专利名称：龙门型并联式五轴工具机的制作方法
技术领域：
本实用新型是关于一种龙门型并联式五轴工具机，特别是指一种由并联式空间连杆机构与龙门型机架配合构成一至少具有五维运动方向而能进行高效率加工的工具机的技术。
串联式机构的主要缺点，是悬臂较长，造成结构负荷流线长(longloading path)、刚性不足、结构易受弯矩负荷变形及结构为热不对称设计(thermally non-symmetric structure)等问题，这些问题也往往造成系统的动态频宽受到限制，不利于高速化，而目前常见的解决方式，多加以粗加工其结构来解决，这种方式，不但造成必须以较大的驱动源来推动进给机构，也提高了制造成本高，并造成大量的能源消耗；另一方面，虽然现代的电脑数值控制(Computer Numerical Control，CNC)已经能够藉助电脑技术，以误差补偿方式(error compensation)来降低机器的几何误差和热变形，虽然此种利用软件来补偿机器误差的方式，可以让串联构造工具机，以较低成本的软件技术来提高机器精度，但误差补偿技术的成功前提，在于机器必须具有足够的重复性(repeatability)，亦即机器必须具有足够的刚性及低热变形等，而这些特点在目前串联构造工具机上都很难达到。
又，在传统架构中的龙门型五轴工具机刚性最低而且成本最高的组件，就是具有两个旋转轴的主轴头，以致以串联式进给机构应用在龙门型五轴工具机的设计与制造上，常遇到的问题多是在五轴头的刚性不足及难以高速化，而且其制造组装所需要的技术层次相当高，所以使得龙门型五轴工具机的售价居高不下，而如果能提高龙门型五轴工具机主轴头的刚性与降低成本，将会使得国内的龙门型五轴工具机更具有竞争力。
由此可见，上述习用物品仍有设计不足之处，实非一完善的设计者，而亟符加以改良。
本创作人鉴于上述现有的龙门型五轴工具机所衍生的各项缺点，乃亟思加以改良创新，并经多年苦心孤诣潜心研究后，终于成功研发完成本件龙门型并联式五轴工具机。
本实用新型的内容木实用新型的目的即在于提供一种龙门型并联式五轴工具机，是由将并联式空间连杆机构结合于各式类型的龙门型架构工具机，而改善传统龙门型多轴串联式工具机的较长悬臂所造成的负荷流线长、刚性不足、结构易受弯矩负荷变形及热不对称等问题，更可由本实用新型的龙门型并联式五轴工具机高刚性、低惯量、结构间单且易于组装及特别适用于高速化的进给机构的特性，并提高加工时的动频宽及精密度。
本实用新型主要是将本申请人所提出的“混合机构式多轴工具机”(中国台湾实用新型专利公告第363480号案，美国实用新型专利US6,048,143)内的“并联式空间连杆机构”技术，配合运用到各式龙门型机架结构的一项技术，由并联式空间连杆机构的高刚性及低惯量的特性，更有利应用于龙门型工具的高速化进给机构；可达成本实用新型目的的龙门型并联式五轴工具机，至少包括有一基板，该基板的一面，至少设置有两平行的线性滑轨；一工作承台，该工作承台朝向基板的一面，至少设有两滑槽；一机架，是由至少一个机台与两机柱所组成，该两机柱的一端部，平行固设于基板的两侧，两机柱的另一端部的端面，则各设有一线性滑轨，另外，该机台的两侧各设置有一滑槽；一并联式空间连杆机构，是由复数个直线进给模组以并联的方式连结一基座所构成，其中每一个直线进给模组均以一可枢转的方式与该基座结合，且该复数个直线进给模组结合于基座的位置，并不在同一点上；一加工模组，设置于基座朝向工件承台的一侧面上；一进给轴机构；以及一控制器。
其中每一组直线进给模组至少包括有一线性滑轨，一滑座及一连杆，该连杆的一端，是枢接于该滑座上，该连杆的另一端亦以可枢转的方式连结于基座上。
