一種小型高精度五軸數(shù)控機(jī)床的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種五軸數(shù)控機(jī)床，包括工作臺側(cè)的Y軸移動組件、X軸移動組件和A軸擺動組件，刀具側(cè)的Z軸移動組件和B軸擺動組件，A軸通過脹緊套與工作臺連接，B軸為中空擺動軸，通過過盈配合與B軸擺動組件的電機(jī)輸出軸連接。本發(fā)明提供的五軸數(shù)控機(jī)床，采用脹緊套連接A軸與工作臺，簡化了制造和安裝過程，降低了五軸數(shù)控機(jī)床的制造成本；由于沒有鍵槽配合，不會產(chǎn)生磨損，延長了五軸數(shù)控機(jī)床的使用壽命，進(jìn)一步降低了五軸數(shù)控機(jī)床的使用成本；B軸為中空擺動軸，采用這樣的結(jié)構(gòu)，B軸的對中性好，與電機(jī)輸出軸無間隙，使得擺動精度高，提高了五軸數(shù)控機(jī)床的精度；設(shè)計(jì)中考慮模塊化與開放性，進(jìn)一步降低五軸數(shù)控機(jī)床的制造成本與維護(hù)成本。
【專利說明】一種小型高精度五軸數(shù)控機(jī)床

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種五軸數(shù)控機(jī)床，具體涉及一種低成本的小型高精度五軸數(shù)控機(jī) 床。

【背景技術(shù)】
[0002] 五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)從某種意義上反映了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平狀況，其與 一般機(jī)床的最大區(qū)別在于通過增加的兩個旋轉(zhuǎn)軸能夠使刀具始終垂直于工件曲面運(yùn)動， 從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的高精度加工。
[0003] 目前市場上的五軸數(shù)控機(jī)床根據(jù)兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動分布的不同形式，可以分為以下三 種結(jié)構(gòu)形式：（1)雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，兩個旋轉(zhuǎn)軸都分布在工件側(cè)；(2)雙擺頭結(jié)構(gòu)，兩個旋轉(zhuǎn)軸都 分布在刀具側(cè)；(3)單擺頭加單轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，即一個旋轉(zhuǎn)軸分布在刀具側(cè)，另一旋轉(zhuǎn)軸分布在 工件側(cè)。
[0004] 上述三種結(jié)構(gòu)中，雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)剛性好，但由于存在工作臺擺動和工作臺回轉(zhuǎn)兩個 回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)復(fù)合的設(shè)計(jì)，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)稍顯復(fù)雜，而且由于工作臺直接參與兩個回轉(zhuǎn)坐 標(biāo)運(yùn)動，所以受到安裝工件的尺寸與重量的制約的同時，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換也相對復(fù)雜。雙擺頭結(jié)構(gòu) 的工作臺本身不參與回轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此工作臺尺寸和零件加工空間不受限制，可加工大尺寸 工件。但是擺頭的設(shè)計(jì)是一個難點(diǎn)，主軸驅(qū)動非常復(fù)雜，而且兩個擺動軸的串聯(lián)使得機(jī)床的 剛性較差。單擺頭單轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的機(jī)床性能介于前兩者之間，結(jié)構(gòu)簡單，具有較好的剛性和較 大的加工范圍，因此被廣泛采用，無論是大中小型設(shè)備，都有這種結(jié)構(gòu)。
