一种高精度三龙门五轴联动数控铣床的X轴传动结构的制作方法

本实用新型涉及铣床领域，具体为一种高精度三龙门五轴联动数控铣床的X轴传动结构。

背景技术：

数控机床是制造装备业的工作母机，是实现先进技术和装备现代化的基石，是保证高新技术创业发展和国防军工现代化的战略装备。装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。机床是一个国家制造业水平的象征，而代表机床制造业最高境界的便是五轴联动数控机床系统。从某种意义上说，它反映了一个国家的工业发展水平状况。

随着制造业的发展，五轴联动数控机床被认为是航空航天、船舶、精密仪器、发电等加工行业关键部件的最重要的加工工具。作为难度大、应用范围广的数控机床技术，五轴联动数控机床在加工方面有着不可替代的优点：

1、能加工一般三轴联动机床不能加工复杂光滑的自由曲面结构。

2、提高自由空间曲面的加工精度和加工效率。

3、符合机床发展的趋势要求。

因此，五轴联动数控机床的重要作用使其成为当今机床发展的热点和重点。

随着“中国制造”的发展，大型铣床机加设备却仍处于“单机工作”状态。五轴联动数控机床一直受到西方发达国家的限制，价格昂贵，维护费用高，一旦出现碰撞，付出代价大。国内厂商大部分只生产中小型五轴机床，大型五轴联动机床较少，且控制方式很少做到真正的五轴联动，加工工件受限明显，对大型工件加工精度差、效率低，安全防撞系数低。这些因素严重制约我国五轴联动机床技术的发展。

为了提高大型零件加工效率，适应“整体加工”的需求，以及大型工件的加工精度，并且突出“小生产线”的性质，我公司研发出三龙门五轴的新结构，以应对中小批量的高效率、高精度的铣床加工。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供了一种高精度三龙门五轴联动数控铣床的X轴传动结构，本实用新型的三龙门为“全闭环”的五轴联动数控模式，联动轴全部集中于龙门结构上，作业时工作台不移动，三架龙门可同时完成一个大工件，也可以分别完成大小不一的零件，作业方式多样，同时设备安全系数高，结构稳定性突出，真正做到高效率、高精度的铣床加工。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种高精度三龙门五轴联动数控铣床的X轴传动结构，包括基座、安装于其上的龙门及用于驱动控制龙门的数控系统，

所述基座包括平行设置的两组床身，构成五轴联动的X轴；

所述床身上方安装有呈组合动梁式结构的三架龙门，所述龙门下方设置有工作台，每架龙门均配置有独立的数控系统，且各龙门相同位置等高点一致，所述龙门包括与床身传动连接的立柱、安装于立柱上的横梁、与横梁传动连接的滑枕及与滑枕传动连接的主轴，所述主轴下方安装有铣头，所述横梁构成五轴联动的Y轴，所述滑枕构成五轴联动的Z轴；

其中所述床身上方设置有齿条，所述床身与立柱之间设置有拖板，拖板与立柱固定连接，所述拖板连接有齿轮箱，该齿轮箱内安装有电机及减速器，所述齿轮箱通过双齿轮与齿条齿合传动连接，并带动所述拖板于床身上平稳滑动。

作为上述技术方案的改进，所述双齿轮为消隙齿轮，所述齿条采用5级精度、模数6的斜齿传动齿条。

作为上述技术方案的改进，所述拖板底部安装有消隙齿轮，其与所述齿条齿合连接。

本实用新型带来的有益效果有：

1、本实用新型的三龙门五轴联动数控铣床，三架龙门在机械结构上，相同的位置等高点一致，具体包括：轴心、平行度、垂直度、直线度等，且机械原点与电气零点(参考点)也是一致的。因为保证了上述“等高”，满足了操作者只要控制好刀长、刀径及工作原点的选择，即可完成三龙门联动加工一个大型工件的目的。

2、本实用新型每个龙门共含有5个轴(X1、X2、Y、Z、C、B1、B2)，实现五轴数控联动，三架龙门可同时工作，亦可以单独工作，随意性很强。因为每个龙门架配备了各自完整的西门子独立数控系统，三个龙门架可同时完成一个大工件，也可以分别完成大小不一的零件，各龙门可以用一个程序，选择不同的加工段，也可以分别输入不同程序，加工不同的工件。如果采取“再线加工”(DNC加工)，本机床可由一台总计算机完成三个龙门的自由运行。

