专利名称：直线电机驱动的z－a两自由度并联主轴平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于并联机床中由直线电机驱动的Z-A两自由度并联主轴平台，属于机械工程。
背景技术：
并联机床，又称虚(拟)轴机床是20世纪90年代中期问世的新型数控加工设备。自第一台完全六自由度并联机床在美国推出以来，各国都相继推出了各式的并联机床原型样机。由于多自由度并联机床存在运动学建模复杂、运动耦合和加工精度较低等诸多不足，而且在许多情况下用户并不需要六自由度机床，低于六自由度即可满足实际加工要求。因此，少自由度并联机床已成为当前并联机床的研究热点。并联机床与传统机床相比具有结构简单、刚度高、承载能力强、动态特性好等诸多优点，但也存在作业空间小、作业空间中的运动干涉和奇异等缺点。同时，并联机床的并联主轴偏转范围较小也是个问题，一般在30°～60°范围内。
发明内容
本发明的目的是提供一种直线电机驱动的Z-A两自由度并联主轴平台，该并联主轴平台兼有并联机构的诸多优点，同时A轴偏转可达±90°。该并联主轴平台由直线电机直接驱动，应用于少自由度并联机床中，可实现较大的作业空间，且在运动过程中无运动干涉和运动奇异产生。
本发明的一种直线电机驱动的Z-A两自由度并联主轴平台，由静平台1、立柱2、直线电机动子3和直线电机定子4、自锁装置、两个移动副组件、两个旋转副组件A 12、两个连杆组件13、一个伸缩杆组件、三个旋转副组件B 16、动平台组件17和主轴部件18组成；其中该静平台1是一个长方形的平面，用于定位和固定立柱2及摩擦柱8；在其中心位置有一圆形孔，用于安装固定伸缩杆组件；该立柱2是一个U型槽状整体部件，槽底部用于安装固定直线电机定子4，槽顶部两边用于安装固定直线导轨9；该直线电机定子4固定安装在立柱2上，直线电机动子3直接与移动副组件相连，构成直线电机直接驱动系统；
该自锁装置是一组由单作用压出型气缸6、气缸座5、摩擦片7和摩擦柱8组成的摩擦支承系统，气缸为一种单作用压出型气缸，均匀分布在移动副组件的四角；摩擦片7为一种耐磨材料，直接与气缸活塞杆相连；该移动副组件由直线导轨9、滑块10和运动基座11组成，直线导轨9固定在立柱2上，运动基座11与滑块10相连，可沿导轨作Z轴往复移动；该旋转副组件是一对回转部件，能绕其自身轴线进行360°旋转；旋转副组件A和旋转副组件B结构相同，区别就是各自回转半径大小不同；该连杆组件13是一个近似V型的板状部件，其两端焊接有与旋转副组件A 12和旋转副组件B 16相配合的回转轴，从而构成一个整体部件；该伸缩杆组件由伸缩杆14和一个U型拨叉15组成，U型拨叉15顶部直接与伸缩杆14固定连接，U型口两端与旋转副组件B 16配合，能绕其轴线回转；该动平台组件17是一个几何对称的多边形平台，上面设有安装螺纹孔；该主轴部件18可采用交流伺服电主轴，也可采用交流变频电主轴。
上述部件间的结构连接关系是两个立柱2平行对置分布，分别与静平台1连接固定；两个移动副组件平行对置于两立柱2上，两个连杆组件13两端通过旋转副组件A 12和旋转副组件B 16分别与移动副组件和动平台组件17相连，从而构成2-PRR(P-移动副，R-旋转副)支链；伸缩杆组件一端固定在静平台的中心位置，另一端通过旋转副组件B 16与动平台组件17相连，从而对动平台组件17起到辅助支承和冗余约束作用；主轴部件18安装在动平台组件17上；动平台组件17带动主轴部件18在冗余约束作用下，可相对静平台作Z轴移动和进行A轴偏转。
本发明一种直线电机驱动的Z-A两自由度并联主轴平台，其优点是Z-A两自由度并联主轴平台既有并联机构进给速度快、刚度高、承载能力强的优点，同时还具有A轴偏转范围大的优点，可达±90°。另外，其它一些结构特点是基于直线电机直接驱动技术，该并联主轴平台能获得较高的运动速度、加速度和精度；增加伸缩杆组件连接，提高了该并联主轴平台的结构刚性，并消除了运动奇异；当移动副组件沿Z轴完全同步运动时，可实现该主轴平台的重心驱动，有效地抑制了主轴在高速运动时的振动问题。
图1为本发明的立体结构示意图。
图2为本发明的主视图。
