龙门滑块式内外副混合驱动虚拟轴机床结构制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术具有制造成本低、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。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术属机械制造
，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。本专利技术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。本专利技术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固定长度的平面连接框架铰链点相连，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。本专利技术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。本专利技术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，而与滑块的具体位置无直接关系。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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固定长度的平面连接框架铰链点相连，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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：汪劲松，段广洪，唐晓强，杨向东，李铁民，魏永明，郑浩峻，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]