專利名稱：復合式五坐標數控機床結構的制作方法
技術領域：
本發明屬于機械制造自動化及數控機床領域，特別涉及一種串并聯復合結構五坐標數控機床的結構設計。
目前，五坐標數控機床在結構上主要有兩種類型，一類是采用串聯結構的常規五坐標機床，另一類是近年來發展起來的基于Stewart平臺原理的并聯結構方案。
常規五坐標機床在總體結構上基本上采用工件和刀具沿各自導軌共同運動的方案。一種典型方案是將裝載工件的轉臺固定于正交工作臺上，讓其帶動工件沿C軸旋轉并在X-Y平面內作平移運動；將主軸單元安裝于可沿A軸或B軸旋轉的擺頭上，并將擺頭固定在立柱滑板上讓其沿Z軸運動；由此實現三直線運動加兩旋轉運動的五坐標運動。在這類結構中，由于運動部分(包括工件、夾具、轉臺和工作臺等)的總質量比較大，再加上傳動環節的彈性變形和導軌中的摩擦阻力較大，使機床難以獲得高的進給速度和加速度，不能滿足現代高速高效加工的要求。另一個突出問題是，常規五坐標機床結構是一種串聯開鏈結構，組成環節多、結構復雜，并且由于存在懸臂部件和環節間的聯接間隙，難以保證高的總體剛度，不容易獲得高的加工精度和加工質量。
基于Stewart平臺原理的五坐標數控機床的典型結構為一“六桿平臺結構”。其具體含義是，將六根可變長度驅動桿(簡稱驅動桿)的一端固定于靜平臺(如地基或機床框架)上，驅動桿的另一端與動平臺，即主軸單元相聯接。這樣，調節六驅動桿的長度，可使主軸和刀具相對于工件作六自由度進給運動。其中包括沿三個線性軸X、Y、Z的平移運動和沿三個轉動軸A、B、C的旋轉運動。由于裝于主軸中的刀具一般為回轉體，僅用五個量即可確定其位置與姿態。因此，實際應用時只需對X、Y、Z、A、B這五個坐標的運動進行實時控制，即可實現五坐標加工。
通過分析可以發現對于一般直接基于Stewart平臺原理的五坐標數控機床，其旋轉坐標的合理運動范圍比常規五坐標數控機床要小得多(如A、B軸的旋轉范圍通常只有20～30度，而常規五坐標機床可以達到90度以上)，并且隨著旋轉角的加大這類五坐標機床的有效工作空間將大幅度減小。因此，基于Stewart平臺原理的五坐標數控機床不能加工需大范圍多坐標運動的零件，這就大大限制了這類機床的應用范圍。
本發明的目的是為有效解決常規五坐標機床結構復雜、剛度差、精度難以保證、制造難度大、生產成本高等問題和Stewart平臺五坐標機床旋轉坐標運動范圍小、加工空間小等不足之處，設計出一種復合式五坐標數控機床結構，使其不但結構簡單、剛度大、精度高、制造容易、生產成本低，而且具有大范圍加工能力等突出優點，適合普及應用于制造工業、國防工業和國民經濟其他生產部門。
本發明提出一種復合式五坐標數控機床結構，包括機床框架，工作臺，設置于該工作臺上方的主軸部件，其特征在于，還包括設置于所說的機床框架上部相對位置的兩條平行的直線導軌，每個導軌上有兩個滑塊，導軌和滑塊內裝有驅動及傳動裝置，所說的主軸部件通過四條腿并聯結構支撐于工作臺上方，每條腿由一根以上固定的等長度的驅動桿組成，該驅動桿的一端與主軸部件相連接，另一端與對應的滑塊相連接。
本發明的四條腿并聯結構中，四條腿的結構完全相同，每條腿的驅動桿的兩端設置有球鉸(或虎克鉸)。該結構中各驅動桿相互平行，并位于垂直平面內。
本發明的驅動及傳動裝置可由伺服電機驅動的絲杠、螺母組成，所說的伺服電機與絲杠相連并一起設置于導軌內，所說的滑塊與螺母相連。
本發明另一形式的驅動及傳動裝置可采用直線電機直接驅動，由固定于導軌上的電機定子，固定于滑塊上的電機動子所組成。當電機動子相對于定子運動時，即可直接帶動滑塊運動，省去了絲杠、螺母等機械傳動環節，從而有利于提高機床的進給速度和加速度，并可提高機床的加工精度。
本發明的主軸部件包括支承座，其上部裝有伺服電機，該支承座的下部裝有軸承，支承于該軸承上的電主軸單元該伺服電機與電主軸單元分別連接有小齒形帶輪與大齒形帶輪，以及套于大小齒形帶輪的齒形帶。該伺服電機通過齒形帶驅動電主軸單元圍繞軸作±90°旋轉。
