一种三线轨立式加工数控机床的制作方法

本发明涉及数控机床，具体而言，涉及一种三线轨立式加工数控机床，尤其涉及一种能够调节线轨预紧力并抑制三轴耦合振动的立式加工中心。

背景技术：

1、立式加工中心是模具、航空航天结构件、汽车零部件及精密机械制造领域的核心加工装备。其x轴、y轴、z轴三轴的运动精度与刚性，直接决定了机床的加工精度、表面质量和生产效率。

2、目前主流的中高档立式加工中心，其三轴均采用滚动直线导轨（以下简称“线轨”）作为运动导向与支撑元件。以典型的三轴布局为例：y轴线轨固定于y轴鞍座，y轴滑块固定于x轴鞍座底面，x轴鞍座通过y轴滑块在y轴鞍座上沿纵向移动；x轴线轨固定于x轴鞍座，x轴滑块固定于载物台底面，载物台通过x轴滑块在x轴鞍座上沿横向移动；z轴线轨固定于立柱前侧面，z轴滑块固定于主轴箱后侧面，主轴箱通过z轴滑块在立柱前侧面上沿竖向移动。

3、上述三轴系统中，线轨的滑块内部设有滚珠或滚柱作为滚动体，滚动体在滑块与导轨之间的滚道内循环滚动，实现近乎零摩擦的直线运动。相比传统滑动导轨，线轨具有摩擦系数低、运动速度快、定位精度高、寿命长等显著优势，因此三轴全线轨配置已成为高速高精度立式加工中心的标准设计。

4、尽管三线轨配置为机床带来了高速高精的运动性能，但在实际的金属切削加工中，特别是在模具钢、钛合金、高温合金等难加工材料的重切削工况下，三线轨系统暴露出以下固有缺陷，这些缺陷相互关联、彼此制约，构成了长期困扰本领域技术人员的多重技术壁垒：

5、壁垒一：预紧力“高刚性”与“高速度”不可兼得，重切削需要高预紧力以获得高刚性和高阻尼，精加工需要低预紧力以获得低摩擦和高速度，二者对预紧力的需求完全相反，传统线轨的预紧力在出厂时即已固定，无法根据加工工况进行调节，虽然存在液压调节方式，但存在液压油泄漏风险、响应速度慢、系统复杂、成本高等问题，难以在实际生产中推广应用。

6、壁垒二：三轴低阻尼耦合颤振难以抑制，三轴线轨系统阻尼极低，切削振动在x、y、z三轴之间几乎无衰减地相互传递，形成多轴耦合颤振，频率成分复杂且随工况宽频变化，传统单轴阻尼器无法应对跨轴耦合振动，且需外部能源和复杂控制，可靠性差；被动调谐质量阻尼器固有频率固定，无法适应宽频振动。

7、上述两个壁垒并非孤立存在--预紧力大小决定系统阻尼特性，阻尼特性决定振动传递与冲击衰减程度。预紧力不可调导致机床无法兼顾重切削与精加工需求；阻尼不足且无法跨轴协同导致耦合颤振难以抑制。二者共同制约了机床加工精度和表面质量的进一步提升。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种三线轨立式加工数控机床，能够实现线轨预紧力的无级调节，并有效抑制三轴耦合颤振。

2、为实现上述目的，本发明提出一种三线轨立式加工数控机床，包括：

3、底座；

4、立柱，安装于所述底座的后端；

5、y轴鞍座，安装于所述底座的前端，所述y轴鞍座上设有y轴线轨；

6、x轴鞍座，滑动安装于所述y轴线轨上，所述x轴鞍座上设有x轴线轨；

7、载物台，滑动安装于所述x轴线轨上；

8、主轴箱，滑动安装于所述立柱上设置的z轴线轨上；

9、所述x轴鞍座与所述y轴线轨之间、所述载物台与所述x轴线轨之间、所述主轴箱与所述z轴线轨之间分别通过线轨滑块滑动连接；

10、至少一个所述线轨滑块与对应的运动部件之间设有预紧力调节机构，所述预紧力调节机构用于调节所述线轨滑块与对应线轨之间的预紧力；

11、所述机床还包括三轴耦合消振机构，所述三轴耦合消振机构包括分别设置于x轴、y轴和z轴上的三个消振器，各所述消振器之间通过流体管路串联连接，使任意一轴的振动能量能够通过所述流体管路传递至其他轴的消振器进行协同耗散。