图3为本发明的仰视图。
图4为本发明的左视图。
图5为本发明的A-A向剖视图。
图中标号及符号说明如下1静平台 2立柱 3直线电机动子4直线电机定子 5气缸座 6单作用压出型气缸7摩擦片 8摩擦柱 9直线导轨10滑块11运动基座12旋转副组件A13连杆组件14伸缩杆 15U型拨叉16旋转副组件B 17动平台组件 18主轴部件具体实施例方式下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明一种直线电机驱动的Z-A两自由度并联主轴平台，包括有静平台1、立柱2、直线电机动子3、直线电机定子4、自锁装置、两个移动副组件、两个旋转副组件A 12、两个连杆组件13、伸缩杆14、U型拨叉15、三个旋转副组件B 16、动平台组件17和主轴部件18；如图1所示，两个U型槽状立柱2平行对置分布，通过螺钉连接分别与静平台1固定，直线电机定子4用螺钉分别固定在立柱2中的U型凹槽内，四个摩擦柱8也用螺钉与静平台1连接，并固定在如图1所示的位置上。
如图1、2所示，移动副组件包括有直线导轨9、滑块10和运动基座11；两组直线导轨9用螺钉分别固定在立柱2的U型口端面上，每组中的一对直线导轨9平行放置；四组滑块10分别置于两组直线导轨9上，每组直线导轨9对称放置两组滑块10；运动基座11用螺钉与滑块10连接固定，同时直线电机动子3与运动基座11用螺钉固定连接；直线电机动子3直接驱动运动基座11和与此固定连接的滑块10，沿直线导轨9作Z轴往复直线运动。因基于直线电机直接驱动技术，故该移动副组件中的运动基座11和滑块10可实现高速、高加速和高精度的直线运动。
如图3、4所示，自锁装置包括气缸座5、单作用压出型气缸6、摩擦片7和摩擦柱8；两组(共八个)气缸座5用螺钉直接固定在运动基座11的四个边角上，两组(共八个)单作用压出型气缸6用螺栓固定在气缸座5上，两组(共八个)摩擦片7分别与气缸6的活塞杆顶端螺纹连接固定，四个摩擦柱8对称放置于静平台1的前后两侧，并用螺钉与静平台1连接固定，各部件形状及详细安装结构如图3所示。在自由状态或未工作状态下，气缸6在气缸内弹簧的作用下，压出气缸6的活塞杆，使得同活塞杆顶端固定连接的摩擦片7紧紧的压住摩擦柱8，此时产生垂直向上的静摩擦力，从而锁住直线电机动子3和移动副组件因自重而下滑；在工作状态下，给气缸6通气，气缸6的活塞杆在气压作用下克服气缸内弹簧作用力，压进气缸6的活塞杆，使得同活塞杆顶端固定连接的摩擦片7与摩擦柱8分离，此时两者之间的静摩擦力消失，从而解锁让直线电机动子3和移动副组件可在Z轴上自由往复运动。
如图1、2、3和5所示，两个旋转副组件A 12用螺钉分别与移动副组件中的运动基座11连接固定，两个连杆组件13两端焊接有回转轴，上端焊接的回转轴分别与两个旋转副组件A 12连接配合，下端焊接的回转轴分别与另两个旋转副组件B 16连接配合，旋转副组件B 16用螺钉对称固定于动平台组件17的左右两边，从而形成并联机构的2-PRR(P-移动副，R-旋转副)支链。伸缩杆14的上端与静平台1相连，并通过静平台1上的中心孔用螺钉固定在静平台1上，伸缩杆14的下端用螺栓与一U型拨叉15上部拨叉柄连接固定，U型拨叉下部与旋转副组件B 16连接配合，能绕其轴线旋转，旋转副组件B 16放置于动平台组件17中心线上的前后两端位置，并用螺钉固定，从而形成具有冗余约束作用的伸缩杆支链，同时该支链对动平台组件17也起到辅助支承作用。在伸缩杆支链冗余约束作用下，消除了动平台组件17的运动奇异，故动平台组件17只能作Z轴移动和A轴偏转两自由度运动；在伸缩杆支链辅助支承作用下，提高了该并联主轴平台的结构刚性。主轴部件18安装在动平台组件17上，动平台组件17带动主轴部件18可相对静平台1作Z轴移动和A轴偏转运动，且A轴偏转可达±90°。