[0005] 本領(lǐng)域技術(shù)人員致力于提供一種低成本、適用于小型輕載的應(yīng)用場合的高精度、 可靠的五軸數(shù)控機(jī)床。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供一種五軸數(shù)控機(jī)床，包括工作臺側(cè)的Y軸移動組件、X軸移動組件和A 軸擺動組件，刀具側(cè)的Z軸移動組件和B軸擺動組件，其中X軸、Y軸以及Z軸為移動軸，A 軸為工作臺繞與X軸平行的軸擺動的擺動軸，B軸為刀具繞與Y軸平行的軸擺動的擺動軸， X軸移動組件通過XY連接板與Y軸移動組件連接，A軸擺動組件通過XA連接板與X軸移動 組件連接，B軸擺動組件通過ZB連接板與Z軸移動組件連接，A軸通過脹緊套與工作臺連 接。
[0007] 本發(fā)明提供的五軸數(shù)控機(jī)床，采用脹緊套連接A軸與工作臺，在制造過程中無需 進(jìn)行開槽等操作，簡化了制造和安裝過程，降低了五軸數(shù)控機(jī)床的制造成本；同時由于沒有 鍵槽配合，工作過程中不會產(chǎn)生磨損，延長了五軸數(shù)控機(jī)床的使用壽命，進(jìn)一步降低了五軸 數(shù)控機(jī)床的使用成本；另外脹緊套在過載時，將失去聯(lián)接作用，具有保護(hù)作用，使得五軸數(shù) 控機(jī)床能夠可靠地工作。
[0008] 由于脹緊套依賴摩擦力起作用，因此適用于小型輕載的應(yīng)用場合。
[0009] 進(jìn)一步地，B軸為中空擺動軸，通過過盈配合與B軸擺動組件的電機(jī)輸出軸連接。
[0010] 采用這樣的結(jié)構(gòu)，B軸的對中性好，與電機(jī)輸出軸無間隙，使得擺動精度高，提高了 五軸數(shù)控機(jī)床的精度。
[0011] 進(jìn)一步地，X軸移動組件、Y軸移動組件、Z軸移動組件、A軸擺動組件以及B軸擺 動組件均包括電機(jī)，電機(jī)均為安裝高分辨率旋轉(zhuǎn)光電編碼器的伺服電機(jī)。
[0012] 采用安裝有高分辨率旋轉(zhuǎn)光電編碼器的伺服電機(jī)，能夠提高移動或擺動的精度， 從而提高五軸數(shù)控機(jī)床的精度。
[0013] 進(jìn)一步地，Z軸移動組件包括電機(jī)，所述電機(jī)為具有制動器的伺服電機(jī)，以防止掉 電時刀具出現(xiàn)下滑。
[0014] 由于B軸擺動組件安裝于Z軸移動組件的下方，B軸擺動組件的重力造成Z軸方向 上的恒定負(fù)載，因此本發(fā)明的五軸數(shù)控機(jī)床的Z軸移動組件采用具有制動器的伺服電機(jī)， 以防止掉電時刀具出現(xiàn)下滑，從而保證五軸數(shù)控機(jī)床可靠地工作。
[0015] 進(jìn)一步地，A軸擺動組件的電機(jī)與A軸之間設(shè)置減速機(jī)，和/或B軸擺動組件的電 機(jī)與B軸之間設(shè)置減速機(jī)，
[0016] 在電機(jī)與擺動軸之間設(shè)置減速機(jī)，能夠增加輸出力矩，進(jìn)一步保證五軸數(shù)控機(jī)床 可靠地工作。
[0017] 進(jìn)一步地，X軸移動組件、Y軸移動組件與Z軸移動組件均包括滑軌，滑軌全部或部 分為精密級滾珠線性滑軌。
[0018] 采用精密級滾珠線性滑軌，能夠提高移動組件的精度，從而提高五軸數(shù)控機(jī)床的 精度。
[0019] 進(jìn)一步地，X軸移動組件、Y軸移動組件與Z軸移動組件均包括光電限位開關(guān)，光電 限位開關(guān)為常閉型光電限位開關(guān)。
[0020] 進(jìn)一步地，A軸擺動組件與B軸擺動組件均包括光電限位開關(guān)，光電限位開關(guān)為常 開型光電限位開關(guān)。
[0021] 本發(fā)明提供的五軸數(shù)控機(jī)床，具有以下有益效果：
[0022] (1)采用脹緊套連接A軸與工作臺，在制造過程中無需進(jìn)行開槽等操作，簡化了制 造和安裝過程，降低了五軸數(shù)控機(jī)床的制造成本；同時由于沒有鍵槽配合，工作過程中不會 產(chǎn)生磨損，延長了五軸數(shù)控機(jī)床的使用壽命，進(jìn)一步降低了五軸數(shù)控機(jī)床的使用成本；
