专利名称:对称多轴线线性电动机机床的制作方法
本发明涉及由线性电动机沿数个轴线驱动的机床，尤其涉及支承在框架内由线性电动机驱动以便刀具沿至少三个相互垂直的轴线高速运动的机床。
本发明涉及一种具有三个运动轴线的机床和一种由线性电动机沿这些轴线驱动的工作部件。工作部件能在加工区域内运动。因此，本发明应用于多种这类机床，但为简洁起见，本发明将描述有关具有切削刀具的切削机床。然而，本发明不限于切削机床。5,368,425号美国专利揭示了线性电动机驱动的切削机床，正如目前在许多已有技术的丝杆传动切削机床中，垂直立柱安装在一滑件上以在水平X轴线方向移动，一垂直可动滑件可在Y轴线方向沿立柱垂直滑动。装刀具的主轴安装在滑件上，在位于X轴线上方并同时垂直于X和Y轴的Z轴线方向水平滑动。这三根轴线中的每一根一般相互层叠，结果，轴线驱动力偏离主轴和切削刀具，例如，切削一件钢件的铣刀。相对于切削刀具轴线的驱动力的不对称布置导致机床结构的偏转及切削加工的误差。无论是由伺服电动机和滚珠丝杆/螺母组合件提供驱动力还是由如在′425号专利中的线性电动机驱动装置驱动的，都是如此。这种不对称的布置其结果是1)由于运行力或加速度/减速度力而形成的结构偏转，2)当受到主轴滑件和主轴的悬臂载荷时的弯曲，和3)由于大体积需达到一定的刚度而单位体积刚度减小。
5,368,425的美国专利揭示了一种安装有大立柱的切削机床，该立柱沿支承其本身的大的固定的重型底座在X方向移动。线性电动机的驱动力仅作用于立柱的底端以在X轴线方向推动立柱。大型固定底座分别为立柱和沿着大块立柱垂直壁在Y轴线方向垂直运行的主轴滑件和其刀具主轴提供了在X和Z轴运动的水平对准。主轴在Z轴线方向移动并装在一悬臂的或外伸的沿垂直立柱壁移动的滑件上。因此，机床对准以基础保持稳定为基础。如果基础一角下陷或变得有偏差，则水平轴线将对不准。由于在立柱底端支承立柱所需的空间和装刀具的滑件的尺寸，刀具主轴及刀具不易到达工件的底部。为了克服这一点，基础需要挖一个凹座使主轴降低以便到达工件的底部，从而加工工件底部。当基础凹座很大又常常需要定做时，则这样的基础凹座代价很大，这类机床的基础在这个专利中有说明。此外，导轨的罩壳会增加基础和机床的尺寸，罩壳为皮老虎形并定位于导轨的端部。这些皮老虎形罩壳位于在以X轴线方向移动的立柱的端部的机床底座上。罩壳阻止切屑和金属屑进入导轨以及磁力吸到线性电动机部件。
为在上述专利揭示的机床中以X轴线移动大块立柱，有一对线性电动机，其每个的一半安装在固定的底座，另一半安装在X轴线上的支承立柱的支座上，每个电动机在立柱上的一半加到立柱总的重量上，从而，需要更多的线性电动机推进要沿X轴线移动的立柱。此外，这个线性电动机加负荷于立柱，有一个磁性吸力，即法向磁力分量，在这种情况下，磁力分量是一个在线圈和这些线性电动机磁铁之间的向下磁力，例如，引起摩擦增加的24,000磅向下的力，该摩擦必须被克服以使支承立柱和支座沿X轴线移动。如果立柱重8,000磅，又存在着法向的24,000磅磁性吸力，则后者有效地加到需要克服的质量上。线性电动机仅对立柱的底部施加推力。为了阻止当立柱的下端加速时立柱未被支承上端的偏转，立柱设置有增加立柱重量的较重的结构部件。因此，如果不仅仅在立柱的下端驱动立柱，如果法向磁性吸引力不是那么大，以一个G或一个G以上的加速度移动立柱所需的线性电动机力从所需的力中得到增加。
一般来讲，在目前，用约一磅的线性电动机的推力去移动约一磅的物体。所需推力越大，线性电动机加到立柱的重量越重。换句话讲，因为需要从线性电动机获得的力越大，线性电动机的重量越重，例如，在立柱支座上的线圈及此重量的增加使重量更重，需要更大的推力，所以，效果是累积的。
在上述专利所描述的线性电动机切削机床中，大块立柱由轻型材料构成，它有一个骨架结构以便减少其重量，从而，减少了迅速加速立柱所需的线性推力，以减少立柱上端相对于其由线性电动机推动的立柱下端的偏转。立柱有用铝做的梯形支承框架、包覆骨架框架的铝皮及在框架上的加固阶梯以增加立柱刚度。由于机床是加工金属的，所以，装切削刀具的滑件和主轴的立柱需要一个很高的刚度，以使切削工件表面获得所需的精度。
在上述专利中，装主轴的滑件外伸或悬臂于立柱上并沿Y轴线垂直移动。立柱在其三侧装有三个线性电动机的永久性磁铁，用来使主轴滑件加速和减速。电动机的定子线圈在滑件的三侧，紧邻于在立柱上的与之关连的三排垂直永久磁铁，并沿这些永久磁铁移动。需要三个线性电动机来垂直加速和减速主轴滑件，这三个线性电动机所产生的法向磁性吸力沿立柱的三侧指向里面。装主轴的滑件悬臂在立柱上。滑件和主轴的重量以及仅施加在滑件相邻于立柱的一侧的推力引起弯曲和偏转，因此，必须在滑件中使用足够的结构部件以补偿任何这种弯曲或偏转。三个线性电动机不仅把它们的推力施加在滑件相邻于立柱壁的一侧，而且这些线性电动机还增加主轴滑件和立柱之间必须被克服的摩擦。因此，如果在立柱和滑件之间存在着18,000磅法向磁性吸力，则必须克服所产生的增加的摩擦力以使主轴滑件在Y轴线方向加速，滑件结构必须用结构件加固，以当电动机推力加到滑件靠立柱壁一侧时，阻止悬臂滑件远端的弯曲和偏转。