12、作为本发明进一步优化的方案，所述预紧力调节机构设置于所述线轨滑块与对应的运动部件之间，所述预紧力调节机构包括楔块组件和调节组件，所述楔块组件用于改变所述线轨滑块与所述运动部件之间的叠合厚度，所述调节组件用于驱动所述楔块组件动作；

13、优选的，所述楔块组件包括上楔块和下楔块，所述上楔块与所述运动部件固定连接，所述下楔块与所述线轨滑块滑动接触，所述上楔块与所述下楔块之间通过斜面配合；所述调节组件与所述下楔块连接，用于驱动所述下楔块沿斜面滑动，以改变所述上楔块与所述下楔块叠合的总厚度，从而调节所述线轨滑块与所述线轨之间的预紧力。

14、作为本发明进一步优化的方案，所述上楔块的上表面为水平面且与所述运动部件贴合固定，所述上楔块的下表面为斜面；所述下楔块的上表面为与所述上楔块的下表面相适配的斜面，所述下楔块的下表面为水平面且与所述线轨滑块的承载面滑动接触；

15、优选的，所述上楔块与所述运动部件之间通过定位销固定连接，所述下楔块与所述线轨滑块的承载面之间为滑动配合；所述上楔块和所述运动部件上开设有供紧定螺栓穿过的圆孔，所述下楔块上开设有供所述紧定螺栓穿过的腰型孔，所述腰型孔的长度方向与所述下楔块的滑动方向一致，所述紧定螺栓穿过所述圆孔和所述腰型孔与所述线轨滑块螺纹连接。

16、作为本发明进一步优化的方案，所述调节组件包括螺纹杆和驱动轴，所述螺纹杆与所述下楔块螺纹连接，所述驱动轴通过传动机构与所述螺纹杆连接，用于驱动所述螺纹杆转动；

17、优选的，所述调节组件还包括固定盒，所述固定盒安装于所述运动部件上，所述螺纹杆的一端与所述固定盒转动连接，所述螺纹杆的另一端与所述下楔块端面上开设的螺纹孔螺纹连接；所述驱动轴转动安装于所述固定盒的端部，所述驱动轴通过蜗轮蜗杆机构与所述螺纹杆传动连接；所述蜗轮蜗杆机构具有自锁特性，用于防止所述螺纹杆在振动环境下松脱。

18、作为本发明进一步优化的方案，所述运动部件上设有联动机构，所述联动机构用于将多个所述预紧力调节机构的驱动轴同步连接，以实现多个线轨滑块的预紧力同步调节；

19、优选的，所述联动机构为机械联动轴或同步带机构，所述联动机构将同一运动部件上的多个驱动轴联结于同一总手柄，通过操作所述总手柄实现各驱动轴的同步转动。

20、作为本发明进一步优化的方案，各所述消振器均包括消振壳体、摆动组件和液压阻尼缸，所述摆动组件安装于所述消振壳体内，用于感应对应轴向的振动并产生摆动，所述液压阻尼缸与所述摆动组件连接，用于将所述摆动组件的机械能转化为热能；

21、优选的，所述摆动组件包括铰接件、吊杆和摆锤，所述铰接件安装于所述消振壳体的内腔顶部，所述吊杆的上端与所述铰接件的活动端连接，所述吊杆的下端与所述摆锤连接；所述铰接件允许所述摆锤仅沿对应轴向方向摆动，并在其余方向上被约束。

