CN101474756B

CN101474756B - 一种双驱动滚滑回转结合部二轴并联高速精密主轴头

Info

Publication number: CN101474756B
Application number: CN2009100209779A
Authority: CN
Inventors: 黄玉美; 韩旭炤; 杨新刚; 陈纯; 闫雯; 张磊
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: CN101474756A

Abstract

本发明公开了一种双驱动滚滑回转结合部二轴并联高速精密主轴头，包括电主轴和二轴并联机构，二轴并联机构由动平台和两个分别与动平台相连接的分支结构构成，电主轴固接于动平台，两个分支结构均包括并列设置的两个移动副，该两个移动副与一滑台相连接，滑台通过两个回转副分别与两根连杆的一端相连接，两根连杆的另一端分别通过回转副连接于动平台，两分支结构中一个分支结构的两移动副分别与另一分支结构相对应的移动副水平并排设置。本发明主轴头不仅速度高，而且改善了回转副的受力状况，使其具有较高的导向刚度及精度。

Description

一种双驱动滚滑回转结合部二轴并联高速精密主轴头

技术领域

本发明属于精密机床技术领域，涉及一种高速、精密数控机床的主轴头，具体涉及一种双驱动滚滑回转结合部二轴并联高速精密主轴头。

背景技术

机床的主轴头机构是指由实现主运动的主轴组件和直接带动其作进给运动的进给组件组成的独立部件，独立部件中进给组件的运动轴数目称为主轴头机构的轴数。传统的机床是完全串联原理，其主轴头机构也是串联原理。串联原理机构的主要优点是作业空间大，运动控制算法简单；主要缺点是各轴的运动误差累加，结构刚度弱，运动质量大，进给速度不能太高。

六轴完全并联原理机构的优点是运动件质量小、速度高、比刚度高、各个分支运动误差不累加、精度高；缺点是作业空间小(尤其是回转运动范围小)，运动算法复杂。并联原理主轴头机构的类型有二轴和三轴，且每种类型又可以有多种构型和结构形式，例如德国的三轴并联主轴头机构(一个直线进给运动和两个回转进给运动)，日本的二轴并联主轴头机构(二个直线进给运动)。

二轴并联机构属于少自由度并联机构，少自由度并联机构的优点：①保持了完全并联机构速度高的特点，②少自由度并联机构与完全并联机构相比，作业空间增大，③原理上讲，并联机构各个分支运动误差不累加，精度高，但由于并联机构的被动关节(被动运动副)多，限于设计、制造的原因，实际实施时往往达不到原理上的高精度，少自由度并联机构与六自由度完全并联机构相比，被动关节少，精度相对较高。少自由度并联机构的缺点：与完全并联机构相比，机构受力状况变差。提高机床的速度的主要形式是采用高速电主轴、高速进给系统(采用并联机构、直线电机、高速滚珠丝杠副)。因此如何既能发挥少自由度并联机构的高速优势，又能改善其受力状况，进一步提高其精度，对推动高速、高精度机床创新研究开发具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种双驱动滚滑回转结合部二轴并联高速精密主轴头，用于高速、精密数控机床，不仅具有少自由度并联原理机构的高速优势，而且提高了精度并改善受力状况。

本发明所采用的技术方案是，一种双驱动滚滑回转结合部二轴并联高速精密主轴头，包括电主轴和二轴并联机构，二轴并联机构由动平台和两个分别与动平台相连接的分支结构构成，电主轴固接于动平台，分支结构由并列设置的两个直线运动组件、两连杆、滑台和回转副构成，两个直线运动组件与滑台相连接，滑台通过两个回转副分别与两连杆的一端相连接，该两连杆的另一端分别通过回转副连接于动平台，分支结构中的两个直线运动组件分别与另一分支结构中的两个直线运动组件水平并排设置。

本发明的特征还在于，

回转副包括环形的回转副壳体，沿回转副壳体的轴向，其两侧分别设置有环形凸台状的回转副底座和环形凸台状的法兰，回转副底座和法兰的凸台分别自回转副壳体的两端伸入回转副壳体的内孔，连杆的一端从回转副壳体的侧壁伸入回转副壳体内，并位于回转副底座和法兰之间，连杆伸入回转副壳体内的一端设置有一通孔，该通孔内设置有轴，轴的两端分别伸入回转副底座和法兰的内孔，并通过滚动轴承A和滚动轴承B分别与回转副底座和法兰连接，滚动轴承A与连杆之间、轴上设置有轴套，滚动轴承B与连杆A之间、轴上设置有轴套B，连杆与回转副底座之间设置有回转滑动介质A，连杆与法兰之间分别设置有回转滑动介质B，回转副底座的外端面固定安装有端盖A，法兰的外端面固接有端盖B，法兰与回转副壳体之间设置有调整垫。

