摆头结构附加装置，其特征在于A轴结构主轴箱(1) 轴向垂直地安装在B轴支架(2)两臂之间，支架G6)安装在B轴支架(2)上，A轴齿圈05) 通过螺钉固定在主轴箱(1)的一侧，靠近A轴减速箱(70)；左回转轴(50)和右回转轴(52) 分别轴向水平地固定在主轴箱(1)上，左回转轴(50)和右回转轴(5 分别由圆锥滚子轴 (48)支承，圆锥滚子轴承G8)镶嵌在轴套(5 上，轴套(5 通过螺钉固定在B轴支架(2) 上，主轴箱(1)通过左回转轴(50)和右回转轴(5 分别绕左右轴套(5 转动，回转作为 A轴，其回转中心线与B轴摆动的回转轴中心线垂直。
6.根据权利要求1所述的A、B轴摆头结构附加装置，其特征在于A轴传动机构A轴减 速箱(70)通过螺钉固定在支架G6)上，A轴减速箱(70)中伺服电机(66)输出轴由胀紧环 (62)连接小带轮(61)、小带轮(61)靠齿形带(60)与大带轮(59)联接，大带轮(59)通过 平键58固定在蜗杆轴(6 上，蜗杆轴(6 两端靠两个向心球轴承(57)支承，靠近蜗杆部由双列圆锥滚子轴承(64)支承，并由锁紧螺母(6 固定，蜗杆轴(6 上有两个蜗杆，分别 与左蜗轮67、右蜗轮(68)啮合，调整垫(71)调整小齿轮(55)和A轴齿圈(45)啮合间隙。
7.根据权利要求1所述的A、B轴摆头结构附加装置，其特征在于A轴结构蜗杆轴 (65)上的两个蜗杆同蜗杆轴(6 制为一体，两个蜗杆之间中心距大于左蜗轮(67)和右蜗 轮(68)半径之和、左蜗轮(67)的轮径内有腰形孔、右蜗轮68)的轮径内有两个相隔180° 偏心轴(69)，与蜗轮轴(56)平行，并且圆心在同一中心线上，蜗杆轴(65)和两个蜗轮轴 (56)呈90°交角；蜗杆轴(6 在两个向心球轴承(57)和双列圆锥滚子轴承(64)支撑下， 克服蜗轮蜗杆传动中产生的力，传递扭矩和动力，双列圆锥滚子轴承(64)靠锁紧螺母(63) 压紧内环，两个蜗轮轴(56)上分别固定一个小齿轮(55)，随着蜗轮轴(56)运动，两个小齿 轮(5 和A轴齿圈0 同时啮合，随着A轴齿圈0 转动带动主轴箱1通过左回转轴 (50)和右回转轴(5 同步以两个轴套(5 为回转中心运动，实现A轴摆动，最大摆角为 士30°。
专利摘要一种A、B轴摆头结构附加装置，A、B轴结构均采用蜗杆副传动、均有圆光栅闭环控制，其特征在于B轴结构固定在滑板的上侧，B轴大齿圈与B轴支架固定，B轴支架绕摆动轴绕Y轴线摆动±30°旋转作为B轴；主轴箱固定在B轴支架的两臂之间，A轴大齿圈与主轴箱固定，左、右回转轴分别轴向水平地固定在主轴箱上，主轴箱通过左、右回转轴分别绕左、右轴套同步转动，绕X轴线摆动±30°作为A轴；组成该装置。A、B轴摆角扭距可达到7000Nm，快速移动速度500°/min，具有结构紧凑、振动和噪声小，高刚性、大扭矩等特点，适用于大扭矩，重切削的五轴加工机床，尤其适合应用于钛合金航空结构件加工的立式五轴加工中心和龙门五轴加工中心机床上。
文档编号B23Q5/04GK201824203SQ201020555080
公开日2011年5月11日 申请日期2010年9月29日 优先权日2010年9月29日
发明者严昊明, 刘宗际, 刘峰, 吴淑琴, 孙中权, 孟宪君, 尹晓霞, 巴林, 杨丽敏, 贺鑫元, 赵国涛, 金晓红, 马德鹏, 高长才 申请人:中捷机床有限公司