专利名称：直线电机驱动的四轴联动数控机床的制作方法
直线电机驱动的四轴联动数控机床
(一) 技术领域-
本发明涉及一种完全由直线电机驱动的数控机床，尤其是指一种能实现四轴联动加工的 数控机床，属于数控机床技术领域。
(二) 背景技术-
机床是制造业的工作母机，是装备制造业的核心设备。传统机床布局的基本特点是以床 身、立柱、横梁等作为支承部件，主轴部件和工作台由旋转电机(滚珠丝杠)驱动沿支承部 件上的直线导轨移动，按照坐标运动叠加的串联运动学原理，形成刀头点的加工表面轨迹。 传统的"旋转伺服电机+滚珠丝杠"驱动系统所能达到的最高进给速度为90~120米/分钟，最 大加速度只有1.5g;同时，由于从电机到工作台之间存在联轴器、丝杠、螺母、轴承等一系 列中间环节，这些机械元件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙等会造成进给运动的滞后和其 它非线性误差，这些中间环节也加大了系统的惯性质量；另外，丝杠是细长杆，在力和热作 用下，会产生变形而影响加工精度。
直线电机就是利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的设备。直线电机直 接驱动与传统的传动方式相比直线电机所产生的力直接作用于移动部件，中间没有通过任 何具有柔度的机械传动环节，这就是所谓的"直接驱动"或"零传动"；因此，直线电机驱动 可以简化机床结构、减少机床传动系统的惯性矩，大大提高机床的运动速度、加速度和精度, 满足高速精密加工的要求。
(三)
发明内容
本发明的目的是利用直线电机"零传动"的特点，设计一种完全由直线电机驱动，结构 简单紧凑，刚性较好，能满足高速精密加工的四轴联动数控机床，该数控机床基于模块化设 计思想，主要由"平动+转动"两自由度并联主轴模块和XY工作台两大功能模块组成。并联 主轴功能模块能实现平动(沿Z轴移动)和转动(绕A轴转动)两自由度运动，且A轴偏转 最大能达9(T ,即能实现主轴的立卧转换加工功能。
本发明所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，它由床身立柱(1)、床身底座(2)、工作台安装座(3)、 XY工作台模块(4)和非对称式并联主轴模块(5)组成；
该床身立柱(1)是一个整体式铸件，在其下端面有安装孔，用螺栓同床身底座2固定连
接；在侧面有安装孔，用于安装并联主轴头模块(5)。
该床身底座(2)也是一个整体式铸件，其上有凸台和安装孔，用于安装固定床身立柱(l)
和工作台安装座(3)。
该工作台安装座(3)是一个长方体形中间连接部件，主要是支承XY工作台模块(4)与 床身底座(2)间的连接。
该XY工作台模块(4),由Y轴底座(6)、 Y轴直线导轨(7)、 Y轴导轨滑块(8)、 Y轴直线 电机定子(9)、 Y轴直线电机动子(IO)、 Y轴侧挡板(ll)、 X轴与Y轴连接座(12)、 X轴直线导 轨(13)、 X轴导轨滑块(14)、 X轴直线电机定子(15)、 X轴直线电机动子(16)、 X轴底座(17) 和T型槽工作台(18)组成。各部件间的结构连接关系是 一组Y轴直线导轨(7)对称平行安 装在Y轴底座(6)上，Y轴直线电机定子(9)安装在两Y轴导轨(7)中间， 一组Y轴导轨滑块(8) 对称固定安装在连接座(12)的下表面上，同时Y轴直线电机动子(10)也固定安装在连接座 (12)下表面的中心，Y轴侧挡板(11)固定安装在Y轴底座(6)的两侧，从而构成工作台 的Y轴向移动组件； 一组X轴直线导轨(13)对称平行安装在X轴底座(17)上，X轴直线 电机定子(15)安装在两X轴导轨(13)中间， 一组(四个)X轴导轨滑块(14)对称固定 安装在连接座(12)的上表面上，同时X轴直线电机动子(16)也固定安装在连接座(12) 上表面的中心，从而构成工作台的X轴向移动组件；通过连接座(12)的过渡连接作用，将 X轴向移动组件和Y轴向移动组件垂直叠加在一起，从而构成串联运动的XY工作台。Y轴侧 挡板(11)固定安装在Y轴底座(6)的两侧，T型槽工作台(18)通过螺钉与X轴座固定连 接。
