CN1081970C

CN1081970C - 龙门滑块式内外副混合驱动虚拟轴机床结构

Info

Publication number: CN1081970C
Application number: CN99109823A
Authority: CN
Inventors: 汪劲松; 段广洪; 唐晓强; 杨向东; 李铁民; 魏永明; 郑浩峻
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 1999-07-16
Filing date: 1999-07-16
Publication date: 2002-04-03
Anticipated expiration: 2019-07-16
Also published as: CN1246400A

Abstract

本发明属机械制造技术领域。包括两个垂直安装的导轨，2个可控滑块，驱动滑块在导轨中运动的2个直线驱动单元，2个定长驱动杆，安装切削刀具的动平台，安装工件的工作台。2个定长驱动杆一端被铰链连接在一起，另一端与一个滑块相连接：还包括1个从动滑块和与之相连的伸缩轴。本发明具有制造成本低、结构简单、加工工艺性好、刀具作业灵活、精度高、进给速度快，优先的加工方向，功能多、热影响校准好等优点。

Description

龙门滑块式内外副混合驱动虚拟轴机床结构

本发明属机械制造技术领域，特别涉及一种具有综合功能、内外副驱动相结合的虚拟轴机床结构设计。

在机械制造领域中，传统的机械结构例如切削机床，都具有固定的导轨，它们的基本运动方式是使刀具或工件沿着固定的导轨运动。传统设备共有的这种运动模式带来了许多固有的缺陷：

其一、传统机床必须具有高刚度的粗笨沉重的床身、立柱等支撑构件和高精度的固定于支撑构件的导轨系统，致使机床重量大、价格高、搬动移动困难。

其二、切削刀具只能沿固定导轨给定的方向实现加工进给运动，限制了刀具作业的灵活性，串联式的机械机构设计使空间运动需靠每个方向运动的相互迭加来实现，易产生误差积累，降低了终端精度。

面对加工零件日益复杂的加工形状和特殊的加工要求，国内外的机床行业采取了各种相应的对策。例如，传统机床借助更为复杂笨重的自身结构和造价昂贵的工装夹具来满足现代加工对象的要求。其结果是制造周期长、成本高和制造质量难以保证。近几年出现了一类称为虚拟轴机床的新型机床，它采用并联可实施控制的伸缩轴或滑动轴，取代了传统的固定导轨系统；采用框架结构，取代了传统的床身、立柱等笨重构件。

传统数控机床的控制系统是针对直角坐标系而言的，即X、Y、Z三个移动自由度和A、B、C三个转动自由度，每一个导轨系统的运动对应其中的一个自由度。而虚拟轴机床的控制器是针对每个可控轴而言的。对于刀具的某一种空间位姿要求，存在相应的伸缩轴长度或滑动轴滑块位置与之相对应。即虚拟轴机床是通过伸缩轴长度或滑动轴滑块位置来实现加工要求的。用直角坐标系描述的刀具位姿，对该机床来说成了对虚拟轴系的描述，而伸缩轴长度或滑动轴滑块位置才是它的实际控制轴，所以称为虚拟轴机床。此类机床提供了一种全新的加工设备，从根本上改变了刀具和工件的相对运动模式，增加了刀具作业运动的柔性，使设备具有更大的加工灵活性和控制机动性。

国内外现有的虚拟轴机床典型结构主要包括两类：一类是伸缩轴式的内副驱动虚拟轴机床，这类机床采用框架支撑结构，可控伸缩轴的一端与框架的顶部或底部节点相连接，可控伸缩轴的另一端与安装刀具的主轴用的动平台相连接。由于采用框架支撑结构，使得此类机床在与传统机床同等加工能力的条件下，具有更轻的整体重量和更大的加工刚度。但是，这类机床各驱动轴互相耦合，没有优先的加工方向。同时各伸缩轴长度时刻变化，不易进行热影响的校准。机械结构大多为特殊零件，标准化程度不强。

