专利名称：具有三移动副的三自由度平面虚拟轴机床的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械制造技术领域，是一种机械加工设备，具体地说，是一种平面虚拟轴机床。
传统机床一般由床身、导轨、主轴、主轴箱和控制系统等部分组成，主要缺点是(1)都有较重的床身，以提高机床的刚性，这就使得传统机床的结构较重，移动作业困难；(2)刀具切削一般沿工作台的移动方向，而工作台沿固定导轨移动，这就限制了刀具作业运动的柔性；(3)刀具和工作台运动一般采用串式链结构，终端误差是运动链中各处误差的累积。
国外这几年研究出的虚拟轴机床较好地解决了传统机床所存在的缺点。虚拟轴机床的刀具安装在一并联机构的活动构件(动平台)上，由该构件上相应的点实现对刀具的点引导运动以满足切削轨迹的要求。动平台与静平台(机座)之间通过杆组相连接。通过控制杆组的输入运动即可保证刀具按所需的轨迹要求运动。因此，传统机床中的直角坐标系，在虚拟轴机床中变成了对杆组运动的控制。用直角坐标系描述的刀具的位置和姿态，对该机床来说成了对虚拟轴系的描述，对杆组运动的控制才是它的实际控制轴，所以称这类机床为虚拟轴机床。
由于虚拟轴机床是由一并联机构实现加工轨迹要求的，因此，结构方式和设计思想都突破了传统机床原有的结构形式和设计方法。与传统机床比较，虚拟轴机床有如下几方面的特点(1)加工精度高。由于采用的是并联机构，末端误差不会是传动链中各处误差大累积；(2)适应性强。虚拟轴机床的加工，是通过动平台的位置和姿态的改变实现的，而其位置和姿态是由连接动平台与静平台之间的杆组的位置实现的，对于不同的加工要求，只要改变杆组的输入运动，就可以实现刀具位置和姿态的变化。因此，对于复杂的加工要求，刀具调整方便，机床的适应性强；(3)经济性好。与传统机床比较，虚拟轴机床不需要笨重的机座、导轨等结构，主要部件可设计成通用件，模块化功能强。因此，价格较低。虚拟轴机床也被称为“二十一世纪的机床”。
根据机械加工工件表面的结构特点，可将对工件的加工要求分为空间型和平面型两种类型，相应的加工机床也就称为空间型和平面型机床。同样，虚拟轴机床也可分为空间型和平面型两大类。目前国内外都比较侧重于对空间型虚拟轴机床的研究，并已研制出了各种类型的空间型虚拟轴机床。如美国的Ginggings & Lewis公司、瑞士的苏黎世高等工业大学和国内的清华大学等。而在虚拟轴机床的研究中未被重视的实现对工件表面的平面型加工却是常见的机械加工要求，研制平面型虚拟轴机床来满足一般的机械加工要求更具工程实用价值。
本发明的目的是提供一种可实现四轴联动、可完成传统意义上的平面数控钻、铣、磨或镗切削加工，且加工精度高、适应性强和价格低具有三移动副的三自由度平面虚拟轴机床。
本发明的技术解决方案是一种具有三移动副的三自由度平面虚拟轴机床，其特征在于有一个框架结构，框架的上端装有引导刀具运动部件，引导刀具运动部件是含有三移动副的Ⅱ级杆组的平面三自由度并联机构；引导刀具运动部件的前端装有刀具切削部件，框架内有一个底座，底座的中间装有升降台，升降台上装有工件装夹部件，上述引导刀具运动部件、升降台等均与控制部件相连接。
本发明中所述的三组含有移动副的Ⅱ级杆组中的两构件之间的相对直线移动作为机构的三个运动输入，并由电机、同步带传动和丝杆螺母等构成传动机构，与丝杆螺母平行位置设有两根圆柱状直线导轨。在三组引导刀具运动部件的与框架的连接处分别装有转块，转块连接有移动杆，在各转块和移动杆之间分别有伺服电机及传动机构，三组引导刀具运动部件为等边三角形分布，并均布在同一圆上；在各转块与移动杆之间装有三只直线光栅。在动平台的中心点上安装一电主轴，电主轴上安装满足钻、铣、磨或镗加工不同要求的切削刀具；机座作为静平台。转块与一壳体相连接，另有一电机的轴上装有主动带轮，主动带轮经带与从动带轮联接，从动带轮与螺母为一整体，与螺母联接的丝杆支承装于轴承上，轴承装于转块中。当然，也可以采用其它合适的结构形式。本发明的优点是可实现四轴联动，在工件表面进行平面或曲面加工，可完成传统意义上的平面数控钻、铣、磨或镗切削加工，但具有加工精度高、适应性强和价格低等特点。由于动平台与静平台之间采用了三组带有移动副的Ⅱ级杆组，保证了引导刀具运动部件有较好的刚性，能承受较大的轴向切削力。在转块与移动杆之间装有三只直线光栅，以保证转块与移动杆之间相对位移运动输入量的准确性，从而保证了刀具中心按加工要求的运动轨迹和速度运动，提高了加工精度。在与转块移动杆相对移动方向平行位置设有两根相同的圆柱状直线导轨，提高了在该方向上的结构刚性，避免了丝杆承受切向载荷。框架采用三角形结构的形式，提高了机床整体刚性。引导刀具运动部件为一平面三自由度并联机构，对该机构的正、逆运算都有相应的计算方法，对不同的加工轨迹要求，易于编制控制程序，实现实时控制。机床结构简单，较多结构零部件可选用标准件、通用件。拆装、维修方便。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明
