专利名称：双八面体框架式虚拟轴机床结构的制作方法
技术领域：
本发明属机械制造技术领域，特别涉及一种具有综合功能的虚拟轴机床的结构设计。
在机械制造领域中，传统的机器结构例如切削机床，都具有固定的导轨，它们的基本运动方式是使刀具或工件沿着固定的导轨运动。传统设备共有的这种运动模式带来了许多固有的缺陷其一、传统机床必须具有高刚度的粗笨沉重的床身、立柱等支撑构件和高精度的固定于支撑构件的导轨系统，致使机床重量大、价格高、搬运移动困难。
其二、切削刀具只能沿固定导轨给定的方向实现加工进给运动，限制了刀具作业的灵活性，串联式的机械结构设计使空间运动需靠每个方向运动的相互迭加来实现，易产生误差积累，降低了终端精度。
目前，国内外的机床行业，面对日益复杂的加工形状和特殊的加工要求，采取了各种相应的对策。为满足现代加工对象的要求，传统机床需要借助更为复杂笨重的自身结构和造价昂贵的工装夹具才能完成任务。其结果是制造周期长、成本高和制造质量难以保证。近几年出现了一种虚拟轴机床，采用了6个并联可实施控制的伸缩轴，取代了传统的固定导轨系统；采用框架结构，取代了传统的床身、立柱等笨重构件。
传统数控机床的控制系统是针对直角坐标系而言的，即X、Y、Z三个移动自由度和A、B、C三个转动自由度，每一个导轨系统的运动对应其中的一个自由度。而虚拟轴机床的控制器是针对六个可控轴的控制而言的。对于刀具的某一种空间位姿要求，存在相应的六个伸缩轴的长度值与之相对应。即虚拟轴机床是通过对六个可控轴的实际长度的控制来实现加工要求的。用直角坐标系描述的刀具位姿，对该机床来说成了对虚拟轴系的描述，而六个伸缩轴的长度才是它的实际控制轴，所以称为虚拟轴机床。该机床提供了一种全新的加工设备，从根本上改变了刀具和工件的相对运动模式，增加了刀具作业运动的柔性，使设备具有更大的工艺灵活性和控制机动性。
国外现有技术的典型例子是美国INGERSOLL公司的六轴机床，(美国专利5,392,663)，它具有单独的八面体框架支撑结构，6个可控伸缩轴上端分别与八面体框架的顶部节点相联，下端与安装刀具的主轴用的动平台相联。
在该专利中描述的伸缩轴结构复杂，一端为球铰，另一端为驱动电机，与框架顶部连接的是固定在可控伸缩轴中部外面的大球体。安装制造困难复杂，相对来说缩短了可控伸缩轴的有效长度，限制了加工范围的可达域。
另外在该美国专利中，只提出了机床的单八面体框架，用来安装伸缩轴、动平台和工作台。而工作台依靠变截面的梁来支撑，其缺陷在于未能使工艺系统完全由二力杆组成，限制了机床刚度的提高。
由于这种类型机床的加工范围是随垂直方向(正向)变化的，只是在一个固定的正值上有一个最大的加工范围，而随着这个正值的增大和减小，其加工范围都将随之缩小。
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，采用并联闭链机构方式设计出一种具有切削、移载、装配等多种功能虚拟轴的机床结构，使其具有更好的刚性、更高的精度和更快的进给速度。并且提高机床加工过程的灵活性和机动性。
本发明设计的一种双八面体框架式虚拟轴机床结构，包括6个可控的伸缩轴，装有切削刀具的动平台和装有工件的静工作台，支撑及联接所说伸缩轴和动平台的框架，其特征在于，所说的框架为由二力杆组成相互联接的大小双八面体结构，其中大八面体包括由12个杆组成的顶部三角形框，与该顶部三角形平行且顶角错位60°角的底部三角形框，及将一个三角形每一个顶点与另一个三角形相邻的两个顶点接在一起的边框；小八面体包括由3个杆组成的支撑工作台的小三角形框，及由6根杆组成的将小三角形框的每个顶角分别与所说的底部三角形相邻两个顶角相连接的边框以及底部三角形框；所说的可控伸缩轴的固定端与所说的大八面体框架相连，其伸缩端与所说的动平台相连；本发明所说的小三角形框可位于所说的顶部三角形框及底部三角形框之中，形成内嵌式双八面体框架结构。所说的小三角形框也可位于底部三角形框之下，形成外挂式双八面体框架结构。所说的可控伸缩轴由一端开口的圆柱形外壳，依次安装在外壳内的伺服电机，中空的直线导杆，插入导杆中受电机驱动的滚珠丝杠和滚珠螺母及将直线导杆和滚珠螺母固定在一起的联接器；直线导杆一端伸出外壳之外形成伸缩端其端面为一球铰与所说动平台相连，外壳的封闭端为固定端，其端面固定一虚支铰与所说的框架顶部相连。所说的工作台，还可包括与之相联的升降装置，该升降装置由支架及安装在支架上的多条直线导套，插入导套中的多个直线导轨及一个滚珠丝杠和与之相配的滚珠螺母以及带动滚珠螺母旋转的伺服电机。