为了支承三个Y轴线的电动机的三排线圈以及为滑件和主轴提供在其上的刚性悬臂支承，使切削刀具具有对工件的必要刚度，所以，主轴滑件的尺寸和重量相当大，在这个专利中所说明的主轴滑件有一个带肋和结构，该结构的横截面相当大并在肋的外周装有铝皮。主轴滑件的大尺寸意味着由于低于主轴的主轴滑件的高度限制了主轴向下移动量，刀具不能下降到相对于工件所需要的那么低。
本发明的目的是提供一种旋转切削刀具沿至少三个相互垂直的轴线进给并由线性电动机驱动的机床，该机床克服了已有技术的上述问题。
该目的是用如下的技术方案来实现的。
一种沿多个相互垂直的轴线进给一刀具以加工工件的机床，包括一旋转主轴，其上安装有一个切削刀具；一框架，以当主轴和切削刀具沿横向轴切削和进给时支承主轴和切削刀具；一个垂直门架，可在第一轴线相对框架滑动；一滑座，安装在装滑座的门架内以沿垂直于第一轴线的第二轴线和沿门架并在门架内滑动；一滑块，装于滑座，以沿一个垂直于第二轴线的第三轴线滑动，并安装主轴和旋转切削刀具以沿第三轴线移动；一个第一线性驱动装置，具有第一和第二线性电动机，它们安装在门架与框架之间并沿第一轴线方向延伸使门架相对于框架部件沿第一轴线移动；一个第二线性驱动装置，具有第一和第二线性电动机，它们安装在门架内的相对侧，每一个沿第二轴线的方向延伸，使滑座沿门架和在门架内并沿第二轴线移动，其中磁力在相对的方向吸引形成对称，以及一个第三线性驱动装置，具有一个或多个线性电动机，电动机安装在滑座与滑块之间并沿第三轴线延伸，使滑块和主轴沿第三轴线移动。
本发明的机床有对称地相对于至少两个轴线布置的线性电动机驱动装置，使得引起切削加工偏差和误差的偏转达到最小值。由于机床部件在切削主轴轴线相对侧对称驱动，就能实现减少结构偏转；使单位体积具有较高刚度的较轻的机床重量；平衡或抵消会增加摩擦的法向磁力；以及消除悬臂负荷的弯曲。本发明在X轴线方向移动的结构部件或门架由在其上端和下端的两只线性电动机而不是仅在其底端的线性电动机驱动，装主轴的滑件在Y轴线方向系由在滑件相对两侧的两只线性电动机而不是仅在滑件的一侧的线性电动机驱动。通过平衡在X和Y轴上运动的结构的相对两侧驱动力，而不是如在上述专利机床中把这些驱动力施加在X和Y轴运动的结构的一侧，通过省去远离驱动力施加侧的一侧抗偏转或抗弯曲的附加结构部件，结构可以是较轻重量的构造。因此，本发明提供重量相对于垂直立柱和悬臂的主轴滑件的大体积重量较轻的X和Y轴线结构，并通过抵消吸力的作用而减少了摩擦。X和Y线性电动机对称地设置在装刀具的主轴相对两侧，以用对称地施加在装刀具的主轴的相对两侧的力驱动沿X和Y轴线移动的机床部件，其结果是使电动机的吸力、加速度力和切削力引起的结构偏转最小。这种对称的机床结构去除了许多在不对称的机床结构中由于悬臂负荷而受到的弯曲。最好是，线性电动机最恰当地分布在整个机床结构，以平衡围绕装刀具的主轴的负荷和力，从而使切削偏差和误差最小。由于省去了对许多用在不对称机床以阻止弯曲和/或偏转的结构部件的需求，对称机床重量较轻，且单位质量刚度较大。因此，用少量的线性电动机就可达到较高的加速度和减速度。
在本发明中，线性电动机机床包括一个装滑件的门架，其中驱动门架的线性电动机安装在门架的相对两侧，以在门架的两侧提供相等的推力，并提供一磁性吸力的平衡原则，这样，在门架和框架下的支承件之间存在着减少了的净向下的力。这一点最好是通过在门架的一侧如底侧的线性电动机驱动装着沿X方向推门架的底侧并向下吸引以及在门架的另一顶侧的线性电动机驱动装置在X方向推门架的顶侧并相反地如向上吸引来实现。这一点与移动立柱的所有线性电动机都推立柱的下端、并都以相同的向下方向吸引的上述机床相反。同样地，装刀具的滑件或滑座(以下称滑座)由安装在其相对侧的如左、右垂直侧的线性电动机驱动，而不是仅对滑件一侧施加电动机驱动力。把所述线性电动机置于滑座的两相对侧，在滑座的两相对侧提供Y方向的推力，并提供相互反向的电动机吸力。这就实现了力平衡原则，其结果是减少了法向净磁性力，最好是在左向或在右向的法向净磁性力为零左右。这点与上述专利相反，上述专利中举例的机床有三个驱动滑件的线性电动机，它们全都在滑件的一侧提供推力并全对垂直立柱的三侧施加朝内的法向磁性力。
在本发明的门架、线性电动机的机床中，装刀具的主轴支承于在下面的滑座，该滑座横跨一对相邻的、垂直门架的框架部件，而不是如在上述专利所描述的悬臂在立柱的一垂直壁上。滑座的在下面的支承使其相对于悬臂滑件的尺寸大大减少。尺寸减少，重量也减少，其结果是在Y轴线方向所需移动重量和在X轴线方向移动重量均较轻。重量和尺寸的减少导致成本降低、所需的电动机推力降低。确实，线性电动机的数量从在上述425专利的六个或八个减少到在此举例的五个。
