CN116475811A - 一种头架和尾架双电机驱动的超精密辊筒机床 - Google Patents

Abstract

一种头架和尾架双电机驱动的超精密辊筒机床，属于超精密加工装备领域。主轴头架固定在辊筒机床床体上，主轴尾架与辊筒机床床体的Z轴导轨滑动连接，两套气体静压主轴系统分别固定装在主轴头架和主轴尾架上，主轴电机输出轴与气体静压主轴系统的主轴转子输入端同轴且固定连接，主轴转子输出端与主轴夹具同轴固定连接，两个主轴夹具同轴设置，辊筒模具通过固定在其两端的模辊支撑轴夹紧固定在两个主轴夹具上，刀具Z轴溜板组件位于主轴头架和主轴尾架之间，且与Z轴导轨滑动连接，X轴导轨固定在Z轴溜板组件上，刀具X轴溜板组件与X轴导轨滑动连接，刀具夹具固定装在刀具底座上，刀具底座固定装在X轴溜板组件上。本发明用于辊筒模具超精密加工。

Description

一种头架和尾架双电机驱动的超精密辊筒机床

技术领域

本发明属于超精密加工装备领域，具体涉及一种头架和尾架双电机驱动的超精密辊筒机床。

背景技术

近些年来，航空航天、精密仪器、光学和激光技术得到了迅猛的发展。各种高精度的表面以及形状复杂的零件等的加工需求也日益迫切，如人造卫星的姿态控制和遥测器件；以及在消费品领域广泛应用的塑料成像镜头和各种光束处理镜片，如手机、相机的镜头，各种自由曲面的光学零件等需求的快速增长，使得超精密机床已成为不可或缺的重要设备。超精密机床的研究也成为现代高精尖技术产品制造的核心关键技术之一，在众多高新技术领域应用的越来越广泛。

同时，随着科学技术水平的提高，工业生产规模的扩大，对超精密机床设备也提出了特殊的要求。仅使用一台电机的主轴控制已不能适应大质量加工模具的需求，多电机控制技术得到了越来越广泛的应用。在辊筒机床加工大长度大质量辊筒模具中，随着辊筒尺寸的增大，整体惯量也大大增加，对伺服系统的驱动能力要也随之增加。使用单个主轴电机的主轴旋转会导致前后端的动作产生延迟，会有较大的跟踪误差，对单个电机的生产制造提出了更高的要求。因此，采用新的驱动方式，对提高超精密设备加工精度及加工效率有着十分关键的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种头架和尾架双电机驱动的超精密辊筒机床，旨在解决上述背景技术提出的现有技术中的问题。

实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种头架和尾架双电机驱动的超精密辊筒机床，包括辊筒机床床体、刀具夹具、刀具底座、X轴导轨、刀具X轴溜板组件、刀具Z轴溜板组件、主轴头架、主轴尾架、两套气体静压主轴系统、两个主轴夹具及两个主轴电机；

主轴头架固定在辊筒机床床体上，主轴尾架与辊筒机床床体的Z轴导轨滑动连接，主轴尾架通过紧固件与辊筒机床床体固定连接，用以锁定主轴尾架的位置，两套气体静压主轴系统分别固定装在主轴头架和主轴尾架上，两套气体静压主轴系统上均固定有主轴电机，主轴电机的输出轴与气体静压主轴系统的主轴转子的输入端同轴且固定连接，所述主轴转子的输出端与主轴夹具同轴且固定连接，两个主轴夹具同轴设置，辊筒模具通过固定在其两端的模辊支撑轴夹紧固定在两个主轴夹具上，刀具Z轴溜板组件位于主轴头架和主轴尾架之间，且与所述Z轴导轨滑动连接，X轴导轨固定在Z轴溜板组件上，刀具X轴溜板组件与X轴导轨滑动连接，刀具夹具固定装在刀具底座上，刀具底座固定装在X轴溜板组件上。

进一步的是，辊筒机床床体包括机床底座、Z轴导轨、导轨垫块及两侧护条；两侧护条并列固定在机床底座上端面的左右两侧，导轨垫块固定在机床底座上并位于两侧护条之间，Z轴导轨固定在导轨垫块上，两侧护条上均设有贯通其左右侧壁的长条槽口，两个长条槽口相对设置，主轴尾架左右两个侧壁上对应设有螺纹孔，长条槽口内匹配穿入螺栓，螺栓与螺纹孔螺纹连接，将主轴尾架与辊筒机床床体固定连接。