另一类是滑块式的外副驱动虚拟轴机床。这类机床也采用框架支撑结构。但每一可控轴长度均固定不变，可控轴的一端与滑块相连接，让滑块在导轨上运动，可控轴的另一端与安装主轴电机的动平台相连接。这类机床不但具有第一类机床的主要优点，而且由于采用定尺寸杆，有效避免了内副驱动机床伸缩腿机构的热效应，大大减少了加工过程的热误差，实用化程度大为改观。此外，通过进一步的理论分析和优化设计后可使此类构型的机床产生优势运动方向，从而与其它运动方向解耦，适于长形复杂曲面工件加工，具有类似于传统迪卡尔坐标系机床结构的优点。这类机床在优势运动方向上刀具作业的灵活度与其它加工方向上刀具作业的灵活度差别明显，虽然这一特点适于对长形复杂曲面工件的加工，但是对其它类型工件的加工却不如第一类机床有优势。

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，借鉴上述第一类和第二类虚拟轴机床的优点，将滑块驱动结构和伸缩杆驱动结构有机的融合，设计出一种具有切削、磨削、移载、装配、能束加工、换头测量等多种功能的虚拟轴机床结构，使其具有更简单的结构、更好的加工工艺性、更好的刀具作业灵活度、更高的精度、更快的进给速度，优先的加工方向，固定腿上方便的热影响校准等优点。并且可降低机床的制造成本和满足用户对3-5轴联动数控机床的需求。

本发明设计的一种龙门滑块式内外副混合驱动虚拟轴机床结构，包括2个垂直安装的导轨，2个安装在导轨中的可控滑块，驱动滑块在导轨中运动的2个直线驱动单元，2个定长驱动杆，1个安装切削刀具的动平台，1个安装工件的工作台，其特征在于，所说的2个定长驱动杆一端被铰链连接在一起，另一端分别与所说的一个滑块相连接；还包括也安装在其中一导轨中的1个从动滑块，1个可控的伸缩轴，所说的从动滑块与所说的一可控滑块按设定距离固定在一起，该从动滑块与所说的可控伸缩轴的一端固定，可控伸缩轴的另一端与所说的动平台一端相连接，该动平台的另一端与两个定长驱动杆铰链点相连，形成并联闭链结构，所说的工作台在驱动上与该并联闭链结构互相独立。

本发明机床的驱动为内外副混合驱动，其中2个定长驱动杆的驱动为外副驱动，可控的伸缩轴的驱动为内副驱动。

所说的可控伸缩轴的从动滑块安装位置可以位于同一导轨的可控滑块上面、下面或相同位置。此外，可控伸缩轴与从动滑块的连接位置还可以与导轨偏离一定距离，以适用于不同的使用场合。

所说的动平台可以增加一转动功能，所说的2个定长驱动杆可采用平面框架或平面板替换，以增大机床刚度。

所说的工作台可由滑台，电机，导轨，转动台组成的可转动和平动的工作台。

所说的可控伸缩轴可由一端开口的圆柱形外壳，依次安装在外壳内的伺服电机，中空的直线导杆，插入导杆中受电机驱动的滚珠丝杠和滚珠螺母及将直线导杆和滚珠螺母固定在一起的联接器组成。

本发明的特征之一在于：动平台的一端与两定长驱动杆形成的三角形的一个顶点相铰接，另一端与一个可控伸缩轴铰接，形成并联闭链结构，使动平台获得很高的刚度。加上三角形所固有的稳定性，其顶点位置刚度也很高，从而有效地保证了机床的加工精度。此外，三角形这一顶点的确定只与滑块的位置有关，与控制动平台转角的可控伸缩轴长短无关。由于滑块的滑动直接表现在该铰接点位置的变化，故很容易实现该点的位置控制和获得该点良好的速度、加速度特性。

其特征之二在于：机构两个主动滑块分别安装在两个导轨上，滑块的滑动方向是加工的优先方向，特别适合加工一些特殊工件。此外，两定长驱动杆铰接点的位置确定后，若不考虑干涉和极限位置，动平台在平面内某一具体点的姿势，只与与之相连的可控伸缩轴的长短有关，而与滑块的具体立量无直接关系。通过进一步分析和优化，可以将动平台姿势和滑块位置解耦，使动平台获得良好的实现姿态的能力。

其特征之三在于：两定长驱动杆由与之相连的滑块驱动，也称为外副驱动。可知两定长驱动杆的长度方向容易进行热影响校准。而动平台的转动由可控伸缩轴驱动，称为内副驱动，有效提高了动平台的转动能力。两者结合成内外副混合驱动方式。