在本发明的另一个方面，机床框架为具有上、下平行的水平框架部件和一对间隔的与上下框架部件端相连的垂直框架部件的构造的箱形状。没有必要用大的基础校准机床，而是框架部件本身提供对准。在理论上，机床可转过90°、180°或270°，也还能同样工作，但对在上述专利描述过的立柱体机床不适合。
在举例说明和较佳实施例中，机床框架是一个固定的箱形结构，它包围可动的由线性电动机驱动的在X方向移动的门架的侧、后、顶和底部、线性电动机驱动的在Y方向沿门架运动的滑座和线性电动机驱动的在Z方向沿滑座运动的主轴。在这个较佳实施例中，门架由间隔在主轴相对侧的顶部和底部线性电动机驱动装置支承，并由它们驱动。上下线性电动机最好是大体上相同。因而，施加在门架顶部的底部的力基本上相等，而在定子线圈和磁铁之间的相对的法向磁力自相抵消。因而，相对X轴线对称。
在本发明的举例说明和较佳实施例中，安装将主轴装在其中的滑座，以便在一槽中沿门架的垂直中心线垂直移动。滑座由安装于在槽相对两垂直侧的门架的左右边两只线性电动机驱动。线性电动机是相同的、并设置得使施加在滑座相对侧的力基本相等，以便相对的左右边的法向磁性力自行抵消。因此，Y轴线象沿X轴线一样有对称性。
主轴和滑块安装于滑座以在Z方向移动。如果需要的话，一线性电动机可安装在滑块和主轴之上和之下以在Z方向驱动滑块和主轴，并提供对称性。然而，比较好的是，单个线性电动机用在滑块上面或下面并在Z方向延伸，以减少滑块的重量，并在滑块和滑座的导轨提供吸引的预负荷，使主轴具有较大的稳定性。
图1是一种在三个轴线方向可动的机床的立体图，它示出支承本发明三轴线机床的箱形框架；图2是图1机床的主视图，它去掉了箱形框架部分前面，以示出垂直门架、滑座、滑块和主轴的布置；图3是沿图2的3-3线截取的截面图，它示出了垂直的门架、滑座、滑块和主轴并以滑块沿Y轴线的虚线表示运动；图4是滑块和主轴组件放大的部件分解立体图，它包括与滑块相配的一线性电动机的永久性磁铁和一滑动部件；图5是另一种形状的滑块放大的部件分解立体图；图6是图5滑块的鼓形罩和皮考虎装置的放大立体图；图7是图5滑块的主视图；图8是类似于图4滑块的另外的滑座和滑块的主视图，滑块由在其顶部和底部的线性电动机驱动；图9是已有技术的悬臂式滑块和与之相关的线性电动机的截面侧视图；图10是垂直门架放大的部件分解立体图；图11是滑件和与之相关的线性电动机线圈定子部分的放大的部件分解立体图，它示出了可拆下的底板和定子线圈组件；图12是用来装垂直门架、滑座、滑块和主轴组件的箱形框架的部分部件分解立体图；图13是类似于图3的侧面剖视图，它示出了门架顶部导向件和线性电动机布局的另一个实施例。
以下结合附图具体介绍较佳实施例。机床10有一支承在水平的X轴线方向可动的、沿一上面的支承件即框架部件20和一下面的支承件即框架部件22可滑动的门架38的框架12。门架38装一个在Y轴线方向垂直运行的装刀具的滑件或滑座56。滑座56装一个往复运动的滑块68和其上有一刀具11以切削安装在工件支承台34上的工件30的刀具主轴78。门架38、滑座56和滑块68由通常用标号108的线性电动机驱动，每个线性电动机有永久性磁铁110和线圈定子部分112。
在本发明中，上下驱动力由一固定于在上面的水平框架部件20的在上线性电动机108b和一固定于在下面的水平框架部件22的在下线性电动机108a施加在门架38的上端38a和下端38b。如在图13中所看到的，滑座56和装刀具的主轴78分别安装在上下线性电动机108b和108a之间，以便具有针对主轴78的对称性。这种情况与在上述′425号专利揭示的线性电动机都安装在立柱底部并都推立柱下端的非对称机床相反。在图2和3所示的机床10中，来自线性电动机的基本相等的力在门架38与框架上部件20相邻的顶部和门架38与框架下部件22相邻的底部施加推动力。由于力作用在门架38在装主轴的滑块68相对侧的顶部和下部，门架38不需要在其上有结构部件以阻止如′425号专利的大块立柱那样的弯曲和偏转，该专利的大块立柱的刀具主轴位于所有在机床底座内以在X轴线方向驱动立柱的线性电动机之上。
另外，在本发明的一个重要方面，是通过在上线性电动机108b用一个在图2和3中用箭头A示出的6,000磅的力向上拉和在下线电动机108a用一个在图2和3中用箭头B示出的6,000磅的力向下拉，使每个线性电动机的6,000磅法向磁性吸力抵消。因为上下线性电动机在尺寸和磁场强度基本上相同，并且以相同方式同时控制，所以，法向净磁力最好为零左右。在′425号专利的机床中，所有X方向的线性电动机施加向下的力，例如24,000磅向下的力。由此产生了附加的摩擦阻力及用来阻止偏转的立柱中较重结构部件的需求。