其中该并联式空间连杆机构的复数个直线进给模组的各线性滑轨，是固设于一导引护罩壳体内，该导引护罩的一端，是固设于朝向机台的一侧，导引护罩的另一端则向基板延伸。
其中该并联式空间连杆机构的复数个直线进给模组的各线性滑轨，是固设于一导引护罩壳体内，该导引护罩的一端，是固设于朝向机台的一侧，导引护罩的另一端则向基板延伸。
其中该连杆与滑座枢接的方式，是由在连杆与滑座连接的一端设置有一轴，并于滑座上设有一个可与该轴对应配合的轴承。
其中该连杆与基座的连结方式，是在连杆与基座连结处设置有一万向轴节，该万向轴节是由两组轴心相交的轴与轴承所组成。
其中该连杆与基座的连结方式，是在连杆与基座连结处设置有一球形关节。
其中该并联式空间连杆机构的复数个直线进给模组的数量，是为三组，该三组的直线进给模组的线性滑轨，是相互等距并平设置于导引护罩壳体内，并且，该并联式空间连杆机构的三组连杆，是结合于基座的周缘的不同点上，并相互等距分开。
其中该加工模组是为一切削主轴，其一端设有刀具。
其中该基板、工作承台、机架及导引护罩的组立方式，可由另一组立方式，与并联式空间连杆机构组合，即，该工作承台是固设于基板的一面，该两机柱的一端部，平行固设于基板的两侧，两机柱的另一端部的端面，则各设有一线性滑轨，该两线性滑轨可各别配合两设于机台的滑槽，而该机台于设有滑槽的另一面，则设有另两线性滑轨，该两线性滑轨与设于机柱的两线性滑轨，在XY轴投影平面上相互垂直，该设于机台的两线性滑轨，配合于两设于导引护罩的滑槽。
其中该机架的机台与机柱成型为一体的冂型机架，并另于该基板朝向冂型机架的一面，设有两线性滑轨，该两线性滑轨与设于机台的两线性滑轨，在XY轴投影平面上相互垂直，该两线性滑轨配合于两设于工作承台底部的滑槽。
具体实施方式
请同时参阅图2、图3及图4，图2为本实用新型的龙门型并联式五轴工具机的立体视图(此亦为本实用新型的较佳实施例视图)，图3为该龙门型并联式五轴工具机的立体分解视图，图4为该龙门型并联式五轴工具机的并联式空间连杆机构立体视图；本实用新型主要是由一基板1(该基板1亦可视为供本实用新型的其它结构装置基准的一固定地面)、一工作承台2、一机架3、一导引护罩4、一并联式空间连杆机构5、一加工模组6、一进给轴机构7及一控制器8所组成，该基板1的一面，至少设置有两平行的线性滑轨11，该工作承台2朝向基板1的一面，则至少设有两滑槽21，由该两滑槽21配合于基板1所设的两线性滑轨11，进而可使该工作承台2可相对于基板1做一线性运动，该机架3是由一机台31及两机柱32及33所组成，该两机柱32及33的一端部321及331，是相互平行固设于基板1的两侧，而该两机柱32及33另一端部322及332的端面323及333，则各设有一线性滑轨324及334，另外，该机台31的两侧，各设置有一滑槽311及312，由该两滑槽311及312则可分别配合于两机柱32及33所设的两线性滑轨324及334，再由进给轴机构7驱动机台31，使得该机台31可由滑槽311及312的导引，相对于机柱32及33做一Y轴方向的线性运动，该导引护罩4是为一壳体，其一端固设于机台31朝向基板1的一侧，该导引护罩4的另一端，则向基板1方向延伸，而该并联式空间连杆机构5，是设置于导引护罩4内，该并联式空间连杆机构5，是由三个直线进给模组51以并联的方式连结一基座54所构成，其中每一个直线进给模组51均以一可枢转的方式与该基座54结合，且该三个直线进给模组51，结合于基座1的位置并不在同一点上，而由此三个直线进给模组51，可驱动各基座54，做的轴方向的线性运动，及至少做二维旋转的运动(如图4A/C轴所示)，该加工模组6，设置于基座1朝向工件承台