多坐标数控机床主轴摆动机构制造技术

本发明专利技术属机械制造自动化及数控机床领域，本发明专利技术包括含有上下两个空间的支撑外壳，其上部空间构成气动随动平衡装置的外壳体，下部空间内安装有主轴加工机构，其外壁固定有两个对称安装的旋转直线电机，该外壳的上部设有用于连接加工机床主体的安装耳。本发明专利技术既具有结构简单、有快速响应能力、高刚性、高精度的特点，又具有较大的加工范围，从根本上解决了主轴摆动机构的传动误差及系统响应能力问题。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属机械制造自动化及数控机床领域，特别涉及多坐标数控机床的加工主轴驱动部分结构设计。多坐标加工机床在生产加工领域中扮演着重要的角色。其中，加工主轴驱动部分由于直接关系到最终的加工质量问题，对该机构的合理创新设计则提出较高要求。就目前而言，主轴摆动机构因多坐标数控机床结构的不同而有所区别。现在的多坐标数控加工机床结构主要有三种类型一类是传统的C型串联结构，一类是最新出现的Stewart型多杆并联结构，另一类是串并联混合结构。对于串联结构而言，其主轴单元的摆动机构多采用伺服电机驱动，齿轮(或蜗轮蜗杆、带传动)传动，位置传感反馈的方案，两个旋转(A轴、B轴)运动机构串联。这就带来一些无法克服的弱点由于摆动机构的总质量比较大，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；由于串联开链结构组成环节多、结构复杂，并且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。对于并联结构而言，其多坐标加工运动都是通过多驱动轴(二力杆)同时作用的结果，消除了串联结构的误差传递、刚度、响应速度等弱点，具有结构简单、精度较高、刚度较好、快速响应的优点，成为新的发展方向。但是，通过分析可以发现由于一般直接基于Stewart平台原理的并联结构本身存在的一些固有缺陷(如运动干涉、存在死区等)，使其旋转坐标的合理运动范围比常规多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，而常规多坐标机床可以达到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，无法实现真正意义上的大范围多坐标加工，大大限制了该类机床的应用。对于串并联混合结构，其旋转运动是通过混合驱动方式实现的(一转动是通过并联机构直接实现，另一转动通过串联的传统驱动机构实现)，由于其并联机构是基于空间四杆驱动平台原理的，完全消除了基于Stewart平台原理的并联结构的空间干涉问题，可实现大范围加工(A、B两轴都可实现90度运动)。但是其串联摆动环节的传动间隙及误差问题并没有得以很好解决，致使动态响应能力依然存在一定的问题。本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种多坐标数控机床主轴摆动机构，既具有结构简单、有快速响应能力、高刚性、高精度的特点，又具有较大的加工范围，从根本上解决了主轴摆动机构的传动误差及系统响应能力问题。本专利技术提出的一种多坐标数控机床主轴摆动机构，其特征在于，包括含有上下两个空间的支撑外壳，其上部空间构成气动随动平衡装置的外壳体，下部空间内安装有主轴加工机构，其外壁固定有两个对称安装的旋转直线电机，该外壳的上部设有用于连接加工机床主体的安装耳。所说的气动随动平衡装置可由气室，置于气室中的活塞及与之相连的连杆，置于气室上端用于密封气室的端盖所组成。所说的旋转直线电机可由底座和外壳围成电机腔体，在外壳和底座内部各固定有绕有线圈的定子，在两定子之间有绕有线圈的转子，转子的轴心孔与驱动转轴系固定。本专利技术的特点与效果(1)通过附加简单的气动配重机构，大大提高了加工系统的快速响应能力，减小了附加于床身精密运动部件上的作用力，使得机床受力、变形、功效等等相关问题得以极大改善，非常有利于提高加工精度和加工质量，实现高速高效加工。(2)通过旋转直线电机直接驱动电主轴加工本体，实现零传动驱动，完全消除了传动机构的传动误差，大大提高了快速响应能力，提高了定位(角度)精度及动态性能，而且控制简单、可靠。