一种数控加工中心Z轴配重平衡装置的制作方法

该发明涉及数控加工中心主轴技术领域，具体地说是一种数控加工中心Z轴配重平衡装置。

背景技术：

目前市面上的数控立式加工中心，Z轴配重均采用加装配重块来达到平衡机器头部重量，减少Z轴马达负载，从而减小Z轴马达功率。但此种设计方式存在随着主轴马达功率大小的改变配重块重量无法随时更改、Z轴快速移动时配重块产生的晃动会严重影响机器的加工效果、配置链条使用一段时间后会伸长等弊端。

例如中国专利CN 202114525 U中公开了一种加工中心的配重平衡装置，其主要结构包括氮气罐(1)、气管(2)和平衡气缸(3)；所述气管(2)连通氮气罐(1)的出气口和平衡气缸(3)的下部缸体；所述平衡气缸(3)竖直设置，活塞杆(31)伸出下部缸体并与主轴(5)固定。以及所述氮气罐(1)通过氮气罐支架(11)固定在加工中心立柱(4)的侧面；所述平衡气缸(3)通过气缸支架(31)固定在加工中心立柱(4)的顶部，以及控制氮气罐(1)的出气口开闭的控制机构。

上述结构从某种程度上实现了配重平衡，但是效果依然不够理想，主要表现为：1、平衡气缸内的气体虽然采用了氮气以尽量减小其被压缩的能力，但是从整体上看，气缸依然是一个弹性原件，存在回弹的问题，无法达到较高的工件加工精度和光泽度；2、无法实现微调，尤其是在主轴到位后的微进给方面还有所欠缺；3、自锁性能差，主轴到位后，由于气缸本身具有被压缩性能，主要依靠驱动丝杠和立柱之间的配合进行锁紧，锁紧点比较单一，难以满足使用精度要求。4、气动系统不可避免的出现漏气问题，造成加工误差出现漂移现象，造成同一批次的工件出现误差不一致的情况。5、所有的主轴模块的自重都加载在平衡气缸上，气缸受力大，进一步地造成了泄气、漏气现象，通常一周需要向氮气罐内补气一次，不是免维护运行。

本发明及本申请人自以下方面进行改进，改进型设计需消除以下弊端：1、Z轴向下移动时，可以平衡配重，做到快速配合主轴移动。2、具备锁紧所能，可以实现气缸缸体的锁紧，实现立柱和机器头部的多点锁紧。3、具备微进给功能，在主轴到位后，气缸不再进行充放气动作，而是以微进给的方式进行运动，从根源上消除配重块产生的震动源，保证工件表面的加工精度及光泽度。4、无论主轴马达重量如何改变，都能保证Z轴马达的负载率变化量在1％以内，不出现机器头部重量严重超过配重块的现象。5、氮气在使用过程中，存在泄漏的问题，造成气缸的压力降低，造成加工误差出现漂移现象。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种一种数控加工中心Z轴配重平衡装置，用于解决上述出现个问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种数控加工中心Z轴配重平衡装置，包括立柱和主轴模块，其特征在于，还包括液压油平衡罐、平衡油缸、主轴模块、配重模块和电磁阀，

所述液压油平衡罐通过罐体支架固定在加工中心立柱上，在液压系统的液压油平衡罐上安装有压力表及压力传感器；

竖直设置的所述平衡油缸的活塞杆通过油缸支架固定在加工中心立柱的顶部，所述平衡油缸的缸体穿过主轴座并伸出至主轴，所述液压油平衡罐与和平衡油缸下部缸体上的进出油口之间通过油管和电磁阀连接；

所述平衡油缸的缸体上固定设置液压缓冲与限位结构，所述液压缓冲与限位结构包括壳体和滑块，其中，所述壳体通过楔形环固定在平衡油缸的缸体外表面，在壳体的端面上设置有至少三个滑块，在所述壳体中具有一个环形的油道，并配合充油阀将油道内充满液压油，所述滑块镶嵌在壳体端面上形成多个弹性的缓冲点；

所述主轴模块包括主轴座、主轴和丝杠驱动电机，其中主轴通过轴承组件安装在主轴座的主轴安装孔中，所述主轴座通过竖向设置的直线滑轨安装在立柱上，且在主轴座和立柱之间设置有丝杠驱动机构以及齿轮齿条锁紧机构；

