专利名称：两维移动三维转动虚拟轴机床的制作方法
技术领域：
本发明属于数控机床制造技术领域，特别是涉及一种新型虚拟轴数控机床结构设计。
二、技术背景传统的数控机床采用串联式的机械结构，这种机床结构的缺点是机构笨重、零部件多、传动链长、体积庞大、结构复杂、造价昂贵，机床各部分受力、热变形不均匀，在加工过程中拉力、压力、弯矩、扭矩的共同作用下使机床产生变形、震动，加上误差累积导致加工精度的降低。此外由于部件重体积大，限制了加工过程中速度和加速度的提高。
现有的以6-SPS并联机构为原型的虚拟轴机床，由于基座与主轴动平台之间是由六条可伸缩腿联接的，由六条腿同时相互耦合地作伸缩运动来确定动平台的运动。主轴动平台的受力由六条腿分摊，所以每条腿的受力要小很多，且只受拉力或压力，不受弯矩或扭矩，因此刚度高、移动部件质量小、结构简单和相同零件数量多成为以6-SPS并联机构为原型的虚拟轴机床的突出优点。但基于6-SPS并联机构的虚拟轴机床也存在工作空间小、难以实现大倾角加工数控编程复杂和困难以及各腿之间容易发生干涉等缺点。因此，现有的虚拟轴机床不太适合加工大型、具有复杂曲面类型的零件。
发明内容
本发明设计的虚拟轴机床借鉴了传统数控机床和现有虚拟轴机床的优点，克服了现有技术的不足之处，将串联结构与并联结构有机融合，使得本虚拟轴机床具有结构简单、加工灵活、加工精度高、加工速度快、加工工艺性好、控制编程容易等优点，可以满足用户对大型包含有复杂曲面类零件的多轴联动数控加工的要求。
本发明设计的虚拟轴机床结构，包括机架、固置在机架上的固定平台、安装切削刀具的动平台、可带动被切削工件单向移动的工作台，固定平台与动平台之间通过五条腿相联形成空间并联闭链结构，五条腿均设计有配有驱动装置的移动副，其中一条腿设计有两个移动副和一个球铰，两个移动副中的一个移动副与固定平台相联，所述球铰与动平台相联，另外四条腿均设计有一个移动副，通过虎克铰或球铰与固定平台相联，通过球铰与动平台相联。通过改变五条腿的伸缩量以及与单向移动工作台的配合，可以控制动平台上刀具的位置与姿态，所说的单向移动工作台在结构上与并联闭链机构相互独立，在控制上实行联动控制。
为了更好地实现上述发明目的，还可进一步采取以下技术措施上述设计有两个移动副的一条联接腿，其中的一个移动副配有驱动装置，另一个移动副为随动移动副。将配有驱动装置的移动副设计为外移动副，通过该移动副与固定平台相联。
上述设计有一个移动副的四条联接腿，其移动副可为内移动副与外移动副中的一种，移动副配有驱动装置。
上述五条联接腿中的驱动装置可为液压油缸驱动装置与伺服电机和传动丝杠螺母构成的驱动装置中的一种。
上述所说的动平台，其中心设计有用于安装主轴驱动装置(15)的空腔。
上述所说的单向移动工作台，其运动机构由伺服电机、导轨、滚珠丝杠、滚珠螺母等组成，可带动被切削工件沿Y轴方向平动。
联接固定平台与动平台的五条联接腿均为可伸缩的一条腿，一条腿设计有两个移动副，一个移动副为配有驱动装置的外移动副，另一个移动副为随动内移动副，另外4条腿均设计有一个配有驱动装置的内移动副。
联接固定平台与动平台的五条联接腿也可设计成如下结构形式设计有两个移动副的一条腿为可伸缩的联接腿，另外四条腿均由定长杆和一个外移动副构成，所说的外移动副由设置在机架上的导轨、丝杠以及与导轨和丝杠相配置的螺母滑块构成，定长杆一端通过虎克铰与螺母相联，另一端通过球铰与动平台相联。
本发明具有以下的优点与效果1、固定平台与动平台之间通过五条腿相联，形成了空间并联闭链结构，该框架结构具有较高的刚度，可以大大减小由于机床受力变形引起的加工误差，从而有效地保证了机床的加工精度。在保证相同刚度的情况下，机床的重量也将大为减轻。
2、切削力由五条腿分担，加上动平台上铰接点的布局所固有的稳定性，使该结构具有良好的结构抗震性和切削稳定性。
3、本结构动平台的灵活性好，可以获得较大的姿态角，可以实现大倾角加工。使得本机床适用面更广，加工能力更强。
4、将横向往复进给运动从并联闭链机构的运动中分离出来，并联闭链机构仅实现刀具的姿态以及X、Z方向的位移，而Y方向的位移由单向移动工作台来实现。因此，拓展了机床的工作空间，同时使得机床操纵方便、装夹灵活。
5、动平台的中心设计有用于安装主轴电机的空腔，减少了动平台的质量，有利于改善动平台的动态性能。
