技术领域
[0001] 本
发明属于机床领域，具体涉及一种正交三轴机床，特别是指应用在
水刀加工中心上的正交三轴机床。
背景技术
[0002] 悬臂式正交三轴机床结构简单，上下料方便，被广泛应用在加工负载轻微的高压水射流切割领域。悬臂式正交三轴机床一般都包括床身、XYZ三轴运动组件和加工头组件，加工头组件安装在XYZ三轴运动组件上，并能够沿XYZ三个方向精确的移动，以实现加工需求。XYZ三轴运动组件中有一横梁，用于
支撑在其上面行走的悬臂，横梁的两端通过两个立柱与床身固定。横梁上设置有X向
导轨，一悬臂套装在横梁上，悬臂上设置有Y向导轨，悬臂上同时安装一Z向运动机构，Z向运动机构上设置有竖直方向导轨。悬臂沿横梁上的X向导轨移动（即X向），加工头组件沿着悬臂上的Y向导轨移动（即Y向），同时在悬臂上沿竖直方向导轨上下移动（即Z向）。
[0003] XYZ三轴运动组件中横梁的加工和成型需要确保横梁两侧的导轨平行和平直，由于其平行度和平直度误差可能会被悬臂式结构放大，该要求直接影响整个机床的运动
精度和零件的加工精度，而加工精度正是影响机床的应用范围的主要因素。要获得上述要求的横梁目前依靠精密的加工机床（比如导轨磨床）和精细的工艺流程（比如铲刮工艺）可以逐一获得，然而却需要付出很高的成本和加工周期。特别是如果需要加工的横梁比较长的情况下更是如此，常见到的较大型机床的很大部分加工成本主要就在这。作为一个很典型的机床案例是高压喷射
磨料水射流切割（简称为水刀）机床，切割行程通常有一米多长度以上，加工头又需要在XYZ轴上行走
定位，如果要获得平行和光滑平直的横梁就需要很高的加工成本，从而也直接导致整个正交三轴机床的制造成本高昂。
发明内容
[0004] 本发明针对上述
现有技术的不足，提供了一种精度高及制造成本低廉的正交三轴机床。
[0005] 本发明是通过如下技术方案实现的：一种正交三轴机床，包括床身、XYZ三轴运动组件和加工头组件，所述XYZ三轴运动组件包括相互正交的X轴横梁、Y轴悬臂和Z轴滑移架，X轴横梁的两端固定安装在床身上，加工头组件固定安装在Z轴滑移架上；
其特征在于，所述X轴横梁的侧面设置有第一凹槽，凸出于第一凹槽的安置腔处固定有一X向导轨，X向导轨处于水平线上；X轴横梁上设有第一水平滑移座，所述第一水平滑移座与第一传动装置连接；所述Y轴悬臂侧面设置有第二凹槽，凸出于第二凹槽的安置腔处固定有一Y向导轨，Y向导轨与X向导轨垂直；Y轴悬臂与第一水平滑移座固定连接； Y轴悬臂上设有第二水平滑移座，所述第二水平滑移座与第二传动装置连接； Z轴滑移架与第二水平滑移座固定连接；
第一凹槽与X向导轨连接处的空隙内、第二凹槽与Y向导轨连接处的空隙内、第一水平滑移座与第一传动装置连接处的空隙内、第二水平滑移座与第二传动装置连接处的空隙内、Y轴悬臂与第一水平滑移座连接处的空隙内或Z轴滑移架与第二水平滑移座连接处的空隙内至少其中一处填充有成型塑料金属。
[0006] 进一步的，第一水平滑移座通过第一滑移座导轨滑
块与X向导轨配合进行滑移，第二水平滑移座通过第二滑移座导轨滑块与Y向导轨配合进行滑移，第一水平滑移座与第一滑移座导轨滑块连接处的空隙内、第二水平滑移座与第二滑移座导轨滑块连接处的空隙内至少其中一处填充有成型塑料金属。
[0007] 进一步的，所述第一传动装置包括X向
丝杠、X向
螺母、X向丝杠螺母座，X向