如图2、5所示，动平台组件17完全结构对称，主轴部件18安装在动平台组件17上后，故主轴重心在其中心位置。当两直线电机动子3完全同步运动时，安装在动平台组件17上的主轴部件18相对于静平台1将会产生Z轴的平动；因动平台组件17和主轴部件18的重心在两连杆组件13末端连线的中心线位置上，因此可实现该并联主轴平台的重心驱动，可有效地抑制主轴部件18在高速运动时的振动，提高加工精度。当两直线电机动子3中只有一个运动时，安装在动平台组件17上的主轴部件18相对于静平台1将会产生偏转运动，即A轴偏转运动。当两直线电机动子3同时运动，但运动速度不同时，安装在动平台组件17上的主轴部件18相对于静平台1将会同时产生平动和偏转运动，即Z轴的上下移动和A轴的偏转运动。
权利要求
1.一种直线电机驱动的Z-A两自由度并联主轴平台，其特征在于该装置由静平台(1)、立柱(2)、直线电机动子(3)和直线电机定子(4)、自锁装置、两个移动副组件、两个旋转副组件A(12)、两个连杆组件(13)、一个伸缩杆组件、三个旋转副组件B(16)、动平台组件(17)和主轴部件(18)组成；该静平台(1)是一个长方形的平面，用于定位和固定立柱(2)及摩擦柱(8)；在其中心位置有一圆形孔，用于安装固定伸缩杆组件；该立柱(2)是一个U型槽状整体部件，槽底部用于安装固定直线电机定子(4)，槽顶部两边用于安装固定直线导轨(9)；该直线电机定子(4)固定安装在立柱(2)上，直线电机动子(3)直接与移动副组件相连，构成直线电机直接驱动系统；该自锁装置是一组由单作用压出型气缸(6)、气缸座(5)、摩擦片(7)和摩擦柱(8)组成的摩擦支承系统，气缸为一种单作用压出型气缸，均匀分布在移动副组件的四角；摩擦片(7)为一种耐磨材料，直接与气缸活塞杆相连；该移动副组件由直线导轨(9)、滑块(10)和运动基座(11)组成，直线导轨(9)固定在立柱(2)上，运动基座(11)与滑块(10)相连，可沿导轨作Z轴往复移动；该旋转副组件是一对回转部件，能绕其自身轴线进行360°旋转；旋转副组件A和旋转副组件B结构相同，区别就是各自回转半径大小不同；该连杆组件(13)是一个近似V型的板状部件，其两端焊接有与旋转副组件A(12)和旋转副组件B(16)相配合的回转轴，从而构成一个整体部件；该伸缩杆组件由伸缩杆(14)和一个U型拨叉(15)组成，U型拨叉(15)顶部直接与伸缩杆(14)固定连接，U型口两端与旋转副组件B(16)配合，能绕其轴线回转；该动平台组件(17)是一个几何对称的多边形平台，上面设有安装螺纹孔；上述部件间的结构连接关系是两个立柱(2)平行对置分布，分别与静平台(1)连接固定；两个移动副组件平行对置于两立柱(2)上，两个连杆组件(13)两端通过旋转副组件A(12)和旋转副组件B(16)分别与移动副组件和动平台组件(17)相连，从而构成2-PRR支链；伸缩杆组件一端固定在静平台(1)的中心位置，另一端通过旋转副组件B(16)与动平台组件(17)相连，从而对动平台组件(17)起到辅助支承和冗余约束作用；主轴部件(18)安装在动平台组件(17)上；动平台组件(17)带动主轴部件(18)在冗余约束作用下，可相对静平台作Z轴移动和进行A轴偏转。
2.根据权利要求1所述的直线电机驱动的Z-A两自由度并联主轴平台，其特征在于该主轴部件(18)采用交流伺服电主轴。
3.根据权利要求1所述的直线电机驱动的Z-A两自由度并联主轴平台，其特征在于该主轴部件(18)采用交流变频电主轴。
全文摘要
一种直线电机驱动的Z－A两自由度并联主轴平台，由静平台、立柱、直线电机定子和动子、自锁装置、移动副组件、旋转副组件A、B、连杆组件、伸缩杆组件、动平台组件和主轴部件组成；静平台呈平面状；立柱呈槽状；直线电机定子设在立柱上、动子连接移动副组件；自锁装置有气缸、气缸座、摩擦片和摩擦柱；移动副组件有由直线导轨、滑块和运动基座；旋转副组件为回转部件；连杆组件呈V型状；伸缩杆组件有伸缩杆及U型拨叉；动平台组件呈几何对称多边形。连接关系是立柱与静平台连接；移动副组件置于立柱上；连杆组件经旋转副组件A、B分别与移动副组件和动平台组件相连；伸缩杆组件一端连静平台，另一端经旋转副组件B连接动平台组件；主轴部件设在动平台组件上。
文档编号B23Q1/26GK101092019SQ20071011848
公开日2007年12月26日 申请日期2007年7月6日 优先权日2007年7月6日
发明者刘强, 陈静, 陈华伟, 袁松梅 申请人:北京航空航天大学