6、由于移动副、虎克铰和球铰都易于制造，可达到很高的制造精度，从而有效地保证机床的装配精度。加上有四条腿结构相同，动平台的结构也较简单，因此给本机床的加工制造、安装带来了方便，便于标准化专业化生产。
7、本发明的虚拟轴机床与6-SPS类型的虚拟轴机床相比具有工作空间大、可以实现大倾角加工以及数控编程容易等优点，因此给本虚拟轴机床的使用带来了许多方便。
8、由于本虚拟轴机床的工作台可以采用传统数控机床的工作台，因此本虚拟轴机床的制造可以通过对传统数控机床的改造实现，可以降低制造成本，便于迅速产业化。
综上所述，本发明的主要特征体现在并联闭链框架结构、结构抗震、切削稳定、可实现大倾角加工、灵活性好、结构简单、制造容易、控制方便、数控编程容易、可对现有数控机床技术改造实现等八个方面。
本发明的虚拟轴机床的原型为空间并联机构，较目前流行的虚拟轴机床的原型，即6-SPS机构在结构上简单，容易进行深入的理论分析、结构优化设计，也给机床的数控编程带来了许多方便，进一步可开发面向此类虚拟轴机床的CAD/CAM系统，为该虚拟轴机床的应用带来便利。
四
附图简要说明附图1为本发明的结构原理示意图。
附图2为本发明第1个实施例的总体结构示意图。
附图3为本发明第2个实施例的总体结构示意图。
附图4为本发明联接腿(10)中的随动移动副和球铰的结构示意图。
附图5为图4中A-A向断面结构示意图。
附图6为与固定平台相联的外移动副剖视结构示意图。
附图7为附图6中的B-B向断面结构示意图。
附图8为附图6中的移动副的俯视图。
附图9为图2中含有一个移动副的联接腿9的外形图。
附图10为图9中C-C向断面结构示意图。
附图11为附图9中联接腿的剖视结构示意图。
五具体实施例方式
下面结合附图，详细介绍本发明的2个基于五自由度并联机构的虚拟轴机床实施例的结构及工作原理。
实验例1实施例1的原理如附图1所示，总体结构如图2所示。本实施例的虚拟轴机床由机架6、固置在机架上的固定平台7、安装切削刀具的动平台11、可带动工件沿Y方向移动的工作台12，以及两端分别联接着固定平台与动平台的5条联接腿构成。5条联接腿与动平台和固定平台构成空间并联闭链结构。其中联接腿10设计有两个移动副，其中的一个移动副为外移动副4，由伺服电机8作为驱动装置，通过该移动副的构件与固定平台7相联。该联接腿在外移动副4的作用下，可进行沿X方向平动和伸缩运动。另外一个移动副是随动内移动副，该腿与动平台11通过球铰相联。另外四条结构相同的联接腿9与固定平台7通过虎克铰相联，与动平台11通过球铰相联，该4条腿均设计有一个移动副，该移动副为配有驱动装置的内移动副，在移动副的作用下伸缩运动。带着工件沿Y方向移动的工作台12安置在机架6的底部，由伺服电机13、滚球丝杠螺母传动机构带动运动。切削刀具在伺服电机15和传动主轴的驱动下作切削运动。改变5条腿的伸缩量，动平台上的刀具可以实现不同空间位置和姿态。空间并联闭链框架结构加上动平台上铰接点的布局所固有的稳定性，使该结构具有良好的刚性、结构抗震性和切削稳定性。
含有两个移动副的一条联接腿10，其腿体部分的结构如附图4和附图5所示，由与动平台相联的铰球3、圆柱缸体21，和可在缸体21内可伸缩滑动的滑轴22构成，铰球3固置在圆柱缸体21的一端，滑轴22的外端设计有与外移动副4相联接的结构。缸体21与滑轴构成该腿的内移动副，与固定平台7相联的外移动副4，其结构如附图6、附图7和附图8所示，由圆柱缸体25，通过轴承安置在圆柱缸体25内的滚珠丝杆26，滚珠螺母27，伺服电机8以及联轴器24构成，滚珠螺母27上设计有联接结构可以与随动副的滑轴联成一体。工作时，滚珠螺母27在滚珠丝杆的带动下移动，从而带动伸缩腿10在X方向运动。
设计有1个内移动副的4条结构相同的联接腿9，具体结构如附图9、附图10和附图11所示。2是伺服电机，可以驱动安装在轴承上的滚珠丝杠5按照要求作旋转运动，伺服电机2与滚珠丝杠5通过联轴器相联。伺服电机2安装在圆柱缸体内。滚珠螺母29与直线导向套杆23安装在一起，直线导向套杆23与端盖28安装在圆柱缸体内。直线导向套杆23在导向槽约束下，只能沿轴向作直线运动而不能绕轴线作回转运动。因此当伺服电机带动滚珠丝杆5旋转时，直线导向套杆23就在滚珠螺母29的带动下沿轴向作伸缩运动。与端盖28固置在一起的球铰用于联接动平台。与圆柱缸体固置在一起的虎克铰1用于联接固定平台。