丝杆设置于X轴横梁的下方，并与X向导轨平行；X向螺母套设在X向丝杆上，并通过X向丝杆螺母座安装在第一水平滑移座上；所述第二传动装置包括Y向丝杠、Y向螺母、Y向丝杠螺母座，Y向丝杆设置于Y轴悬臂的下方，并与Y向导轨平行；Y向螺母套设在Y向丝杆上，并通过Y向丝杆螺母座安装在第二水平滑移座上；第一水平滑移座与X向丝杆螺母座之间的间隙内、第二水平滑移座与Y向丝杆螺母座之间的间隙内至少其中一处填充有成型塑料金属。
[0008] 进一步的，所述X轴横梁和/或Y轴悬臂为中空结构，正交三轴机床的控制装置、以及第一水平滑移座和/或第二水平滑移座的驱动装置均设置于所述中空结构的中空腔内。
[0009] 进一步的，所述第一凹槽为两个，两个第一凹槽分布在X轴横梁的轴两侧；所述第二凹槽为两个，两个第二凹槽分布在Y轴悬臂的轴两侧。
[0010] 进一步的，所述Z轴滑移架包括Z轴
箱体和Z向导轨组件；Z
轴箱体的侧面开有一通孔，该通孔用于将Z轴滑移架套装在Y轴悬臂上，该通孔的轴线与Y轴悬臂的轴线重合或在竖直基准面上平行； Z向导轨组件包括多根竖直导轨、顶板和/或
底板，多根竖直导轨分别穿过固定安装在Z轴箱体上的多对导轨
轴承座，与Z轴箱体活动连接，每根竖直导轨的至少一端与顶板或底板固定连接；多根竖直导轨的运动方向互相平行，且均与竖直基准面平行；所有竖直导轨和所有导轨轴承座均对称分布在竖直基准面的两侧；Z轴箱体的
重心和整个Z轴滑移架的重心均位于竖直基准面上；所述竖直基准面是指经过所述通孔的轴线的竖直面。
[0011] 进一步的，所述Z轴滑移架上固定安装有Z向传动装置和Z向驱动装置， Z向驱动装置通过Z向传动装置驱动Z轴箱体沿竖直方向运动；所述Z向传动装置采用丝杠传动组件，Z向丝杠的一端竖直固定安装在Z轴箱体上，Z向丝杠螺母通过轴承安装在Z向导轨组件的顶板或底板上。
[0012] 进一步的，Z轴箱体与设置在Y轴悬臂上的第二水平滑移座为一体结构。
[0013] 本发明所述的正交三轴机床采用的X轴横梁和Y轴悬臂能够简单、重复、模板化的制造，同时在校准后，采用成型塑料金属填充第一凹槽与X向导轨连接处的空隙或者第一水平滑移座与第一传动装置连接处的空隙，能够准确保证X向导轨的平行度和平直度；采用成型塑料金属填充第二凹槽与Y向导轨连接处的空隙内或者第二水平滑移座与第二传动装置连接处的空隙，能够准确保证Y向导轨的平行度和平直度； 采用成型塑料金属填充Y轴悬臂与第一水平滑移座连接处的空隙，能够准确保证X向导轨和Y向导轨的垂直度；采用成型塑料金属填充Z轴滑移架与第二水平滑移座连接处的空隙，能够准确保证Y向导轨与Z向竖直导轨的垂直度；从而保证机床的加工精度。与传统的采用精密加工横梁特别是精密加工长轴横梁的机床相比，本发明极大的降低了机床的制造成本，缩短了工期，降低了制造工人的劳动强度和技能要求，特别适合应用在精密、轻载和长轴场合。本发明所述的成型塑料金属（Metallplastic）为一种
树脂，该树脂在填充时处于流质状态，
固化后收缩
变形小且具备较高的抗压强度和
刚度，因而可以用来固定经过基准水平矫正的导轨并承受导轨在工作状态下的
载荷，例如德国DIAMANT公司（http://diamant-polymer.de）生产的DWH牌号的成型塑料金属。
[0014] 本发明所述的正交三轴机床还采用了跨骑式的Z轴结构，即将Z轴滑移架套装在Y轴悬臂上，并通过第二水平滑移座与Y轴悬臂连接，来实现沿Y轴方向的平移。该跨骑式的Z轴结构对Y轴悬臂无
扭矩，能够提高机床的加工精度。同时这种跨骑式的结构可以减少
工作台的无效空间，外形美观，行程较大。
附图说明
[0015] 图1为本发明所述的正交三轴机床的结构示意图；图2为本发明X轴横梁的结构示意图；
图3带有水平横向滑移座和丝杠传动组件的X轴横梁结构示意图；