本發明機床五坐標運動的具體實現過程如下(1)X坐標運動當四個滑塊10、12、24、30沿導軌14、16向+X方向同時運動時，可通過四條腿26帶動主軸18和刀具相對于工件作+X坐標運動如
圖1所示。當四個滑塊沿導軌向-X方向同時運動時，可通過四條腿帶動主軸和刀具相對于工件作-X坐標運動。只要導軌足夠長，X坐標的運動行程是沒有限制的，因此，該機床既可加工小型工件，也可以加工大型工件。
(2)Y坐標運動當導軌16上的兩個滑塊12、30同時向相反方向運動(使兩滑塊間的距離增大)，而導軌14上的兩個滑塊10、24同時向相對方向運動(使兩滑塊間的距離縮小)，則通過四條腿可帶動主軸和刀具相對于工件作+Y坐標運動如圖2所示。若四個滑塊的運動與上述過程相反，主軸和刀具則相對于工件作-Y坐標運動。
(3)Z坐標運動當導軌14上的滑塊24和導軌16上的滑塊30同時向+X方向運動，而導軌14上的滑塊10和導軌16上的滑塊12同時向-X方向運動，則通過四條腿可帶動主軸和刀具相對于工件作+Z坐標運動如圖3所示。反之，主軸和刀具則相對于工件作-Z坐標運動。
(4)C坐標運動C坐標運動(主軸部件圍繞Z軸的轉動)是通過四個滑塊的協調運動來實現的。當四個滑塊按圖4方式運動時，可通過四條腿帶動主軸部件作+C坐標運動。當四個滑塊作與圖4相反的運動時，可通過四條腿帶動主軸部件作-C坐標運動。
(5)B坐標運動通過主軸部件中的伺服電機帶動電主軸單元作±90°轉動，即可實現所要求的B坐標運動。此運動與C坐標運動相配合，即可對刀具的姿態進行全方位控制。
本發明與現有技術的重大區別在于(1)常規串聯結構五坐標機床至少有五個運動環節相串聯，難以提高機床總體剛度和加工精度。本發明為一個高剛度并聯環節加一串聯環節，總體剛度大為提高，非常有利于提高加工精度和加工質量。此外，本發明的五坐標機床，僅刀具和其驅動部件運動，笨重的工件、夾具和工作臺等都不運動，因而易于實現高速高效加工。
(2)六條腿并聯機床有六個自由度(有一冗于自由度)，需六條腿同時運動來實現主軸和刀具的三坐標平移運動和三坐標旋轉運動，由于多坐標運動之間的相互制約不但大大限制了旋轉坐標的運動范圍，而且增大了設計與控制的復雜性。本發明采用四條腿，在實現三坐標平移運動的基礎上重點解決一個方向(即C坐標)的旋轉，由于沒有其它旋轉坐標運動的制約，因而易于使C坐標獲得較大的旋轉角，再加上主軸部件提供的B坐標大角度旋轉運動，可以使刀具獲得大范圍全方位運動，因而不僅可以加工更為復雜的零件，而且大大簡化了機床總體結構，有利于優化設計和高效控制。
本發明具有如下顯著效果本發明既具有結構簡單、剛度大、精度高等優點，又具有較大的加工范圍，其旋轉坐標運動范圍可達±90°，加工空間大大高于Stewart平臺五坐標機床，特別是其縱向行程可達10米以上，可以加工大型和重型復雜工件。此外，這種新型機床還可方便地組成生產線，進一步提高生產效率。
本發明可以為軍工生產、航空航天器制造及各類民用制造業提供一種重要的新裝備。由于這類機床可以進行全方位加工，因而不僅可以加工各種復雜零件，而且可以大幅度提高加工柔性和加工效率。這一新型機床的推廣應用，將為制造工業現代化，增強綜合國力作出有較大實效的貢獻。
附圖簡要說明圖1是本發明機床X坐標運動俯視示意圖。
圖2是本發明機床Y坐標運動俯視示意圖。
圖3是本發明機床Z坐標運動俯視示意圖。
圖4是本發明機床C坐標運動俯視示意圖。
圖5本發明實施例總體結構的立體示意圖。
圖6是本發明驅動腿的實施例結構示意圖。
圖7是本發明滑塊驅動裝置的實施例之一結構示意圖。
圖8是本發明滑塊驅動裝置的實施例之二結構示意圖。
圖9是本發明的主軸部件實施例結構示意圖。
