具有凸轮机构的差动螺旋机构四轴机床的制作方法

本实用新型属于机械加工技术和装配领域，具体地，涉及一种具有凸轮机构的差动螺旋机构四轴机床，用于专门加工航空发动机叶片的差动螺旋机构。

背景技术：

目前的机床大多采用传统的串联系统，串联机床组成环节多，结构复杂，而且常常存在悬臂部件和和联接间隙，因此机床很难获得很高的刚度。此外串联机构的各运动平台的质量总是叠加在底层的运动平台之上，使得接近机床底座的运动部件所需的驱动力较大，串联机床的速度、加速度都得到了一定的限制。串联机构能够有效的提高机床的加速度，但是也存在一些缺点：坐标轴较多，因此编程比较复杂，操作不直观；由于杆长度大，其热变形对加工精度影响比较严重，因此目前加工精度不算太高；加工的有效空间与机床本省体积的比例不相称，也限制了其加工能力。此外还有采用虚拟轴的串并联机床，但其刚性差，运动空间小。

现有技术中，申请号为CN201310737514的中国发明专利申请公开了一种差动螺旋机构，它是由螺母旋转单元、花键套旋转单元、丝杠花键轴和机架组成；螺母旋转单元和花键套旋转单元固连在机架两端，丝杠花键轴贯穿螺母旋转单元与花键套旋转单元之间并在上述第一主轴单元和第二主轴单元之间运转。本实用新型是利用差动原理使两个相对位置确定的电机分别驱动两个不同导程的螺母，并通过这两个螺母同时驱动一个两端具有不同导程的螺杆，使螺杆同时做轴线方向的移动和绕轴线的旋转运动的差动螺旋动力头，并利用一个或多个螺旋动力头与其它移动或旋转运动单元共同构成各种形式的多轴联动机床，用两个差动螺旋动力头与一个移动运动单元构成一种全新的五轴联动叶片加工机床。

然而，该机床采用的是现有技术中通常采用的螺旋结构加以驱动，导致机床的动作行程和运动特性随时间和负荷发生无规律变化，难以确保长时间加工条件下的加工精度，螺旋结构出现故障时难以调整，而且本领域现有技术中的四轴机床采用的螺旋驱动结构的造价也较高。此外，对于加工复杂的曲面，上述申请的机床不能很好的满足要求。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的上述不足之处，本实用新型基于一种全新的机床传动方式和结构，提供了一种具有凸轮机构的差动螺旋机构四轴机床，具体方案为：

一种具有凸轮机构的差动螺旋机构四轴机床，包括：第一主轴单元和第一主轴安装工件，所述机床还包括第二主轴单元和第二主轴安装工件，且所述第一主轴安装工件和第二主轴安装工件分别安装于所述第一主轴单元和所述第二主轴单元，所述第一主轴单元包括凸轮机构、花键套旋转单元、丝杠花键轴和机架，所述第二主轴单元包括螺母旋转单元、移动导轨单元、直线轴承和丝杠轴，所述螺母旋转单元和花键套旋转单元固连在机架两端，且所述丝杠花键轴贯穿螺母旋转单元与花键套旋转单元之间，并在所述第一主轴单元和第二主轴单元之间运转，且所述凸轮机构由凸轮端盖、凸轮轴承、凸轮螺母、凸轮电机转子、滚动螺母、凸轮壳体以及凸轮电机定子组成，且所述滚动螺母和凸轮电机转子通过螺钉连接为螺母转子组件，通过凸轮轴承支撑于凸轮端盖上，凸轮端盖通过螺钉连接于凸轮壳体上，凸轮壳体又通过螺钉连接在机架上。这种连接结构的作用是利用凸轮电机转子构成的凸轮伺服电机驱动滚动螺母构成的滚动螺母机构旋转，该滚动螺母机构因具有相对丝杠的旋转运动而驱动丝杠花键轴做轴向运动。