本发明的内容体现在可控伸缩轴的结构、双八面体机床框架和附加工作台升降系统等三个方面。
下面结合附图，详细介绍本发明的内容。
图1为本发明伸缩轴结构示意图，图中，28是伺服电机，可以驱动安装在轴承26上的滚珠丝杠16按照要求作旋转运动。轴承26和伺服电机28都安装在箱体24内。直线导套14固定在外壁22上，外壁22又固定在箱体24上，因此直线导套14与箱体24外壁22之间没有相对运动。直线导杆12在直线导套14的约束下只能沿轴向做直线运动而不能绕轴线转动。联结器18把直线导杆12和滚珠螺母20固定到一起，因此滚珠螺母20也不能绕轴线转动。当滚珠丝杠16旋转时，直线导杆12就在滚珠螺母20的带动下沿轴向作伸长或缩短运动。
图1所示的可控伸缩轴系统依靠伸缩端的球铰10和固定端的虎克铰30分别与该机床的动平台和框架顶部连接。直线导杆12采用的中空结构，使滚珠丝杠16可以方便地进入，大大简化了机械结构。减少了运动误差产生的可能性。
图2是本发明机床框架顶视图，其顶部三角形由三个杆32组成；底部三角形由三个杆34组成。顶部三角形32和底部三角形34之间错开60°角，两个三角形节点由6个杆36联结起来，形成了一个大的正八面体。当在任何一个节点上施加作用力时，八面体框架的每一根杆都只受拉压，不受弯矩，因此它具有很高的刚性。
图3是本发明机床框架侧视示意图，表示了内嵌式双八面体框架结构情况。三角形40由三个丝杆40组成。这个三角形40和底部三角形34之间错开60°角，两个三角形节点由6个杆38联结起来，形成一个上小下大的八面体。静工作台42依靠三个位于三角形40三个节点处的支承44支撑起来。当静工作台42受到切削力等外力作用时，三角形40的三个节点处受力并将力传向框架，八面体框架的每一根杆都只受拉压，不受弯矩，因此具有很高的刚性。
图3中，6个可控伸缩轴43的一端与八面体框架上三角形32的各节点相联，另一端与动平台45相联，这样对应6个可控伸缩轴43的一种长度组合，就存在一个动平台45的特定位姿，6个可控伸缩轴43的长度不断变化，就会带来动平台45的移动和转动。安装在动平台45上的刀具47能灵活地加工静工作平台42上的工件。
图4是本发明另一种形式的机床框架侧视示意图，表示了外挂式双八面体框架结构情况。三角形46由三个杆46组成，这个三角形46和大三角形34之间错开60°角，两个三角形节点由6个杆50联结起来，形成一个上大下小的八面体。静工作台42依靠三个位于三角形46三个节点处的支承48支撑起来。当静工作台42受到切削力等外力作用时，三角形46的三个节点处受力并将力传向框架，八面体框架的每一根杆都只受拉压，不受弯矩，因此具有很高的刚性。
图5是工作台升降装置结构示意图。在工作台42下面固定了二或三条直线导轨60，直线导套62与支架64连接。为了在工作台42上下移动时保持沿Z方向准确平移，在工作台42的下面还固定了丝杠52，螺母54与支架64相连接，当伺服电机58通过齿轮副56驱动螺母54时，工作台42便随着上下作平移运动。由于6个可控伸缩轴带动动平台运动的范围可以简化为一个球体，当附加了升降装置之后，动平台的运动范围就扩大为一个该球体直径相同的圆柱体了，明显提高了机床性能。
本发明具有以下效果第一、功能独立的可控伸缩轴结构，直线导杆采用了中空结构，便于滚珠丝杠可以进入，不仅结构简单，而且中心对称，减少了运动时产生的各种误差，可以大大提高机床的综合精度。
第二、双八面体框架结构，使工艺系统的四大组成部分机床、刀具、工件、夹具之间的各种作用力均通过框架的节点传递到八面体框架的各个杆上，因此整个框架只承受拉力或压力，没有扭矩作用，减少了机床受力变形而造成的加工误差。可以大大提高机床的刚度。
第三、大的八面体框架连接六个可控伸缩轴的末端；六个可控伸缩轴的前端连接装有刀具的动平台。两端采用止口联结方式，拆装方便，有利于维护。
第四、工作台固定在内嵌式或外挂式八面体框架顶面上，使工作台上的外来综合作用力作用在该框架的顶面各结点上，避免框架承受弯曲力矩，与目前已有并联机构型机床相比，提高了机床的刚度。
第五、工作台的下方附有可上下移动的升降装置，使这类机床的运动空间的最大截面得以充分利用，扩大了该机床的实际加工范围。
图1是可控伸缩轴的结构示意图。
图2是双八面体机床框架结构的顶视示意图，图中省略了机床操作部分。
图3是双八面体机床框架结构的侧视示意图(内嵌式双八面体结构)，图中省略了工作台升降系统部分。