本發明設計的一種復合結構五坐標數控機床結構實施例，如圖5、圖6、圖7、圖8、圖9所示，結合各圖分別描述如下本實施例的五坐標數控機床總體結構，如圖5所示。包括立柱62(共四個)置于床身64上，連接板60(左右各一塊)將前后立柱聯結為一體。該機床上部有兩條直線導軌14和16。前導軌14安裝于兩前立柱頂端，后導軌16安裝于兩后立柱頂端，兩導軌通過橫梁68(左右各一個)聯結為一體。導軌上裝有滑塊10、12、24、30，導軌和滑塊內裝有驅動電機及傳動裝置，機床的主軸部件(即旋轉頭)18通過四條腿支撐于工件22上方。每條腿由兩根(為加強剛度也可采用多根)固定長度的驅動桿26組成。驅動桿的一端通過球鉸(或虎克鉸)20與主軸部件相連接，另一端通過球鉸(或虎克鉸)28與對應的滑塊相連接。調節四個滑塊在導軌上的位置，可通過四條腿驅動主軸部件作四坐標運動。其中包括沿X、Y、Z坐標軸的平移運動和沿C坐標(圍繞Z軸)的旋轉運動。由于裝于主軸部件中的電主軸單元可作沿B坐標的旋轉運動，從而使主軸和刀具可作X、Y、Z、B、C五坐標運動，實現復雜零件的五坐標加工。
本實施例的四條腿并聯結構中，四條腿的結構完全相同，圖6是其結構示意圖。每條腿由兩根(或多根)等長度驅動桿26及其兩端的球鉸(或虎克鉸)20、28等組成。該結構中各驅動桿相互平行，并位于垂直平面內。
圖7是本發明中滑塊驅動裝置的一種實施例結構示意圖。該裝置采用伺服電機36驅動，伺服電機36通過聯軸器72帶動滾珠絲杠34旋轉。絲杠34轉動時使螺母32作直線運動，從而帶動滑塊24沿導軌14作直線運動。軸承70用于支撐絲杠并承受滑塊傳遞來的軸向力。
圖8是本發明另一形式的驅動裝置實施例示意圖。該裝置采用直線電機直接驅動，電機定子40固定于導軌14上，電機動子38固定于滑塊24上。當電機動子相對于定子運動時，即可直接帶動滑塊運動，省去了絲杠、螺母等機械傳動環節，從而有利于提高機床的進給速度和加速度，并可提高機床的加工精度。
圖9是本發明主軸部件18的實施例結構示意圖。該部件中兩套圓錐磙子軸承52安裝于支承座42下部的兩個對稱孔中。電主軸單元56支承于該軸承上。支承座42的上部裝有伺服電機44，可通過小齒形帶輪46、齒形帶48、大齒形帶輪50驅動電主軸單元56圍繞軸54作±90旋轉。
權利要求
1.一種復合式五坐標數控機床結構，包括機床框架，工作臺，設置于該工作臺上方的主軸部件，其特征在于，還包括設置于所說的機床框架上部相對位置的兩條平行的直線導軌，每個導軌上有兩個滑塊，導軌和滑塊內裝有驅動及傳動裝置，所說的主軸部件通過四條腿并聯結構支撐于工作臺上方，每條腿由一根以上同定的等長度的驅動桿組成，該驅動桿的一端與主軸部件相連接，另一端與對應的滑塊相連接。
2.如權利要求1所述的復合式五坐標數控機床結構，其特征在于，所說的四條腿并聯結構中，每條腿的驅動桿的兩端設置有球鉸或虎克鉸，各驅動桿相互平行，并位于垂直平面內。
3.如權利要求1所述的復合式五坐際數控機床結構，其特征在于，所說的驅動及傳動裝置由伺服電機驅動的絲杠、螺母組成，所說的伺服電機與絲杠相連并一起設置于導軌內，所說的滑塊與螺母相連。
4.如權利要求1所述的復合式五坐標數控機床結構，其特征在于，所說的驅動及傳動裝置采用直線電機直接驅動，由固定于導軌上的電機定子，固定于滑塊上的電機動子所組成。
5.如權利要求1所述的復合式五坐際數控機床結構，其特征在于，所說的主軸部件包括支承座，其上部裝有伺服電機，該支承座的下部裝有軸承，支承于該軸承上的電主軸單元，該伺服電機與電主軸單元分別連接有小齒形帶輪與大齒形帶輪，以及套于大小齒形帶輪的齒形帶。
全文摘要
本發明屬于機械制造自動化及數控機床領域,包括機床框架、工作臺、設置于工作臺上方的主軸部件以及設置于機床框架上部相對位置的兩條平行的直線導軌,每個導軌上有兩個滑塊,導軌和滑塊內裝有驅動及傳動裝置,主軸部件通過四條腿并聯結構支撐于工作臺上方,每條腿由一根以上等長度的驅動桿組成,驅動件的一端與主軸部件相連接,另一端與滑塊相連接。本發明結構簡單、剛度大、精度高,制造容易、生產成本低,具有大范圍加工能力等優點。
文檔編號B23Q5/34GK1251790SQ99123749
公開日2000年5月3日 申請日期1999年11月19日 優先權日1999年11月19日
發明者周凱 申請人:清華大學