进一步的是，两套气体静压主轴系统均包括气体静压轴承和主轴转子，气体静压轴承包括主轴座、轴承底座、外轴套、铜轴套及辐板；

两个气体静压轴承的主轴座分别固定连接在主轴支架和主轴尾架上，辐板设置在主轴座内，且二者固定连接，辐板内侧嵌入有外轴套，外轴套内同轴配合装有铜轴套，铜轴套同轴配合装在主轴转子上，由外轴套和铜轴套组成了气体静压轴承的径向轴承部分；轴承底座设有中心台肩孔，主轴转子输入端装在轴承底座内，主轴转子外壁上设有环状止推板，环状止推板匹配设置在中心台肩孔，外轴套与环状止推板相邻一端的外壁设有轴套凸缘，轴承底座一端外壁设有底座凸缘，底座凸缘与轴套凸缘固定连接，由轴承底座的底座凸缘、主轴转子的环状止推板以及外轴套的轴套凸缘组成了气体静压轴承的止推轴承部分；主轴电机固定在轴承底座上。

进一步的是，两个主轴夹具均包括主轴连接件和卡盘；主轴连接件与主轴转子的输出端同轴且固定连接，主轴连接件与卡盘同轴且固定连接，卡盘用于装夹模辊支撑轴。

进一步的是，气体静压轴承还包括数个小孔节流器；外轴套、铜轴套以及轴承底座内部均设有径向气道，外轴套及轴承底座内部均设有轴向气道，设置在外轴套和铜轴套内的径向气道一一对应相连通，设置在外轴套内的径向气道与轴向气道相连通，设置在轴承底座内的径向气道与轴向气道相连通，设置在轴承底座内的轴向气道与设置在外轴套的径向气道相连通，所有径向气道均通至各自的外壁，在径向气道和轴向气道内均装有小孔节流器。

进一步的是，刀具Z轴溜板组件包括Z轴上溜板及两个Z轴侧溜板，Z轴上溜板下端面左右两侧分别固定有Z轴侧溜板，所述X轴导轨固定在Z轴上溜板上；刀具X轴溜板组件包括X轴上溜板、两个X轴侧溜板及两个X轴下溜板；X轴上溜板下端面的前后两侧分别固定有X轴侧溜板，两个X轴侧溜板下端分别固定有X轴下溜板，X轴上溜板、两个X轴侧溜板及两个X轴下溜板与X轴导轨滑动连接。

进一步的是，主轴尾架下端左右两侧分别设有尾架侧板，所述螺纹孔设置在尾架侧板上。

进一步的是，X轴导轨和Z轴导轨均采用液体静压导轨。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明仅需要在原有超精密辊筒机床上增加一套气体静压主轴系统，却能提高加工精度和加工效率，成本低。两套气体静压主轴系统分别固定装在主轴头架和主轴尾架上，两套气体静压主轴系统采用双电机驱动的辊筒机床主轴转子驱动方式，能够保证辊筒模具加工过程的机动性，考虑负载平衡，降低电机的转动惯量，提高调速精度，动态响应性能好，跟踪误差小，伺服带宽高(本发明采用伺服电机)。

本发明采用两个电机同步驱动，避免使用更大的单台伺服电机，降低了单个电机的生产制造难度。

本发明提出的主轴双驱方案，两个电机采用同步控制方式(为现有技术)，两个电机同时驱动中间辊筒进行加工。

附图说明

图1为本发明的辊筒机床整体结构的轴测图；

图2为本发明的辊筒机床整体结构的主视示意图；

图3是图2的A处局部放大图。

上述附图中涉及的部件名称及附图标记如下：

机床底座1、护条2、主轴头架3、主轴座4、气体静压轴承5、主轴连接件6、卡盘7、模辊支撑轴8、辊筒模具9、刀具夹具10、刀具底座11、X轴导轨12、X轴下溜板13、X轴上溜板14、X轴侧溜板15、Z轴上溜板16、Z轴侧溜板17、Z轴导轨18、主轴尾架19、导轨垫块20、径向气道21、长条槽口22、螺栓23、主轴电机24、主轴转子25、轴承底座26、外轴套27、铜轴套28、小孔节流器29、尾架侧板30、辐板31、环状止推板32、轴套凸缘33、底座凸缘34、轴向气道35。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1-图3所示，本实施方式披露了一种头架和尾架双电机驱动的超精密辊筒机床，包括辊筒机床床体、刀具夹具10、刀具底座11、X轴导轨12、刀具X轴溜板组件、刀具Z轴溜板组件、主轴头架3、主轴尾架19、两套气体静压主轴系统、两个主轴夹具及两个主轴电机24；