滑台上设置的两回转副的中心距与动平台上相对应的两回转副的中心距相等。

各连杆两端分别连接滑台和动平台的回转副之间的中心距均相等。

滑台采用两个电机同步驱动的双驱动。

移动副采用直线电机驱动或伺服电机和具有高速滚珠丝杠副的直线运动组件驱动。

本发明主轴头采用二轴并联机构、直线电机或伺服电机和高速滚珠丝杠副及高速电主轴，具有高速度；同时，对二轴并联机构的直线运动自由度采用双驱动，改善移动副的受力状况，并可进行消隙或补偿提高直线运动的精度；回转副采用滚滑结合部回转副，不仅改善了回转副的受力状况，而且提高了回转副的回转导向刚度及精度。

附图说明

图1是本发明主轴头的结构示意图；

图2是本发明主轴头中滚滑回转结合部回转副的结构示意图；

图3是本发明主轴头中双驱动滚滑回转结合部二轴并联机构的原理图。

图中，1.直线运动组件A，2.回转副A，3.回转副B，4.连杆A，5.连杆B，6.回转副C，7.回转副D，8.电主轴，9.回转副E，10.动平台，11.连杆C，12.回转副F，13.连杆D，14.回转副G，15.回转副H，16.直线运动组件B，17.直线运动组件C，18.滑台A，19.滑台B，20.直线运动组件D，21.回转副壳体，22.回转副底座，23.端盖A，24.轴套A，25.滚动轴承A，26.回转滑动介质A，27.调整垫，28.轴，29.法兰，30.端盖B，31.滚动轴承B，32.轴套B，33.回转滑动介质B。

其中，P₁、P₂、P₃和P₄表示移动副，R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇和R₈表示回转副，l₁、l₂、l₇和l₈表示等效杆，l₃、l₄、l₅和l₆表示连杆，Y₁、Y₂、Y₃和Y₄表示四个移动副的实轴直线运动；Y，Z表示并联机构的虚拟轴运动。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明主轴头的结构，如图1所示。包括水平并排设置的直线运动组件D20和直线运动组件C17及水平并排设置的直线运动组件A1和直线运动组件B16，直线运动组件D20与直线运动组件A1并列设置，直线运动组件C17与直线运动组件B16并列设置。直线运动组件D20和直线运动组件A1的滑块分别与滑台B19相连接，滑台B19可沿直线运动组件D20和直线运动组件A1的滑座移动，直线运动组件C17和直线运动组件B16的滑块分别与滑台A18相连接，滑台A18可沿直线运动组件C17和直线运动组件B16的滑座移动。滑台B19通过回转副A2和回转副B3分别与连杆A4和连杆B5的一端相连接，连杆A4和连杆B5的另一端分别通过回转副C6和回转副D7与动平台10相连接。滑台A18通过回转副G14和回转副H15分别与连杆C11和连杆D13的一端相连接，连杆C11和连杆D13的另一端分别通过回转副E 9和回转副F12与动平台10相连接。动平台10上固定安装有电主轴8。回转副A2和回转副B3的中心距、回转副C6和回转副D7的中心距、回转副E9和回转副F12的中心距及回转副G14和回转副H15的中心距均相等。回转副A2和回转副C6的中心距、回转副B3和回转副D7的中心距、回转副E9和回转副G14的中心距及回转副F12和回转副H15的中心距均相等。

本发明主轴头中双驱动滚滑回转结合部回转副的结构，如图2所示。具体以回转副A2为例，回转副A2包括环形的回转副壳体21，沿回转副壳体21的轴向，其两侧分别设置有环形凸台形的回转副底座22和环形凸台形的法兰29，回转副底座22和法兰29的凸台由回转副壳体21的两端分别伸入回转副壳体21的内孔，回转副壳体21的侧壁设置有开口，连杆A4的一端从回转副壳体21的侧壁开口伸入回转副壳体21内，并位于回转副底座22和法兰29之间，连杆A4伸入回转副壳体21内的一端设置有一通孔，该通孔的轴线与回转副底座22内孔轴线和法兰29内孔轴线重合，该通孔内设置有轴28，轴28的两端分别伸入回转副底座22和法兰29内，并通过滚动轴承A25和滚动轴承B31分别与回转副底座22和法兰29连接，滚动轴承A25与连杆A4之间、轴28上设置有轴套A24，滚动轴承B31与连杆A4之间、轴28上设置有轴套B32，连杆A4与回转副底座22之间设置有回转滑动介质A26，连杆A4与法兰29之间设置有回转滑动介质B33。回转副底座22的外端面设置有与其内孔同轴的凹槽，该凹槽内固定安装有端盖A23，法兰29的外端面固接有端盖B30。法兰29与回转副壳体21之间设置有调整垫27。

回转滑动介质A26和回转滑动介质B33采用小摩擦系数材料的涂层或镀层；同时通过调整垫27的调整，提高回转结合部的承担弯矩的能力，以改善回转副的受力状况、提高回转副的导向刚度及精度。

直线运动组件D20、直线运动组件A1、滑台B19、连杆A4、连杆B5、回转副A2、回转副B3、回转副C6和回转副D7构成一个分支结构；直线运动组件B16、直线运动组件C17、滑台B18、连杆C11、连杆D13、回转副E9、回转副F12、回转副G14和回转副H15构成另一分支结构，该两分支结构与动平台10共同构成本发明主轴头双驱动滚滑回转结合部的二轴并联机构。

