一種數(shù)控加工中心主軸配重平衡裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種數(shù)控加工中心主軸配重平衡裝置，它包括立柱和主軸模塊，其中，液壓油平衡罐通過罐體支架固定在加工中心立柱上，在液壓系統(tǒng)的液壓油平衡罐上安裝有壓力表及壓力傳感器，平衡油缸的缸體上固定設(shè)置液壓緩沖與限位結(jié)構(gòu)，在主軸座和立柱之間有絲杠驅(qū)動機構(gòu)；配重模塊包括頂板、槽板、蓋板、活塞和配重圓盤。由于很好的控制了機器頭部跟配重塊重量的比例，配重塊減輕重量為原來的數(shù)十分之一，在三軸聯(lián)動做曲面切削加工的時候，工具的光潔度提高了20％?30％左右。
【專利說明】
一種數(shù)控加工中心主軸配重平衡裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 該發(fā)明涉及數(shù)控加工中心主軸技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種數(shù)控加工中心主軸配重 平衡裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前市面上的數(shù)控立式加工中心，Z軸配重均采用加裝配重塊來達到平衡機器頭 部重量，減少Z軸馬達負載，從而減小Z軸馬達功率。但此種設(shè)計方式存在隨著主軸馬達功率 大小的改變配重塊重量無法隨時更改、Z軸快速移動時配重塊產(chǎn)生的晃動會嚴重影響機器 的加工效果、配置鏈條使用一段時間后會伸長等弊端。
[0003] 例如中國專利CN 202114525 U中公開了一種加工中心的配重平衡裝置，其主要結(jié) 構(gòu)包括氮氣罐(1)、氣管(2)和平衡氣缸(3);所述氣管(2)連通氮氣罐(1)的出氣口和平衡氣 缸(3)的下部缸體;所述平衡氣缸(3)豎直設(shè)置，活塞桿(31)伸出下部缸體并與主軸（5)固 定。以及所述氮氣罐（1)通過氮氣罐支架（11)固定在加工中心立柱(4)的側(cè)面;所述平衡氣 缸(3)通過氣缸支架(31)固定在加工中心立柱(4)的頂部。以及控制氮氣罐（1)的出氣口開 閉的控制機構(gòu)。
[0004] 上述結(jié)構(gòu)從某種程度上實現(xiàn)了配重平衡，但是效果依然不夠理想，主要表現(xiàn)為：1、 平衡氣缸內(nèi)的氣體雖然采用了氮氣以盡量減小其被壓縮的能力，但是從整體上看，氣缸依 然是一個彈性原件，存在回彈的問題，無法達到較高的工件加工精度和光澤度;2、無法實現(xiàn) 微調(diào)，尤其是在主軸到位后的微進給方面還有所欠缺;3、自鎖性能差，主軸到位后，由于氣 缸本身具有被壓縮性能，主要依靠驅(qū)動絲杠和立柱之間的配合進行鎖緊，鎖緊點比較單一， 且存在松動情況，難以滿足使用精度要求。4、氣動系統(tǒng)不可避免的出現(xiàn)漏氣問題，造成加工 誤差出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，造成同一批次的工件出現(xiàn)誤差不一致的情況。5、所有的主軸模塊的自 重都加載在平衡氣缸上，氣缸受力大，進一步地造成了泄氣、漏氣現(xiàn)象，通常一周需要向氮 氣罐內(nèi)補氣一次，不是免維護運行。
[0005] 本發(fā)明及本
【申請人】自以下方面進行改進，改進型設(shè)計需消除以下弊端：1、Z軸向下 移動時，可以平衡配重，做到快速配合主軸移動。2、具備鎖緊所能，可以實現(xiàn)氣缸缸體的鎖 緊，實現(xiàn)立柱和機器頭部的多點鎖緊。3、具備微進給功能，在主軸到位后，氣缸不再進行充 放氣動作，而是以微進給的方式進行運動，從根源上消除配重塊產(chǎn)生的震動源，保證工件表 面的加工精度及光澤度。4、無論主軸馬達重量如何改變，都能保證Z軸馬達的負載率變化量 在1%以內(nèi)，不出現(xiàn)機器頭部重量嚴重超過配重塊的現(xiàn)象。5、氮氣在使用過程中，存在泄漏 的問題，造成氣缸的壓力降低，造成加工誤差出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種一種數(shù)控加工中心主軸配重平衡裝 置，用于解決上述出現(xiàn)個問題。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：
