CN1083746C - 一种桁架结构数控机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种桁架结构数控机床，包括升降机构、运动平台、平面六杆机构、工作台和床身，升降机构通过丝杠副与伺服电机和带有来自运动平台或平面六杆机构的支杆的滑板相连，装有刀具主轴的运动平台通过两个同轴的转动副与平面六杆机构顶部的支板连接，在升降机构及支杆的带动下在工作空间内作四维运动，刀具在伺服电机驱动下做旋转运动，其刚度好、重量轻、结构简单、造价降低、工作空间大，可操作性好，可实现多维曲面加工。

Description

一种桁架结构数控机床

本发明涉及一种机械制造业加工设备，具体是桁架结构数控机床，它不仅适合对各种异形曲面的加工使用，还可作为多坐标测量机之用。

现有机床技术，系列齐全，品种繁多。其结构主要由床身、立柱、导轨和横梁等组成，多为串联结构。这类机床的缺点是机构笨重，零部件多，传动链长，体积庞大，结构复杂，造价昂贵，特别表现在多轴机床上。机床各部分受力、热变形不均匀，在加工过程中拉、压、弯、扭力及力矩的作用使机床产生振动，结果导致加工精度降低。此外，部件重、体积大，限制了切削加工过程中速度与加速度提高。国外杂志″WZL″RWTH Aachen 09.1997公开了一种三轴并联机床，它主要采用平面五杆机构为基础的并联结构，具有三个自由度，但系统刚度、负载能力、微动精度、操作空间、维度上不理想，且仅为实验室展览样机，来达到实用化程度。

为解决以上机床加工之不足，本发明之目的是提供一种系统刚度好、负载能力强、微动精度高、操作空间大、维度多的桁架结构数控机床，可实现对复杂型面和各种异型曲面的加工。

本发明目的是这样实现的，它包括升降机构、运动平台、工作台和床身，其特征在于：还包括平面六杆机构，整体采用龙门框架式并联桁架结构，其中：

升降机构包括伺服电机、丝杠、滑板和四个支杆，两对垂直的丝杠分别安装在机床框架两立柱上，每根丝杠通过联轴器与伺服电机相连，且通过其上的每个丝母连接可随丝杠转动而沿固定导轨上下移动的双导轨导向的滑板，每个滑板连接一来自运动平台或平面六杆机构顶部的支板的支杆，连接平面六杆机构与滑板间的支杆两端采用单自由度转动副或两自由度虎克铰连接，连接运动平台与滑板间的支杆采用万向节连接；

