CN1268419A - 二并联杆虚拟轴多功能机床 - Google Patents

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一种二并联杆虚拟轴多功能机床,包括有床身、运动平台、工作平台、电机、伺服电机、立柱、砂轮、主轴箱、主轴、夹头装置、二并联杆支链、滚动导轨、T型拖板、滑块等。该机床可进行具有螺旋面钻尖钻头的修磨,还可做为多轴数控钻床或铣床使用。本发明涉及的机床与六杆和三杆并联虚拟轴机床相比,同样具有刚度大、精度高、重量/外力负承比高的优点外,机械结构更简单,制造成本低,不存在运动的耦联,工作空间大,易于实现平面和直线的加工。

Description

二并联杆虚拟轴多功能机床
本发明属于机床技术领域，特别涉及一种二并联杆虚拟轴多功能数控机床。
以关节并联的Stewart平台为基础的全新结构的并联杆虚拟轴(没有传统机床的X、Y、Z轴)机床是近几年推出的一种全新概念的机床。以六并联杆虚拟轴机床为例，这种机床用可伸缩的六根杆支撑并连接运动平台(装有主轴头)与固定平台(装有工作台)。每根杆均由各自的伺服电机与滚珠丝杠驱动。伸缩这六根杆就可使装有主轴头的运动平台进行六坐标轴的运动，从而改变主轴与工件的相对空间位置，满足加工中刀具运动轨迹的要求。对于传统机床需要多次定位工件才能加工的复杂曲面，这种虚拟轴机床可以一次加工完成。但基于Stewart平台的六杆虚轴机床也存在如下不足：六杆之间的几何干涉使作业空间狭小，正逆解实时计算困难，误差补偿建模复杂，使编制控制程序的难度增加，特别是运动的耦合性还要求高精度的运动部件和控制系统，造价昂贵，目前还难以实现产业化。为解决上述存在的问题，许多国家的科研机构及公司正在进行三并联杆六自由度、三并联杆三自由度虚拟轴机床原型机的研制工作，并取得一些进展。如，与六并联杆虚拟轴机床相比，三并联杆虚拟轴机床机械结构更简单，制造成本低，作业空间增大，同时运动的耦联，控制计算和误差建模的复杂程度均有所改善。但仍没有从根本上解决并联杆虚拟轴机床工作空间小，各杆之间的运动耦联产生的控制计算复杂、实时控制困难的弱点。
螺旋面钻尖是目前国际金属切削刀具市场上非常流行的一种钻型。由于横刃为S形，因此它具有定心好，切入稳定，钻削轴向力小，排屑能力强，钻孔质量好的特点。螺旋面钻尖的刃磨在国外由自动钻尖刃磨机床和数控钻尖刃磨机床，及部分万能数控刀具磨床来实现。自动钻尖刃磨机是通过电机带动夹持钻头的主轴转动，另两个运动由电机通过凸轮结构驱动砂轮或夹持钻头的主轴架，来实现螺旋面钻尖的刃磨；数控钻尖刃磨机是用数控程序通过控制与三个运动相关的三个步进电机(或伺服电机)进行三轴联动，来实现螺旋面钻尖的刃磨。
本发明的目的就是推出一种结构简单、实时控制容易、性能价格比高、可对具有螺旋面钻尖钻头进行修磨，可做为多轴数控钻床或铣床使用，可完全实现产业化的二并联杆虚拟轴多功能机床。
本发明涉及的二并联杆虚拟轴多功能机床包括有床身、二并联杆支链、运动平台、工作平台、滚动导轨、滑块、T型拖板、电机、伺服电机、立柱、砂轮、主轴箱、主轴、钻头(或铣刀)夹头装置。在床身上部设置有两根直线滚动导轨，在直线滚动导轨上设置有T型拖板，在直线滚动导轨之间安装有一使伺服电机与T型拖板相连接的滚珠丝杠；T型拖板上装有驱动两块滑块的二直线电机，二并联杆支链通过球铰将运动平台与二滑块连接，这里为了使二并联杆支链保证运动平台平动且保持运动平稳，本发明的每条杆支链由四根平行定长的杆件组成，也可采用三根平行定长的杆件来组成每条杆支链；运动平台上依次装有伺服电机、装有主轴的主轴箱、装有钻头(或铣刀)的夹头装置与主轴相连；直线电机驱动两块滑块，来改变两块滑块间的距离，从而借助二个并联杆支链推动运动平台在XYZ直角坐标系YZ平面内进行圆弧曲线平移，进而实现钻头(或铣刀)所需的曲线运动；根据本发明所设定的XYZ直角坐标系来说，二并联杆支链组成的这台虚拟轴机床没有传统机床的Y、Z轴，但通过直线电机的驱动来控制两块滑块的方向、速度，完全可以使主轴单独实现Y轴或Z轴方向的运动。
与杆可伸缩的六并联杆虚拟轴和三并联杆虚拟轴相比，本发明的二并联杆支链由于是平行定长的杆件组成，因此可以采用简单的杆，并且没有内置热源，避免了热影响。所以本发明除了具有并联杆虚拟轴机床刚度大、空间的快速曲线加工能力、重量/外力负承比高的优点外，与六杆和三杆并联虚拟轴机床相比机械结构更简单，精度更高，制造成本低，同时不存在运动的耦联，可进行封闭正逆解控制计算，实时控制容易。此外，本发明还同时具有普通机床的一些特性，如工作空间大，易于实现平面和直线的加工。特别是进行螺旋面钻尖刃磨时，本发明只需2轴联动即可实现，而传统的钻尖刃磨机需要3轴联动。因此，本发明具有广阔的应用前景。
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1的侧视图。
