六自由度并联微纳尺度车铣复合微小型桌面精密加工机床的制作方法

本发明属于微纳观尺度切削加工技术领域，尤其涉及一种六自由度并联微纳尺度车铣复合微小型桌面精密加工机床。

背景技术：

随着科学技术的发展，对微小零件需求越来越多，同时对其使用功能、材料特性、结构形状、可靠性等方面的要求也越来越高。目前，通常是采用常规尺寸的精密与超精密机床来加工由金属材料制成的精密三维微小零件，但其成本很高、效率较低、灵活性较差。由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。

技术实现要素：

本发明为避免现有技术存在的不足之处，提供了一种六自由度并联微纳尺度车铣复合微小型桌面精密加工机床，以提高加工效率和加工表面质量。

本发明所采用的技术方案为：

六自由度并联微纳尺度车铣复合微小型桌面精密加工机床，包括外壳，外壳内设置有支撑架，支撑架上设置有工作台，工作台上设置有用于装夹待加工工件的铣削夹具和/或车铣复合夹具，工作台的上方设置有刀具，支撑架上还设置有带动刀具实现六个自由度的进给运动的驱动并联装置，驱动并联装置设置在工作台的上方，驱动并联装置包括动平台、静平台及用于连接动、静平台的支链杆，刀具设置在动平台的底端，动平台的底端还设置有带动刀具旋转的刀具驱动电机，动平台设置在静平台的下方，所述静平台有六个，相对应的，支链杆有六根，各静平台均与支撑架固连，各支链杆均包括虎克铰、移动副和球铰，虎克铰与静平台相连，球铰设置在动平台上，各所述移动副均为液压缸，液压缸的缸体端与虎克铰相连，液压缸的活塞杆端与球铰相连。

所述工作台包括上工作台和下工作台，上工作台的上方设置有上负载平台，所述铣削夹具、车铣复合夹具设置在上负载平台上，且所述铣削夹具、车铣复合夹具与上负载平台之间均为可拆卸式连接，下工作台的上方设置有下负载平台，上工作台的底端与下负载平台的顶端固连。

所述上工作台上还设置有带动所述上负载平台沿x轴方向作往复直线运动的x向驱动机构，所述下工作台上还设置有带动所述下负载平台沿y轴方向作往复直线运动的y向驱动机构。

所述x向驱动机构包括x向直线电机，x向直线电机与所述上负载平台相连。

所述y向驱动机构包括y向直线电机，y向直线电机与所述下负载平台相连。

所述铣削夹具包括第一夹具底座以及设置在第一夹具底座上的夹具体、第一夹持块、第二夹持块，所述夹具体上设置有对刀块和塞尺，第一夹持块与所述夹具体固连，所述铣削夹具还包括螺杆及与螺杆的一端相连的操纵手柄，第一夹具底座上还设置有螺杆定位块，螺杆的另一端穿过螺杆定位块后与第二夹持块相连，第二夹持块在螺杆的带动下在第一夹具底座上来回移动，第一夹持块与第二夹持块配合形成对待加工工件的夹持间隙。

所述车铣复合夹具包括第二夹具底座以及设置在第二夹具底座上的伺服电机、联轴器、三爪卡盘、芯轴及挡板，伺服电机的电机输出轴通过联轴器与三爪卡盘相连，芯轴设置在三爪卡盘上，待加工工件套置在芯轴上，挡板设置在芯轴上用于防止待加工工件的轴向窜动。

所述支撑架包括定位盘及定位托板，定位盘设置在定位托板的上方，定位盘与外壳的顶端固连，定位托板与外壳的内壁及底端相连，所述支撑架还包括用于连接定位盘和定位托板的若干根支撑杆。

所述外壳的顶端设置有观察窗，所述定位盘的中央开设有观察孔，将支撑架安装到外壳内时，观察孔与观察窗的位置相对。

所述六自由度并联微纳尺度车铣复合微小型桌面精密加工机床还包括减震装置，减震装置包括分别设置在定位托板周圈四个侧面的中央位置处以及定位托板底端的四个顶角处的超磁致伸缩棒，所述减震装置还包括设置在定位托板底端中央位置处的空气弹簧，定位托板周圈四个侧面分别通过超磁致伸缩棒与所述外壳的内壁相连，定位托板的底端通过超磁致伸缩棒及空气弹簧与外壳的底部相连。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

本发明中的加工机床结构紧凑，体积小，耗能低，性能稳定，智能化程度高，热变形误差小，响应速度高。利用本发明中的加工机床加工微小零件，大大提高了生产效率和加工表面质量。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中支撑架、驱动并联装置以及工作台的装配示意图。