[0008] -種數(shù)控加工中心主軸配重平衡裝置，包括立柱和主軸模塊，其特征在于，還包括 液壓油平衡罐、平衡油缸、主軸模塊、配重模塊和電磁閥，
[0009] 所述液壓油平衡罐通過罐體支架固定在加工中心立柱上，在液壓系統(tǒng)的液壓油平 衡罐上安裝有壓力表及壓力傳感器；
[0010] 豎直設(shè)置的所述平衡油缸的活塞桿通過油缸支架固定在加工中心立柱的頂部，所 述平衡油缸的缸體穿過主軸座并伸出至主軸，所述液壓油平衡罐與和平衡油缸下部缸體上 的進出油口之間通過油管和電磁閥連接；
[0011] 所述平衡油缸的缸體上固定設(shè)置液壓緩沖與限位結(jié)構(gòu)，所述液壓緩沖與限位結(jié)構(gòu) 包括殼體和滑塊，其中，所述殼體通過楔形環(huán)固定在平衡油缸的缸體外表面，在殼體的端面 上設(shè)置有至少三個滑塊，在所述殼體中具有一個環(huán)形的油道，并配合充油閥將油道內(nèi)充滿 液壓油，所述滑塊鑲嵌在殼體端面上形成多個彈性的緩沖點；
[0012] 所述主軸模塊包括主軸座、主軸和絲杠驅(qū)動電機，其中主軸通過軸承組件安裝在 主軸座的主軸安裝孔中，所述主軸座通過豎向設(shè)置的直線滑軌安裝在立柱上，且在主軸座 和立柱之間設(shè)置有絲杠驅(qū)動機構(gòu)以及齒輪齒條鎖緊機構(gòu)；
[0013] 在平衡油缸缸體的主側(cè)面上設(shè)置有嚙合齒，在主軸座內(nèi)設(shè)置有與嚙合齒進行配對 的齒輪，所述齒輪與一個渦輪同軸固定連接，所述渦輪與蝸桿配合，蝸桿直接與一個微型步 進電機以及一個編碼器連接連接；
[0014] 所述配重模塊包括頂板、槽板、蓋板、活塞和配重圓盤，所述頂板為一剛性平板，在 頂板上設(shè)置有八個圓孔，以及在每個轉(zhuǎn)角處設(shè)置一個固定孔，頂板通過固定孔固定在立柱 的一側(cè)，頂板水平布置;所述槽板為槽狀，在槽板的槽底面出設(shè)置油道，并在槽板中設(shè)置八 個圓孔，每個圓孔中分別安裝一個活塞，所述活塞為圓柱狀，在活塞的中間為一個空腔，且 在空腔的頂部位置為螺紋孔，該螺紋孔通過螺栓安裝固定在頂板上;在活塞與所述圓孔配 合面處設(shè)置橡膠密封圈，所述蓋板固定在槽板頂部，且所述蓋板上設(shè)置有穿孔，每一個穿孔 對應(yīng)一個活塞，活塞穿過所述穿孔，所述槽板上的油道通過液壓管連接到液壓油平衡罐。
[0015] 進一步地，所述活塞的有效液壓面積為平衡油缸內(nèi)腔有效面積的兩倍。
[0016] 進一步地，所述滑塊沿著殼體周向均勻布置。
[0017] 進一步地，所述立柱為鑄鐵件。
[0018] 進一步地，所述主軸座為鑄鐵件。
[0019] 進一步地，所述楔形環(huán)為合金銅制件。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是：
[0021] 1、Z軸在做上下運動時，消除了傳統(tǒng)配重塊配重會產(chǎn)生的震動問題，機器在下刀時 再也沒有出現(xiàn)過沖而產(chǎn)生的刀痕。
[0022] 2、由于很好的控制了機器頭部跟配重塊重量的比例，配重塊減輕重量為原來的數(shù) 十分之一，在三軸聯(lián)動做曲面切削加工的時候，工具的光潔度提高了 20 % -30 %左右。
[0023] 3、Z軸快速移動的速度由20m/min提高到48m/min。
[0024] 4、消除了氣動配重模塊帶來的彈性震動問題。
[0025] 5、液壓系統(tǒng)的可壓縮性低，且不存氣動平衡系統(tǒng)里面存在的漏氣現(xiàn)象，可以實現(xiàn) 免維護運行。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明的主視圖。
[0027] 圖2為圖1中A-A剖視圖。
[0028] 圖3為圖1中B-B剖視圖。
[0029] 圖4為主軸模塊局部的裝配圖。
[0030] 圖5為液壓系統(tǒng)的原理圖。