进一步地，所述丝杠轴安装在移动导轨单元上，旋转螺母单元固连于机架上，丝杠轴上在旋转螺母单元之间运转。

进一步地，为了提高机床的刚度，第一主轴单元和第二主轴单元相对设置于左右两侧。

进一步地，所述花键套旋转单元是由第二端盖，花键套旋转单元第二轴承，滚动花键套，花键套旋转单元壳体，花键套旋转单元电机转子，花键套旋转单元电机定子组成；且所述滚动花键套和花键套旋转单元电机转子通过螺钉连接为花键套转子组件，所述滚动花键套和花键套旋转单元电机转子通过花键套旋转单元第二轴承支撑于第二端盖上，第二端盖通过螺钉连接于所述花键套旋转单元壳体上，而所述花键套旋转单元壳体通过螺钉连接于机架上。

进一步地，所述花键套转子组件通过自身具有的花键带动所述丝杠花键轴做同速回转运动。

进一步地，所述丝杠花键轴的一部分是滚动丝杠，另一部分是滚动花键，分别与滚动螺母的滚动花键啮合。

进一步地，所述机架是由焊接或铸造工艺制作的箱式金属结构件。

进一步地，所述第二主轴单元中的螺母旋转单元与所述第一主轴单元中的凸轮机构的结构相同。

进一步地，所述移动导轨单元位于机架上，以使所述第二主轴单元产生Y方向的移动。

进一步地，所述丝杠轴的一端是滚动丝杠，该滚动丝杠与滚动螺母啮合；另一端支撑于直线轴承之上。

本实用新型具有如下有益效果：

（1）选用凸轮机构来驱动，能够实现高速运转，定位准确，整机性能稳定可靠，其紧凑的结构为优化布局提供了广阔的空间。与螺旋驱动相比，凸轮的位移和时间之间的关系是确定的，无论负荷发生多少变动，凸轮机构的动作行程、同步及运动特性均保持不变，运动状态稳定可靠。

（2）电机采用无框电机驱动，没有外壳框架，可以根据结构适配自己的空间，使得结构更加紧凑，优化了结构空间。

（3）显著提高机床加速度，提高复杂曲面的加工效率和加工精度。利用差动螺旋机构可以将传统的由一个直线运动单元和一个回转运动单元组成的机构中的移动质量从一个工作台和一个电机的质量减轻为一个丝杠的质量，这种质量上的改变通常可以达到10倍到100倍，由于丝杆和花键可以集成在同一段圆柱面上，这样可以进一步减轻移动部分的质量和惯量，因此，与传统的轻量化设计等方案比较，该实用新型可以很轻松地提高机床的加速度1-2个数量级。

（4）可大幅度降低多轴机床的结构复杂程度。采用差动螺旋机构可以省去直线运动导轨，使机床成为无导轨或少导轨机床，这样可以大幅度降低机床成本。

（5）可以构造出全新的低成本高性能多轴数控机床系列。

附图说明

图1是根据本实用新型的具有凸轮机构的差动螺旋机构四轴机床的结构图。

图2是根据本实用新型的具有凸轮机构的差动螺旋机构四轴机床的传动原理图。

图中符号的意义如下：

A1螺母左轴承，A2电机转子，A3电机定子，A4滚动螺母，A5（B4）机架，A6螺母右轴承，A7滚动丝杠；

B1花键套左轴承，B2电机转子，B3电机定子，B4机架，B5花键套右轴承，B6滚动花键套，B7滚动花键轴；

C丝杠花键轴，P丝杠导程，W1螺母旋转角速度，W2花键套旋转角速度，Wc丝杠花键轴（输出轴）旋转角速度，Vc丝杠花键轴（输出轴）移动速度；

凸轮端盖101，凸轮轴承102，凸轮螺母103，凸轮电机转子104，凸轮壳体105，凸轮电机定子106；

第二端盖201，第二轴承202，滚动花键套203，第二壳体204，第二电机转子205，花键套旋转单元电机定子206，丝杠花键轴3；

端盖501，轴承502，螺母503，电机转子504，壳体505，电机定子506，机架4，移动导轨单元6，丝杠轴7，直线轴承8。

具体实施方式

根据本实用新型的优选实施例，如图1所示的具有凸轮机构的差动螺旋机构四轴机床包括：第一主轴单元和第一主轴安装工件，所述机床还包括第二主轴单元和第二主轴安装工件，且所述第一主轴安装工件和第二主轴安装工件分别安装于所述第一主轴单元和所述第二主轴单元，所述第一主轴单元包括凸轮机构、花键套旋转单元、丝杠花键轴3和机架4，所述第二主轴单元包括螺母旋转单元、移动导轨单元6、直线轴承8和丝杠轴7，所述螺母旋转单元和花键套旋转单元固连在机架4两端，且所述丝杠花键轴3贯穿螺母旋转单元与花键套旋转单元之间，并在所述第一主轴单元和第二主轴单元之间运转。