实施例1：
如图1、2、3所示，钻尖刃磨机要实现螺旋面钻尖的刃磨，关键是要同时实现刃磨螺旋面钻尖所需的三个运动。图中的1为床身，刃磨之前通过夹头装置5将钻头4夹紧在安装主轴的主轴箱14上，伺服电机23带动防尘罩18内的滚珠丝杠旋转，再通过丝母座带动T型拖板16沿直线滚动导轨17和直线滚动导轨19做纵向(X方向)移动，从而实现钻头4与砂轮15纵向(X方向)位置的调整。在T型拖板16上装有二直线电机分别驱动滑块10和滑块12在T型拖板上的直线导轨做横向(Y方向)的直线往复运动，借助二个并联杆支链8和13推动运动平台6做横向(Y方向)的直线运动，进而实现钻头4与砂轮15横向(Y方向)位置的调整。工作平台2上装有立柱22，立柱上的伺服电机21可带动电机3沿M方向左右旋转，从而可以调整安装在电机3上的砂轮15的轴线与钻头4轴线的角度，即确定所刃磨钻头4的顶尖角。在钻尖刃磨时，伺服电机11通过主轴箱14内的主轴带动钻头4自转，同时滑块12不动，直线电机驱动滑块10沿A方向平移(或滑块10不动，直线电机驱动滑块12沿B方向平移)，借助二个并联杆支链8和13推动运动平台6产生垂直平面(YZ平面)内的曲线平移运动，从而带动主轴箱内的主轴实现刃磨螺旋面钻尖的另两个运动。伺服电机11驱动主轴从0°转动到180°实现钻头一个后刀面的刃磨，然后滑块10(或滑块12)返回初始位置；伺服电机11驱动主轴从180°转动到360°，同时滑块10再沿A方向平移(或滑块12沿B方向平移)从而实现钻头另一个后刀面的刃磨，经过如此循环，最终实现螺旋面钻尖的刃磨。其间通过伺服电机20驱动工作平台2垂直方向(Z方向)的移动来调整刃磨钻尖后刀面的磨削量。
实施例2：
如图1、2、3所示，将立柱22及其上的伺服电机21、电机3和砂轮15卸去，本发明就成为一台二并联杆虚拟轴钻床。图中的1为床身，钻削之前将需要进行钻削的工件装夹在工作平台2上；通过夹头装置5将钻头4夹紧在安装主轴主轴箱14上，伺服电机23带动防尘罩18内的滚珠丝杠旋转，再通过丝母座带动T型拖板16沿直线滚动导轨17和直线滚动导轨19做纵向(X方向)移动，从而实现钻头4与工件纵向(X方向)位置的调整。在T型拖板16上装有二直线电机分别驱动滑块10和滑块12在T型拖板上的直线导轨做横向(Y方向)的直线往复运动，借助二个并联杆支链8和13推动运动平台6做横向(Y方向)的直线运动，进而实现钻头4与工件横向(Y方向)位置的调整。在钻削时，伺服电机11通过主轴箱14内的主轴带动钻头4自转，同时两直线电机分别驱动滑块10和滑块12以相同的速度沿A、B方向同时移动，借助二个并联杆支链8和13推动运动平台6产生垂直方向(Z方向)上的钻削进给运动，从而完成工件的钻削；另外在上述操作过程中，如果两滑块10和滑块12保持不动，而伺服电机20驱动工作平台2垂直方向(Z方向)的移动来实现钻削进给运动，亦可完成工件的钻削。
实施例3：
如图1、2、3所示，将立柱22及其上的伺服电机21、电机3和砂轮15卸去，将钻头4换成端铣刀或球头铣刀，本发明就成为一台二并联杆虚拟轴铣床。图1中的1为床身，铣削之前将需要进行铣削的工件装夹在工作平台2上；通过夹头装置5将铣刀夹紧在安装主轴的主轴箱14上，伺服电机23带动防尘罩18内的滚珠丝杠旋转，再通过丝母座带动T型拖板16沿直线滚动导轨17和直线滚动导轨19做纵向(X方向)移动，从而实现铣刀与工件纵向(X方向)位置的调整。在T型拖板16上装有二直线电机分别驱动滑块10和滑块12在T型拖板上的直线导轨做横向(Y方向)的直线往复运动并改变滑块10和滑块12之间距离，从而借助二个并联杆支链8和13推动运动平台6做横向(Y方向)和垂直方向(Z方向)平移运动，进而实现铣刀与工件横向(Y方向)及垂直方向(Z方向)位置的调整。在铣削时，伺服电机11通过主轴箱14内的主轴带动铣刀自转，同时伺服电机23带动防尘罩18内的滚珠丝杠旋转，再通过丝母座带动T型拖板16沿直线滚动导轨17和直线滚动导轨19做纵向(X方向)移动，于是带动滑块10和12，通过二个并联杆支链8和13推动运动平台6实现铣刀沿工件纵向(X方向)的运动，而两直线电机分别驱动滑块10和滑块12以相同的速度沿A方向(或B方向)同时移动，借助二个并联杆支链8和13推动运动平台6实现铣刀沿工件横向(Y方向)的运动，从而完成对工件在水平面(XY平面)内的铣削；另外在上述操作过程中，如果两直线电机分别驱动滑块10和滑块12以不同的速度沿A方向(或B方向)同时移动，或驱动滑块10(或滑块12)移动而滑块12(或驱动滑块10)不动，则改变了滑块10和滑块12之间的距离，借助二个并联杆支链8和13推动运动平台6实现铣刀在垂直平面(YZ平面)内的曲线运动，则可完成对工件在空间(XYZ坐标系空间)内的曲面铣削。