其特征之四在于：两定长驱动杆与两主动滑块的连接方式是单铰连接，由于单铰链易于制造，所以加工精度很高，从而保证了机构的铰接精度。

其特征之五在于：此并联闭链机构为一平面机构，包括在平面内平移的两个自由度和绕平面法线转动的一个旋转自由度。由于结构简单，可以对机构进行深入的理论分析，取得最优的设计参数，也为机构的实时控制提供了条件。通过在安装加工工件的平台上增加一个转动或一个与并联闭链机构导轨垂直的平动，使其变成一台四或五自由度机床。此外，还可在动平台上安装电机的一侧增加一转动功能，使其变成一台六自由度机床，以适用于大多数复杂工件的加工要求。

其特征之六在于：若使动平台与可控伸缩轴、一定长驱动杆以及垂直导轨构成平行四边形，机构平动时，可控伸缩轴将保持不变，保证了机构在平动时更高的精度和可控性。

其特征之七在于：两个定长驱动杆可以采用平面框架或平面板替换，以增大机床刚度。而动平台采用弯板结构，以利于主轴电机或其它设备的安装。

其特征之八在于：与动平台相连接的可控伸缩轴的运动也由滚珠丝杠副和伺服电机来完成。可控伸缩轴由一端开口的圆柱形外壳，依次安装在外壳内的伺服电机，中空的直线导杆，插入导杆中受电机驱动的滚珠丝杠和滚珠螺母及将直线导杆和滚珠螺母固定在一起的联接器组成；直线导杆一端伸出外壳与动平台相铰接，外壳的封闭端与从动滑块相铰接。

其特征之九在于：连接可控伸缩轴的从动滑块安装位置可以位于相邻主动滑块上面、下面或相同位置。此外，可控伸缩轴与从动滑块的连接位置还可以与导轨偏离一定距离，以适用于不同的使用场合。

综上所述，本发明的主要特征体现在平面并联闭链结构，双导轨、双滑块布局，2个定长驱动杆与滑块组成的三角形平动结构，动平台与2个定长驱动杆、伸缩轴之间的连接方式，内外副混合驱动及滑块的安装方式，定长驱动杆可用平面框架结构来替换，工作台的平移与转动装置，动平台上增加一转动装置，可控伸缩轴的结构，从动滑块不同的安装位置及可控伸缩轴不同安装位置等十个方面。

附图简要说明：

图1为本发明的实施例之一总体结构示意图。

图2为本实施例的可控伸缩轴的结构示意图。

图3为本发明的实施例之二总体结构示意图。

图4为本发明的实施例之三总体结构示意图。

图5为本发明的实施例之四总体结构示意图。

下面结合附图，详细介绍本发明的四种龙门滑块式内外副混合驱动虚拟轴机床实施例的结构及工作原理。

实施例一总体结构如图1所示，本实施例由定长驱动杆4、15，可控伸缩轴7，动平台8，滑块3、6、16，导轨2、17构成平面并联闭链结构。当动平台8受任意方向的力后，并联闭链结构的第一根杆只受拉压，不受弯矩，因此它具有很高的刚性。由于采用框架结构，整个结构的重量也是很轻的。

主动滑块3在垂直导轨2上滑动，而主动滑块16在垂直导轨17上滑动，形成双导轨双滑块布局，由于两主动滑块3、16的最短距离为两导轨间距离，从而避免了单导轨双滑块布局容易产生的支链干涉情况。此外，动平台8位于两导轨2、17之间，动平台的受力更均匀地分布于定长驱动杆4、15，从而进一步提高了机构的刚性。

定长驱动杆4、15，与之相铰接的可控滑块3、16组成的一个三角形平动结构，由于三角形所固有的稳定性，使其顶点，即定长驱动杆4、15的铰接点，具有很好的刚性。当可控滑块3、16改变位置时，平面连接框架4、15的铰接点也随着相应改变，该铰接点位置的改变与控制动平台8转动角度的可控伸缩轴7无关。铰接点的位置、速度、加速度的变化只与可控滑块3、16有关。