在本发明中，滑座56靠垂直门架的框架部件40和42支承在其左右侧，其中每个框架部件在装刀具的主轴78的两相对侧装有线性电动机108c和108d的垂直配置部分(图10)。即，线性电动机驱动装置安装在主轴78的两相对侧并对称于主轴78以在滑件56的两相对侧施加相等的、垂直指向的力。因此，滑件56在其两相对侧支承，并通过左右方的线性电动机108c和108d把Y方向的推动力施加于滑座56的两相对侧。这种情况与在′425号专利中的装主轴的滑件不同，该专利的滑件在其一侧上安装以沿立柱滑动，且装主轴的滑件悬臂支承在立柱上。如在′425专利中的用来使装主轴的滑件在Y轴线运动的线性电动机都安装在立柱壁上使得推动力沿滑件的一侧，即滑件与立柱相邻的一侧。由于在425′号专利机床中的三个线性电动机的每一个用6,000磅法向磁性吸力向内拉，因而增加了摩擦。更重要的是，必须用带肋的重型框架结构加固悬臂的主轴滑件的结构，以便阻止主轴滑件的弯曲和偏转，从而提供主轴上切削刀具所需的刚度。滑座56则可轻得多，并有一个较高的刚度与质量之比。重量较轻的滑座56能比较快的加速，只需用较少的线性电动机推力。
因此，将会看到，主轴78正对X轴和Y轴线的电动机对称安装，使结构偏转最小，消除受到悬臂负荷时的弯曲，抵消法向磁性吸力。虽然可同时在主轴78之上和之下及滑件56上安装线性电动机，但最好是仅用单只位于主轴78下方的线性电动机驱动装置并用6,000磅法向向下的吸力预加于滑块68使之与主轴的导轨紧紧接触。
在′425专利的机床中，需要一个带凹座的很大的基础来支承底座并为在X、Y和Z轴的叠层可动部件提供在X轴线方向的对准。如果基础的一角下落，则就失去对准。在此，正方形或矩形框架容纳了它的来自钢框架部件16、18、20和22的对准，所述框架部件16、18、20和22包围以后称作一组可动部件14的门架、滑座和装主轴的滑块。框架12最好由钢构成，而在框架部件20和22之间实测的机床在Y方向的高度等于或小于在部件16和18之间实测的机床在X方向的宽度，以当可动部件14沿着它们各自的运动轴滑动时，为可动部件14提供很稳定的箱形框架支承。机床可以被装运并即可安装，它无需在一个如′425号专利中的机床那样的大块基础上安装和调整水平。如在图13中所看到的，在框架底部部件22和地面之间可设置振动隔离器150，机床即可使用，无需调整水平或一个专门的基础。理论上，由于机床的对称和框架的箱形性能，能将框架底部部件22以及框架12的其余部件转过90°、180°或270°而仍能完成相同的功能。
箱形框架12和位于X轴线可动部件(门架)之上和之下的X轴线电动机108b和108a的对称设置，使举例说明的机床的几何尺寸或轨迹比在′425号专利中示出的机床小得多。在已有技术的垂直立柱机床中，导轨端部有大的延伸到导轨外面的皮老虎形状的罩子而使机床长度大大加长。在本发明中，箱形框架12封闭在一外壳内，该外壳由一风机的空气加压，使金属颗粒和碎屑不能进入导轨和线性的磁性电动机。对在一个连续自动生产线上并排设置的多台机床10来讲，较短的长度尤其重要。
图10所示为用作沿X轴线运动的可动部件14的垂直门架38。垂直门架38被驱动沿着X轴线运动，且安装在框架12内以在框架的上下部件20和22之间延伸。垂直门架38包括分别与顶壁和底壁44和46相连的平行细长侧构架40和42。前后壁48和50分别设置在侧构架40和42及上下壁44和46之间，其中各有长槽52和54，所述槽52和54构成切削刀具11移动的Y轴线，并使切削刀具11沿Z轴线进给。
图11所示为用作沿Y轴线运动的部件14的滑座56。滑座56有一对横向间隔的、各有一L形轮廓的平行侧壁58和60。安装滑件56，使它在门架38内侧构架40和42之间垂直滑动。门架侧构架40和42以一个比滑件侧壁58和60间距稍大的距离间隔，以便当滑件56被门架38载着并在门架38内被驱动沿Y轴线滑动时，使门架侧构架40、42和滑件侧壁58、60之间紧密配合。滑座56还包括一在底部的、呈平板状的、在侧壁58和60之间延伸的可拆连接板62。顶壁64和前壁66完成了滑件56的构造，并形成用于承载如将在此详细描述的滑块68的托架。滑座56的前壁66在70处被切去，以形成一个当滑块68沿Z轴线被驱动时、滑块68能够延伸通过的拱形开口72。因此，滑座56在滑块68的底下支承滑块68，从而消除了如在′425号专利所示的悬臂支承及所产生的过度偏转应力。