[0031]圖6為液壓緩沖與限位結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。
[0032]圖中：1液壓油平衡罐，11壓力表及壓力傳感器，12罐體支架，2平衡油缸，21油缸支 架，22電磁閥，23嚙合齒，24齒輪，3主軸模塊，31主軸座，32主軸安裝孔，33直線滑軌，34絲杠 驅(qū)動機構(gòu)，341絲杠驅(qū)動電機，35齒輪齒條鎖緊機構(gòu)，4配重模塊，41頂板，411圓孔，412固定 孔，42槽板，421油道，43蓋板，44活塞，441空腔，442螺栓，45配重圓盤，5立柱，6液壓緩沖與 限位結(jié)構(gòu)，61殼體，62油道，63滑塊，64楔形環(huán)。
【具體實施方式】
[0033] 如圖1至圖5所示，
[0034] 見圖1，本實施例的加工中心的配重平衡裝置，包括液壓油平衡罐1、油管、平衡油 缸2、主軸模塊3、配重模塊4和控制液壓油平衡罐的進液、出液開閉的控制機構(gòu)。
[0035] 控制機構(gòu)為電磁閥22,安裝在液壓油平衡罐1和平衡油缸2之間的管路上，靠近平 衡油缸2,可以有效避免電磁閥起閉階段平衡油缸的震蕩。
[0036] 通過液壓控制回路進行有效的控制，閉環(huán)控制，在液壓系統(tǒng)的液壓油平衡罐1上安 裝有壓力表及壓力傳感器11，實時控制并顯示壓力，壓力的大小與主軸總成的自重有關(guān)，當(dāng) 主軸座的自重越大時，壓力調(diào)節(jié)越大，使得主軸總成驅(qū)動馬達的負載率變化量在1 %以內(nèi)。
[0037] 與氣缸相比，液壓油缸的震蕩較小，可以忽略不計。
[0038] 采用液壓油路的另一個好處是，其壓縮比很小，在主軸總成快速移動過程，尤其是 啟停階段，不會造成震蕩，進一步地提高了啟停階段的震蕩。
[0039]液壓油平衡罐1通過罐體支架12固定在加工中心立柱5的側(cè)面，節(jié)省空間，立柱為 鑄鐵件。油管連通液壓油平衡罐1的出液口和平衡油缸2下部缸體上的進出油口；平衡油缸2 豎直設(shè)置，平衡油缸2的活塞通過油缸支架21固定在加工中心立柱5的頂部，平衡油缸2的缸 體穿過主軸座，并伸出至主軸，處于自由狀態(tài)。
[0040] 本平衡油缸2的缸體并非標(biāo)準(zhǔn)油缸，在缸體的設(shè)置液壓緩沖與限位結(jié)構(gòu)6，液壓緩 沖與限位結(jié)構(gòu)6參考圖4和圖6,米用液壓結(jié)構(gòu)，在缸體外表面固定一個圓環(huán)狀的殼體61，殼 體中具有一個環(huán)形的油道62,并配合充油閥將油道內(nèi)充滿液壓油，實現(xiàn)彈性緩沖，在殼體61 的端面上設(shè)置有至少三個滑塊63,沿著周向均勻布置，滑塊63鑲嵌在殼體端面上形成多個 彈性的緩沖點，形成液壓緩沖與限位結(jié)構(gòu)。
[0041] 殼體61與平衡油缸接觸的部位為楔形結(jié)構(gòu)，通過一個圓環(huán)狀的楔形環(huán)64鑲嵌在平 衡油缸2上，形成一種固定方式，具有止退效果。
[0042] 上述的楔形環(huán)64為合金銅制件。
[0043] 主軸模塊3包括主軸座31、主軸和絲杠驅(qū)動電機341，其中主軸通過軸承組件安裝 在主軸座的主軸安裝孔32中，主軸座31通過豎向設(shè)置的直線滑軌33安裝在立柱上，且在主 軸座31和立柱5之間設(shè)置有絲杠驅(qū)動機構(gòu)34以及齒輪齒條鎖緊機構(gòu)35,其中，絲杠驅(qū)動機構(gòu) 34通過電機驅(qū)動主軸座上下快速移動，齒輪齒條機構(gòu)35用于主軸座的鎖緊，實現(xiàn)主軸的定 位與固定。
[0044] 齒輪齒條機構(gòu)35中的齒輪直接由一組伺服電機驅(qū)動，伺服電機本身具有自鎖功 能。
[0045] 通常狀態(tài)下，上述的齒輪齒條處于自由狀態(tài)。
[0046] 在平衡油缸2缸體的主側(cè)面上設(shè)置有嚙合齒23，形成齒條，在主軸座內(nèi)設(shè)置有齒輪 24,齒輪24與一個渦輪同軸固定連接，渦輪與蝸桿配合，蝸桿直接與一個微型步進電機以及 一個編碼器連接連接，形成直接驅(qū)動，并實現(xiàn)數(shù)控功能。