图1为本发明的一种具有三移动副的三自由度平面虚拟轴机床的结构示意图；图2为本发明中的具有三移动副的三自由度平面虚拟轴机床的引导刀具运动部件的机构运动简图；图3为本发明中的具有三移动副的三自由度平面虚拟轴机床的实现转块与移动杆之间相对移动的传动系统运动简图；图4为本发明中的具有三移动副的三自由度平面虚拟轴机床的工件装夹及升降台部分的结构简图。
图1描述了本发明的一个实施例。在该例中，有一个框架结构33，框架33的上端装有引导刀具运动部件34，引导刀具运动部件34是含有三移动副的Ⅱ级杆组的平面三度并联机构；引导刀具运动部件34的前端装有刀具切削部件35，框架33内有一个底座8，底座8的中间装有升降台3，升降台3上装有工件装夹部件，上述引导刀具运动部件34、升降台3等均与控制部件(控制部件的结构和原理基本上与现有的数控机床和平面虚拟轴机床差不多)相连接。三组含有移动副的Ⅱ级杆组中的两构件之间的相对直线移动作为机构的三个运动输入，并由电机、同步带传动和丝杆螺母等构成传动机构，与丝杆螺母平行位置设有两根圆柱状直线导轨。
图2描述了本发明中的引导刀具运动部件的机构运动情况。机构有三个自由度。在三个引导刀具运动部件的与框架的连接处分别有转块1、4和6，转块1、4和6连接有移动杆2、5和7，在各转块1、4和6和各移动杆2、5和7之间分别通过伺服电机及传动机构实现两者之间的相对运动。在作为动平台中心的K点上安装一电主轴，电主轴上可安装不同的切削刀具以满足钻、铣、磨或镗加工要求。机座8作为静平台。在转块1、4和6与移动杆2、5和7之间装有三只直线光栅9、10和11，三只相同的直线光栅9、10和11用以测量点A0i和点Bi(i=1，2，3)之间的直线位移量。整个机构在三个运动输入作用下，电主轴及刀具安装点K按要求的轨迹运动。结构设计时，ΔA01A02A03为等边三角形，B1、B2、B3三点均布在圆上。转块1、4和6的结构相同，移动杆2、5和7的结构相同，各转块1、4和6和各移动杆2、5和7之间的驱动及传动系统也均相同。
图3描述了本发明中的转块与移动杆之间相对移动的传动系统运动情况。电机12轴上装有主动带轮13，主动带轮13经带14带动从动带轮15，从动带轮15与螺母为一整体，螺母丝杆16支承装于轴承17上，轴承17装于转块1或4、6中，由于螺母相对壳体19只有转动，从而驱动丝杆16相对壳体19作直线移动。
图4描述了本发明中的工件装夹及升降台部分的结构。在升降台内装有电机20、丝杆21、螺母22和导轨23等；框架由底座上的立柱构成，并采用三角形结构的形式。
权利要求
1.一种具有三移动副的三自由度平面虚拟轴机床，其特征在于有一个框架结构，框架的上端装有引导刀具运动部件，引导刀具运动部件是含有三移动副的Ⅱ级杆组的平面三自由度并联机构；引导刀具运动部件的前端装有刀具切削部件，框架内有一个底座，底座的中间装有升降台，升降台上装有工件装夹部件，上述引导刀具运动部件、升降台等均与控制部件相连接。
2.根据权利要求1所述的具有三移动副的三自由度平面虚拟轴机床，其特征在于三组含有移动副的Ⅱ级杆组中的两构件之间的相对直线移动作为机构的三个运动输入，并由电机、同步带传动和丝杆螺母等构成传动机构，与丝杆螺母平行位置设有两根圆柱状直线导轨。
3.根据权利要求2所述的具有三移动副的三自由度平面虚拟轴机床，其特征在于在三组引导刀具运动部件的与框架的连接处分别装有转块，转块连接有移动杆，在各转块和移动杆之间分别有伺服电机及传动机构，三组引导刀具运动部件为等边三角形分布，并均布在同一圆上；在各转块与移动杆之间装有三只直线光栅。
4.根据权利要求1或2、3所述的具有三移动副的三自由度平面虚拟轴机床，其特征在于在动平台的中心点上安装一电主轴，电主轴上安装满足钻、铣、磨或镗加工不同要求的切削刀具；机座作为静平台。
5.根据权利要求4所述的具有三移动副的三自由度平面虚拟轴机床，其特征在于转块与一壳体相连接，另有一电机的轴上装有主动带轮，主动带轮经带与从动带轮联接，从动带轮与螺母为一整体，与螺母联接的丝杆支承装于轴承上，轴承装于转块中。
全文摘要
本发明公开了一种具有三移动副的三自由度平面虚拟轴机床,其特征在于:有一个框架结构,框架的上端装有引导刀具运动部件,引导刀具运动部件是含有三移动副的Ⅱ级杆组的平面三自由度并联机构;引导刀具运动部件的前端装有刀具切削部件,框架内有一个底座,底座的中间装有升降台,升降台上装有工件装夹部件,上述引导刀具运动部件、升降台等均与控制部件相连接。优点:可实现四轴联动,可完成传统意义上的平面数控钻、铣、磨或镗切削加工,但具有加工精度高、适应性强和价格低等特点。
文档编号B23Q1/25GK1286156SQ0011237
公开日2001年3月7日 申请日期2000年7月3日 优先权日2000年7月3日
发明者洪小南, 曹清林, 吴朝阳, 周井玲, 沈世德 申请人:南通工学院