专利名称：复合式五坐标数控机床结构的制作方法
技术领域：
本发明属于机械制造自动化及数控机床领域，特别涉及一种串并联复合结构五坐标数控机床的结构设计。
目前，五坐标数控机床在结构上主要有两种类型，一类是采用串联结构的常规五坐标机床，另一类是近年来发展起来的基于Stewart平台原理的并联结构方案。
常规五坐标机床在总体结构上基本上采用工件和刀具沿各自导轨共同运动的方案。一种典型方案是将装载工件的转台固定于正交工作台上，让其带动工件沿C轴旋转并在X-Y平面内作平移运动；将主轴单元安装于可沿A轴或B轴旋转的摆头上，并将摆头固定在立柱滑板上让其沿Z轴运动；由此实现三直线运动加两旋转运动的五坐标运动。在这类结构中，由于运动部分(包括工件、夹具、转台和工作台等)的总质量比较大，再加上传动环节的弹性变形和导轨中的摩擦阻力较大，使机床难以获得高的进给速度和加速度，不能满足现代高速高效加工的要求。另一个突出问题是，常规五坐标机床结构是一种串联开链结构，组成环节多、结构复杂，并且由于存在悬臂部件和环节间的联接间隙，难以保证高的总体刚度，不容易获得高的加工精度和加工质量。
基于Stewart平台原理的五坐标数控机床的典型结构为一“六杆平台结构”。其具体含义是，将六根可变长度驱动杆(简称驱动杆)的一端固定于静平台(如地基或机床框架)上，驱动杆的另一端与动平台，即主轴单元相联接。这样，调节六驱动杆的长度，可使主轴和刀具相对于工件作六自由度进给运动。其中包括沿三个线性轴X、Y、Z的平移运动和沿三个转动轴A、B、C的旋转运动。由于装于主轴中的刀具一般为回转体，仅用五个量即可确定其位置与姿态。因此，实际应用时只需对X、Y、Z、A、B这五个坐标的运动进行实时控制，即可实现五坐标加工。
通过分析可以发现对于一般直接基于Stewart平台原理的五坐标数控机床，其旋转坐标的合理运动范围比常规五坐标数控机床要小得多(如A、B轴的旋转范围通常只有20～30度，而常规五坐标机床可以达到90度以上)，并且随着旋转角的加大这类五坐标机床的有效工作空间将大幅度减小。因此，基于Stewart平台原理的五坐标数控机床不能加工需大范围多坐标运动的零件，这就大大限制了这类机床的应用范围。
本发明的目的是为有效解决常规五坐标机床结构复杂、刚度差、精度难以保证、制造难度大、生产成本高等问题和Stewart平台五坐标机床旋转坐标运动范围小、加工空间小等不足之处，设计出一种复合式五坐标数控机床结构，使其不但结构简单、刚度大、精度高、制造容易、生产成本低，而且具有大范围加工能力等突出优点，适合普及应用于制造工业、国防工业和国民经济其他生产部门。
本发明提出一种复合式五坐标数控机床结构，包括机床框架，工作台，设置于该工作台上方的主轴部件，其特征在于，还包括设置于所说的机床框架上部相对位置的两条平行的直线导轨，每个导轨上有两个滑块，导轨和滑块内装有驱动及传动装置，所说的主轴部件通过四条腿并联结构支撑于工作台上方，每条腿由一根以上固定的等长度的驱动杆组成，该驱动杆的一端与主轴部件相连接，另一端与对应的滑块相连接。
本发明的四条腿并联结构中，四条腿的结构完全相同，每条腿的驱动杆的两端设置有球铰(或虎克铰)。该结构中各驱动杆相互平行，并位于垂直平面内。
本发明的驱动及传动装置可由伺服电机驱动的丝杠、螺母组成，所说的伺服电机与丝杠相连并一起设置于导轨内，所说的滑块与螺母相连。
本发明另一形式的驱动及传动装置可采用直线电机直接驱动，由固定于导轨上的电机定子，固定于滑块上的电机动子所组成。当电机动子相对于定子运动时，即可直接带动滑块运动，省去了丝杠、螺母等机械传动环节，从而有利于提高机床的进给速度和加速度，并可提高机床的加工精度。
本发明的主轴部件包括支承座，其上部装有伺服电机，该支承座的下部装有轴承，支承于该轴承上的电主轴单元该伺服电机与电主轴单元分别连接有小齿形带轮与大齿形带轮，以及套于大小齿形带轮的齿形带。该伺服电机通过齿形带驱动电主轴单元围绕轴作±90°旋转。