电主轴8采用高速精密电主轴。

二轴并联机构两个分支结构的滑台A18和滑台B19的直线运动自由度分别采用两个电机进行同步驱动的双驱动，通过消隙或补偿提高移动副的直线运动的精度。四个移动副均采用由直线电机(或伺服电机和高速滚珠丝杠副)、滑块、滑座及导轨组成的直线运动组件驱动。回转副A2、回转副B3、回转副C6、回转副D7、回转副E9、回转副F12、回转副G14和回转副H15均采用滚滑回转结合部回转副，以提高回转副的导向刚度及精度。

本发明主轴头中的滚滑回转结合部包括回转滚动结合部和回转滑动结合部，滚动轴承25和滚动轴承B31组成回转滚动结合部，回转滑动介质26和回转滑动介质组成为回转滑动结合部。通过调整垫27的调整，可以使回转滑动结合部在回转副回转运动自由度方向的摩擦力尽可能小、在保证回转副运动平稳性的条件下5个约束方向的位移尽可能小，从而达到提高回转副导向刚度及精度的目的。

本发明主轴头中双驱动滚滑回转结合部二轴并联机构的原理图，如图3所示，该二轴并联机构由动平台10和两个相同的分支结构组成，该两分支结构中的一个分支结构包括两个水平并列设置的移动副P₁和移动副P₂、连杆l₃和连杆l₄、等效杆l₁和等效杆l₇及四个回转副R₁、R₂、R₃和R₄，连杆l₁、等效杆l₃、连杆l₄和等效杆l₇构成平行四边形R₁R₂R₃R₄。同理，二轴并联机构的另一分支结构包括两个水平并列设置的移动副P₃和移动副P₄、连杆l₅和连杆l₆、等效杆l₂和等效杆l₈及四个回转副R₅、R₆、R₇和R₈，连杆l₅、等效杆l₈、连杆l₆和等效杆l₂构成平行四边形R₅R₆R₇R₈。且l₁＝l₇＝l₂＝l₈；l₃＝l₄＝l₅＝l₆。四个移动副的实轴直线运动Y₁、Y₂、Y₃和Y₄产生并联机构动平台10的虚拟轴运动Y和Z。四个移动副的导轨共同承担由动平台10经过两个分支机构传递过来的5个约束方向的力(F_Z、F_x及M_X、M_Y、M_Z)。

本发明主轴头中二轴并联机构的每个直线运动自由度采用两个主动移动副进行双驱动，以改善移动副受力状况，并可进行消隙或补偿提高直线运动的精度；所有被动回转副均采用滚滑结合部回转副，以改善回转副受力状况及提高回转运动的导向精度，从而实现二轴并联进给机构高速高精度的目标。使得该主轴头不仅速度高，而且改善了回转副的受力状况，具有较高的回转导向刚度及精度。主轴部件采用高速电主轴，进而实现二轴并联高速精密主轴头目标。

Claims

1.一种双驱动滚滑回转结合部二轴并联高速精密主轴头，包括电主轴（8）和二轴并联机构，二轴并联机构由动平台（10）和两个分别与动平台（10）相连接的分支结构构成，电主轴（8）固接于动平台（10），其特征在于：所述每个分支结构由上下并列设置的两个直线运动组件、两个连杆、一个滑台和四个回转副构成，所述的两个直线运动组件与滑台相连接，滑台通过两个回转副分别与两个连杆的一端相连接，该两个连杆的另一端分别通过回转副连接于动平台（10）；所述其中一个分支结构中的两个直线运动组件分别与另一分支结构中的两个直线运动组件呈左右水平并排设置，滑台上设置的两回转副的中心距与动平台（10）上相对应的两回转副的中心距相等，各连杆两端分别连接滑台和动平台（10）的回转副之间的中心距均相等；每个分支结构中的一个滑台在两个直线运动组件上通过两个电机进行同步双驱动；所述回转副包括环形的回转副壳体（21），沿回转副壳体（21）的轴向，其两侧分别设置有环形凸台状的回转副底座（22）和环形凸台状的法兰（29），回转副底座（22）和法兰（29）的凸台分别自回转副壳体（21）的两端伸入回转副壳体（21）的内孔，连杆的一端从回转副壳体（21）的侧壁伸入回转副壳体（21）内，并位于回转副底座（22）和法兰（29）之间，连杆伸入回转副壳体（21）内的一端设置有一通孔，该通孔内设置有轴（28），轴（28）的两端分别伸入回转副底座（22）和法兰（29）的内孔，并通过滚动轴承A（25）和滚动轴承B（31）分别与回转副底座（22）和法兰（29）连接，滚动轴承A（25）与连杆之间的轴（28）上设置有轴套A（24），滚动轴承B（31）与连杆A（4）之间的轴（28）上设置有轴套B（32），连杆与回转副底座（22）之间设置有回转滑动介质A（26），连杆与法兰（29）之间设置有回转滑动介质B（33），回转副底座（22）的外端面固定安装有端盖A（23），法兰（29）的外端面固接有端盖B（30），法兰（29）与回转副壳体（21）之间设置有调整垫（27）。