[0047]上述蝸輪蝸桿機構(gòu)具有一定的自鎖功能，在微型步進電機停止驅(qū)動的情況下，蝸 輪蝸桿自鎖。
[0048] 上述的微型步進電機受控制中控系統(tǒng)，在平衡油缸2完成快速進給后，通過微型步 進電機實現(xiàn)進給。進給動作配合主軸模塊的絲杠驅(qū)動電機進行，實現(xiàn)多點驅(qū)動，多點支撐， 改變了原有的單點支撐的技術(shù)缺陷，避免主軸驅(qū)動電機單點驅(qū)動帶來的受力不均、震動問 題，提高表面精加工精度。
[0049] 配重模塊4包括頂板41、槽板42、蓋板43、活塞44和配重圓盤45,所述頂板41為一剛 性平板，在頂板41上設(shè)置有8個圓孔411，以及在每個轉(zhuǎn)角處設(shè)置一個固定孔412,通過固定 孔固定在立柱5的一側(cè)，頂板水平布置。
[0050] 槽板42為槽狀，在槽板42的槽底面出設(shè)置油道421，并在槽板中設(shè)置8個圓孔，每個 圓孔中分別安裝一個活塞44,上述的活塞為圓柱狀，在活塞的中間為一個空腔441，該空腔 441上部直徑較小，下部直徑較大，且在空腔的頂部位置為螺紋孔，該螺紋孔通過螺栓442安 裝固定在頂板41上。
[0051] 在活塞44與上述的圓孔配合面處設(shè)置橡膠密封圈，一個蓋板43通過緊固件固定在 槽板頂部，且上述的蓋板43上設(shè)置有8個穿孔，每一個穿孔對應(yīng)一個活塞，活塞穿過上述的 穿孔。
[0052]上述的槽板42上的油道通過液壓管連接到液壓油平衡罐1，，頂板41固定在立柱 上，頂板41水平設(shè)置，在槽板的下部中央位置設(shè)置有一個向下延伸的螺紋柱43,在螺紋柱上 套裝配重圓盤44,并使用緊固件固定，配重盤起到砝碼的作用，參考圖5。
[0053]上述的活塞為八個且每一個活塞的有效液壓面積為平衡油缸內(nèi)腔有效面積的2 倍，根據(jù)
[0054] 壓強公式：
[0055]
，其中P--壓強(Pa) ;F--壓力(N) ;S--受力面積(m2);
[0056] 液壓公式
[0057] Fi 作用在小活塞上的力(N); Si 小活塞的橫截面積(m2);
[0058] F2--作用在大活塞上的力(N) ;S2--大活塞的橫截面積(m2);
[0059] 由以上公式可以得出，本發(fā)明中配重的重量只需為主軸模塊3重量的十六分之一， 配重模塊的行程為單個平衡油缸行程的十二分之一。這樣可以降低配重的質(zhì)量以及配重液 壓缸的行程，提高結(jié)構(gòu)緊湊性，以及降低液壓平衡回路的設(shè)計難度。
[0060]同時，將配重模塊4安裝在立柱的背面(與立柱相對的一面），優(yōu)化了立柱的受力模 型。
[0061 ] 工作時，當(dāng)位于立柱上的絲杜驅(qū)動電機341正轉(zhuǎn)通過帶動絲杜機構(gòu)帶動主軸座在 豎直方向上直線運動時，控制機構(gòu)控制打開液壓油平衡罐1的出氣油口電磁閥，液壓油經(jīng)過 油管進入平衡油缸2的下部缸體，使得平衡油缸2的活塞桿向上移動，從而帶動主軸模塊快 速上移或者下移，在移動過程中，配重模塊進行隨動，液壓油路中始終保持在設(shè)定的壓力， 以平衡的方式吊裝主軸總成，使得主軸總成與立柱之間不存在傾覆力矩，幫助主軸模塊的 絲杠驅(qū)動電機341克服主軸的重力影響，減少絲杠驅(qū)動電機341提升主軸總成所需的動力輸 出。
[0062] 當(dāng)主軸模塊接近代加工工件時，平衡油路中的電磁閥關(guān)閉，平衡油缸被鎖緊，此 時，驅(qū)動平衡油缸2缸體的微型步進電機動作，該微型步進電機配合絲杠驅(qū)動電機同步動 作，控制主軸模塊繼續(xù)上移，實現(xiàn)二級微調(diào)。
[0063] 整個過程中，都是由絲杠機構(gòu)中的編碼器來控制主軸模塊的計量的。
[0064] 反之，當(dāng)絲杠驅(qū)動電機341反轉(zhuǎn)，帶動主軸總成在豎直方向下移動時，平衡液壓缸 起阻尼作用，減少因主軸模塊下移時可能出現(xiàn)的快速下滑問題。這樣就避免了傳統(tǒng)的配重 塊帶來的沖擊大、噪音大等缺陷，提高了機床的穩(wěn)定性和機械加工精度。