3、本实用新型在X轴上设置有各个龙门的限位区域，各自龙门在限位区域内自由运行，要想超出区域工作，必须取消固定区域限制，由数控系统设定各龙门的活动范围及路径，控制各龙门的可位移范围。为了防止各个意外操作现象，例如：出现两个龙门或三个龙门去抢同一个加工点而造成相撞，本机床设计有双重防碰撞保险结构。

4、本数控铣床为每架龙门配置了全能和升级版的西门子数控系统，其中伺服电机选用的是可超过额定功率三倍的高功率伺服电机，使得本产品保险系数大增。空间位置的“误差补偿”软件是西门子公司第一次在国内安装使用，对于空间位置误差，要求严格的异型曲面零件，本机床提供了最新型的可靠保证。

5、本数控铣床的X轴最长，也是设备关键件，它的变化直接影响铣床加工精度。在基座/床身的结构上，本申请采取了“三箱体式”的箱形结构，允许X轴长度上的变化，不允许其它方向的变化；箱形结构斜拉筋的配备，同时加大筋的厚度，使基座实际应用温差在10℃内，即使外部温度产生变化，X轴变化接近于零。

6、本实用新型可有效提高大型零件加工的效率，满足“整体加工”的需求，以及大型工件的加工精度，并且突出“小生产线”的性质，可充分应对中小批量的高效率、高精度铣加工。

附图说明

参照附图，本实用新型的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本实用新型的技术方案，而并非意在对本实用新型的保护范围构成限制，其中：

附图1是本实用新型三龙门五轴联动数控铣床的结构立体图；

附图2是本实用新型三龙门五轴联动数控铣床的结构左视图；

附图3是本实用新型三龙门五轴联动数控铣床的结构右视图；

附图4是本实用新型三龙门五轴联动数控铣床的结构俯视图；

附图5是本实用新型的床身(X轴)与工作台结构示意图；

附图6是本实用新型的床身结构侧视图；

附图7是本实用新型的作业平台结构示意图；

附图8是本实用新型的龙门安装结构侧视图；

附图9是本实用新型的龙门安装结构前视图；

附图10是本实用新型的龙门安装结构立体图；

附图11是本实用新型的立柱结构示意图；

附图12是本实用新型的YZ轴安装结构立体图；

附图13是本实用新型的YZ轴安装结构侧视图；

附图14是本实用新型的YZ轴安装结构前视图；

附图15是本实用新型的横梁结构示意图；

附图16是本实用新型的横梁结构侧视图；

附图17是本实用新型的滑枕结构示意图；

附图18是本实用新型的主轴结构示意图；

附图19是本实用新型的铣头结构示意图；

附图20是本实用新型的齿轮传动结构局部示意图；

附图21是本实用新型的齿轮箱结构示意图；

附图22是本实用新型的排屑篦子结构示意图；

附图23是本实用新型的排屑箱结构示意图；

图中：

基座1，床身10，龙门2，拖板20，立柱21，横梁22，滑枕23，主轴24，线轨220，丝杠221，轴承222，连接器223，丝母231，滑块232，数控平台柜31，线槽架32，工作台4，作业平台41。

具体实施方式

实施例1

本实施例为一种高精度三龙门五轴联动数控铣床。

参照附图1～4，本数控铣床包括基座1、安装于基座1上方的三架龙门2及用于驱动控制龙门2的数控系统。数控系统安装于铣床一侧的数控平台柜31内，数控平台柜31的上方设置有线槽架32，电气线路及冷却水路安装于其上，通过其连接至龙门结构，使布线整洁、安全。本实施例的每个龙门2都配备有各自完整的西门子独立数控系统，三个龙门2可同时完成一个大工件，也可以分别完成大小不一的零件；各龙门2可以用一个程序，选择不同的加工段，也可以分别输入不同程序，加工不同的工件。

铣床前端设置有用于排屑的排屑箱，搭配工作台4两侧的排屑篦子对清洗出的碎屑进行收集，避免污染工作台4环境。铣床末端一侧设置有侧梯，各龙门结构上设置有爬梯、护栏与踏板，便于设备维护与配电柜操作。铣床龙门2顶部安装有配电柜、水冷机。

参照附图5～6，基座1由平行设置的两组床身10组成，构成五轴联动的X轴，对应于两组床身10分别形成X1轴和X2轴。X1轴和X2轴之间为工作台4，X轴为双驱动结构，其通过齿轮传动结构与上方的龙门2连接。

具体的，床身10与立柱21之间设置有拖板20，拖板20与上方立柱21固定连接，立柱21与横梁22之间固定有加高块，拖板20由齿轮箱带动，该齿轮箱内安装有电机及减速器，齿轮箱通过齿轮与下方床身10的齿条齿合并传动连接。