图3为本发明中的动平台从一侧看过去的结构示意图。

图4为本发明中的动平台从另一侧看过去的结构示意图。

图5为本发明中支链杆的部分结构示意图。

图6为图5中a处的的局部放大图。

图7为本发明中工作台的结构示意图。

图8为本发明中下工作台与下负载平台的装配示意图。

图9为本发明中上负载平台的结构示意图。

图10为本发明中铣削夹具的结构示意图。

图11为本发明中车铣复合夹具的结构示意图。

其中，

1、外壳101、观察窗2、超磁致伸缩棒3、支撑架301、定位盘302、支撑杆303、定位托板304、观察孔4、工作台401、上负载平台402、上工作台403、x向直线电机404、下工作台405、y向直线电机406、下负载平台5、驱动并联装置501、动平台502、虎克铰503、移动副504、静平台6、刀具7、铣削夹具701、第一夹具底座702、对刀块703、第一夹持块704、螺杆705、夹具体706、第二夹持块707、操纵手柄8、车铣复合夹具801、伺服电机802、联轴器803、三爪卡盘804、芯轴805、挡板806、第二夹具底座9、刀具驱动电机10、待加工工件

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

如图1至图11所示，六自由度并联微纳尺度车铣复合微小型桌面精密加工机床，包括外壳1，外壳1内设置有支撑架3。为方便描述，将外壳1的长度方向定义为x轴方向，将外壳1的宽度方向定义为y轴方向。

所述支撑架3包括定位盘301及定位托板303，定位盘301设置在定位托板303的上方，定位盘301与外壳1的顶端固连，定位托板303与外壳1的内壁及底端相连，所述支撑架3还包括用于连接定位盘301和定位托板303的若干根支撑杆302。所述外壳1的顶端设置有观察窗101，所述定位盘301的中央开设有观察孔304，将支撑架3安装到外壳1内时，观察孔304与观察窗101的位置相对。

所述六自由度并联微纳尺度车铣复合微小型桌面精密加工机床还包括减震装置，减震装置包括分别设置在定位托板303周圈四个侧面的中央位置处以及定位托板303底端的四个顶角处的超磁致伸缩棒2，所述减震装置还包括设置在定位托板303底端中央位置处的空气弹簧，定位托板303周圈四个侧面分别通过超磁致伸缩棒2与所述外壳1的内壁相连，定位托板303的底端通过超磁致伸缩棒2及空气弹簧与外壳1的底部相连。

所述定位托板303上设置有工作台4。工作台4上设置有用于装夹待加工工件10的铣削夹具7和/或车铣复合夹具8。工作台4的上方设置有刀具6，支撑架3上还设置有带动刀具6实现六个自由度的进给运动的驱动并联装置5。所述驱动并联装置5设置在工作台4的上方，驱动并联装置5包括动平台501、静平台504及用于连接动、静平台的支链杆，刀具6设置在动平台501的底端，动平台501的底端还设置有带动刀具6旋转的刀具驱动电机9，动平台501设置在静平台504的下方。所述静平台504有六个，相对应的，支链杆有六根。各静平台504均与定位盘301的底端固连，各支链杆均包括虎克铰502、移动副503和球铰505，虎克铰502与静平台504相连，球铰505设置在动平台501上，各所述移动副503均为液压缸，液压缸的缸体端与虎克铰502相连，液压缸的活塞杆端与球铰505相连。

具体地来说，各所述静平台504采用呈u型的法兰盘，虎克铰502与法兰盘转动连接，且虎克铰502与液压缸的缸体端相铰接。所述动平台501包括圆盘状的基体，基体的外围周圈均布有三块球铰定位板，各球铰定位板上分别设置有两个球铰505。所述虎克铰502具有两个转动自由度，球铰505具有三个转动自由度，液压缸活塞杆具有一个移动自由度，以此来组成六自由度。所述驱动并联装置5，通过液压缸的伸缩，以调度和操控六根支链杆的长度，使动平台501呈现不同的姿态角，从而带动刀具6实现六个自由度的进给运动。

所述工作台4包括上工作台402和下工作台404，上工作台402的上方设置有上负载平台401。所述铣削夹具7、车铣复合夹具8设置在上负载平台401上，且所述铣削夹具7、车铣复合夹具8与上负载平台401之间均为可拆卸式连接。下工作台404的上方设置有下负载平台406，上工作台402的底端与下负载平台406的顶端固连。述上工作台402上还设置有带动所述上负载平台401沿x轴方向作往复直线运动的x向驱动机构，所述下工作台404上还设置有带动所述下负载平台406沿y轴方向作往复直线运动的y向驱动机构。所述x向驱动机构包括x向直线电机403，x向直线电机403与所述上负载平台401相连。所述y向驱动机构包括y向直线电机405，y向直线电机405与所述下负载平台406相连。

需要说明的是，上负载平台401沿x向作直线运动以及下负载平台406沿y向分别作直线运动的驱动方式并不仅仅局限于上述的通过x向直线电机403、y向直线电机405的方式来实现，还可以通过其他直线驱动方式来实现，例如电机+滚珠丝杠副的结构形式。具体地说，可以采用y向导轨、y向滚珠丝杠副、y向电机、x向导轨、x向滚珠丝杠副、x向电机的组合结构形式。具体地说，y向导轨设置在下工作台404的顶端面上，下负载平台406的底端设置与y向导轨相适配的y向滑块，且y向滑块设置在y向滚珠丝杠副上，并在y向电机的带动下沿y向导轨作直线运动。x向导轨设置在上工作台402的顶端面上，上负载平台401的底端设置有与x向导轨相适配的x向滑块，且x向滑块设置在x向滚珠丝杠副上，并在x向电机的带动下沿x向导轨作往复直线运动。