主轴头架3固定在辊筒机床床体上，主轴尾架19与辊筒机床床体的Z轴导轨18滑动连接，主轴尾架19通过紧固件与辊筒机床床体固定连接，用以锁定主轴尾架19的位置，两套气体静压主轴系统分别固定装在主轴头架3和主轴尾架19上，两套气体静压主轴系统上均固定有主轴电机24，主轴电机24的输出轴与气体静压主轴系统的主轴转子25的输入端同轴且(通过螺栓)固定连接，所述主轴转子25的输出端与主轴夹具同轴且固定连接，两个主轴夹具同轴设置，辊筒模具9通过固定在其两端的模辊支撑轴8夹紧固定在两个主轴夹具上，刀具Z轴溜板组件位于主轴头架3和主轴尾架19之间，且与所述Z轴导轨18滑动连接，X轴导轨12固定在Z轴溜板组件上，刀具X轴溜板组件与X轴导轨12滑动连接，刀具夹具10固定装在刀具底座11上，刀具底座11固定装在X轴溜板组件上。

两套气体静压主轴系统采用双主轴电机24驱动，主轴头架3上的气体静压主轴系统的主轴转子25为位置定位轴，主轴尾架19上的气体静压主轴系统的主轴转子25是开环控制。

辊筒机床采用双端夹持的方式，主轴头架3和主轴尾架19上各固定装有一个气体静压主轴系统，辊筒模具9通过两端的气体静压主轴系统实现Z轴双驱动的超精密加工。

进一步的是，辊筒机床床体包括机床底座1、Z轴导轨18、导轨垫块20及两侧护条2；两侧护条2并列固定在机床底座1上端面的左右两侧，导轨垫块20固定在机床底座1上并位于两侧护条2之间，Z轴导轨18固定在导轨垫块20上，两侧护条2上均设有贯通其左右侧壁的长条槽口22，两个长条槽口22相对设置，主轴尾架19左右两个侧壁上对应设有螺纹孔，长条槽口22内匹配穿入螺栓23，螺栓23与螺纹孔螺纹连接，将主轴尾架19与辊筒机床床体固定连接。

进一步的是，两套气体静压主轴系统均包括气体静压轴承5和主轴转子25，气体静压轴承5包括主轴座4、轴承底座26、外轴套27、铜轴套28及辐板31；

两个气体静压轴承5的主轴座4分别(通过螺栓)固定连接在主轴支架3和主轴尾架19上，辐板31设置在主轴座4内，且二者(通过螺栓)固定连接，辐板31内侧嵌入有外轴套27，外轴套27内同轴配合装有铜轴套28，铜轴套28同轴配合装在主轴转子25上，由外轴套27和铜轴套28组成了气体静压轴承的径向轴承部分；轴承底座26设有中心台肩孔，主轴转子25输入端装在轴承底座26内，主轴转子25外壁上设有环状止推板32，环状止推板32匹配设置在中心台肩孔，外轴套27与环状止推板32相邻一端的外壁设有轴套凸缘33，轴承底座26一端外壁设有底座凸缘34，底座凸缘34与轴套凸缘33固定连接，由轴承底座26的底座凸缘34、主轴转子25的环状止推板32以及外轴套27的轴套凸缘33组成了气体静压轴承的止推轴承部分；主轴电机24固定在轴承底座26上。

主轴转子25上装有气体静压轴承5，具有承载能力大、回转精度高的特点。

进一步的是，两个主轴夹具均包括主轴连接件6和卡盘7；主轴连接件6与主轴转子25的输出端同轴且(通过螺栓)固定连接，主轴连接件6与卡盘7同轴且固定连接，卡盘7用于装夹模辊支撑轴8。

进一步的是，气体静压轴承5还包括数个小孔节流器29；外轴套27、铜轴套28以及轴承底座26内部均设有径向气道21，外轴套27及轴承底座26内部均设有轴向气道35，设置在外轴套27和铜轴套28内的径向气道21一一对应相连通，设置在外轴套27内的径向气道21与轴向气道35相连通，设置在轴承底座26内的径向气道21与轴向气道35相连通，设置在轴承底座26内的轴向气道35与设置在外轴套27的径向气道21相连通，所有径向气道21均通至各自的外壁，在径向气道21和轴向气道35内均装有小孔节流器29。