运动平台通过两个同轴的转动副与平面六杆机构的顶部的支板连接，转动副轴线与平面六杆机构顶板所在平面平行，刀具主轴固定安装在运动平台上；

平面六杆机构由五块其结构尺寸对称的支板与床身组成，支板间及其与床身间均由转动副连接；

可在Y轴伺服电机的驱动下作纵向往复运动的工作台安装在刀具主轴下方的床身导轨上。

本发明具有如下优点：

1.本发明结构以并联桁架为基础，其刚度高、负载能力强、微动精度高。

2.本发明将纵向往复避给运动从运动平台分离出来，交由工作台执行，拓展了机床的工作空间，同时使得操纵方便，装夹灵活。

3.本发明的平面六杆机构不仅限制了运动平台的多余自由度，增强了机床的刚性，而且使得运动平台的A、B转角彼此独立，方便了运动平台的位姿测量。

4.本发明的加工对象可以是平面，也可以是曲面，因面对工件的适应性强，可实现铣、钻、磨、抛光等工艺加工。

5.本发明的升降机构由伺服电机滚珠丝杠副实现，滑板采用双导轨导向，大大增强了系统刚度。

图1为五轴桁架结构数控机床结构外观图；

图2为五轴桁架结构数控机床结构原理正视图；

图3为五轴桁架结构数控机床结构原理俯视图；

图4为五轴桁架结构数控机床正投影图；

图5为五轴桁架结构数控机床A-A剖视图；

图6为五轴桁架结构数控机床结构卧式原理图；

图7为本发明的平面六杆机构倒置原理图；

图8为本发明的平面六杆机构固定边置于框架前侧原理图；

图9为本发明的平面六杆机构固定边置于框架中间原理图。

下面结合附图对本发明作避一步详细说明：

实施例1：

图1、2、3、4和5为五轴桁架结构数控机床，它包括升降机构、运动平台7、工作台4和床身5，其特征在于：还包括平面六杆机构B，整体采用龙门框架式并联桁架立式结构、平面六杆机构正置布局，其中：升降机构包括伺服电机11、丝杠10、滑板9和四个支杆6，两对垂直的丝杠10分别安装在机床框架两立柱2上，每根丝杠10通过联轴器与伺服电机11相连，且通过其上的每个丝母连接可随丝杠转动而沿固定导轨上下移动的双导轨导向的滑板9，每个滑板9连接一来自运动平台7或平面六杆机构8顶部的支板的支杆6，连接平面六杆机构8与滑板间的支杆6两端采用单自由度转动副或两自由度虎克铰连接，连接运动平台7与滑板9间的支杆6采用万向节连接；运动平台7通过两个同轴的转动副与平面六杆机构8的顶部的支板连接，转动副轴线与平面六杆机构8顶板所在平面平行，刀具主轴3固定安装在运动平台7上；平面六杆机构8由五块其结构尺寸对称的支板与床身5组成，支板间及其与床身5间均由转动副连接，固定边置于框架后侧；可在Y轴伺服电机的驱动下作纵向往复运动的工作台4安装在刀具主轴3下方的床身5导轨上。

由于刀具主轴3上的刀具可以任意更换，以避行不同工艺如铣、钻、磨、抛光等机械加工。若将运动平台7上的刀具主轴3换为相应的测头，本发明就可以作为测量机使用。

此外，本发明驱动运动平台7和平面六杆机构8的支杆6是升降机构带动长度固定的支杆，也可以是不受驱动方式限制的伸缩杆。其机构特征在于并联桁架式结构，不受驱动元件类型的影响。

其工作原理是：

机床坐标系的Z轴定义为滑板9的运动方向，Y轴定义为工作台4的运动方向，X轴由Z轴和Y轴按右手法则确定。旋转轴A、B分别绕X、Y轴转动。被加工工件固定在工作台4上，伺服电机11的运动使丝杠10转动从而带动滑板9上下移动，进而在支杆6的驱动下使运动平台7上的刀具主轴3获得四个自由度的运动，该四个自由度复合后形成四个虚拟坐标轴，即Z轴、X轴、A轴、B轴。工作台4在刀具主轴3下方沿床身5导轨Y轴(第五轴)伺服电机11的驱动下可作纵向往复运动，与其他自由度的运动相对独立，与运动平台7的运动组合形成五轴联动数控机床。刀具在伺服电机11驱动下做旋转运动，从而实现对任意曲面的加工。

实施例2：

如图8所示，本发明与实施例1不同之处为平面六杆机构8固定边置于框架前侧。

实施例3：

如图9所示，本发明与实施例1不同之处为平面六杆机构8固定边可置于框架中间，即在框架上的两排丝杠10导轨之间。

实施例4：

本发明与实施例1的立式结构不同之处在于其并联桁架结构为卧式结构，如图6所示。

实施例5：

如图7所示，本发明平面六杆机构8固定边和实施例1与床身5相连(即正置)相比，其不同之处为平面六杆机构8固定边与框架横梁1相连(即倒置)。

实施例6：

与实施例1不同之处在于将本发明运动平台7与平面六杆机构8的顶板固定连接，并撤去运动平台7上的一根驱动支杆6，则该机床就成为四轴联动数控机床。

Claims (5)

1.一种桁架结构数控机床，包括升降机构、运动平台、工作台和床身，其特征在于：还包括平面六杆机构(8)，整体采用龙门框架式并联桁架结构，其中：

升降机构包括伺服电机(11)、丝杠(10)、滑板(9)和四个支杆(6)，两对垂直的丝杠(10)分别安装在机床框架两立柱(2)上，每根丝杠(10)通过联轴器与伺服电机(11)相连，且通过其上的每个丝母连接可随丝杠转动而沿固定导轨上下移动的双导轨导向的滑板(9)，每个滑板(9)连接一来自运动平台(7)或平面六杆机构(8)顶部的支板的支杆(6)，连接平面六杆机构(8)与滑板(9)间的支杆(6)两端采用单自由度转动副或两自由度虎克铰连接，连接运动平台(7)与滑板(9)间的支杆(6)采用万向节连接；

运动平台(7)通过两个同轴的转动副与平面六杆机构(8)的顶部的支板连接，刀具主轴(3)固定安装在运动平台(7)上；

平面六杆机构(8)由五块其结构尺寸对称的支板与床身(5)组成，支板间及其与床身(5)间均由转动副连接；

其可在Y轴伺服电机的驱动下作纵向往复运动的工作台(4)安装在刀具主轴(3)下方的床身(5)导轨上。

2.按照权利要求1所述的数控机床，其特征在于平面六杆机构(8)固定边置于框架前侧、框架中间或框架后侧。

3.按照权利要求1所述的数控机床，其特征在于驱动运动平台(7)和平面六杆机构(8)的支杆(6)是升降机构带动长度固定的支杆，或是不受驱动方式限制的伸缩杆。

4.按照权利要求1、2或3所述的数控机床，其特征在于并联桁架式结构为立式或卧式。

5.按照权利要求1、2或3所述的数控机床，其特征在于平面六杆机构(8)固定边与床身(5)相连，即正置；或与框架横梁(1)相连，即倒置。

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