图4为图3的A-A剖视图；
图5为图4的P1部放大图；
图6为带有
齿轮齿条传动组件的X轴横梁结构示意图；
图7为X轴横梁和专用夹具安装状态结构示意图；
图8为图7轴侧局部剖视图；
图9为图8的P2部剖视放大图；
图10为图8 B-B向剖视图；
图11为X轴横梁与Y轴悬臂组合安装后的结构图；
图12为Z轴滑移架的立体结构图；
图13 为Z轴滑移架的主视图；
图14为图13 的A-A剖面图；
图15为X轴横梁、Y轴悬臂和Z轴滑移架组合安装后的结构图；
图中各标号的含义如下：1、床身， 2、加工头组件， 4、专用夹具，5、基准组件，11、X轴横梁，21、Y轴悬臂，31、Z轴滑移架，12、X向导轨，13、第一水平滑移座，14、丝杆传动组件，
15、凹槽，121、导轨
紧固件，131、成型塑料金属，132、滑移座
固定板，133、第一滑移座导轨滑块，141、丝杆，142、丝杆
马达，143、马达安装板，144、丝杆螺母座，145、丝杆螺母，146、传动齿轮，147、齿条，41、夹具侧
夹板，151、注塑孔，411、导轨滑块安装孔，412、导轨安装孔，413、注塑孔，471、导轨滑块紧固件， 32、Z轴箱体，321、通孔，322、导轨轴承座，22、Ｙ向导轨，23、第二水平滑移座，33、竖直导轨，34、顶板，35、底板，36、伺服
电机，361、皮带，362、皮带轮，
371、丝杆，372、丝杆螺母，373、丝杆螺母轴承，374、丝杆固定座。
具体实施方式
[0016] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
[0017] 如图1所示，本发明提供了一种正交三轴机床，包括床身1、加工头组件2和XYZ三轴运动组件；加工头组件2由XYZ三轴运动组件带动，做XYZ三个方向的运动，从而完成加工任务。所述加工头组件2可以根据加工需求的不同而做不同的设计，本发明不对加工头组件2进行限制和说明。
[0018] 本发明所述的XYZ三轴运动组件包括相互正交的X轴横梁11、Y轴悬臂21和Z轴滑移架31；X轴横梁11的两端通过两个立柱固定安装在床身1上，Y轴悬臂21可滑移的安装在X轴横梁11上， Z轴滑移架31可滑移的安装在Y轴悬臂21上，加工头组件2固定安装在Z轴滑移架31上。
[0019] 如图2-5所示，本发明中X轴横梁11的轴向侧面固定连接有凹槽15，凹槽15用于支撑X向导轨12，凹槽15可由槽
钢构建而成，所述凹槽15与X轴横梁11的轴线平行。凸出于凹槽15的安置腔处固定有一X向导轨12，X向导轨12处于水平线上。凹槽15可以由在X轴横梁11上采用
焊接或与
铆接上C型或L型槽钢等方法构建，或还可以与X轴横梁11固定组合后形成具有容纳导轨的安置腔的一般直条钢构建而成，当然凹槽15也可以直接在X轴横梁11上加工出来等等；该凹槽15处于X轴横梁11的轴线平行
位置的设置此处并不需要很精确，保持一般程度的平行即可。所述凹槽15为两个，两个凹槽15分布在X轴横梁11的轴两侧，两个凹槽15上均布有X向导轨12。当然本发明如果仅仅是一侧分布凹槽15，则加工后的X轴横梁在使用状态时，凹槽15及其容纳的导轨最好处于X轴横梁11的顶侧，但本发明不受此限。
[0020] 本发明在凹槽15和X向导轨12之间的空隙内填充入成型塑料金属131，使X向导轨12与凹槽15成为刚性连接的一体结构。本发明首先采用专用夹具把X向导轨12校直后，再填充成型塑料金属131，以协助完成X向导轨的定位和承载，使其不易弯曲和变形，从而保证了其平行度和平直度。