进一步的是，刀具Z轴溜板组件包括Z轴上溜板16及两个Z轴侧溜板17，Z轴上溜板16下端面左右两侧分别固定有Z轴侧溜板17；所述X轴导轨12固定在Z轴上溜板16上(刀具Z轴溜板组件滑动到指定位置后需要锁定，通过Z轴电机控制，Z轴电机未表示)；刀具X轴溜板组件包括X轴上溜板14、两个X轴侧溜板15及两个X轴下溜板13；X轴上溜板14下端面的前后两侧分别固定有X轴侧溜板15，两个X轴侧溜板15下端分别固定有X轴下溜板13，X轴上溜板14、两个X轴侧溜板15及两个X轴下溜板13与X轴导轨12滑动连接(刀具X轴溜板组件滑动到指定位置后需要锁定，通过X轴电机控制，X轴电机未表示)。

进一步的是，主轴尾架19下端左右两侧分别设有尾架侧板30，所述螺纹孔设置在尾架侧板30上。

主轴尾架19在Z轴导轨18上滑动，并通过两侧护条2上的长条槽口22用M16六角螺栓与主轴尾架19的尾架侧板30固定，实现多尺寸的辊筒模具加工。

进一步的是，X轴导轨12和Z轴导轨18均采用液体静压导轨(低速无爬行，并采用十字块布局方式)。

使用本发明的头架和尾架双电机驱动的超精密辊筒机床加工辊筒模具9时，首先进行辊筒模具9的装卡，通过调节螺钉23使主轴尾架19在Z轴导轨18上移动，根据辊筒模具9尺寸需求调节距离后再将螺栓23固定。固定后启动两个气体静压主轴系统的主轴电机24，两个主轴电机24同时控制辊筒模具9绕Z轴旋转，再通过刀具Z轴溜板组件和刀具X轴溜板组件串联的刀具夹具10在Z轴导轨18上移动实现辊筒模具10的加工。

将主轴头架3处的主轴电机24的控制器的输出转矩作为主轴尾架19处的主轴电机24电流环的输入，主轴头架3处的主轴电机24的驱动器设定为速度模式，主轴尾架19处的主轴电机24设定为力矩模式。主轴尾架19处的主轴电机24的驱动器定时接收主轴头架3处的主轴电机24的驱动器控制主轴电机24的实际电流(力矩)，作为主轴尾架19处的主轴电机24驱动器电流环的输入。这种控制模式优点在于系统构架简单，对系统的动态性能要求不高，同时也减小了主轴电机24在启动时对气体静压主轴系统的冲击。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种头架和尾架双电机驱动的超精密辊筒机床，其特征在于：包括辊筒机床床体、刀具夹具(10)、刀具底座(11)、X轴导轨(12)、刀具X轴溜板组件、刀具Z轴溜板组件、主轴头架(3)、主轴尾架(19)、两套气体静压主轴系统、两个主轴夹具及两个主轴电机(24)；

主轴头架(3)固定在辊筒机床床体上，主轴尾架(19)与辊筒机床床体的Z轴导轨(18)滑动连接，主轴尾架(19)通过紧固件与辊筒机床床体固定连接，用以锁定主轴尾架(19)的位置，两套气体静压主轴系统分别固定装在主轴头架(3)和主轴尾架(19)上，两套气体静压主轴系统上均固定有主轴电机(24)，主轴电机(24)的输出轴与气体静压主轴系统的主轴转子(25)的输入端同轴且固定连接，所述主轴转子(25)的输出端与主轴夹具同轴且固定连接，两个主轴夹具同轴设置，辊筒模具(9)通过固定在其两端的模辊支撑轴(8)夹紧固定在两个主轴夹具上，刀具Z轴溜板组件位于主轴头架(3)和主轴尾架(19)之间，且与所述Z轴导轨(18)滑动连接，X轴导轨(12)固定在Z轴溜板组件上，刀具X轴溜板组件与X轴导轨(12)滑动连接，刀具夹具(10)固定装在刀具底座(11)上，刀具底座(11)固定装在X轴溜板组件上。