[0065]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種數(shù)控加工中心主軸配重平衡裝置，包括立柱和主軸模塊，其特征在于，還包括液 壓油平衡罐(1)、平衡油缸(2)、主軸模塊(3)、配重模塊(4)和電磁閥（22)， 所述液壓油平衡罐（1)通過罐體支架（12)固定在加工中心立柱(5)上，在液壓系統(tǒng)的液 壓油平衡罐(1)上安裝有壓力表及壓力傳感器(11); 豎直設(shè)置的所述平衡油缸(2)的活塞桿通過油缸支架(21)固定在加工中心立柱(5)的 頂部，所述平衡油缸(2)的缸體穿過主軸座并伸出至主軸，所述液壓油平衡罐（1)與和平衡 油缸(2)下部缸體上的進出油口之間通過油管和電磁閥（22)連接； 所述平衡油缸(2)的缸體上固定設(shè)置液壓緩沖與限位結(jié)構(gòu)(6)，所述液壓緩沖與限位結(jié) 構(gòu)包括殼體和滑塊，其中，所述殼體(61)通過楔形環(huán)(64)固定在平衡油缸的缸體外表面，在 殼體(61)的端面上設(shè)置有至少三個滑塊(63)，在所述殼體中具有一個環(huán)形的油道(62)，并 配合充油閥將油道內(nèi)充滿液壓油，所述滑塊(63)鑲嵌在殼體端面上形成多個彈性的緩沖 占. 所述主軸模塊（3)包括主軸座（31)、主軸和絲杠驅(qū)動電機(341)，其中主軸通過軸承組 件安裝在主軸座的主軸安裝孔(32)中，所述主軸座(31)通過豎向設(shè)置的直線滑軌(33)安裝 在立柱上，且在主軸座（31)和立柱(5)之間設(shè)置有絲杠驅(qū)動機構(gòu)（34)以及齒輪齒條鎖緊機 構(gòu)(35); 在平衡油缸(2)缸體的主側(cè)面上設(shè)置有嚙合齒(23)，在主軸座內(nèi)設(shè)置有與嚙合齒進行 配對的齒輪(24)，所述齒輪(24)與一個渦輪同軸固定連接，所述渦輪與蝸桿配合，蝸桿直接 與一個微型步進電機以及一個編碼器連接連接； 所述配重模塊(4)包括頂板(41)、槽板(42)、蓋板(43)、活塞(44)和配重圓盤(45)，所述 頂板(41)為一剛性平板，在頂板(41)上設(shè)置有八個圓孔(411)，以及在每個轉(zhuǎn)角處設(shè)置一個 固定孔(412)，水平布置的所述頂板通過固定孔固定在立柱(5)的一側(cè)，所述槽板(42)為槽 狀，在槽板(42)的槽底面出設(shè)置油道(421)，并在槽板中設(shè)置八個圓孔，每個圓孔中分別安 裝一個活塞(44)，所述活塞為圓柱狀，在活塞的中間為一個空腔(441)，且在空腔的頂部位 置為螺紋孔，所述螺紋孔通過螺栓(442)安裝固定在頂板(41)上;在活塞(44)與所述圓孔配 合面處設(shè)置橡膠密封圈，所述蓋板(43)固定在槽板頂部，且所述蓋板(43)上設(shè)置有穿孔，每 一個穿孔對應(yīng)一個活塞，所述活塞穿過所述穿孔，所述槽板(42)上的油道通過液壓管連接 到液壓油平衡罐(1)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控加工中心主軸配重平衡裝置，其特征在于，所述活塞 的有效液壓面積為平衡油缸內(nèi)腔有效面積的兩倍。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控加工中心主軸配重平衡裝置，其特征在于，所述滑塊 沿著殼體周向均勾布置。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控加工中心主軸配重平衡裝置，其特征在于，所述立柱 為鑄鐵件。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控加工中心主軸配重平衡裝置，其特征在于，所述主軸 座為鑄鐵件。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)控加工中心主軸配重平衡裝置，其特征在于，所述楔形 環(huán)(64)為合金銅制件。
【文檔編號】B23Q11/00GK106078341SQ201610716811
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月25日
【發(fā)明人】林志龍
【申請人】林志龍