动平台8的一端与可控伸缩轴7相铰接，另一端与平面连接框架4、15的铰接点相铰接，这样的设计使动平台即具有伸缩轴伸缩控制的优点，又具有定长杆滑动控制的优点。保证了动平台8实现姿态的良好能力和定位的准确性。

定长驱动杆4、15由滑块3、16的垂直导轨2、17上滑动而改变位置和姿态，进而驱动平台8位置的改变，为外副驱动。而可控伸缩轴7通过轴向的伸缩运动，控制动平台8的姿态的变化，为内副驱动。

直线驱动单元1、18分别驱动滑块3、16在垂直导轨2、17上滑动，从动滑块6由连接板5与滑块3相固定，也在导轨2上滑动。可知滑块滑动方向是机床的优势运动方向，该方向与其它运动方向充分的解耦，具有类似于传统迪卡尔坐标系机床结构的优点。滑块3、16的滑动引起与之铰接的平面连接框架4、15位姿的变化。由于是外副驱动，可以对定长驱动杆4、15进行长度方向上方便的热校准。

定长驱动杆4、15可以采用平面框架或平面板替换，以增大机床刚度。而动平台8采用弯板结构，弯板的一侧与伸缩轴和定长驱动杆4、15的铰接点相连，另一侧可以方便安装主轴电机9或其它设备的。此外，安装主轴电机9的这一侧还可以增加一转动功能，扩大了机床的加工范围和加工灵活性。

具有移动和转动功能的工作台由滑台12，电机10，导轨11，转动工作台13组成。电机10带动工作台13及其上工件14转动，而滑台12在导轨11上水平滑动，其运动方向与并联闭链结构的水平导轨运动方向垂直，有效扩大了机床的加工范围。虽然移动或转动工作台在驱动上与并联闭链结构相互独立，但它有效扩大了机床的加工范围和适应性。

如图2所示，它是本实施例的可控伸缩轴7的结构示意图，图中，27是伺服电机，可以驱动安装在轴承26上的滚珠丝杠21按照要求作旋转运动，轴承26和伺服电机27都安装在箱体25内。直线导套20固定在外壁24上，外壁24又固定在箱体25上，因此直线导套20与箱体25外壁24之间没有相对运动。直线导杆19在直线导套20的约束下只能沿轴向做直线运动而不能绕轴线转动。联结器22把直线导杆19和滚珠螺母23固定在一起，因此滚珠螺母23也不能绕轴线转动。当滚珠丝杠21旋转时，直线导杆19就在滚珠螺母23的带动下沿轴向作伸缩运动。

本实施例中2个定长驱动杆4、15均为1100mm，可控伸缩轴7的伸缩范围限制在845.9mm—1309.8mm，动平台8的高度为500mm，滑块3、6、16在导轨2、17上的可滑动距离为1500mm，两导轨2、17之间距离为1000mm，连接滑块3和滑块6之间的连接板5的高度为500mm时，可求出动平台8水平方向的可移动范围是1000mm。当动平台8安装电机的中心点的转动范围要求大于±30°时，动平台8水平方向的可移动范围是500mm。

当工作台的滑台12在导轨11上的滑动距离为1000mm时，动平台8安装电机的中心点的可达域近似为1000^*1000^*1000mm³(X^*Y^*Z)。当动平台8转动范围要求大于±30°时，可达域近似为500^*1000^*1000mmm³(X^*Y^*Z)。其中X指动平台8水平方向的可移动范围。Y指滑台12在导轨11上的滑动距离，Z指动平台8垂直方向上的可移动范围。

实施例二、三、四的结构分别如图3、图4、图5所示，总体结构基本上与实施例一相同，其不同之处在于从动滑块6的安装位置各不相同，保证了结构的灵活性和多样性，使其适用于不同的使用场合。其不同点具体说明如下；

实施例二的从动滑块6的安装在驱动滑块3之上；实施例三的从动滑块6的安装在驱动滑块3相同之处上；而实施例四则是可控伸缩轴与从动滑块的连接位置与导轨偏置，即图5中，伸缩轴7与导轨2之间偏离一定距离，这种结构的动平台8的许用转角明显增大，有利于实际工程应用。