其中，该XY工作台模块(4)中的一组Y轴直线导轨(7)可采用两根， 一组Y轴导轨滑 块(8)可采用四个， 一组X轴直线导轨(13)可釆用两根， 一组X轴导轨滑块(14)可采用 四个。
其中，该XY工作台模块(4)中的Y轴由直线电机动子(10)驱动；该XY工作台模块 (4)中的X轴由直线电机动子(16)驱动。
该非对称式并联主轴模块(5)，已另外提出发明申请，下面只对其作一些简要说明该 由基座(19)、直线导轨(20)、导轨滑块(21)、自锁滑块(22)、直线电机定子(23)、直线电机动子(24)、动子座(25)、直线光栅尺(26)、安装座(27)、旋转副组件A(28)、连杆 (29)、旋转副组件B (30)、摆动平台(31)、旋转副组件C( 32)、 U型座(33)和电主轴(34)组 成。
各部件间的结构连接关系是 一组直线导轨(20)平行固定安装在基座(19)上，直线电 机定子(23)安装在两直线导轨(20)之间，并与基座(19)固定连接。 一组导轨滑块(21) 对称固定安装在动子座(25)上，同时一组自锁滑块(22)对称安装在导轨滑块(21)之间 并与动子座(25)固定连接，直线电机动子(24)固定安装在动子座(25)的几何中心位置， 直线光栅尺(26)与导轨平行并固定安装在基座(19)的左右侧面，固定安装在两个动子座(25) 上的两组导轨滑块(21)和两组自锁滑块(22)与直线导轨(20)相配合，从而构成Z轴两个直线 运动模块(或称为移动副组件)；安装座(27)与上面一个动子座(25)用螺钉固定连接， 一组旋 转副组件A ( 28)与安装座(27)固定连接，旋转副组件B (30)固定安装在摆动平台(31) 上侧面，连杆(29)两端分别与旋转副组件A ( 28)和旋转副组件B (30)过盈配合，两个 旋转副组件C (32)分别与摆动平台(31)和U型座(33)内侧相配合，U型座(33)固定 安装在下面一个动子座(25)上，从而构成非对称式P3RP型(P-移动副，R-旋转副)并联运 动机构；电主轴(34)通过螺钉固定安装在摆动平台(31)上。
其中，该非对称式并联主轴模块(5)中的一组直线导轨(20)可采用两根， 一组导轨滑块 (21)可采用四个， 一组自锁滑块(22)可采用两个。
其中，该非对称式并联主轴模块(5)中的直线电机定子(23)采用整体式单条永磁体, 该非对称式并联主轴模块(5)中的直线电机动子(24)采用两个。
该基座(19)是一个整体式U型槽状中空铸件，底面两侧有安装孔用于同床身立柱(1) 的固定连接；
该旋转副组件A ( 28)、旋转副组件B (30)和旋转副组件C (32)分别是一对回转部件， 能绕其自身轴线进行36(T旋转；旋转副组件结构相同，区别就是各自回转半径大小不同；
该连杆(29)是一个整体镂空的长方体部件，其两端过盈配合安装有与旋转副组件A (28) 和旋转副组件B (30)相配合的回转轴；
该U型座(33)是一个整体式构件，其上部有对称的定位孔，用于配合连接旋转副组件 C (32);底部有安装孔，通过螺钉与动子座(25)固定连接。
该摆动平台(31)是一个方形的型腔结构，其底部有安装定位孔，用于安装固定电主轴 (34)。其中，该电主轴(34)可采用交流变频电主轴。