现在结合图4-8描述滑块68的结构。滑块68包括一在其内支承一主轴78的空心体76。空心体76有一个环形通孔77。空心体76的外表面79从横截面看可以有许多不同的形状。滑块68的较佳多角形状为在图4中所示的五角形。五角形本身的确切形状如将在此详细描述的那样能改变(图8)。如在图4中所看到的为较佳的五角形形状的滑块68，利用一个弹性塑料滑动部件81，该滑动部件81截面形状与滑块68相似以便绕滑块外表面79紧密配合，并限制运行中的金属碎片和碎屑在滑块68沿Z轴线滑动时被带入内部空间13。滑块68还包括一组在其前端面87围绕孔77的孔86。主轴78有一个与一圆柱体84一体形成的在前面的圆环凸缘82，其中圆柱体84从凸缘82向后延伸，凸缘82包括一组在圆周上间隔的通孔88。圆柱体84的直径这样设定使得它在孔77内紧紧配合，并把在滑块前端面87的孔86和在主轴前凸缘82上的孔88对齐，插入如螺栓(未示出)的连接件穿过孔，使圆柱体84固定在孔77内。
在另一种形式中，滑块68a包括一个空心体76a，如在图5中所看到的空心体76a有一个圆柱形表面79a。滑块68a在前面有一个扩大的环形凸缘80，环形凸缘80的内径稍小于孔77的直径，一组孔86a围着凸缘80，如在图7中所示。环形凸缘80和82相配以把主轴78固定在滑块68a中。圆柱体84的直径稍小于前面的圆环凸缘80的内径，使得主轴78能配合进滑块孔77，同时如前面所述那样分别把其中的孔86a和88对准并连接，使相互配合的前端面凸缘80和前面凸缘82固定起来。滑块体76a安装在一底部支承板81上以安装与滑块68a相配的线性电动机部件以便沿Z轴线驱动滑块68a。
滑块68a还可设置有一个起保护作用的“鼓形罩”罩子90，当滑块68a沿Z轴线被驱动时，罩子90防护滑块68a从框架12穿过开口28向外延伸的那部分，以保护滑块68a沿Z轴滑动时从框架内部空间13向外延伸的部分。因此，采用罩子90就不需要滑动部件81。罩子90有一个用钢做的顶部92，顶部92有一个前端94和一个后端96。在前端94设置一个垂直前板98，在前板98的中心切割出一个入孔100，其直径大到滑块68能够滑行穿过。侧面的皮老虎102和底部的皮老虎104与顶部92和滑座56的前表面66相连，皮老虎102和104与顶94配合起来形成一个可伸展的腔室106，在腔室106中，滑块68能在滑座56的外面进给。用螺栓拧紧等方法把罩子前端94的顶部92的底部与凸缘80连接起来，使罩子90与圆柱体76相连。由于顶部92沿滑块体76纵向延伸超过皮老虎，所以在拱形开口72的上面74处设置一个尖顶形的切去部分并与顶部92的形状对应，使得当滑块68沿Z轴滑动时，顶部92能穿越延伸。类似地，在门架38的前壁48切出槽52，使得前板98以及皮老虎102、104和钢顶部92能滑动穿过槽52。另一方面，由于图10中朝右边的运动只允许罩子90的前板98到达滑座56的前壁66为止，所以，滑座56的前壁66限制了罩子90延伸进滑座的距离。当滑块沿Z轴进出滑座56时，可伸展腔室106以这种方式交替地收缩与伸展。
如上所述，可以看出，包括水平滑块68、滑座56和门架38在内的可动部件14一个套在另一个里面以在机床10的三个轴线上运动。具体地说，门架38沿X轴线装有滑座56、滑块68和主轴78，滑座56沿着Y轴线装有滑块68和主轴78，而滑块68沿着Z轴线仅装有主轴78。
为了驱动可动部件14在机床10的三个轴线上运动，采用线性电动机108。线性电动机108各有一个定子线圈部分110和一排永久磁铁112。线性电动机108的永久磁铁112排列成一排连接于可动部件14和框架12，成一排的磁铁之间的间隙填充有环氧树脂。一薄条状的、起保护作用的非磁性金属材料覆盖各排磁铁112。
线性电动机108可以是任何基于产生一推动的驱动力的磁性吸力来运行的电动机，所以在驱动件(固定的)与被驱动件(运动的)之间没有接触。例如，线性电动机108可以是无刷直流电动机，每个具有2,000磅最大能力。线性电动机108一般位于可动部件14、X轴线的可动部件(门架38)及框架12之间。线性电动机108的控制装置装在机床框架12内并可通过控制面板116操作。利用一位置反馈装置，它包括光、机械或激光传感器，这些传感器用来探测可动部件的位置，并把信号送出使控制器仅激励那些需要沿其运动轴线驱动部件的线圈，如在已有技术中所了解的那样。
与线性电动机108相似，呈耐磨配合形式的支承结构118即细长的直线轨道(以下称凸轨)120和接纳直线轨道120的轨道(以下称凹轨)122位于可动部件14和在X轴线的可动部件(门架38)以及框架12之间，以当可动部件被线性电动机108驱动时支承和导向它们在X、Y和Z轴线的滑动。凸轨120和凹轨122通过滚柱轴承或球轴承、或涂覆有低摩擦系数的材料如聚四氟乙烯的表面具有导向和支承功能。
再回到箱形框架12，尽管本技术领域：