[0021] X轴横梁11上设有第一水平滑移座13，第一水平滑移座13通过其第一滑移座导轨滑块133和X向导轨12配合进行滑移，一般也采用滚动导轨副结构形式配合，第一水平滑移座13和第一滑移座导轨滑块133的连接其空隙也可以在校准后填充有成型塑料金属131以协助固定，保证第一水平滑移座13和第一滑移座导轨滑块133的平行度。Y轴悬臂
21通过第一水平滑移座13套装在X轴横梁11上。
[0022] 所述X轴横梁11为完全或部分中空结构，其可以为一中空钢管，也可为其他材料的中空管，也可以从非中空材料加工而成。正交三轴机床的控制装置可以置于X轴横梁11的中空腔内。X轴横梁11上固定安装有X向传动装置， 本
实施例中的X向传动装置采用丝杆传动组件14，丝杆传动组件14固定在X轴横梁11上并使丝杆141处于X轴横梁11下面，丝杆141和X向导轨12平行。第一水平滑移座13上固定有一丝杆螺母座144，套设在丝杆141上的丝杆螺母145安装在丝杆螺母座144上。水平滑移座13与丝杆螺母座144的连接空隙也可以在校准后填充有成型塑料金属131以协助固定，以保证丝杠141与X向导轨12的平行度。X向驱动装置设置于X轴横梁的中空腔内，X向驱动装置通过X轴传动装置驱动水平滑移座13带动Y轴悬臂沿着所述X向导轨12滑移。本实施例中的X向驱动装置为丝杆马达142。如此设计进一步解决了与X轴横梁11配套的丝杆传动组件14中丝杆141和X向导轨12配合保证平直度和平行度的问题。当然X向传动装置不局限于丝杆传动，例如还可以是齿
轮齿条传动机构等。X向驱动装置也不局限于丝杆马达，也可以采用
伺服电机、步进电机等其他方式驱动。图6给出了本发明另一实施例带有传动齿轮146和齿条147传动组件的X轴横梁结构示意图，相应的第一水平滑移座13的结构及其驱动马达的布置做相应的调整不再细述。
[0023] 如图7-10所示，本发明的实施例给出了采用专用夹具制造X轴横梁11的方法，在X轴横梁11的侧面固定连接上与轴线平行的凹槽15，将丝杆传动组件14安装在X轴横梁11上并使丝杆141处于X轴横梁11的下面，将丝杆马达142及其马达安装板143置于X轴横梁11的中空腔内。将带有凹槽15的X轴横梁11放在一个专用夹具４中并使其轴线与水平基准线平行，该专用夹具4对应X轴横梁11的凹槽15处的夹具侧夹板41上分布有经过基准水平矫正的数对夹具导轨滑块47也即导轨夹块，夹具导轨滑块47和夹具侧夹板41之间有导轨滑块紧固件471，夹具侧夹板41上设有导轨滑块安装孔411和导轨安装孔412。
专用夹具4设有的夹具底座44上还固定有经过基准水平矫正的数台处于同一个水平线上的丝杆基准安装座46。由等高垫筒43协助定位，使夹具导轨滑块47的用来插入X向导轨
12的行腔和凹槽15的安置腔对齐，并使丝杆141处于数台丝杆基准安装座46上。之后，将X向导轨12插入到夹具导轨滑块47的行腔和凹槽15的安置腔中，将成型塑料金属131通过注塑孔151填充入槽钢15和导轨12之间的空隙内，以协助固定，将X向导轨12通过紧固件121固定在凹槽15上也即固定在X轴横梁11上，并使X向导轨12与水平基准线平行。最后，卸除专用夹具4即获得本发明所述的X轴横梁11。
[0024] 采用上述方法制作的X轴横梁11，能确保X轴横梁11上的X向导轨12的平直度和平行度，并可以模板化制造，方便重复的进行加工，制造成本大大的降低。