本发明机床五坐标运动的具体实现过程如下(1)X坐标运动当四个滑块10、12、24、30沿导轨14、16向+X方向同时运动时，可通过四条腿26带动主轴18和刀具相对于工件作+X坐标运动如
图1所示。当四个滑块沿导轨向-X方向同时运动时，可通过四条腿带动主轴和刀具相对于工件作-X坐标运动。只要导轨足够长，X坐标的运动行程是没有限制的，因此，该机床既可加工小型工件，也可以加工大型工件。
(2)Y坐标运动当导轨16上的两个滑块12、30同时向相反方向运动(使两滑块间的距离增大)，而导轨14上的两个滑块10、24同时向相对方向运动(使两滑块间的距离缩小)，则通过四条腿可带动主轴和刀具相对于工件作+Y坐标运动如图2所示。若四个滑块的运动与上述过程相反，主轴和刀具则相对于工件作-Y坐标运动。
(3)Z坐标运动当导轨14上的滑块24和导轨16上的滑块30同时向+X方向运动，而导轨14上的滑块10和导轨16上的滑块12同时向-X方向运动，则通过四条腿可带动主轴和刀具相对于工件作+Z坐标运动如图3所示。反之，主轴和刀具则相对于工件作-Z坐标运动。
(4)C坐标运动C坐标运动(主轴部件围绕Z轴的转动)是通过四个滑块的协调运动来实现的。当四个滑块按图4方式运动时，可通过四条腿带动主轴部件作+C坐标运动。当四个滑块作与图4相反的运动时，可通过四条腿带动主轴部件作-C坐标运动。
(5)B坐标运动通过主轴部件中的伺服电机带动电主轴单元作±90°转动，即可实现所要求的B坐标运动。此运动与C坐标运动相配合，即可对刀具的姿态进行全方位控制。
本发明与现有技术的重大区别在于(1)常规串联结构五坐标机床至少有五个运动环节相串联，难以提高机床总体刚度和加工精度。本发明为一个高刚度并联环节加一串联环节，总体刚度大为提高，非常有利于提高加工精度和加工质量。此外，本发明的五坐标机床，仅刀具和其驱动部件运动，笨重的工件、夹具和工作台等都不运动，因而易于实现高速高效加工。
(2)六条腿并联机床有六个自由度(有一冗于自由度)，需六条腿同时运动来实现主轴和刀具的三坐标平移运动和三坐标旋转运动，由于多坐标运动之间的相互制约不但大大限制了旋转坐标的运动范围，而且增大了设计与控制的复杂性。本发明采用四条腿，在实现三坐标平移运动的基础上重点解决一个方向(即C坐标)的旋转，由于没有其它旋转坐标运动的制约，因而易于使C坐标获得较大的旋转角，再加上主轴部件提供的B坐标大角度旋转运动，可以使刀具获得大范围全方位运动，因而不仅可以加工更为复杂的零件，而且大大简化了机床总体结构，有利于优化设计和高效控制。
本发明具有如下显著效果本发明既具有结构简单、刚度大、精度高等优点，又具有较大的加工范围，其旋转坐标运动范围可达±90°，加工空间大大高于Stewart平台五坐标机床，特别是其纵向行程可达10米以上，可以加工大型和重型复杂工件。此外，这种新型机床还可方便地组成生产线，进一步提高生产效率。
本发明可以为军工生产、航空航天器制造及各类民用制造业提供一种重要的新装备。由于这类机床可以进行全方位加工，因而不仅可以加工各种复杂零件，而且可以大幅度提高加工柔性和加工效率。这一新型机床的推广应用，将为制造工业现代化，增强综合国力作出有较大实效的贡献。
附图简要说明图1是本发明机床X坐标运动俯视示意图。
图2是本发明机床Y坐标运动俯视示意图。
图3是本发明机床Z坐标运动俯视示意图。
图4是本发明机床C坐标运动俯视示意图。
图5本发明实施例总体结构的立体示意图。
图6是本发明驱动腿的实施例结构示意图。
图7是本发明滑块驱动装置的实施例之一结构示意图。
图8是本发明滑块驱动装置的实施例之二结构示意图。
图9是本发明的主轴部件实施例结构示意图。