在平衡油缸缸体的主侧面上设置有啮合齿，在主轴座内设置有与啮合齿进行配对的齿轮，所述齿轮直接与一个微型步进电机以及一个编码器连接连接；

所述配重模块包括液压缸组、顶板、配重板和配重圆盘，所述液压油平衡罐通过管道连接一组液压缸组，其中液压缸组由多个配重液压缸组成，每一个配重液压缸上部活塞杆固定在一个顶板上，水平状态的所述顶板固定在立柱上，在配重液压缸的下部缸体上固定一个配重板，在配重板的下部中央位置设置有一个向下延伸的螺纹柱，在螺纹柱上套装配重圆盘，并使用紧固件固定，所述液压缸组与平衡油缸直接连通。

进一步地，所述液压缸组中安装有六个配重液压缸，且每一个液压缸的内腔有效面积为平衡油缸内腔有效面积的两倍。

进一步地，所述滑块沿着壳体周向均匀布置。

进一步地，所述立柱为铸铁件。

进一步地，所述主轴座为铸铁件。

进一步地，所述楔形环为合金铜制件。

本发明的有益效果是：

1、Z轴在做上下运动时，消除了传统配重块配重会产生的震动问题，机器在下刀时再也没有出现过冲而产生的刀痕。

2、由于很好的控制了机器头部跟配重块重量的比例，配重块减轻重量为原来的数十分之一，在三轴联动做曲面切削加工的时候，工具的光洁度提高了20％-30％左右。

3、Z轴快速移动的速度由20m/min提高到48m/min。

4、消除了气动配重模块带来的弹性震动问题。

5、液压系统的可压缩性低，且不存气动平衡系统里面存在的漏气现象，可以实现免维护运行。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为图1中A--A剖视图。

图3为图1中B--B剖视图。

图4为主轴模块局部的装配图。

图5为液压系统的原理图。

图6为液压缓冲与限位结构的结构图。

图中：1液压油平衡罐，11压力表及压力传感器，12罐体支架，2平衡油缸，21油缸支架，22电磁阀，23啮合齿，24齿轮，3主轴模块，31主轴座，32主轴安装孔，33直线滑轨，34丝杠驱动机构，341丝杠驱动电机，35齿轮齿条锁紧机构，4配重模块，41顶板，42配重板，43螺纹柱，44配重圆盘，45液压缸组，5立柱，6液压缓冲与限位结构，61壳体，62油道，63滑块，64楔形环。

具体实施方式

如图1至图5所示，

见图1，本实施例的加工中心的配重平衡装置，包括液压油平衡罐1、油管、平衡油缸2、主轴模块3、配重模块4和控制液压油平衡罐的进液、出液开闭的控制机构。

控制机构为电磁阀22，安装在液压油平衡罐1和平衡油缸2之间的管路上，靠近平衡油缸2，可以有效避免电磁阀起闭阶段平衡油缸的震荡。

通过液压控制回路进行有效的控制，闭环控制，在液压系统的液压油平衡罐1上安装有压力表及压力传感器11，实时控制并显示压力，压力的大小与主轴总成的自重有关，当主轴座的自重越大时，压力调节越大，使得主轴总成驱动马达的负载率变化量在1％以内。

与气缸相比，液压油缸的震荡较小，可以忽略不计。

采用液压油路的另一个好处是，其压缩比很小，在主轴总成快速移动过程，尤其是启停阶段，不会造成震荡，进一步地提高了启停阶段的震荡。

液压油平衡罐1通过罐体支架12固定在加工中心立柱5的侧面，节省空间，立柱为铸铁件。油管连通液压油平衡罐1的出液口和平衡油缸2下部缸体上的进出油口；平衡油缸2竖直设置，平衡油缸2的活塞通过油缸支架21固定在加工中心立柱5的顶部，平衡油缸2的缸体穿过主轴座，并伸出至主轴，处于自由状态。

本平衡油缸2的缸体并非标准油缸，在缸体的设置液压缓冲与限位结构6，液压缓冲与限位结构6参考图4和图6，采用液压结构，在缸体外表面固定一个圆环状的壳体61，壳体中具有一个环形的油道62，并配合充油阀将油道内充满液压油，实现弹性缓冲，在壳体61的端面上设置有至少三个滑块63，沿着周向均匀布置，滑块63镶嵌在壳体端面上形成多个弹性的缓冲点，形成液压缓冲与限位结构。