22、作为本发明进一步优化的方案，所述消振壳体内还设有复位弹簧组，所述复位弹簧组连接于所述摆锤与所述消振壳体之间，用于使所述摆锤在无振动时复位至中心位置；

23、优选的，所述复位弹簧组包括两个弹簧，对称设置于所述摆锤的两侧，各弹簧的轴线沿所述摆锤的摆动方向水平布置，且各弹簧在静态时处于微压缩状态。

24、作为本发明进一步优化的方案，所述液压阻尼缸包括缸体、活塞和活塞杆，所述活塞滑动设置于所述缸体内，所述活塞杆的一端与所述活塞连接，所述活塞杆的另一端与所述摆锤连接；所述活塞上开设有节流孔，所述缸体内填充有液压油，所述缸体的两端分别设有进油口和出油口；

25、优选的，所述节流孔为多个，均布于所述活塞上，所述节流孔的轴线与所述缸体的轴线平行；所述活塞杆与所述摆锤之间通过关节轴承铰接。

26、作为本发明进一步优化的方案，三个所述消振器分别为x轴消振器、y轴消振器和z轴消振器；所述x轴消振器的摆锤仅沿x轴方向摆动，所述y轴消振器的摆锤仅沿y轴方向摆动，所述z轴消振器的摆锤仅沿z轴方向摆动；

27、优选的，所述x轴消振器安装于所述立柱的背面，所述y轴消振器安装于所述底座的内部，所述z轴消振器安装于所述主轴箱的顶部。

28、作为本发明进一步优化的方案，所述x轴消振器的液压阻尼缸的出油口通过第一油管与所述y轴消振器的液压阻尼缸的进油口连接，所述y轴消振器的液压阻尼缸的出油口通过第二油管与所述z轴消振器的液压阻尼缸的进油口连接，所述z轴消振器的液压阻尼缸的出油口通过第三油管与所述x轴消振器的液压阻尼缸的进油口连接，形成闭环流体回路；

29、优选的，所述第一油管、第二油管和第三油管均为螺旋软管且具有外护套保护；所述流体回路中还设有补油蓄能器和截止阀，所述补油蓄能器用于维持管路压力稳定，所述截止阀用于在维修时切断油路。

30、上述三线轨立式加工数控机床，与现有技术相比，具有以下有益效果：

31、1、本发明通过设置预紧力调节机构，实现了线轨预紧力的纯机械、无级调节，操作人员仅需在切换工序时通过扳手旋转驱动轴即可同步调节各滑块的预紧力，无需液压站、无需电磁阀、无需传感器，调节完成后依靠蜗轮蜗杆的自锁特性保持预紧力，无需持续供能。重切削时增大预紧力提升刚性和阻尼，精加工时减小预紧力降低摩擦和提高速度，使机床能够兼顾重切削与精加工两种工况。

32、2、本发明的预紧力调节机构位于线轨滑块与运动部件之间的安装界面，不改变线轨滑块与线轨之间的滑动配合关系，不减少有效接触面积，不影响原有润滑条件，仅在原有螺栓连接中增加一组楔形垫块，对现有机床的改造工作量小，成本低，可标准化为机床的选配功能模块。

33、3、本发明通过液压管路将x、y、z三个消振器串联形成闭环，使任意一轴的振动能量均可通过液压油传递至其他轴的消振器进行协同耗散，形成“一处振动、三处消能”的协同效果，有效解决了传统独立阻尼器无法应对跨轴耦合振动的问题。

34、4、本发明的消振器采用摆锤+弹簧构成可调谐系统，通过选择不同的摆锤质量和弹簧刚度，固有频率可覆盖10-200hz的宽频范围；当振动频率偏离摆锤固有频率时，液压阻尼缸的粘滞阻尼依然提供频率无关的耗能效果，保证全频段均有阻尼作用，克服了被动调谐质量阻尼器固有频率固定的缺陷。

35、5、本发明的液压阻尼回路在机床开机状态下始终处于待命状态，无需传感器检测振动、无需控制器触发动作，任何振动发生时立即响应、无延迟，可靠性高，适用于连续生产的工业环境。

36、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。