的技术人员将会很清楚，还要结合附图1、12和13更详细地描述其布局，箱形框架12的确切布局可以改变，但须包容和支承沿X、Y和Z轴线滑动的可动部件14。箱形框架的内部空间13通过在侧面部件16和18之间延伸的一中间隔板124被分别分隔成前后区域126和136。前框架板24在T形的臂和腿的结合处与箱形框架12的T形底座15相连从底座向上延伸，并与围着支承件34后部的支承件34的加工罩子32相连。板24平行于中间隔板124延伸，并在中心有一个矩形的切去部分26以便绕罩子32配合，使得滑块68沿Z轴伸进罩子32与在其内的工件接触。中间隔板124以及侧面部件16和18、前板24和上下部件20和22构成一个在箱形框架内部空间13内前门架区域126。与前板24相似，中间隔板124在其中有一个矩形的切去部分，使得滑座沿Y轴滑动时，滑座56的L形侧壁58和60底部腿130穿过该切去部分延伸，并使滑块68沿Z轴运动时，滑块68穿过此延伸。
两个平行的侧面支承板132和134分别距离箱形框架侧面部件16和18朝内间置，并从中间隔板124朝箱形框架12的后面延伸。中间隔板124、侧板132和134以及上下部件20和22配合起来构成在箱形框架内部空间13中的后部区域136，滑座底部腿130和滑块68能如前面所述伸到该后区域136。此外，后部区域136为安置诸如油箱、泵和为线性电动机供应冷却水的冷却器等各种辅助装置和支承装置提供一外壳。
箱形框架12可以通过在前中心开口28处用能堵塞开口又能使滑块68沿Z轴滑动时穿越延伸的结构加以密封。密封结构取允许滑座38和滑块68在X和Y轴运动而还能堵塞滑块68的周围开口28的X和Y幕帘142或挡板的形式。幕帘142包括一在滑座之上的上幕帘辊142a和一在框架底部及滑座底部的下幕帘辊142b。当滑座垂直运动时，上下幕帘分别卷起和展开。机床的后面可用薄板金属密封以形成后部区域外壳。用一个风机146形式的正压装置给箱形框架内部空间13加压，以阻止在加工过程中所产生的碎屑和工件屑进入内部空间。风机146可置放在箱形框架的后部区域136内并供有过滤过的环境空气。来自风机146的加压空气能有效地把内部空间与任何由工件产生的铸铁或钢屑或碎屑隔绝开来，这些碎屑可能会被吸到线性电动机108的磁铁上而对电动机的运行有不利的影响。
参阅图13，如前所述的底座15也可去掉而用一个比较厚的直接安装在一个支承表面的底部部件22a提供给框架12。吸振弹性垫座150与底部的框架部件22Aa相连，以把机床及其支承表面与其它部分隔绝开来，使它们的振动不能相互传递。由于机床的对称箱形框架结构，机床的对准不依靠基础，所以，仅需采用三个支承垫座150给机床提供一有效的三点安装支承面。
为在箱形框架12内沿X轴驱动垂直的门架38，如在图3中所看到的提供一对相对的线性电动机108a和108b。通过提供门架38的顶部和底座驱动，基本上避免了由单独驱动门架底部所引起的偏转负荷。如在′425号专利中所看到的，长的独立式立柱的底部驱动由于驱动力集中在立柱的底部而引起立柱自由顶端附近的偏转，从而，当立柱被驱动时引起一个在顶部的偏转滞后。在箱形框架机床中，在门架底部的线性电动机108a的线圈定子部分112a安装在门架的底部部件46，而成排的永久磁铁110a沿X轴安装于在前面的门架区域126(图12)内的框架底部部件22上。与安装在框架底部部件22的线圈定子部分112a相邻的是一对直线对齐的接纳直线轨道的轨道(即凹轨)122a(图10)。与之对准的是一个与磁铁110a相邻的滑动轨道120a(即凸轨)，使得通过轨道120a和122a的配合分别支承和导向沿X轴滑动的门架38。
顶部线性电动机108b在门架38和框架12的顶部或其附近。如在图2和3中所看到的，在较佳实施例中，水平延伸的框架部件154设置在前面的门架区域126与框架的顶部部件20平行并与之间隔一段距离。框架部件154从中间隔板124朝框架12的前面延伸，并与一个在前板24和在壁部分154和框架顶部部件20之间延伸的中间隔板124之间的一垂直壁部分158相连。为了从门架的顶部及底部驱动垂直门架38，线圈定子部分112b安装于门架的顶壁44，成排的永久磁铁110b沿X轴与之对准并安装在水平壁部分154的底部。紧邻线性电动机108b，设置一轨道(即凸轨)120b和轨道(即凹轨)122b，以当门架38沿X轴进给时在其顶部附近引导和支承门架38。门架38包括安装直线成对配置的轨道122b(图10)的垂直凸缘162。框架12的垂直壁部分158安装滑动轨道120b(即凸轨)，使得轨道120b与轨道122b对准以在轨道122b内滑动。在另一个配置中，轨道122b和线圈部分112b以并排的关系安装在门架顶壁44，分别与它们对准的轨道120b和成排的永久磁铁110b安装在框架的顶部部件20，如在图13中所示。正如对本技术领域：