当然，上负载平台401沿x向作直线运动以及下负载平台406沿y向分别作直线运动的驱动方式还可以通过其他直线驱动方式来实现，例如液压缸+运动平台的结构形式，具体地说，可以采用y向液压缸、x向液压缸的组合结构形式，由x向液压缸带动上负载平台作x向直线运动，由y向液压缸带动下负载平台作y向直线运动。

此外，上负载平台401沿x向作直线运动以及下负载平台406沿y向分别作直线运动的驱动方式还可以采用多种直线驱动方式来实现，例如上负载平台401沿x轴做直线运动采用x向直线电机403驱动，同时下负载平台406的y向运动采用电机+滚珠丝杠副的结构形式；又例如上负载平台401沿x轴做直线运动采用电机+滚珠丝杠副驱动，同时下负载平台406的y向运动采用液压缸驱动的结构形式的结构形式。

因此，上负载平台401沿x向作直线运动以及下负载平台406沿y向分别作直线运动的驱动方式并不局限于上述的例举形式，只要能够实现带动上负载平台401的x向直线运动和下负载平台406的y向直线运动即可。

所述铣削夹具7包括第一夹具底座701以及设置在第一夹具底座701上的夹具体705、第一夹持块703、第二夹持块706。所述第一夹持块703和第二夹持块706的截面均大致呈v型。所述夹具体705上设置有对刀块702和塞尺，第一夹持块703与所述夹具体705固连，所述铣削夹具7还包括螺杆704及与螺杆704的一端相连的操纵手柄707，第一夹具底座701上还设置有螺杆定位块，螺杆704的另一端穿过螺杆定位块后与第二夹持块706相连，第二夹持块706在螺杆704的带动下在第一夹具底座701上来回移动，第一夹持块703与第二夹持706块配合形成对待加工工件的夹持间隙。

所述车铣复合夹具8包括第二夹具底座806以及设置在第二夹具底座806上的伺服电机801、联轴器802、三爪卡盘803、芯轴804及挡板805，伺服电机801的电机输出轴通过联轴器802与三爪卡盘803相连，芯轴804设置在三爪卡盘803上，待加工工件10套置在芯轴804上，挡板805设置在芯轴804上用于防止待加工工件10的轴向窜动。

当需要对微小零件进行车铣精密加工时，将待加工工件10装夹在车铣复合夹具8上，通过三爪卡盘803抓住芯轴804，然后通过芯轴804来固定待加工工件10，同时通过挡板805来防止待加工工件10的轴向滑动，装夹完毕之后，开始对待加工工件10的毛坯进行加工。在加工过程中，驱动并联装置5通过液压缸控制支链杆的长短，并通过支链杆驱动动平台501运动以改变刀具6在空间的位置和姿态，从而实现刀具6相对待加工工件10的进给运动，调整待加工工件10与刀具6的相对位置，以实现对于待加工工件10进行不同角度的切削加工。同时，在x向直线电机403的驱动下，上负载平台401实现在上工作台402上的直线滑移，上工作台402与下负载平台406通过螺栓连接，所以上工作台402可以通过下负载平台406在y向直线电机405的驱动下实现在下工作台404上的直线运动，以此来进一步调节刀具6与待加工工件10的相对位置。

整个加工过程通过超磁致伸缩棒2与空气弹簧减缓加工过程中的横向震动与纵向震动。在车铣复合加工过程中，切削速度是由待加工工件10的回转速度和刀具6的回转速度共同合成，因此待加工工件10无需高速旋转也能实现高速切削，使得待加工工件10的切削过程十分平稳，有利于减小待加工工件10的形状误差。

当需要对微小零件进行普通切削加工时，可将待加工工件10装夹在铣削夹具7上，通过拧紧螺杆704使第二v型块706和第一v型块703夹紧待加工工件10，通过对刀块702和塞尺来确定刀具6与铣削夹具7的相对位置。在加工过程中，驱动并联装置5通过液压缸控制支链杆的长短，并通过支链杆驱动动平台501运动以改变刀具6在空间的位置和姿态，从而实现刀具6相对待加工工件10的进给运动。调整待加工工件10与刀具6的相对位置，以实现对待加工工件10进行不同角度的切削加工。同时，在x向直线电机403的驱动下，上负载平台401实现在上工作台402上的左右滑移，从而带动待加工工件10的左右运动，上工作台402与下负载平台406通过螺栓连接，所以上工作台402可以通过下负载平台406在y向直线电机405的驱动下实现在下工作台404上的前后滑移，以此来带动待加工工件10的前后运动，从而进一步调节刀具6与待加工工件10的相对位置，以实现对待加工工件10进行不同角度的切削加工。同样的，在整个加工过程通过超磁致伸缩棒2与空气弹簧减缓加工过程中的横向震动与纵向震动。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。