本发明设计的一种复合结构五坐标数控机床结构实施例，如图5、图6、图7、图8、图9所示，结合各图分别描述如下本实施例的五坐标数控机床总体结构，如图5所示。包括立柱62(共四个)置于床身64上，连接板60(左右各一块)将前后立柱联结为一体。该机床上部有两条直线导轨14和16。前导轨14安装于两前立柱顶端，后导轨16安装于两后立柱顶端，两导轨通过横梁68(左右各一个)联结为一体。导轨上装有滑块10、12、24、30，导轨和滑块内装有驱动电机及传动装置，机床的主轴部件(即旋转头)18通过四条腿支撑于工件22上方。每条腿由两根(为加强刚度也可采用多根)固定长度的驱动杆26组成。驱动杆的一端通过球铰(或虎克铰)20与主轴部件相连接，另一端通过球铰(或虎克铰)28与对应的滑块相连接。调节四个滑块在导轨上的位置，可通过四条腿驱动主轴部件作四坐标运动。其中包括沿X、Y、Z坐标轴的平移运动和沿C坐标(围绕Z轴)的旋转运动。由于装于主轴部件中的电主轴单元可作沿B坐标的旋转运动，从而使主轴和刀具可作X、Y、Z、B、C五坐标运动，实现复杂零件的五坐标加工。
本实施例的四条腿并联结构中，四条腿的结构完全相同，图6是其结构示意图。每条腿由两根(或多根)等长度驱动杆26及其两端的球铰(或虎克铰)20、28等组成。该结构中各驱动杆相互平行，并位于垂直平面内。
图7是本发明中滑块驱动装置的一种实施例结构示意图。该装置采用伺服电机36驱动，伺服电机36通过联轴器72带动滚珠丝杠34旋转。丝杠34转动时使螺母32作直线运动，从而带动滑块24沿导轨14作直线运动。轴承70用于支撑丝杠并承受滑块传递来的轴向力。
图8是本发明另一形式的驱动装置实施例示意图。该装置采用直线电机直接驱动，电机定子40固定于导轨14上，电机动子38固定于滑块24上。当电机动子相对于定子运动时，即可直接带动滑块运动，省去了丝杠、螺母等机械传动环节，从而有利于提高机床的进给速度和加速度，并可提高机床的加工精度。
图9是本发明主轴部件18的实施例结构示意图。该部件中两套圆锥磙子轴承52安装于支承座42下部的两个对称孔中。电主轴单元56支承于该轴承上。支承座42的上部装有伺服电机44，可通过小齿形带轮46、齿形带48、大齿形带轮50驱动电主轴单元56围绕轴54作±90旋转。
权利要求
1.一种复合式五坐标数控机床结构，包括机床框架，工作台，设置于该工作台上方的主轴部件，其特征在于，还包括设置于所说的机床框架上部相对位置的两条平行的直线导轨，每个导轨上有两个滑块，导轨和滑块内装有驱动及传动装置，所说的主轴部件通过四条腿并联结构支撑于工作台上方，每条腿由一根以上同定的等长度的驱动杆组成，该驱动杆的一端与主轴部件相连接，另一端与对应的滑块相连接。
2.如权利要求1所述的复合式五坐标数控机床结构，其特征在于，所说的四条腿并联结构中，每条腿的驱动杆的两端设置有球铰或虎克铰，各驱动杆相互平行，并位于垂直平面内。
3.如权利要求1所述的复合式五坐际数控机床结构，其特征在于，所说的驱动及传动装置由伺服电机驱动的丝杠、螺母组成，所说的伺服电机与丝杠相连并一起设置于导轨内，所说的滑块与螺母相连。
4.如权利要求1所述的复合式五坐标数控机床结构，其特征在于，所说的驱动及传动装置采用直线电机直接驱动，由固定于导轨上的电机定子，固定于滑块上的电机动子所组成。
5.如权利要求1所述的复合式五坐际数控机床结构，其特征在于，所说的主轴部件包括支承座，其上部装有伺服电机，该支承座的下部装有轴承，支承于该轴承上的电主轴单元，该伺服电机与电主轴单元分别连接有小齿形带轮与大齿形带轮，以及套于大小齿形带轮的齿形带。
全文摘要
本发明属于机械制造自动化及数控机床领域,包括机床框架、工作台、设置于工作台上方的主轴部件以及设置于机床框架上部相对位置的两条平行的直线导轨,每个导轨上有两个滑块,导轨和滑块内装有驱动及传动装置,主轴部件通过四条腿并联结构支撑于工作台上方,每条腿由一根以上等长度的驱动杆组成,驱动件的一端与主轴部件相连接,另一端与滑块相连接。本发明结构简单、刚度大、精度高,制造容易、生产成本低,具有大范围加工能力等优点。
文档编号B23Q5/34GK1251790SQ99123749
公开日2000年5月3日 申请日期1999年11月19日 优先权日1999年11月19日
发明者周凯 申请人:清华大学