(3)本专利技术既具有结构简单、控制容易、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°，加工空间大大高于基于Stewart平台的主轴摆动系统，刚度、动态响应等能力相比传统的基于C型结构的主轴摆动系统和现有混合结构主轴摆动系统又有了进一步的提高。本专利技术从根本上提高多坐标数控加工机床的整体加工性能，为低成本、普及型多坐标加工系统在国民经济的各个领域发挥更大作用做好底层准备。附图简要说明附图说明图1是本实施例主轴摆动机构总体结构示意图。图2是本实施例中的旋转直线电机剖面结构示意图。图3是图2中旋转直线电机A-A剖面正视结构示意图。图4是本实施例主轴摆动机构的立体结构示意图。本专利技术设计的一种多坐标数控机床主轴摆动结构实施例，结合附图详细说明如下本实施例总体结构如图1、图4所示。该机构利用安装耳5与机床本体相连，利用旋转直线电机1直接驱动主轴加工机构2(采用电主轴加工机构，属于已有技术)，消除了传动误差，提高了摆动的响应速度，同时使得在同样体积的情况下，可以获得相比传统伺服电机驱动更大的扭矩，控制更加简单可靠；通过附加气动随动平衡装置4(包括外壳体3上部、气室44、活塞43、端盖41、连杆42)，由外界可控压气泵通过端盖上的流通气孔向气室44中加压，以外加气压平衡掉部分主轴结构的重量及加工时的反作用力，大大减轻承载主轴摆动系统的机床导轨的负担，提高了主轴摆动系统整体快速响应能力，并大大提高机床系统整体综合性能。本实施例的旋转直线电机基本结构如图2所示。其主要原理与直线电机驱动原理一样，只不过在本专利技术里面将直线驱动部分做成圆周旋转状态，左右两边是电机的定子13、18(其上均绕有一定匝数的线圈14，其布线及分布如图3所示)，分别通过螺钉12、19与壳体11和17固定(利用螺钉15相连)，中间是电机的转子16，与驱动转轴系10转动。这样，当定子中通过一定规律的电流时，产生的磁场将驱动定子按照一定的规律运动，实现主轴单元±90°的摆动。定子整体形态如图3所示，由一系列沿径向分布呈放射状的凹槽及环绕于其中的线圈所构成。其立体效果图如图4所示。利用气动平衡系统4消除大部分加工及正常承重状态下的作用力，提高主轴摆动系统运动的动态性能；通过控制旋转直线电机的电流方向，实现主轴加工本体的±90°的无传动误差的旋转运动，大大提高了加工本体的动态响应能力。权利要求1.一种多坐标数控机床主轴摆动机构，其特征在于，包括含有上下两个空间的支撑外壳，其上部空间构成气动随动平衡装置的外壳体，下部空间内安装有主轴加工机构，其外壁固定有两个对称安装的旋转直线电机，该外壳的上部设有用于连接加工机床主体的安装耳。2.如权利要求1所述的多坐标数控机床主轴摆动机构，其特征在于，所说的气动随动平衡装置由气室，置于气室中的活塞及与之相连的连杆，置于气室上端用于密封气室的端盖所组成。3.如权利要求1所述的多坐标数控机床主轴摆动机构，其特征在于，所说的旋转直线电机由底座和外壳围成电机腔体，在外壳和底座内部各固定有绕有线圈的定子，在两定子之间有绕有线圈的转子，转子的轴心孔与驱动转轴系固定。全文摘要本专利技术属机械制造自动化及数控机床领域,本专利技术包括含有上下两个空间的支撑外壳,其上部空间构成气动随动平衡装置的外壳体,下部空间内安装有主轴加工机构,其外壁固定有两个对称安装的旋转直线电机,该外壳的上部设有用于连接加工机床主体的安装耳。本专利技术既具有结构简单、有快速响应能力、高刚性、高精度的特点,又具有较大的加工范围,从根本上解决了主轴摆动机构的传动误差及系统响应能力问题。文档编号B23Q5/00GK1265953SQ0010555公开日2000年9月13日 申请日期2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多坐标数控机床主轴摆动机构，其特征在于，包括含有上下两个空间的支撑外壳，其上部空间构成气动随动平衡装置的外壳体，下部空间内安装有主轴加工机构，其外壁固定有两个对称安装的旋转直线电机，该外壳的上部设有用于连接加工机床主体的安装耳。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周凯，毛德柱，陶真，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]