机床的工作过程被加工工件固定在工作台12的台面上，五条腿在伺服电机的驱动下可作伸缩运动，使得动平台11上的切削刀具获得二维移动和三维转动的运动，即沿X、Z轴方向的平动以及绕X、Y、Z轴的转动。工作台12在伺服电机13的驱动下，可作沿Y轴方向的往复运动。以上两个运动的合成，机床便实现了带动切削刀具作相对于工件的联动加工运动。切削刀具在主轴电机15的驱动下作旋转切削运动，从而实现对任意曲面的加工。
实施例2本实施例的虚拟轴机床的总体结构如附图3所示，其整体结构和含有两个移动副的一条联接腿10的结构都与实施例1相同，所不同的是设计有一个移动副的结构相同的4条腿，该结构腿均由定长杆19和一个外移动副构成，外移动副由设置在机架6上的导轨20，滚珠丝杠18以及与导轨、滚珠丝杠相配置的滚珠螺母滑块17构成，滑块17在伺服电机16和滚珠丝杠18的带动下可沿导轨上下滑动。定长杆19的一端通过虎克铰与滑块17相联，另一端通过球铰与动平台11相联。本实施例同样可使动平台上的切削刀具获得二维移动和三维转动的运动。
本发明的结构形式不限于上述实施例所描述的形式。
权利要求
1.一种两维移动三维转动虚拟轴机床，包括机架(6)、固置在机架上的固定平台(7)、安装切削刀具(14)的动平台(11)、可带动被切削工件单向移动的工作台(12)，其特征在于，固定平台与动平台之间通过五条腿相联形成空间并联闭链结构，五条腿均设计有配有驱动装置的移动副，其中一条腿(10)设计有两个移动副和一个球铰，两个移动副中的一个移动副与固定平台(7)相联，通过球铰与动平台相联，另外四条腿(9)均设计有一个移动副，通过虎克铰或球铰与固定平台(7)相联，通过球铰与动平台相联，所说的单向移动工作台(12)在结构上与并联闭链机构相互独立，在控制上实行联动控制。
2.如权利要求1所述的虚拟轴机床，其特征在于设计有两个移动副的一条联接腿(10)，其中一个移动副配有驱动装置(8)，另一个移动副为随动移动副。
3.如权利要求2所述的虚拟轴机床，其特征在于设计有两个移动副的一条腿(10)，其配有驱动装置的移动副(4)为外移动副，通过该移动副与固定平台相联。
4.如权利要求3所述的虚拟轴机床，其特征在于均设计有一个移动副的四条腿(9)，其移动副可为内移动副与外移动副中的一种，移动副配有驱动装置。
5.如权利要求4所述的虚拟轴机床，其特征在于所说的五条腿的驱动装置可为液压油缸驱动装置与伺服电机和传动丝杠螺母构成的驱动装置中的一种。
6.如权利要求5所述的虚拟轴机床，其特征在于动平台(11)的中心设计有用于安装主轴驱动装置(15)的空腔。
7.如权利要求6所述的虚拟轴机床，其特征在于所说的单向移动工作台(12)的运动机构由伺服电机(13)、导轨、滚珠丝杠、滚珠螺母等组成，可带动被切削工件沿Y轴方向平动。
8.如权利要求7所述的虚拟轴机床，其特征在于所说的五条腿均为可伸缩的腿，其中一条腿设计有两个移动副，外移动副(4)配有驱动装置，另一个移动副为随动内移动副，另外4条腿均设计有一个配有驱动装置的内移动副。
9.如权利要求7所述的虚拟轴机床，其特征在于设计有两个移动副的一条腿为可伸缩的联接腿，其配有驱动装置的移动副为外移动副，另一个移动副为随动内移动副，另外四条腿均由定长杆(19)和一个外移动副构成，所说的外移动副由设置在机架上的导轨(20)、丝杠(18)以及与导轨和丝杠相配置的螺母滑块(17)构成，定长杆一端通过虎克铰与螺母相联，定长杆的另一端通过球铰与动平台相联。
全文摘要
本发明属机械制造技术领域。包括固定平台、安装切削刀具的动平台、可带动被切削工件单向移动的工作台。固定平台与动平台之间通过含有移动副五条腿相联，其中一条腿包含有两个移动副和一个球铰，移动副之一与固定平台相联，该腿与动平台通过球铰相联；另外四条腿与固定平台之间通过虎克铰相联，与动平台之间通过球铰相联。通过改变五条腿的伸缩量以及与单向移动工作台的配合可以实现动平台上刀具的位置和姿态，从而实现五轴联动加工。该发明具有结构简单、制造容易、成本低、加工工艺性好、结构抗震性与切削稳定性好、加工精度高、刀具作业灵活、可以实现大倾角加工以及数控编程容易等优点。
文档编号B23Q41/04GK1410224SQ0112890
公开日2003年4月16日 申请日期2001年9月27日 优先权日2001年9月27日
发明者徐礼钜, 范守文, 李翔龙, 田贵云 申请人:四川大学