参照附图7，工作台4由每块宽2.2m，长4m，共8块的作业平台41组成，工作台4全长24米，两端各延长1m，总计26m。

参照附图8～11，龙门结构安装于床身10上方，为组合动梁式结构，龙门2配置有独立的西门子数控系统，且各龙门2相同位置等高点一致。所谓等高点一致，是指各龙门2的轴心、平行度、垂直度、直线度等，且机械原点与电气零点(参考点)是一致的。

龙门2包括立柱21、安装于立柱21上的横梁22、与横梁22传动连接的滑枕23及与滑枕23传动连接的主轴24，其中横梁22构成五轴联动的Y轴，滑枕23构成五轴联动的Z轴。

参照附图12～17，横梁22前端设置有上、下两条线轨220，两条线轨220在横梁22上前后错落配置，以使承载力分散，具体指两条线轨220位于不同的竖直面，其中上方的线轨220位于后侧，下方的线轨220位于前侧。横梁22与滑枕23之间通过丝杠221传动结构连接：上、下两条线轨220之间设置有丝杠221，丝杠221左端设置有轴承222与其转动连接，右端设置有电机、减速器及连接器223，滑枕23上安装有与丝杠221滑动配合的丝母231，同时滑枕23通过上、下各三个滑块232与上、下两条线轨220滑动配合。

参照附图18～19，主轴24与滑枕23传动连接，其下方安装有铣头，本实施例中，铣头选用CYTEC品牌双摆动铣头，其旋转轴包括B轴、C轴，其中B轴为双驱动结构，包括B1、B2轴，其旋转角度为±110°，C轴与主轴24转动连接，其旋转角度为±360°。之所以选用该品牌，是基于该产品配置有B、C轴液压锁紧装置，有液压的“松刀、卡刀”功能、冷却工件和刀具的喷射功能，特别是B轴的定位精度和重复定位精度达到5秒，可适应高精度加工需求。

本实施例中，每个龙门2共含有“5”个轴(X1、X2、Y、Z、C、B1、B2)，实现五轴数控联动。三架龙门2可同时工作，亦可以单独工作，随意性很强。因为每个龙门2配备了各自完整的西门子独立数控系统，三个龙门2可同时完成一个大工件，也可以分别完成大小不一的零件，各龙门2可以用一个程序，选择不同的加工段，也可以分别输入不同程序，加工不同的工件。如果采取“再线加工”(DNC加工)，本机床可由一台总计算机完成三个龙门2的自由运行。

实施例2

本实施例为一种三龙门五轴联动数控铣床床身10结构。

参照附图5～6、20，床身10包括箱形结构及设置于其上的拖板20，箱形结构为三箱体式结构，其通过铸料与消失模一次浇铸成型，箱体内配置有斜拉筋。箱形结构顶部安装有左、右两组齿条和凹槽，凹槽用于容纳齿轮箱内电机。拖板20通过消隙齿轮与齿条连接，且拖板20连接有齿轮箱，齿轮箱同样安装于箱形结构上，齿轮箱内设置有电机、减速器及消隙齿轮，其通过消隙齿轮与齿条齿合传动连接，并带动拖板20于齿条上平稳滑动。

即，本实施例中所采用的齿轮箱，为双齿轮结构的齿轮箱，齿条采用5级精度、模数6的斜齿传动齿条，齿轮箱内的电机采用西门子伺服电机，其扭矩为36N/M，齿轮变速比为47:1。

同时，床身10上设置有或区分有各个龙门2的限位区域，限位区域为各龙门2在X轴上可位移的范围至其机械原点的距离。各自龙门2在程序设定的限位区域内自由运行，要想超出限位区域工作，必须通过数控系统取消区域限制。

为了防止各个意外操作现象，例如：出现两个龙门2或三个龙门2去抢同一个加工点而造成相撞，本实施例为数控铣床设计了双重防碰撞保险：床身10在限位区域的临界位置处安装有非接触式接近开关，搭配声光报警装置，当拖板20移动至临界位置处时，即可发出警报，此为硬限位结构；由数控系统设定各龙门2的活动范围及路径，控制各龙门2的可位移范围，当X轴出现重复作业区域时，同样可以发出警报，此为软限位结构。