Claims (6)

1、一种二并联杆虚拟轴多功能机床，包括有床身、运动平台、工作平台、滑块、电机、伺服电机、立柱、砂轮、主轴箱、主轴、夹头装置等，其特征在于该机床还包括有二并联杆支链、滚动导轨、T型拖板，在床身上部设置有两根直线滚动导轨，在直线滚动导轨上设置有T型拖板，在直线滚动导轨之间安装有一使伺服电机与T型拖板相连接的滚珠丝杠，T型拖板上装有驱动二个滑块的二直线电机，二并联杆支链通过球铰将运动平台与二个滑块连接，运动平台上依次装有伺服电机、装有主轴的主轴箱、夹头装置与主轴相连。
2、如权利要求1所述的二并联杆虚拟轴多功能机床，其特征在于所说的二并联杆支链的每条杆支链是四根平行定长的杆。
3、如权利要求1所述的二并联杆虚拟轴多功能机床，其特征在于所说的二并联杆支链的每条杆支链是三根平行定长的杆。
4、如权利要求1所述的二并联杆虚拟轴多功能机床，其特征在于当该机床为二并联杆虚拟轴钻床时，则将立柱及其上的伺服电机、电机和砂轮卸去，在夹头装置上装上钻头。
5、如权利要求1所述的二并联杆虚拟轴多功能机床，其特征在于当该机床为二并联杆虚拟轴铣床时，则将立柱及其上的伺服电机、电机和砂轮卸去，在夹头装置上装上端铣刀。
6、如权利要求1所述的二并联杆虚拟轴多功能机床，其特征在于当该机床为二并联杆虚拟轴铣床时，则将立柱及其上的伺服电机、电机和砂轮卸去，在夹头装置上装上球头铣刀。
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