的技术人员来讲将是显而易见的，配合的轨道120b的轨道122b以及线性电动机108b的布置可以改变，例如在中间隔板124放置它们，只要它们留在门架顶部附近以提供相同的顶部驱动。在这个方式中，在顶部和底部的线性电动机108a和108b的磁铁吸力自相抵消，从而限制了作用在′425号专利机床中的由不平衡磁力引起的结构偏转。
类似地，滑座56作为一个在门架38内被平衡的载荷安装在门架侧构架40和42之间在Y轴沿侧构架40和42滑动运行，线性电动机108c和108d分别位于滑座侧壁58和60与门架侧构架40和42之间，以平衡作用在围绕Y轴的门架38与滑座56之间的磁力。尤其是，各门架侧构架40和42分别安装线性电动机108c和108d的一半，该一半的较佳形式是一排沿Y轴延伸的永久磁铁112c和112d(图10)。各自的线圈定子部分112c和112d分别安装在滑座的侧壁58和60，从而沿Y轴驱动滑座56和安装的滑块68。因此，滑座56系从Y轴的两侧对称地加以驱动，而同时以可拆连接板62的形式在滑块68的下面提供一支承，从而去除了如在′425号专利所看到的滑块、滑件和立柱结构的任何外伸或悬臂负荷。
为了当滑座56在Y轴运动时平衡它，一对平衡圆柱体166和168连在门架38和滑座56之间，使得线性电动机108c和108d停止时，滑座56在门架38内沿Y轴保持不动。圆柱体166和168可以是如气缸或液压缸，每一个分别包括一个弹簧闸170和172，正如在已有技术中所了解的。因此，当动力损失、压力从平衡圆柱体166和168失去时，启动弹簧闸170和172以把滑座56保持在沿Y轴的位置上。
如前所述，滑座56包括一个可拆的底部连接板62，以当滑块68沿Z轴滑动时给滑块68提供托架或在下的支承。如在图11中所看到的，用任何种类的已知的连接装置如用螺纹孔和螺栓把连接板62连接于滑座56的主要部分，该连接装置还允许连接板62可调节，以便校正在滑块68和滑座56之间的任何公差变化。
为了沿Z轴驱动滑块68，采用其一半在连接板62、其另一半在滑块68下面的单个线性电动机108e是较好的。线圈定子部分112e最好安装在具有一对直线排列的、位于其两侧的轨道(即凹轨)122e的底部连接板62。一排永久磁铁110e安装在滑块68的下面，两个平行的轨道120e(凸轨)位于其两侧，磁铁110e和轨道120e分别与线圈112e和轨道(凹轨)122e对准，使得被驱动的滑块68沿Z轴滑动并由连接板62支承着。在这种配置中，由线性电动机108e提供的强吸力在轨道120e和轨道122e上产生一个预载荷，使得当滑块68沿Z轴往复运动时给主轴78提供较大的稳定性。
由于对称的箱形框架构造，在固定的钢框架12中具有体积庞大的机床并围绕于门架38和滑座56施加了平衡的驱动力，可动部件14即门架38、滑座56和滑块68重量都可比较轻，并且还要由具有高刚度的材料如钢制成，被它们各自的线性电动机108精确驱动而高速运动，所以机床10能以每分钟至少1500英寸的速度和以至少1G的加速度或减速度进给。
在另一个实施例中，平衡的磁性驱动力作用于采用略微变形的五角形形状如图8所示的滑块68上，其中其平顶表面在X方向延伸，使得它适于在其上安装一排永久磁铁110f。利用顶部安装线性电动机108f的变形滑块68b也采用了一个略微变形的滑座构形，其中滑座56a形成一个围绕滑块68b外围的正方形框架，使得滑座56a的顶部水平部件174能在其上安装一个与磁铁110f对准的线圈组件112f以同时从滑块68b的顶部和底部驱动滑块68b。
很显然，由于线性电动机108而不是已有技术的滚珠-丝杆电动机或在′425号专利的机床中的线性电动机可分布在整个机床的箱形框架12以平衡围绕多个运动轴的力，线性电动机108在本书中描述的箱形框架机床中的使用为其可动部件14的设计提供了灵活性。因此，电动机108及其元件即磁铁110和线圈部分112的确切布局可根据力和本书中描述的负荷平衡原则改变。因而，有了对称设置的可动部件和驱动力，就可得到比传统机床更高的精度、刚度、速度和加速度。
权利要求
1.一种沿多个相互垂直的轴线进给一刀具以加工工件的机床，包括一旋转主轴，其上安装有一个切削刀具；一框架，以当主轴和切削刀具沿横向轴切削和进给时支承主轴和切削刀具；一个垂直门架，可在第一轴线相对框架滑动；一滑座，安装在装滑座的门架内以沿垂直于第一轴线的第二轴线和沿门架并在门架内滑动；一滑块，装于滑座，以沿一个垂直于第二轴线的第三轴线滑动，并安装主轴和旋转切削刀具以沿第三轴线移动；一个第一线性驱动装置，具有第一和第二线性电动机，它们安装在门架与框架之间并沿第一轴线方向延伸使门架相对于框架部件沿第一轴线移动；一个第二线性驱动装置，具有第一和第二线性电动机，它们安装在门架内的相对侧，每一个沿第二轴线的方向延伸，使滑座沿门架和在门架内并沿第二轴线移动，其中磁力在相对的方向吸引形成对称，以及一个第三线性驱动装置，具有一个或多个线性电动机，电动机安装在滑座与滑块之间并沿第三轴线延伸，使滑块和主轴沿第三轴线移动。