所述丝杠轴7安装在移动导轨单元6上，旋转螺母单元固连与机架4上，丝杠轴7上在旋转螺母单元之间运转。

所述凸轮机构由凸轮端盖101、凸轮轴承102、凸轮螺母103、凸轮电机转子104、滚动螺母、凸轮壳体105以及凸轮电机定子106组成，且所述滚动螺母和凸轮电机转子104通过螺钉连接为螺母转子组件，通过凸轮轴承102支撑于凸轮端盖101上，凸轮端盖101通过螺钉连接于凸轮壳体105上，凸轮壳体105又通过螺钉连接在机架4上。这种连接结构的作用是利用凸轮电机转子104构成的凸轮伺服电机驱动滚动螺母构成的滚动螺母机构旋转，该滚动螺母机构因具有相对丝杠的旋转运动而驱动丝杠花键轴3做轴向运动。

为了提高机床的刚度，第一主轴单元和第二主轴单元相对设置于左右两侧。

所述花键套旋转单元是由第二端盖201，花键套旋转单元第二轴承202，滚动花键套，花键套旋转单元壳体，花键套旋转单元电机转子，花键套旋转单元电机定子206组成；且所述滚动花键套和花键套旋转单元电机转子通过螺钉连接为花键套转子组件，所述滚动花键套和花键套旋转单元电机转子通过花键套旋转单元第二轴承202支撑于第二端盖201上，第二端盖通过螺钉连接于所述花键套旋转单元壳体上，而所述花键套旋转单元壳体通过螺钉连接于机架4上。

所述花键套转子组件通过自身具有的花键带动所述丝杠花键轴3做同速回转运动。

所述丝杠花键轴3的一部分是滚动丝杠，另一部分是滚动花键，分别与滚动螺母的滚动花键啮合。

所述机架4是由焊接或铸造工艺制作的箱式金属结构件。

所述第二主轴单元中的螺母旋转单元与所述第一主轴单元中的凸轮机构1的结构相同。

所述移动导轨单元6位于机架4上，以使所述第二主轴单元产生Y方向（即与本实用新型的机床所放置的水平面相垂直的方向）的移动。

所述丝杠轴7的一端是滚动丝杠，该滚动丝杠与滚动螺母啮合；另一端支撑于第二直线轴承之上。

第二壳体204第二电机转子205第二壳体204第二壳体204直线轴承8。

实用新型图2为上述机床的传动原理图。图中，驱动螺母的电机转子A2通过螺母左轴承A1和螺母右轴承A6支撑于机架A5上，螺母驱动电机的电机定子A3固定于机架A5上，滚动螺母A4固连于电机转子A2上，滚动丝杠A7与滚动螺母A4通过导程为P的螺旋副连接。电机转子A2以角速度W1旋转时，丝杠滚动丝杠A7可做轴线方向的移动运动。驱动花键套B5旋转的电机转子B2通过花键套左轴承B1和花键套右轴承B5支撑于机架B4上，驱动花键套B5旋转的B3为电机定子固定于机架B4，滚动花键套B6固连于电机转子B2上，滚动花键轴B7与花键套B5以滚动花键副连接。电机转子不2以角速度W2旋转时，丝杠花键轴（输出轴）C将做速度为Wc的旋转运动，且Wc=W1，而其移动速度Vc=(W1-W2)P/2/Π。即在螺母A4和花键套B5的同时驱动下，丝杠花键轴将同时输出旋转运动和直线运动，即输出一个螺旋运动。将螺母旋转单元换成凸轮圆盘就是花键凸轮丝杠的传动原理图。