[0023] (2)B軸為中空擺動軸，通過過盈配合與B軸擺動組件的電機(jī)輸出軸連接；采用這 樣的結(jié)構(gòu)，B軸的對中性好，與電機(jī)輸出軸無間隙，使得擺動精度高，提高了五軸數(shù)控機(jī)床的 精度；采用具有編碼器的伺服電機(jī)，能夠提高移動或擺動的精度，從而進(jìn)一步提高五軸數(shù)控 機(jī)床的精度；采用精密級滾珠線性滑軌，能夠提高移動組件的精度，從而進(jìn)一步提高五軸數(shù) 控機(jī)床的精度；
[0024] (3)另外脹緊套在過載時，將失去聯(lián)接作用，具有保護(hù)作用，使得五軸數(shù)控機(jī)床能 夠可靠地工作；Z軸移動組件采用具有制動器的伺服電機(jī)，以防止掉電時刀具出現(xiàn)下滑，進(jìn) 一步保證五軸數(shù)控機(jī)床可靠地工作；
[0025] (4)設(shè)計(jì)中考慮模塊化與開放性，可替換性與可擴(kuò)展性較好，進(jìn)一步降低制造成本 與維護(hù)成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明的一個實(shí)施例的五軸數(shù)控機(jī)床的透視圖；
[0027] 圖2為圖1所示的五軸數(shù)控機(jī)床的Y軸移動組件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖3為圖1所示的五軸數(shù)控機(jī)床的A軸擺動組件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖4為圖1所示的五軸數(shù)控機(jī)床的B軸擺動組件的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030] 以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以 充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
[0031] 圖1為本發(fā)明一個實(shí)施例的五軸數(shù)控機(jī)床的透視圖；圖2為圖1所示的五軸數(shù)控 機(jī)床的Y軸移動組件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖1所示的五軸數(shù)控機(jī)床的A軸擺動組件的結(jié) 構(gòu)示意圖；圖4為圖1所示的五軸數(shù)控機(jī)床的B軸擺動組件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 如圖1所示，本實(shí)施例的五軸數(shù)控機(jī)床，包括底座1和安裝在底座1上的Z軸支架 2,底座1上安裝工作臺側(cè)的Y軸移動組件4、X軸移動組件5與A軸擺動組件6,其中Y軸 移動組件4直接安裝在底座1上，X軸移動組件5通過XY連接板與Y軸移動組件連接，A軸 擺動組件6通過XA連接板與X軸移動組件5連接；工作臺10與A軸擺動組件6連接。
[0033] Z軸支架2由一塊底板，一塊立板和兩塊筋板組成，通過螺栓連接；Z軸支架2上連 接有Z軸連接件3、刀具側(cè)的Z軸移動組件7和B軸擺動組件8 ;其中Z軸移動組件7通過 Z軸連接件3與Z軸支架2連接，B軸擺動組件8通過ZB連接板9連接，刀具與B軸擺動組 件8連接。
[0034] 如圖2所示，Y軸移動組件4包括伺服電機(jī)41、聯(lián)軸器42、電機(jī)座43、滾珠絲杠44、 導(dǎo)軌45、滑塊、尾座410。滑塊包括主動滑塊46與從動滑塊47。導(dǎo)軌通過螺栓組連接在底 座1上，電機(jī)座43與導(dǎo)軌45通過螺栓連接。
[0035] 滾珠絲杠44與導(dǎo)軌45可以作為模塊在市場上購買，以簡化加工裝配過程，從而降 低本實(shí)施例中的五軸數(shù)控機(jī)床的制造成本。
[0036] 導(dǎo)軌45的一側(cè)安裝限位開關(guān)安裝滑臺48以及光電限位開關(guān)49。
[0037] 光電限位開關(guān)49采用常開型光電開關(guān)，當(dāng)滑塊超出限位時，光電開關(guān)發(fā)射器與接 收器之間的光路被切斷，發(fā)出超限信號，從而保證本實(shí)施例中的五軸數(shù)控機(jī)床可靠工作。
[0038] X軸移動組件5與Y軸移動組件4結(jié)構(gòu)相似，本實(shí)施例中X軸移動組件5與Y軸移 動組件4結(jié)構(gòu)相同，以簡化設(shè)計(jì)，從而降低本實(shí)施例中的五軸數(shù)控機(jī)床的制造成本。