壳体61与平衡油缸接触的部位为楔形结构，通过一个圆环状的楔形环64镶嵌在平衡油缸2上，形成一种固定方式，具有止退效果。

上述的楔形环64为合金铜制件。

主轴模块3包括主轴座31、主轴和丝杠驱动电机341，其中主轴通过轴承组件安装在主轴座的主轴安装孔32中，主轴座31通过竖向设置的直线滑轨33安装在立柱上，且在主轴座31和立柱5之间设置有丝杠驱动机构34以及齿轮齿条锁紧机构35，其中，丝杠驱动机构34通过电机驱动主轴座上下快速移动，齿轮齿条机构35用于主轴座的锁紧，实现主轴的定位与固定。

齿轮齿条机构35中的齿轮直接由一组伺服电机驱动，伺服电机本身具有自锁功能。

通常状态下，上述的齿轮齿条处于自由状态。

在平衡油缸2缸体的主侧面上设置有啮合齿23，形成齿条，在主轴座内设置有齿轮24，齿轮24直接与一个微型步进电机以及一个编码器连接连接，形成直接驱动，并实现数控功能。

上述的微型步进电机受控制中控系统，在平衡油缸2完成快速进给后，通过微型步进电机实现进给。进给动作配合主轴模块的丝杠驱动电机进行，实现多点驱动，多点支撑，改变了原有的单点支撑的技术缺陷，避免主轴驱动电机单点驱动带来的受力不均、震动问题，提高表面精加工精度。

配重模块包括液压缸组、顶板、配重板、和配重圆盘，上述液压油平衡罐1通过管道连接一组液压缸组45，其中液压缸组有多个配重液压缸，每一个配重液压缸上部活塞杆固定在一个顶板41上，顶板41固定在立柱上，顶板41水平设置，在配重液压缸的下部缸体上固定一个配重板42，在配重板42的下部中央位置设置有一个向下延伸的螺纹柱43，在螺纹柱上套装配重圆盘44，并使用紧固件固定，参考图5。

液压缸组45中安装有6个配重液压缸，切每一个液压缸的内腔有效面积为平衡油缸内腔有效面积的2倍，根据

压强公式：

其中P——压强(Pa)；F——压力(N)；S——受力面积(m²)；

液压公式：

F₁——作用在小活塞上的力(N)；S₁——小活塞的横截面积(m²)；

F₂——作用在大活塞上的力(N)；S₂——大活塞的横截面积(m²)；

由以上公式可以得出，本发明中配重的重量只需为主轴模块3重量的十二分之一，配重液压缸的行程为单个平衡油缸行程的十二分之一。这样可以降低配重的质量以及配重液压缸的行程，提高结构紧凑性，以及降低液压平衡回路的设计难度。

同时，将配重模块4安装在立柱的背面(与立柱相对的一面)，优化了立柱的受力模型。

工作时，当位于立柱上的丝杠驱动电机341正转通过带动丝杠机构带动主轴座在竖直方向上直线运动时，控制机构控制打开液压油平衡罐1的出气油口电磁阀，液压油经过油管进入平衡油缸2的下部缸体，使得平衡油缸2的活塞杆向上移动，从而带动主轴模块快速上移或者下移，在移动过程中，液压缸组75中的液压缸进行随动，液压油路中始终保持在设定的压力，以平衡的方式吊装主轴总成，使得主轴总成与立柱之间不存在倾覆力矩，帮助主轴模块的丝杠驱动电机341克服主轴的重力影响，减少丝杠驱动电机341提升主轴总成所需的动力输出。

当主轴模块接近代加工工件时，平衡油路中的电磁阀关闭，平衡油缸被锁紧，此时，驱动平衡油缸2缸体的微型步进电机动作，该微型步进电机配合丝杠驱动电机同步动作，控制主轴模块继续上移，实现二级微调。

整个过程中，都是由丝杠机构中的编码器来控制主轴模块的计量的。

反之，当丝杠驱动电机341反转，带动主轴总成在竖直方向下移动时，平衡液压缸起阻尼作用，减少因主轴模块下移时可能出现的快速下滑问题。这样就避免了传统的配重块带来的冲击大、噪音大等缺陷，提高了机床的稳定性和机械加工精度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。