2的一侧面上，该进给轴机构7，分别用于驱动上述的机台31、工作承台2的滑槽机构，如滑槽21、311及312，而使各滑槽21、311及312可于该滑槽21、311及312所配合的线性滑轨11、324及334上，进行一维方向(X轴或Y轴)的线性运动，而该进给轴机构7驱动机台31或工作承台2的运动方式，可为螺杆驱动机构71(即以一伺服马达711传动一导螺杆712而可推动机台31或工作承台2)或油压驱动机构72(即由控制油压回路721的方式，使油压缸722带动传动杆723，而可推动机台31或工作承台2)为之，请配合参看图4(A)及(B)；该控制器8是用于控制并协调并联式空间连杆机构5的直线进给模组51及进给轴机构7的动作，以改变基座54的空间方位，进而控制加工模组6与工作承台2之间的相对空间位置。
请再参看图4，本实用新型的并联式空间连杆机构5的每组直线进给模组51(在此仅述及单一的直线进给模组51，而直线进给模组51为复数时，其每个直线进给模组51的相对构件皆相同)，包括有一线性滑轨511，一滑座512、一连杆513，该每一线性滑轨511，是相互分开且平行延伸固设于导引护罩4的壳体内，该各连杆513，是结合于基座54的周缘的不同位置上，且相互等距分开，该滑座512可沿该线性滑轨511做线性运动(如图中所示的Z1轴、Z2轴及Z3轴的方向)，该连杆513的一端，是枢接于该滑座512上且至少可做一维方向的枢转运动，该连杆513的另一端亦以可枢转的方式连结于基座54上，而由此三个直线进给模组51的各连杆513分别连结于基座54的不同点位置，再配合各滑座512于其配合的线性滑轨511上做线性移动，而可使基座54进行至少一维的平移(Z轴方向)及两维旋转(A/C轴)的三维运动，而直线进给模组51控制驱动滑座512于线性滑轨511做线性运动的方式，可为螺杆驱动机构52(即以一伺服马达521传动一导螺杆522而可推动机台31或工作承台2)或油压驱动机构53(即由控制油压回路531的方式，使油压缸532带动传动杆533，而可推动机台31或工作承台2)为之，请配合参看图四(C)及(D)。
如上所述，该个直线进给模组51的连杆513与滑座512枢接的方式，是由在连杆513与滑座512连接的一端设置有一轴514，并于滑座512上设有一个可与该轴514对应配合的轴承515，由轴514与轴承515的滚动配合，达到使连杆513的另一端，以该滑座512为支点，进行至少一维方向的枢转运动；另外，该连杆513与基座54的连结方式，则在连杆513与基座54连结处，设置有一万向轴节516，该万向轴节516，是由两组轴心相交的轴与轴承所组成，由万向轴节516连结，可达到以连杆513与基座54连结处为支点，使基座54进行至少二维方向的旋转运动；而另一种亦能达到万向轴节516功能的连结方式，是在连杆513与基座54连结处设置一球形关节，由该球形关节设置，同样可达到以连杆513与基座54连结处为支点，使基座54进行至少二维方向的旋转运动。
请参看图2及图4，并联式连杆机构5主要是由三组可上下直线运动的滑座512，以枢接的方式结合在滑座512上的连杆513及加工模组6和三组介于加工模组6与连杆513之间的万向轴节516所组成，当三个滑座512有着不同移动速度或方向(Z1、Z2及Z3)时，则将会使得加工模组6产生由万向轴节516所组成A/C轴旋向配合，而产生在空间的偏转运动，由控制器8将加工资料(如加工位置、刀具补偿等资讯)，可控制进给轴机构7传动机台31及工作承台2，使加工模组6相对于工件9产生XY平面的二维空间位置变化，若控制器8再配合控制并联式连杆机构5进行Z轴(即滑座512在Z1、Z2及Z3轴方向的相同位移量或速度)及A/C轴(即滑座512在Z1、Z2及Z3轴方向的不同位移量或速度)时，则将会使得加工模组6产生相对于工件9的垂直(Z轴)及A/C轴方向的偏转运动，如此，由上述的控制方式，可使本实用新型的龙门型并联式五轴工具机对工件9进行至少五维方位的加工。