2.根据权利要求1所述的一种头架和尾架双电机驱动的超精密辊筒机床，其特征在于：辊筒机床床体包括机床底座(1)、Z轴导轨(18)、导轨垫块(20)及两侧护条(2)；两侧护条(2)并列固定在机床底座(1)上端面的左右两侧，导轨垫块(20)固定在机床底座(1)上并位于两侧护条(2)之间，Z轴导轨(18)固定在导轨垫块(20)上，两侧护条(2)上均设有贯通其左右侧壁的长条槽口(22)，两个长条槽口(22)相对设置，主轴尾架(19)左右两个侧壁上对应设有螺纹孔，长条槽口(22)内匹配穿入螺栓(23)，螺栓(23)与螺纹孔螺纹连接，将主轴尾架(19)与辊筒机床床体固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种头架和尾架双电机驱动的超精密辊筒机床，其特征在于：两套气体静压主轴系统均包括气体静压轴承(5)和主轴转子(25)，气体静压轴承(5)包括主轴座(4)、轴承底座(26)、外轴套(27)、铜轴套(28)及辐板(31)；

两个气体静压轴承(5)的主轴座(4)分别固定连接在主轴支架(3)和主轴尾架(19)上，辐板(31)设置在主轴座(4)内，且二者固定连接，辐板(31)内侧嵌入有外轴套(27)，外轴套(27)内同轴配合装有铜轴套(28)，铜轴套(28)同轴配合装在主轴转子(25)上，由外轴套(27)和铜轴套(28)组成了气体静压轴承的径向轴承部分；轴承底座(26)设有中心台肩孔，主轴转子(25)输入端装在轴承底座(26)内，主轴转子(25)外壁上设有环状止推板(32)，环状止推板(32)匹配设置在中心台肩孔，外轴套(27)与环状止推板(32)相邻一端的外壁设有轴套凸缘(33)，轴承底座(26)一端外壁设有底座凸缘(34)，底座凸缘(34)与轴套凸缘(33)固定连接，由轴承底座(26)的底座凸缘(34)、主轴转子(25)的环状止推板(32)以及外轴套(27)的轴套凸缘(33)组成了气体静压轴承的止推轴承部分；主轴电机(24)固定在轴承底座(26)上。

4.根据权利要求1或3所述的一种头架和尾架双电机驱动的超精密辊筒机床，其特征在于：两个主轴夹具均包括主轴连接件(6)和卡盘(7)；主轴连接件(6)与主轴转子(25)的输出端同轴且固定连接，主轴连接件(6)与卡盘(7)同轴且固定连接，卡盘(7)用于装夹模辊支撑轴(8)。

5.根据权利要求3所述的一种头架和尾架双电机驱动的超精密辊筒机床，其特征在于：气体静压轴承(5)还包括数个小孔节流器(29)；外轴套(27)、铜轴套(28)以及轴承底座(26)内部均设有径向气道(21)，外轴套(27)及轴承底座(26)内部均设有轴向气道(35)，设置在外轴套(27)和铜轴套(28)内的径向气道(21)一一对应相连通，设置在外轴套(27)内的径向气道(21)与轴向气道(35)相连通，设置在轴承底座(26)内的径向气道(21)与轴向气道(35)相连通，设置在轴承底座(26)内的轴向气道(35)与设置在外轴套(27)的径向气道(21)相连通，所有径向气道(21)均通至各自的外壁，在径向气道(21)和轴向气道(35)内均装有小孔节流器(29)。

6.根据权利要求1所述的一种头架和尾架双电机驱动的超精密辊筒机床，其特征在于：刀具Z轴溜板组件包括Z轴上溜板(16)及两个Z轴侧溜板(17)；Z轴上溜板(16)下端面左右两侧分别固定有Z轴侧溜板(17)，所述X轴导轨(12)固定在Z轴上溜板(16)上，刀具X轴溜板组件包括X轴上溜板(14)、两个X轴侧溜板(15)及两个X轴下溜板(13)；X轴上溜板(14)下端面的前后两侧分别固定有X轴侧溜板(15)，两个X轴侧溜板(15)下端分别固定有X轴下溜板(13)，X轴上溜板(14)、两个X轴侧溜板(15)及两个X轴下溜板(13)与X轴导轨(12)滑动连接。

7.根据权利要求2所述的一种头架和尾架双电机驱动的超精密辊筒机床，其特征在于：主轴尾架(19)下端左右两侧分别设有尾架侧板(30)，所述螺纹孔设置在尾架侧板(30)上。

8.根据权利要求1或6所述的一种头架和尾架双电机驱动的超精密辊筒机床，其特征在于：X轴导轨(12)和Z轴导轨(18)均采用液体静压导轨。