[0025] 本发明中Y轴悬臂21与X轴横梁11的结构和制造方法完全相同，本实施例中不再赘述。Y轴悬臂21与X轴横梁11组合安装后的结构图如图11所示， Y轴悬臂21上安装的Y向导轨22与X向导轨12垂直；Y轴悬臂21通过第一水平滑移座13安装在X向导轨12上，Y轴悬臂21上还安装有第二水平滑移座23。本发明在Y轴悬臂21与第一水平滑移座13经垂直校准后，在其连接处的空隙内填充成型塑料金属131，以协助完成定位和承载，保证X向导轨和Y向导轨的垂直度。
[0026] 优选的，本发明将Z轴滑移架31设计为跨骑式的结构，其通过第二水平滑移座23套装在Y轴悬臂21上，其对Y轴悬臂21无扭矩，可以提高机床的加工精度。
[0027] 如图12-14所示，所述Z轴滑移架包括Z轴箱体32和竖直导轨组件， Z轴箱体32呈长方体状，该Z轴箱体32侧面上开有一通孔321，该通孔321用于将Z轴滑移架31套装在Y轴悬臂21上，通孔321的轴线与Y轴悬臂21的轴线重合或在竖直基准面上平行。本发明将过通孔321轴线的水平面定义为水平基准面，将过通孔321轴线的竖直面定义为竖直基准面。竖直导轨组件包括顶板34、底板35和四根竖直导轨33，Z轴箱体32上固定安装有四对导轨轴承座322，四根竖直导轨33分别穿过Z轴箱体32上的四对导轨轴承座322，与Z轴箱体32活动连接，四根竖直导轨33的两端均与顶板34和底板35刚性连接，所述的顶板34和底板35，可以只取其一，即取顶板34或底板35，此时竖直导轨33只有一端与顶板34或底板35刚性连接。四根竖直导轨33和四对导轨轴承座322均对称分布在竖直基准面的两侧，四根竖直导轨33的运动方向互相平行，且均与竖直基准面平行，从而可以保证其始终沿着Z轴方向运动。为了保证Z轴滑移架31对Y轴悬臂21无扭矩，所述Z轴箱体32的重心位于竖直基准面上，整个Z轴滑移架31的重心也位于竖直基准面上。竖直导轨33可以采用中空结构，中空部分可供管路及
电缆通过，同时起到保护作用。
[0028] Z轴箱体32通过第二水平滑移座23套装在Y轴悬臂21上，第二水平滑移座23通过第二滑移座导轨滑块和Y向导轨22配合进行滑移。也可采用滚动导轨副结构形式配合。Z轴箱体32与第二水平滑移座23也可以为一体结构。第二水平滑移座23和第二滑移座导轨滑块的连接其空隙也可以在校准后填充有成型塑料金属131以协助固定，保证第二水平滑移座23和其第二滑移座导轨滑块的平行度。
[0029] Z轴滑移架31上固定安装有Z向传动装置和Z向驱动装置， Z向驱动装置通过Z向传动装置驱动Z轴箱体32沿竖直方向运动；所述Z向传动装置为丝杠传动装置，丝杠371的一端通过丝杠固定座374竖直固定安装在Z轴箱体32上，丝杠螺母372通过丝杆螺母轴承373安装在竖直导轨组件的顶板35或底板36上。所述Z向驱动装置为伺服电机36，伺服电机36通过皮带361和皮带轮362带动丝杠螺母372绕丝杠轴线转动。当然本发明中Z向传动装置不局限于丝杠传动装置，例如还可以是齿轮齿条传动装置等。Z向驱动装置也不局限于伺服电机，也可以采用手动、步进电机、马达等其他方式驱动。
[0030] X轴横梁11、Y轴悬臂21和Z轴滑移架31组合安装后的结构图如图15所示，Z轴滑移架31套装在Y轴悬臂21上，并与第二水平滑移座23为一体结构，可沿Y向导轨22滑移。本发明在Z轴滑移架31与第二水平滑移座23垂直校准后，在其连接处的空隙内填充成型塑料金属131，以协助完成定位和承载，保证Y向导轨与Z向竖直导轨的垂直度。
[0031] 本发明中X轴横梁11、Y轴悬臂21和Z轴滑移架31的外部均安装有保护装置，以减少环境因素的影响。
[0032] 本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