请再参看图5及图6，图5为该龙门型并联式五轴工具机的第二实施例视图，图6为该龙门型并联式五轴工具机的第三实施例视图；本实用新型可由变化前述的基板1、工作承台2、机架3及导引护罩4的组立形态，与并联式空间连杆机构5变化组合，能更发挥并联式空间连杆机构5的效能。如图5所示，该机架3a的工作承台2a是固设于基板1a的一面，该两机柱32a及33a的一端部321a及331a，是平行固设于基板1a的两侧，两机柱32a及33a的另一端部322a及332a的端面323a及333a，则各设有一线性滑轨324a及334a，该两线性滑轨324a及334a可各别配合两设于机台31a的滑槽311a及312a，使得该机台31a可做一维线性运动(Y轴方向)，而该机台31a于设有滑槽311a及312a的另一面，则设有另两线性滑轨34及35，该两线性滑轨34及35与设于机柱32a及33a的两线性滑轨324a及334a，在XY轴投影平面上相互垂直，该设于机台31a的两线性滑轨34及35，配合于两设于导引护罩4a的滑槽34a及35a(此时原来固设于机台31的导引护罩4是与机台31分离，滑槽34a及35a设于原来固设机舍31的一端，并可配合设于机台31a的两线性滑轨34及35)，由导引护罩4a所设的两滑槽34a及35a配合设于机台31a的两线性滑轨34及35，可使导引护罩4a做一维线性运动(X轴方向)；又，如上述的结构组合方式，可做其另一变化(请参看图6)，即，该机架3a的机台31a与机柱32a及33a成型为一体的冂型机架3b，并另于该基板1b朝向冂型机架3b的一面，设有两线性滑轨11b，该两线性滑轨11b与设于原来机台31a的两线性滑轨34及35，在XY轴投影平面上相互垂直，该两线性滑轨配11b合于两设于工作承台2b底部的滑槽21b，藉由工作承台2b底哪所设的两滑槽21b配合于基板1b所设的两线性滑轨11b，可使工作承台26做一维线性运动(X轴方向)。
本实用新型所提供的龙门型并联式五轴工具机，与前述其他习用技术相互比较时，更具有下列的优点(1)由以并联式空间连杆机构取代龙门型五轴工具机的主轴头构造的方式，不会产生像传统工具机会累积各驱动轴误差，甚至几何误差还有平均化的效果，因此容易达成高精密度及提升复杂曲面加工能力。
(2)驱动轴大部份承受轴向应力，机器刚性高。
(3)为热对称结构设计(thermal symmetric structure)热变形量较小。
(4)并联机构由于结构上以承受轴向应力为主，因此在荷重能力要比串联机构强，且误差比较小、结构刚性比较好。
(5)本实用新型的工具机成本较传统五轴工具机少，极具产业上的竞争性。
上列详细说明是针对本实用新型的一可行实施例的具体说明，惟该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所为的等效实施或变更，例如变化并联式空间连杆机构的直线进给模组数量等变化的等效性实施例，均应包含于本实用新型的专利范围中。
权利要求1.一种龙门型并联式五轴工具机，其特征在于，至少包括一基板，该基板的一面，至少设置有两平行的线性滑轨；一工作承台，该工作承台朝向基板的一面，至少设有两滑槽；一机架，是由至少一个机台与两机柱所组成，该两机柱的一端部，平行固设于基板的两侧，两机柱的另一端部的端面，则各设有一线性滑轨，另外，该机台的两侧各设置有一滑槽；一并联式空间连杆机构，是由复数个直线进给模组以并联的方式连结一基座所构成，其中每一个直线进给模组均以一可枢转的方式与该基座结合，且该复数个直线进给模组结合于基座的位置，并不在同一点上；一加工模组，设置于基座朝向工件承台的一侧面上；一进给轴机构；以及一控制器。