本发明具有以下效果：

第一、动平台的一端与两2个定长驱动杆形成的三角形的一个顶点相铰接，另一端与一个可控伸缩轴铰接，形成并联闭链结构。结构中的每一根杆只受拉压，不受扭矩作用，减少了机床受力变形产生的加工误差，保证了机床较高的刚度，其次，结构采用平面框架作为支撑杆件，也有效提高了机构的刚度，加上三角形所固有的稳定性，其顶点位置刚度也很高，最终大大提高了机床的刚度。此外，三角形这一顶点的确定只与滑块的位置有关，与控制动平台转角的可控伸缩轴长短无关。由于滑块的滑动直接表现在该铰接点位置的变化，故很容易实现该点的位置控制和获得该点良好的速度、加速度特性。

第二、机构滑块的安装方式保证了滑动方向是加工的优先方向，特别适合加工一些特殊工件。此外，固定长度杆铰接点的位置确定后，若不考虑干涉和极限位置，动平台在平面内某一具体点的姿势，只与与之相连的可控伸缩轴的长短有关，而与滑块的具体位置无直接关系，动平台具有良好的实现姿态的能力。

第三、结构为内外副混合驱动，其中两2个定长驱动杆采用外副驱动方式，可以对其长度进行方便的热影响校准。控制动平台姿态变化的可控伸缩轴为内副驱动，更易于实现对动平台姿态的控制。而采用平面框架来代替单支撑杆(定长驱动杆)，更能大大提高结构的刚度。

第四、并联闭链结构的连接方式均为单铰连接。由于单铰链易于制造，所以加工精度很高，从而保证了机构的铰接精度。

第五、此结构为一简单的平面结构，制造成本低，拆装方便。部分驱动采用外副驱动，易于采用标准件生产。通过增加工作台的移动和转动功能，可使其变成一台四或五自由度机床。此外，还可在动平台安装电机的一侧增加一转动功能，变成一台六自由度机床，以适用于大多数复杂工作的加工要求

第六、结构简单，容易进行深入的理论分析，取得最优的设计参数。也容易对其进行实时控制。

第七、功能独立的可控伸缩轴结构，直线导杆采用了中空结构，便于滚珠丝杠可以进入，不仅结构简单，而且中心对称，减少了运动时产生的各种误差，可以大大提高机床的综合精度。

Claims

1、一种龙门滑块式内外副混合驱动虚拟轴机床结构，包括2个垂直安装的导轨，2个安装在导轨中的可控滑块，驱动滑块在导轨中运动的2个直线驱动单元，2个定长驱动杆，1个安装切削刀具的动平台，1个安装工件的工作台，其特征在于，所说的2个定长驱动杆一端被铰链连接在一起，另一端分别与所说的一个滑块相连接；还包括也安装在所说的其中一导轨中的1个从动滑块，1个可控的伸缩轴，所说的从动滑块与所说的一可控滑块按设定距离固定在一起，该从动滑块与所说的可控伸缩轴的一端固定，可控伸缩轴的另一端与所说的动平台一端相连接，该动平台的另一端与两个定长驱动杆铰链点相连，形成并联闭链结构，所说的工作台在驱动上与该并联闭链结构互相独立。

2、如权利要求1所述的机床结构，其特征在于，机床的驱动为内外副混合驱动，其中2个定长驱动杆的驱动为外副驱动，可控的伸缩轴的驱动为内副驱动。

3、如权利要求1所述的机床结构，其特征在于，所说的连接可控伸缩轴的从动滑块安装位置位于同一导轨的可控滑块上面、下面或相同位置。

4、如权利要求1所述的机床结构，其特征在于，所说的可控伸缩轴与从动滑块的连接位置与导轨偏离一定距离。

5、如权利要求1所述的机床结构，其特征在于，所说的动平台为具有一转动功能的动平台。

6、如权利要求1所述的机床结构，2个定长驱动杆的宽度延长成为平面框架或平面板。

7、如权利要求1所述的机床结构，其特征在于，所说的工作台由滑台，电机，导轨，转动台组成的可转动和平动的工作台。

8、如权利要求1所述的机床结构，其特征在于，所说的可控伸缩轴由一端开口的圆柱形外壳，依次安装在外壳内的伺服电机，中空的直线导杆，插入导杆中受电机驱动的滚珠丝杠和滚珠螺母及将直线导杆和滚珠螺母固定在一起的联接器组成。