本发明一种直线电机驱动的四轴联动数控机床，其优点是基于模块化设计思想，将机 床分为并联主轴进给模块和XY工作台两大功能模块:因此整个机床结构简单紧凑,设计灵活, 同时也具有较好的结构刚性和一定的动刚度。由于采用了直线电机直接进行驱动，避免了中 间机械传动环节，XY工作台功能模块具有进给速度快，精度高和承载能力强等优点；Z-A两 自由度并联主轴功能模块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，最大可达90° ，即能实现主轴的立卧转换加工。
图1为本发明的L型结构机床立体结构示意图。
图2为本发明的L型结构机床左视图。
图3为本发明的XY工作台模块立体结构示意图。
图4为本发明的XY工作台模块俯视图。
图5为本发明的XY工作台模块左视图。
图6为本发明的XY工作台模块A-A向剖视图。
图7为本发明的非对称式并联主轴模块立体结构示意图。
图8为本发明的非对称式并联主轴模块右视图。
图9为本发明的非对称式并联主轴模块B向视图。
图中标号及符号说明如下 1床身立柱 2床身底座 3工作台安装座
4XY工作台模块5非对称式并联主轴模块6Y轴底座 7 Y轴直线导轨 8 Y轴导轨滑块 9 Y轴直线电机定子
10 Y轴直线电机动子11 Y轴侧挡板 12 X轴与Y轴连接座
13X轴直线导轨 14X轴导轨滑块 15X轴直线电机定子
16Y轴直线电机动子17X轴底座 18T型槽工作台 19基座 20直线导轨 21导轨滑块
22自锁滑块 23直线电机定子 24直线电机动子
25动子座 26直线光栅尺 27安装座28旋转副组件A 29连杆 30旋转副组件B
31摆动平台 32旋转副组件C 33U型座
34电主轴
具体实施方式
.-
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1和2所示，本发明所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，它由床身立柱1、 床身底座2、工作台安装座3、 XY工作台模块4和非对称式并联主轴模块5组成。
该床身立柱1是一个整体式铸件，在其下端面有安装孔；该床身底座2也是一个整体式 铸件，其上有凸台和安装孔；床身立柱1通过螺栓固定安装在床身底座2上，端面平齐放置， 呈L型结构；并联主轴头模块5通过床身立柱1侧面的安装孔垂直安装在床身立柱1上。该 工作台安装座3是一个长方体形中间连接部件，通过螺钉固定安装在床身底座2的凸台上，XY 工作台模块4也通过螺钉与其固定连接。XY工作台模块4提供X轴和Y轴运动，非对称式并 联主轴模块5提供Z轴和A轴运动，从而实现机床的四轴联动，同时还能实现立卧转换加工 功能。
如图3、 4、 5和6所示，该XY工作台模块4，由Y轴底座6、 Y轴直线导轨7、 Y轴导轨 滑块8、 Y轴直线电机定子9、 Y轴直线电机动子IO、 Y轴侧挡板ll、 X轴与Y轴连接座12、 X轴直线导轨13、 X轴导轨滑块14、 X轴直线电机定子15、 X轴直线电机动子16、 X轴底座 17和T型槽工作台18组成。各部件间的结构连接关系是 一组(两根)Y轴直线导轨7对称 平行安装在Y轴底座6上，Y轴直线电机定子9安装在两Y轴导轨7中间，一组(四个)Y轴 导轨滑块8对称固定安装在连接座12的下表面上，同时Y轴直线电机动子10也固定安装在 连接座12下表面的中心，Y轴侧挡板11固定安装在Y轴底座6的两侧，从而构成工作台的Y 轴向移动组件； 一组(两根)X轴直线导轨13对称平行安装在X轴底座17上，X轴直线电机 定子15安装在两X轴导轨13中间， 一组(四个)X轴导轨滑块14对称固定安装在连接座12 的上表面上，同时X轴直线电机动子16也固定安装在连接座12上表面的中心，从而构成工 作台的X轴向移动组件；通过连接座12的过渡连接作用，将X轴向移动组件和Y轴向移动组 件垂直叠加在一起，从而构成串联运动的XY工作台。Y轴侧挡板11固定安装在Y轴底座6 的两侧，T型槽工作台18通过螺钉与X轴座固定连接；X轴垂直放置在Y轴上方，X轴直线 电机动子16驱动T型槽工作台18沿X轴作直线运动，Y轴直线电机动子10驱动X轴和T型槽工作台18沿Y轴作直线运动，从而形成工作台的X轴和Y轴联动。