2.按权利要求1所述的龙门型并联式五轴工具机，其特征在于，其中每一组直线进给模组至少包括有一线性滑轨，一滑座及一连杆，该连杆的一端，是枢接于该滑座上，该连杆的另一端亦以可枢转的方式连结于基座上。
3.按权利要求1所述的龙门型并联式五轴工具机，其特征在于，其中该并联式空间连杆机构的复数个直线进给模组的各线性滑轨，是固设于一导引护罩壳体内，该导引护罩的一端，是固设于朝向机台的一侧，导引护罩的另一端则向基板延伸。
4.按权利要求2所述的龙门型并联式五轴工具机，其特征在于，其中该并联式空间连杆机构的复数个直线进给模组的各线性滑轨，是固设于一导引护罩壳体内，该导引护罩的一端，是固设于朝向机台的一侧，导引护罩的另一端则向基板延伸。
5.按权利要求2所述的龙门型并联式五轴工具机，其特征在于，其中该连杆与滑座枢接的方式，是由在连杆与滑座连接的一端设置有一轴，并于滑座上设有一个可与该轴对应配合的轴承。
6.按权利要求2所述的龙门型并联式五轴工具机，其特征在于，其中该连杆与基座的连结方式，是在连杆与基座连结处设置有一万向轴节，该万向轴节是由两组轴心相交的轴与轴承所组成。
7.按权利要求2所述的龙门型并联式五轴工具机，其特征在于，其中该连杆与基座的连结方式，是在连杆与基座连结处设置有一球形关节。
8.按权利要求1所述的龙门型并联式五轴工具机，其特征在于，其中该并联式空间连杆机构的复数个直线进给模组的数量，是为三组，该三组的直线进给模组的线性滑轨，是相互等距并平设置于导引护罩壳体内，并且，该并联式空间连杆机构的三组连杆，是结合于基座的周缘的不同点上，并相互等距分开。
9.按权利要求1所述的龙门型并联式五轴工具机，其特征在于，其中该加工模组是为一切削主轴，其一端设有刀具。
10.按权利要求1所述的龙门型并联式五轴工具机，其特征在于，其中该基板、工作承台、机架及导引护罩的组立方式，可由另一组立方式，与并联式空间连杆机构组合，即，该工作承台是固设于基板的一面，该两机柱的一端部，平行固设于基板的两侧，两机柱的另一端部的端面，则各设有一线性滑轨，该两线性滑轨可各别配合两设于机台的滑槽，而该机台于设有滑槽的另一面，则设有另两线性滑轨，该两线性滑轨与设于机柱的两线性滑轨，在XY轴投影平面上相互垂直，该设于机台的两线性滑轨，配合于两设于导引护罩的滑槽。
11.按权利要求10所述的龙门型并联式五轴工具机，其特征在于，其中该机架的机台与机柱成型为一体的冂型机架，并另于该基板朝向冂型机架的一面，设有两线性滑轨，该两线性滑轨与设于机台的两线性滑轨，在XY轴投影平面上相互垂直，该两线性滑轨配合于两设于工作承台底部的滑槽。
专利摘要一种龙门型并联式五轴工具机,主要是由一机架、一并联式空间连杆机构、一进给轴机构及一控制器单元所组成;该并联式空间连杆机构是由三组直线进给模组以可枢转的连结方式,并联连结一基座所构成,而由直线进给模组的可枢动基座,来进行一维线性及两维旋转的运动,并另由控制器单元运算并控制进给轴机构,可使固设于机架的并联式空间连杆机构,同时进行二维平面空间的运动,而能更有效率并精确地进行加工的工具机。
文档编号B23Q41/00GK2500427SQ0127014
公开日2002年7月17日 申请日期2001年11月5日 优先权日2001年11月5日
发明者张灿辉, 陈冠文, 康兆安 申请人:财团法人工业技术研究院