图4是双八面体机床框架结构的侧视示意图(外挂式双八面体结构)，图中省略了工作台升降部分和机床的操作部分。
图5是工作台升降系统结构示意图。
图6是可控伸缩轴的实施例示意图。
图7是双八面体框架的实施例示意图，图中省略了工作台升降部分。
图8是工作台升降系统实施例示意图。
本发明设计的一种双八面体框架式虚拟轴机床结构实施例，如图6所示，结合各图分别描述如下
图6为本发明实施例的可控伸缩轴结构示意图。球铰10由可调式球铰座8消除间隙，直线导套12受滑套14的约束，不能转动，只能沿轴向移动。伺服电机28驱动丝杠16，使得螺母20带动直线导套12沿轴向伸长或缩短。可控伸缩轴一端利用球铰座8的止面与动平台45连接，另一端利用虎克铰固定座31的止口面与八面体框架上部连接。其制造简单，安装方便。充分地利用了可控伸缩轴的有效长度，扩大了机床加工范围。
图7是本发明实施例的总体结构示意图。箱体66为八面体框架结构顶部的铰链连接部件。通过它形成了八面体顶面的三角形面和侧面的三角形面，同时可控伸缩轴也安装在箱体66上面。底座68为八面体框架结构底部的铰链连接部件，每一个底座68连接了6根二力杆，通过它形成了八面体底面的三角形面和侧面的三角形面，还形成了内嵌式八面体的侧面的三角形面。
当动平台上的刀具47切削工作台42上的工件时，切削力通过两个八面体框架的各个节点传到各个二力杆，使该机床框架的杆件只承受拉力或压力。在整个封闭的工艺系统中，具有极好的刚性。
可控伸缩轴43安装在箱体66和动平台45之间。可控伸缩轴43的不同长度变化，可以改变动平台45上刀具47的位置和姿势实现切削运动。可控伸缩轴43安装方便，充分利用了可控伸缩轴43的有效长度，获得了较大的作业空间范围。
图8为本发明实施例的工作台升降装置结构示意图。工作台42下部固定了3个直线导轨60。三个导套62与支架64相连接，支架64固定在内嵌式或外挂式八面体的小三角形平面的三个节点上。伺服电机58通过齿轮付56驱动工作台42上下移动，使工作台总是位于加工可达空间内缘球体的最大直径剖面附近。把加工范围从球体扩大为一个与该球体直径相同的圆柱体。
权利要求
1.一种双八面体框架式虚拟轴机床结构，包括6个可控的伸缩轴，装有切削刀具的动平台和装有工件的静工作台，支撑及联接所说伸缩轴和动平台的框架，其特征在于，所说的框架为由二力杆组成相互联接的大小双八面体结构，其中大八面体包括由12个杆组成的顶部三角形框，与该顶部三角形平行且顶角错位60°角的底部三角形框，及将一个三角形每一个顶点与另一个三角形相邻的两个顶点接在一起的边框；小八面体包括由3个杆组成的支撑工作台的小三角形框，及由6根杆组成的将小三角形框的每个顶角分别与所说的底部三角形相邻两个顶角相连接的边框以及底部三角形框；所说的可控伸缩轴的固定端与所说的大八面体框架相连，其伸缩端与所说的动平台相连；
2.如权利要求1所述的机床结构，其特征在于所说的小三角形框位于所说的顶部三角形框及底部三角形框之中，形成内嵌式双八面体框架结构。
3.如权利要求1所述的机床结构，其特征在于所说的底部三角形框之下，形成外挂式双八面体框架结构。
4.如权利要求1所述的机床结构，其特征在于所说的可控伸缩轴由一端开口的圆柱形外壳，依次安装在外壳内的伺服电机，中空的直线导杆，插入导杆中受电机驱动的滚珠丝杠和滚珠螺母及将直线导杆和滚珠螺母固定在一起的联接器；直线导杆一端伸出外壳之外形成伸缩端其端面为一球铰与所说动平台相连，外壳的封闭端为固定端，其端面固定一虚支铰与所说的框架顶部相连。
5.权权利要求1所述的机床结构，其特征在于所说的工作台，还包括与之相联的升降装置，该升降装置由支架及安装在支架上的多条直线导套，插入导套中的多个直线导轨及一个滚珠丝杠和与之相配的滚珠螺母以及带动滚珠螺母旋转的伺服电机。
全文摘要
本发明属机械制造技术领域。本发明包括6个可控的伸缩轴,装有切削刀具的动平台和装有工件的静工作台及框架,框架为大小双八面体结构,其中大八面体包括顶部三角形框、底部三角形框及边框。小八面体包括支撑工作台的小三角形框及将小三角形框与底部三角形相连接的边框可控伸缩轴的固定端与大八面体框架相连,其伸缩端与动平台相连。本发明具有更好的刚性、更高的精度和更快的进给速度。并且提高机床加工过程的灵活性和机动性。
文档编号B23Q1/01GK1182003SQ9711192
公开日1998年5月20日 申请日期1997年7月4日 优先权日1997年7月4日
发明者汪劲松, 段广洪, 杨向东, 朱铁君, 陈恳, 冯之敬, 赵广木, 冯平法 申请人:清华大学