[0039] 如圖3所示，A軸擺動組件6包括同軸連接的伺服電機(jī)61、減速機(jī)62、聯(lián)軸器64與 A軸66 ;A軸66的一端通過電機(jī)座63安裝于XA連接板65，A軸66的另一端與軸承612連 接，通過軸承座69安裝于XA連接板65,軸承端蓋610安裝在軸承座69上；軸承612內(nèi)圈 通過軸肩和軸用擋圈611定位，軸承612外圈利用孔用擋圈613定位。
[0040] 設(shè)置減速機(jī)62,能夠增加 A軸的輸出轉(zhuǎn)矩；減速機(jī)可以采用不同的結(jié)構(gòu)形式，可以 作為模塊在市場上購買。本實(shí)施例的五軸數(shù)控機(jī)床的減速機(jī)62采用APEX公司生產(chǎn)的AB042 系列減速機(jī)。
[0041] A軸擺動組件6通過XA連接板65與X軸移動組件5的主動滑塊與從動滑塊連接。
[0042] A軸上安裝兩個聯(lián)接座68,用于連接A軸擺動組件6與工作臺10。
[0043] A軸分別通過脹緊套67與兩個聯(lián)接座68連接，脹緊套67通過A軸軸肩定位。
[0044] 本實(shí)施例的五軸數(shù)控機(jī)床的脹緊套67采用Z2型脹緊套。
[0045] A軸擺動組件6還包括光電限位開關(guān)615和限位塊614。
[0046] 光電限位開關(guān)615安裝于電機(jī)座63上，限位塊614通過螺栓安裝在靠近電機(jī)座63 一側(cè)的聯(lián)接座68上。
[0047] 光電限位開關(guān)615采用常閉型光電限位開關(guān)，在A軸允許轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)，限位塊614 伸出的擋板會將光電限位開關(guān)615的發(fā)射器與接收器之間的光路切斷，當(dāng)超出限位時，光 路連通，發(fā)出報(bào)警信號。
[0048] A軸與XA連接板65之間的高度需要根據(jù)A軸的擺動范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0049] 工作臺10上設(shè)置多個均勻分布的螺紋孔，便于選用合適的方式與位置固定加工 工件。
[0050] 如圖1所示，Z軸連接件3由四塊板狀零件利用螺栓連接而成。為方便布置線纜， 在Z軸支架2和Z軸連接件3上加工布線孔，Z軸連接件3通過端面定位，安裝于Z軸支架 2上。
[0051] Z軸移動組件7的結(jié)構(gòu)與Y軸移動組件4類似，絲杠與導(dǎo)軌的長度應(yīng)根據(jù)加工范圍 確定。
[0052] 由于B軸擺動組件8的重力造成Z軸方向上的恒定負(fù)載，Z軸移動組件7采用具 有制動器的伺服電機(jī)，以防止掉電后刀具出現(xiàn)下滑。
[0053] 如圖4所示，B軸擺動組件包括同軸連接的伺服電機(jī)81、減速機(jī)82、B軸85與B軸 輸出軸86, B軸85為中空擺動軸，套設(shè)于伺服電機(jī)81的軸上。
[0054] 與A軸擺動組件類似，B軸擺動組件的伺服電機(jī)81與B軸85之間也設(shè)置減速機(jī) 82,以增加輸出力矩。
[0055] 本實(shí)施例中，采用深溝球軸承84,內(nèi)圈采用B軸軸肩定位并利用軸用擋圈87固定， 外圈采用軸套88定位。
[0056] ZB連接板9由三塊板狀零件通過螺栓連接而成，其中一側(cè)連接Z軸移動組件的主 動滑塊與從動滑塊上，另一側(cè)通過懸伸的立板連接B軸擺動組件的軸承座83。
[0057] B軸擺動組件還包括光電限位開關(guān)810與限位塊89,光電限位開關(guān)810通過安裝 座811固定在ZB連接板9上，限位塊89通過螺栓安裝在B軸上。
[0058] 本實(shí)施例中，光電限位開關(guān)810采用常閉型光電開關(guān)，在允許范圍內(nèi)限位塊89的 擋板將光電限位開關(guān)810中的光路切斷，當(dāng)超出限位時，光路連通，發(fā)出報(bào)警信號。
[0059] B軸輸出軸86通過螺栓直接安裝在B軸85上。
[0060] B軸輸出軸86上設(shè)置螺紋孔與定位面，用于安裝主軸與刀具（圖4中未畫出）。