该非对称式并联主轴模块5该由基座19、直线导轨20、导轨滑块21、自锁滑块22、直 线电机定子23、直线电机动子24、动子座25、直线光栅尺26、安装座27、旋转副组件A28、 连杆29、旋转副组件B 30、摆动平台31、旋转副组件C 32、 U型座33和电主轴34组成。
各部件间的结构连接关系是 一组(两根)直线导轨20平行固定安装在基座19上，直 线电机定子23安装在两直线导轨20之间，并与基座19固定连接。 一组(四个)导轨滑块 21对称固定安装在动子座25上，同时一组(两个)自锁滑块22对称安装在导轨滑块21之 间并与动子座25固定连接，直线电机动子24固定安装在动子座25的几何中心位置，直线光 栅尺26与导轨平行并固定安装在基座19的左右侧面，固定安装在两个动子座25上的两组(八 个)导轨滑块21和两组(四个)自锁滑块22与直线导轨20相配合，从而构成Z轴两个直线 运动模块(或称为移动副组件)；安装座27与上面一个动子座25用螺钉固定连接， 一组(两 个)旋转副组件A 28与安装座27固定连接，旋转副组件B 30固定安装在摆动平台31上侧 面，连杆29两端分别与旋转副组件A28和旋转副组件B30过盈配合，两个旋转副组件C32 分别与摆动平台31和U型座33内侧相配合，U型座33固定安装在下面一个动子座25上， 从而构成非对称式P3RP型(P-移动副，R-旋转副)并联运动机构；电主轴34通过螺钉固定 安装在摆动平台31上。平台31带动电主轴34作Z轴移动和A轴偏转运动，且A轴偏转可达 90° ,即可实现立卧转换加工。
其中，该基座19是一个整体式U型槽状型中空铸件，底面两侧有安装孔用于同床身立柱 1的固定连接；
该旋转副组件A 28、旋转副组件B 30和旋转副组件C 32分别是一对回转部件，能绕其 自身轴线进行36(T旋转；旋转副组件结构相同，区别就是各自回转半径大小不同；
该连杆29是一个整体镂空的长方体部件，其两端过盈配合安装有与旋转副组件A 28和 旋转副组件B 30相配合的回转轴；
该U型座33是一个整体式构件,其上部有对称的定位孔,用于配合连接旋转副组件C 32; 底部有安装孔，通过螺钉与动子座(25)固定连接。
该摆动平台31是一个方形的型腔结构，其底部有安装定位孔，用于安装固定电主轴34。
该电主轴34采用交流变频电主轴。
如图7和8所示，自锁滑块22通过螺钉与动子座25固定连接，并与直线导轨20相配合。 在自由状态或未工作状态，自锁滑块22在内部弹簧预压作用下，紧紧抱死直线导轨20，此时产生垂直向上的静摩擦力，从而锁住直线电机动子24和运动机构因自重而下滑；在工作状
态下，给自锁滑块22通气，在气压作用下克服内弹簧作用力，此时自锁滑块22和直线导轨 20之间的静摩擦力消失，从而解锁让直线电机动子24和移动副组件可在Z轴上自由往复运 动。
如图7、 8所示，当Z轴两直线电机动子24同步驱动动子座25时，安装在摆动平台31 上的电主轴34沿Z轴只作平移运动；当只有上面的直线电机动子24驱动动子座25时，电主 轴34将会产生偏转运动，即A轴偏转运动；当只有下面的直线电机动子24驱动动子座25时, 电主轴34既会产生平动也会产生偏转，即Z轴的上下移动和A轴的偏转运动；当Z轴两直线 电机动子24同时驱动动子座25,但速度不同时，电主轴34将会同时产生平动和转动两轴联 动，即Z轴的上下移动和A轴的偏转运动。该电主轴34采用交流变频电主轴。