本申请的三架龙门2在机械结构上，相同的位置等高点一致，可以为数控系统的作业控制及限位控制提供结构基础。

本实施例中，作为床身10主体的箱形结构采用“无收缩”的“HT300”型铸料，使用“消失模”一次浇铸而成，并严格控制二次回火的时间，特别是350℃时的回火(350℃以上是变化区，以下是变形区)。为保证精加工过的床身10铸件内各“应力”的消失，每次回火时间必须在300小时内。

床身10受温度变化引起的变形，是大型床身机器的重要不稳定因素。本申请的床身10X轴最长，是本设备的关键件，它的变化直接影响加工精度。

在床身10的结构上，本实施例所采取的“三箱体式”的箱形结构，允许X轴长度上的变化，不允许其它方向的变化；箱形结构斜拉筋的配备，同时加大筋的厚度，使床身10实际应用温差在10℃内，即使外部温度(气候、车间温度等)产生变化，X轴变化接近于零。

实测值在0.01以内。

实施例3

本实施例为一种三龙门五轴联动数控铣床的Y轴安装结构。

参照附图1，数控铣床包括基座1、安装于其上的龙门2及用于驱动控制龙门2的数控系统，基座1包括平行设置的两组床身10，构成五轴联动的X轴；床身10上方安装有三架龙门2，龙门2下方为工作台4，每架龙门2均配置有独立的数控系统，且各龙门2相同位置等高点一致。

参照附图8～10，龙门2包括与床身10传动连接的立柱21、安装于立柱21上的横梁22、与横梁22传动连接的滑枕23及与滑枕23传动连接的主轴24，主轴24下方安装铣头，其中横梁22构成五轴联动的Y轴，滑枕23构成五轴联动的Z轴。

参照附图15～16，横梁22前端设置有上、下两条线轨220，两条线轨220在横梁22上前后错落配置，以使承载力分散，具体指两条线轨220位于不同的竖直面，其中上方的线轨220位于后侧，下方的线轨220位于前侧，使两条线轨220呈阶梯状。

参照附图14，横梁22与滑枕23之间通过丝杠221传动结构连接：上、下两条线轨220之间设置有丝杠221，丝杠221左端设置有轴承222与转动连接，右端设置有电机、减速器及连接器223，滑枕23上安装有与丝杠221滑动配合的丝母231，同时滑枕23通过上、下各三个滑块232与上、下两条线轨220滑动配合。

本实施例的Y轴安装结构，其两条线轨220在横梁22上“错落配置”，可以有效使承载力分散，提高本设备结构可靠性和支撑力。

实施例4

本实施例为一种三龙门五轴联动数控铣床的Z轴双气缸支撑结构。

参照附图1，数控铣床包括基座1、安装于其上的龙门2及用于驱动控制龙门2的数控系统，基座1包括平行设置的两组床身10，构成五轴联动的X轴；床身10上方安装有三架龙门2，龙门2下方为工作台4，每架龙门2均配置有独立的数控系统，且各龙门2相同位置等高点一致，龙门2包括与床身10传动连接的立柱21、安装于立柱21上的横梁22、与横梁22传动连接的滑枕23及与滑枕23传动连接的主轴24，主轴24下方安装铣头，其中横梁22构成五轴联动的Y轴，滑枕23构成五轴联动的Z轴。

参照附图8～10，本申请的Z轴的滑枕23重3吨，为了解决Z轴的自重，本实施例在滑枕23两端设置有双气缸支撑结构，具体为双氮气平衡缸结构，该结构设计不仅调正简易，同时节约了液压站等结构。

氮气平衡缸结构包括安装于横梁22一侧的氮气瓶和通过油管与氮气瓶连接的氮气缸，氮气缸内藏式安装于滑枕23两侧的腔室内。氮气瓶由油液部分和带有气密隔离件的氮气胶囊构成，油液部分位于上端，氮气缸通过缸径支撑于上方的立柱21。设备运行中，氮气平衡缸的平衡原理是：当主轴24上升时，氮气瓶中的液压油进入氮气缸，氮气缸上部的压缩空气排出，这时氮气膨胀，将油液持续压入氮气缸，产生一个向上的压力以此平衡主轴24自重；当主轴24下降时，经由氮气瓶分流，进入主轴24两侧氮气缸，以此平衡滑枕23自重的影响。