[0061] 本發(fā)明提供的五軸數(shù)控機(jī)床，采用脹緊套連接A軸與工作臺，在制造過程中無需 進(jìn)行開槽等操作，簡化了制造和安裝過程，降低了五軸數(shù)控機(jī)床的制造成本；同時由于沒有 鍵槽配合，工作過程中不會產(chǎn)生磨損，延長了五軸數(shù)控機(jī)床的使用壽命，進(jìn)一步降低了五軸 數(shù)控機(jī)床的使用成本；B軸為中空擺動軸，通過過盈配合與B軸擺動組件的電機(jī)輸出軸連 接；采用這樣的結(jié)構(gòu)，B軸的對中性好，與電機(jī)輸出軸無間隙，使得擺動精度高，提高了五軸 數(shù)控機(jī)床的精度；采用具有編碼器的伺服電機(jī)，能夠提高移動或擺動的精度，從而進(jìn)一步提 高五軸數(shù)控機(jī)床的精度；采用精密級滾珠線性滑軌，能夠提高移動組件的精度，從而進(jìn)一步 提高五軸數(shù)控機(jī)床的精度；脹緊套在過載時，將失去聯(lián)接作用，具有保護(hù)作用，使得五軸數(shù) 控機(jī)床能夠可靠地工作；Z軸移動組件采用具有制動器的伺服電機(jī)，以防止掉電時刀具出 現(xiàn)下滑，進(jìn)一步保證五軸數(shù)控機(jī)床可靠地工作；設(shè)計(jì)中考慮模塊化與開放性，可替換性與可 擴(kuò)展性較好，進(jìn)一步降低制造成本與維護(hù)成本。
[0062] 以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無 需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本【技術(shù)領(lǐng)域】中技術(shù) 人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的 技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種五軸數(shù)控機(jī)床，包括工作臺側(cè)的Y軸移動組件、X軸移動組件和A軸擺動組件， 刀具側(cè)的Z軸移動組件和B軸擺動組件，其中X軸、Y軸以及Z軸為移動軸，A軸為工作臺 繞與所述X軸平行的軸擺動的擺動軸，B軸為刀具繞與所述Y軸平行的軸擺動的擺動軸，所 述X軸移動組件通過XY連接板與所述Y軸移動組件連接，所述A軸擺動組件通過XA連接 板與所述X軸移動組件連接，所述B軸擺動組件通過ZB連接板與所述Z軸移動組件連接， 其特征在于，所述A軸通過脹緊套與所述工作臺連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的五軸數(shù)控機(jī)床，其特征在于，所述B軸為中空擺動軸，通過過盈 配合與所述B軸擺動組件的電機(jī)輸出軸連接。
3. 如權(quán)利要求1所述的五軸數(shù)控機(jī)床，其特征在于，所述X軸移動組件、所述Y軸移動 組件、所述Z軸移動組件、所述A軸擺動組件以及所述B軸擺動組件均包括電機(jī)，所述電機(jī) 均為安裝高分辨率旋轉(zhuǎn)光電編碼器的伺服電機(jī)。
4. 如權(quán)利要求3所述的五軸數(shù)控機(jī)床，其特征在于，所述A軸擺動組件的所述電機(jī)與所 述A軸之間設(shè)置減速機(jī)，和/或所述B軸擺動組件的所述電機(jī)與所述B軸之間設(shè)置減速機(jī)。
5. 如權(quán)利要求1所述的五軸數(shù)控機(jī)床，其特征在于，所述Z軸移動組件包括電機(jī)，所述 電機(jī)為具有制動器的伺服電機(jī)，以防止掉電時所述刀具出現(xiàn)下滑。
6. 如權(quán)利要求1所述的五軸數(shù)控機(jī)床，其特征在于，所述X軸移動組件、所述Y軸移動 組件與所述Z軸移動組件均包括滑軌，所述滑軌全部或部分為精密級滾珠線性滑軌。
7. 如權(quán)利要求1所述的五軸數(shù)控機(jī)床，其特征在于，所述X軸移動組件、所述Y軸移 動組件與所述Z軸移動組件均包括光電限位開關(guān)，所述光電限位開關(guān)為常閉型光電限位開 關(guān)。
8. 如權(quán)利要求1所述的五軸數(shù)控機(jī)床，其特征在于，所述A軸擺動組件與所述B軸擺動 組件均包括光電限位開關(guān)，所述光電限位開關(guān)為常開型光電限位開關(guān)。
【文檔編號】B23Q17/24GK104117871SQ201410334687
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】吳建華, 戚禎祥, 張剛, 熊振華, 丁漢 申請人:上海交通大學(xué)