本发明的直线电机驱动四轴联动数控机床，如果在XY工作台模块4上配以一个数控回转 工作台，便可实现五轴联动加工和立式车削加工。
权利要求
1、一种直线电机驱动的四轴联动数控机床，其特征在于它是由床身立柱(1)、床身底座(2)、工作台安装座(3)、XY工作台模块(4)和非对称式并联主轴模块(5)组成；该床身立柱(1)是一个整体式铸件，在其下端面有安装孔，用螺栓同床身底座(2)固定连接；在侧面有安装孔，用于安装并联主轴头模块(5)；该床身底座(2)也是一个整体式铸件，其上有凸台和安装孔，用于安装固定床身立柱(1)和工作台安装座(3)；该工作台安装座(3)是一个长方体形中间连接部件，主要是支承XY工作台模块(4)与床身底座2间的连接；该XY工作台模块(4)，由Y轴底座(6)、Y轴直线导轨(7)、Y轴导轨滑块(8)、Y轴直线电机定子(9)、Y轴直线电机动子(10)、Y轴侧挡板(11)、X轴与Y轴连接座(12)、X轴直线导轨(13)、X轴导轨滑块(14)、X轴直线电机定子(15)、X轴直线电机动子(16)、X轴底座(17)和T型槽工作台(18)组成；各部件间的结构连接关系是一组Y轴直线导轨(7)对称平行安装在Y轴底座(6)上，Y轴直线电机定子(9)安装在两Y轴导轨(7)中间，一组Y轴导轨滑块(8)对称固定安装在连接座(12)的下表面上，同时Y轴直线电机动子(10)也固定安装在连接座(12)下表面的中心，Y轴侧挡板(11)固定安装在Y轴底座(6)的两侧，从而构成工作台的Y轴向移动组件；一组X轴直线导轨(13)对称平行安装在X轴底座(17)上，X轴直线电机定子(15)安装在两X轴导轨(13)中间，一组(四个)X轴导轨滑块(14)对称固定安装在连接座(12)的上表面上，同时X轴直线电机动子(16)也固定安装在连接座(12)上表面的中心，从而构成工作台的X轴向移动组件；通过连接座(12)的过渡连接作用，将X轴向移动组件和Y轴向移动组件垂直叠加在一起，从而构成串联运动的XY工作台；Y轴侧挡板(11)固定安装在Y轴底座(6)的两侧，T型槽工作台(18)通过螺钉与X轴座固定连接；该非对称式并联主轴模块(5)，是由基座(19)、直线导轨(20)、导轨滑块(21)、自锁滑块(22)、直线电机定子(23)、直线电机动子(24)、动子座(25)、直线光栅尺(26)、安装座(27)、旋转副组件A(28)、连杆(29)、旋转副组件B(30)、摆动平台(31)、旋转副组件C(32)、U型座(33)和电主轴(34)组成；各部件间的结构连接关系是一组直线导轨(20)平行固定安装在基座(19)上，直线电机定子(23)安装在两直线导轨(20)之间，并与基座(19)固定连接；一组导轨滑块(21)对称固定安装在动子座(25)上，同时一组自锁滑块(22)对称安装在导轨滑块(21)之间并与动子座(25)固定连接，直线电机动子(24)固定安装在动子座(25)的几何中心位置，直线光栅尺(26)与导轨平行并固定安装在基座(19)的左右侧面，固定安装在两个动子座(25)上的两组导轨滑块(21)和两组自锁滑块(22)与直线导轨(20)相配合，从而构成Z轴两个直线运动模块(或称为移动副组件)；安装座(27)与上面一个动子座(25)用螺钉固定连接，一组旋转副组件A(28)与安装座(27)固定连接，旋转副组件B(30)固定安装在摆动平台(31)上侧面，连杆(29)两端分别与旋转副组件A(28)和旋转副组件B(30)过盈配合，两个旋转副组件C(32)分别与摆动平台(31)和U型座(33)内侧相配合，U型座(33)固定安装在下面一个动子座(25)上，从而构成非对称式P3RP型(P-移动副，R-旋转副)并