滑枕23通过导轨座、贴塑导轨与主轴24连接，导轨座固定在滑枕23上方，贴塑导轨在主轴24的顶部处设置有电机、联轴器及行星减速器，构成传动结构使主轴24上下滑动。

实施例5

本实施例为一种三龙门五轴联动数控铣床的工作台。

参照附图5、7，本实施例中，工作台4由每块宽2.2m，长4m，共8块的作业平台41组成，工作台4全长24米，两端各延长1m，总计26m。

工作台4的固定由54个0.5m“地锚器”调水平后将作业平台41固定在地基上，确保工作台4共10T/㎡的载重量不会因各种意外造成位移，保证加工精度。

地基长26m，宽5m，深1.5m，设置有三层￠16的钢筋和300×300间距的横纵向立体钢筋，保证地基上工作台4和设备的稳定。

参照附图1、22、23，工作台4的两侧开设有低于工作台面的碎屑收集槽，碎屑收集槽的上方安装排屑篦子，前端设置有排屑箱。作业过程中，铣头自带的液压喷射装置会将碎屑冲刷至碎屑收集槽内，同时冷却加工工件，碎屑收集槽内安装有螺旋推进器，使得其内碎屑不断前进直至X轴前端，随后碎屑掉落至排屑箱内，完成碎屑的收集。排屑箱包括碎屑输送结构及水箱，碎屑输送结构可采用皮带输送结构，将碎屑提升输送至外部的碎屑箱内，历经输送、沥干，将碎屑与冷却水分离，冷却水回收至下方的水箱内，搭配冷却水泵可使冷却水循环利用。

本实施例同时包含一种三龙门五轴联动数控铣床的冷却排屑结构。

实施例6

本实施例为一种三龙门五轴联动数控铣床的X轴传动结构。

参照附图1，包括基座1、安装于其上的龙门2及用于驱动控制龙门2的数控系统，基座1包括平行设置的两组床身10，构成五轴联动的X轴；床身10上方安装有呈组合动梁式结构的三架龙门2，龙门2下方设置有工作台4，每架龙门2均配置有独立的数控系统，龙门2包括与床身10传动连接的立柱21、安装于立柱21上的横梁22、与横梁22传动连接的滑枕23及与滑枕23传动连接的主轴24，横梁22构成五轴联动的Y轴，滑枕23构成五轴联动的Z轴。

参照附图5，X轴为双驱动结构，包括分别设置于两组床身10内的X1轴和X2轴，其分别通过齿轮传动结构与上方的立柱21连接。

参照附图20～21，床身10与立柱21之间设置有拖板20，拖板20与上方立柱21固定连接。床身10为箱形结构，其顶部安装有两组齿条和凹槽，凹槽用于容纳齿轮箱内电机。拖板20通过消隙齿轮与齿条连接，且拖板20连接有齿轮箱，齿轮箱同样安装于箱形结构上，齿轮箱内设置有电机、减速器及消隙齿轮，其通过消隙齿轮与齿条齿合传动连接，并带动拖板20于齿条上平稳滑动。齿轮传动结构外部通过X轴壁护罩密封。

本实施例中所采用的齿轮箱，为双齿轮结构的齿轮箱，齿条采用5级精度、模数6的斜齿传动齿条，齿轮箱内的电机采用西门子伺服电机，其扭矩为36N/M，齿轮变速比为47:1。

同时，X轴上设置有每架龙门2的限位区域，限位区域由数控系统设定，并在该限位区域的临界位置处安装非接触式接近开关，当出现两个龙门2或三个龙门2因抢同一个加工点而造成相撞时，数控系统控制主动碰撞的龙门2主动停机并报警，被动碰撞的龙门2只报警不停机。

本实用新型各实施例技术参数：

X轴最大行程为24M；

单龙门进行作业时，X轴工作范围14M；

双龙门进行作业时，X轴工作范围8M；

三龙门进行作业时，X轴工作范围5M，均指Y轴相对于X轴机械原点可位移的范围；

Y轴最大行程为3M；

Z轴最大行程为1.7M；

X轴定位精度为0.06M；

Y轴定位精度为0.015M；

Z轴定位精度为0.01M；

X轴定位精度为0.06M；

Y轴定位精度为0.015M；

Z轴定位精度为0.01M；

X轴重复定位精度为0.015M；

Y轴重复定位精度为0.01M；

Z轴重复定位精度为0.01M；

B轴旋转角度±110°；

C轴旋转角度±360°。

虽然上述介绍了本实用新型的多种不同的实施例，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，如：如本实用新型请求保护三龙门五轴联动数控铣床，单龙门或双龙门的安装、实施结构，也应当涵盖与本申请的范围内，同时铣头型号的选择并不受上述局限。

即，上述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。

为了更好的描述本实用新型技术方案，本文已简化或省略了一些常规方面。

最后应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，本说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。