2.如权利要求
1所述的机床，其特征在于，框架包括顶部和底部部件，它们以第一预定距离垂直间置，框架包括诸平行的并以第二预定距离横向间置的侧面部件，其中第一预定距离大约等于或小于第二预定距离。
3.如权利要求
1所述的机床，其特征在于，框架、门架、滑座和滑块由钢制成。
4.如权利要求
1所述的机床，其特征在于，框架部件形成一个内部空间，内部空间具有相对于框架安装的在内部空间中的门架和滑座，框架包括使内部空间基本密封和加压、以使在机加工时滑块和主轴伸出内部空间、而限制所产生的工件切屑和用在刀具和工件接触界面的冷却剂进入内部空间的装置。
5.如权利要求
4所述的机床，其特征在于，密封和加压装置包括基本堵塞中心开口而允许滑块穿越其延伸的隔板和一个供应空气加压内部空间的正压装置。
6.如权利要求
1所述的机床，其特征在于，门架包括顶、底和侧壁，滑座包括间置的侧壁和一个在侧壁间延伸的以形成一个支承滑块的托架的底部连接板。
7.如权利要求
6所述的机床，其特征在于，门架侧壁有一个第一预定间距，滑座侧壁有一个稍小于第一预定间距的使滑座在第二轴线滑动时在门架侧壁间紧密配合的第二预定间距。
8.如权利要求
1所述的机床，其特征在于，各线性电动机有一排与一线圈部分相配合的永久磁铁，第一线性驱动装置的第一和第二电动机包括对称的具有在相对方向吸引以抵消它们各自力的磁力的线性电动机。
9.如权利要求
6所述的机床，其特征在于，第二线性驱动装置的对称线性电动机中的每一个分别各位于门架侧壁和对应的滑座侧壁之间，从而具有在相对方向吸引以一个抵消另一个的磁力。
10.如权利要求
6所述的机床，其特征在于，滑块包括一个具有第三线性驱动装置的底部支承板，第三线性驱动装置包括一个位于滑块底板和滑座底部连接板之间以便滑块在第三轴线滑动的线性电动机。
11.如权利要求
6所述的机床，其特征在于，包括引导门架、滑座和滑块由它们各自的线性电动机引起的滑动的支承装置。
12.如权利要求
11所述的机床，其特征在于，支承装置包括互相配合的耐磨滑动轨道(即凸轨)和接纳滑动轨道的轨道(即凹轨)，其中各滑动轨道和接纳轨道分别位于一对门架壁和一对框架部件之间。
13.如权利要求
12所述的机床，其特征在于，滑块包括一个具有一接收主轴的孔并在其上安装滑动轨道的箱形体，以及限制在机加工时所产生的工件切屑和用在刀具与工件接触界面的冷却剂进入机床的装置。
14.如权利要求
1所述的机床，其特征在于，框架是一个箱形的框架，它具有四个构成中心开口的框架部件，门架位于框架的开口内。
15.如权利要求
1所述的机床，其特征在于，框架、垂直门架和滑座和滑块由钢制成并有一个预定的结构固有频率，线性驱动装置包括一具有一预选的工作频率范围的电动机驱动线路，其中工作频率范围的选择使得预定的结构固有频率大于电动机驱动装置线路的预选的工作频率范围。
16.如权利要求
1所述的机床，其特征在于，多个弹性的吸振垫座与框架相连使框架安装在一个支承表面，并把框架和支承表面相互隔离开来。
17.如权利要求
16所述的机床，其特征在于，吸振垫座连接于框架以将框架三点安装于一支承表面。
18.如权利要求
1所述的机床，其特征在于，第三线性驱动装置包括安装在滑块和主轴下面的单个线性电动机。
19.如权利要求
1所述的机床，其特征在于，各线性电动机各可驱动门架、滑座和滑块，使一刀具至少以一1,500英寸/分钟的速度和至少以一1G的加速度或减速度进给，其中框架、门架、滑座和滑块由具有高刚度的钢制成。
20.如权利要求
1所述的机床，其特征在于，第三线性驱动装置包括一对线性电动机，它们各有一个安装在滑块相对侧的定子线圈部分和永久磁铁部分，用在相对方向吸引的磁力驱动滑块和主轴以提供对称性。
21.如权利要求
14所述的机床，其特征在于，滑座、滑块和主轴安装在由框架件构成的中心开口内。
22.如权利要求
14所述的机床，其特征在于，滑块、滑座和门架在盒形框架内一个套在另一个内部。
专利摘要
一种有支承垂直门架的框架的机床，该门架的顶部和底部被线性电动机驱动，使得相对两个法向磁力基本相等并自相抵消。由此降低增加摩擦的法向磁力。安装在门架相对两侧的线性电动机使装主轴的滑座在门架中心的垂直槽移动，诸线性电动机相同使得相对的左右方的法向磁力自相抵消。由此分别提供沿X、Y轴线的对称性。一主轴和滑块安装于滑座并被至少一个线性电动机沿Z轴驱动。包容门架和滑座是较佳的、固定的、箱形结构的框架。
文档编号B23Q1/62GKCN1086975SQ95121419
公开日2002年7月3日 申请日期1995年12月12日
发明者托马斯·朱尔斯·林德姆 申请人:尹格索碾磨机公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (1),