联运动机构；电主轴(34)通过螺钉固定安装在摆动平台(31)上；该基座(19)是一个整体式U型槽状型构件，底面两侧有安装孔用于同床身立柱(1)的固定连接；其中，基座(19)是一个整体式U型槽状中空铸件；该旋转副组件A(28)、旋转副组件B(30)和旋转副组件C(32)分别是一对回转部件，能绕其自身轴线进行360°旋转；旋转副组件结构相同，区别就是各自回转半径大小不同；该连杆(29)是一个整体镂空的长方体部件，其两端过盈配合安装有与旋转副组件A(28)和旋转副组件B(30)相配合的回转轴；该U型座(33)是一个整体式构件，其上部有对称的定位孔，用于配合连接旋转副组件C(32)；底部有安装孔，通过螺钉与动子座(25)固定连接；该摆动平台(31)是一个方形的型腔结构，其底部有安装定位孔，用于安装固定电主轴(34)。
2、 根据权利要求1所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，其特征在于该XY工 作台模块(4)中的Y轴由直线电机动子(10)驱动。
3、 根据权利要求l所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，其特征在于该XY工 作台模块(4)中的X轴由直线电机动子(16)驱动。
4、 根据权利要求1所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，其特征在于该非对 称式并联主轴模块(5)中的一组直线导轨(20)为两根。
5、 根据权利要求l所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，其特征在于该非对称式并联主轴模块(5)中一组导轨滑块(21)为四个。
6、 根据权利要求l所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，其特征在于该非对 称式并联主轴模块(5)中一组自锁滑块(22)为两个。
7、 根据权利要求1所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，其特征在于该非对 称式并联主轴模块(5)中的直线电机定子(23)采用整体式单条永磁体。
8、 根据权利要求1所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，其特征在于该非对 称式并联主轴模块(5)中的直线电机动子(24)采用两个。
9、 根据权利要求l所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，其特征在于该非对 称式并联主轴模块(5)中的电主轴(34)采用交流变频电主轴。
全文摘要
本发明一种直线电机驱动的四轴联动数控机床提供一种完全由直线电机驱动，结构简单紧凑，刚性较好，能满足高速精密加工的四轴联动数控机床。它由床身立柱、床身底座、工作台安装座、XY工作台模块和非对称式并联主轴模块组成；该发明基于模块化设计思想，将机床分为并联主轴进给模块和XY工作台两大功能模块；其优点是整个机床结构简单紧凑，设计灵活，同时也具有较好的结构刚性和一定的动刚度。XY工作台功能模块具有进给速度快，精度高和承载能力强等优点；Z-A两自由度并联主轴功能模块既有并联机构进给速度快、刚度高、承载能力强的优点，同时A轴偏转范围大，最大可达90°，能实现主轴的立卧转换加工。
文档编号B23Q1/30GK101318292SQ200810116050
公开日2008年12月10日 申请日期2008年7月2日 优先权日2008年7月2日
发明者强 刘, 袁松梅, 极 郇, 静 陈 申请人:北京航空航天大学