双八面体框架式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。本发明专利技术包括６个可控的伸缩轴，装有切削刀具的动平台和装有工件的静工作台及框架，框架为大小双八面体结构，其中大八面体包括顶部三角形框、底部三角形框及边框。小八面体包括支撑工作台的小三角形框及将小三角形框与底部三角形相连接的边框可控伸缩轴的固定端与大八面体框架相连，其伸缩端与动平台相连。本发明专利技术具有更好的刚性、更高的精度和更快的进给速度。并且提高机床加工过程的灵活性和机动性。（*该技术在2017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
，特别涉及一种具有综合功能的虚拟轴机床的结构设计。在机械制造领域中，传统的机器结构例如切削机床，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、搬运移动困难。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，串联式的机械结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。目前，国内外的机床行业，面对日益复杂的加工形状和特殊的加工要求，采取了各种相应的对策。为满足现代加工对象的要求，传统机床需要借助更为复杂笨重的自身结构和造价昂贵的工装夹具才能完成任务。其结果是制造周期长、成本高和制造质量难以保证。近几年出现了一种虚拟轴机床，采用了6个并联可实施控制的伸缩轴，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六个可控轴的控制而言的。对于刀具的某一种空间位姿要求，存在相应的六个伸缩轴的长度值与之相对应。即虚拟轴机床是通过对六个可控轴的实际长度的控制来实现加工要求的。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，而六个伸缩轴的长度才是它的实际控制轴，所以称为虚拟轴机床。该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，使设备具有更大的工艺灵活性和控制机动性。国外现有技术的典型例子是美国INGERSOLL公司的六轴机床，(美国专利5,392,663)，它具有单独的八面体框架支撑结构，6个可控伸缩轴上端分别与八面体框架的顶部节点相联，下端与安装刀具的主轴用的动平台相联。在该专利中描述的伸缩轴结构复杂，一端为球铰，另一端为驱动电机，与框架顶部连接的是固定在可控伸缩轴中部外面的大球体。安装制造困难复杂，相对来说缩短了可控伸缩轴的有效长度，限制了加工范围的可达域。另外在该美国专利中，只提出了机床的单八面体框架，用来安装伸缩轴、动平台和工作台。而工作台依靠变截面的梁来支撑，其缺陷在于未能使工艺系统完全由二力杆组成，限制了机床刚度的提高。由于这种类型机床的加工范围是随垂直方向(正向)变化的，只是在一个固定的正值上有一个最大的加工范围，而随着这个正值的增大和减小，其加工范围都将随之缩小。本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，采用并联闭链机构方式设计出一种具有切削、移载、装配等多种功能虚拟轴的机床结构，使其具有更好的刚性、更高的精度和更快的进给速度。并且提高机床加工过程的灵活性和机动性。本专利技术设计的一种双八面体框架式虚拟轴机床结构，包括6个可控的伸缩轴，装有切削刀具的动平台和装有工件的静工作台，支撑及联接所说伸缩轴和动平台的框架，其特征在于，所说的框架为由二力杆组成相互联接的大小双八面体结构，其中大八面体包括由12个杆组成的顶部三角形框，与该顶部三角形平行且顶角错位60°角的底部三角形框，及将一个三角形每一个顶点与另一个三角形相邻的两个顶点接在一起的边框；小八面体包括由3个杆组成的支撑工作台的小三角形框，及由6根杆组成的将小三角形框的每个顶角分别与所说的底部三角形相邻两个顶角相连接的边框以及底部三角形框；所说的可控伸缩轴的固定端与所说的大八面体框架相连，其伸缩端与所说的动平台相连；本专利技术所说的小三角形框可位于所说的顶部三角形框及底部三角形框之中，形成内嵌式双八面体框架结构。所说的小三角形框也可位于底部三角形框之下，形成外挂式双八面体框架结构。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；直线导杆一端伸出外壳之外形成伸缩端其端面为一球铰与所说动平台相连，外壳的封闭端为固定端，其端面固定一虚支铰与所说的框架顶部相连。所说的工作台，还可包括与之相联的升降装置，该升降装置由支架及安装在支架上的多条直线导套，插入导套中的多个直线导轨及一个滚珠丝杠和与之相配的滚珠螺母以及带动滚珠螺母旋转的伺服电机。本专利技术的内容体现在可控伸缩轴的结构、双八面体机床框架和附加工作台升降系统等三个方面。下面结合附图，详细介绍本专利技术的内容。图1为本专利技术伸缩轴结构示意图，图中，28是伺服电机，可以驱动安装在轴承26上的滚珠丝杠16按照要求作旋转运动。轴承26和伺服电机28都安装在箱体24内。直线导套14固定在外壁22上，外壁22又固定在箱体24上，因此直线导套14与箱体24外壁22之间没有相对运动。直线导杆12在直线导套14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18把直线导杆12和滚珠螺母20固定到一起，因此滚珠螺母20也不能绕轴线转动。当滚珠丝杠16旋转时，直线导杆12就在滚珠螺母20的带动下沿轴向作伸长或缩短运动。图1所示的可控伸缩轴系统依靠伸缩端的球铰10和固定端的虎克铰30分别与该机床的动平台和框架顶部连接。直线导杆12采用的中空结构，使滚珠丝杠16可以方便地进入，大大简化了机械结构。减少了运动误差产生的可能性。图2是本专利技术机床框架顶视图，其顶部三角形由三个杆32组成；底部三角形由三个杆34组成。顶部三角形32和底部三角形34之间错开60°角，两个三角形节点由6个杆36联结起来，形成了一个大的正八面体。当在任何一个节点上施加作用力时，八面体框架的每一根杆都只受拉压，不受弯矩，因此它具有很高的刚性。图3是本专利技术机床框架侧视示意图，表示了内嵌式双八面体框架结构情况。三角形40由三个丝杆40组成。这个三角形40和底部三角形34之间错开60°角，两个三角形节点由6个杆38联结起来，形成一个上小下大的八面体。静工作台42依靠三个位于三角形40三个节点处的支承44支撑起来。当静工作台42受到切削力等外力作用时，三角形40的三个节点处受力并将力传向框架，八面体框架的每一根杆都只受拉压，不受弯矩，因此具有很高的刚性。图3中，6个可控伸缩轴43的一端与八面体框架上三角形32的各节点相联，另一端与动平台45相联，这样对应6个可控伸缩轴43的一种长度组合，就存在一个动平台45的特定位姿，6个可控伸缩轴43的长度不断变化，就会带来动平台45的移动和转动。安装在动平台45上的刀具47能灵活地加工静工作平台42上的工件。图4是本专利技术另一种形式的机床框架侧视示意图，表示了外挂式双八面体框架结构情况。三角形46由三个杆46组成，这个三角形46和大三角形34之间错开60°角，两个三角形节点由6个杆50联结起来，形成一个上大下小的八面体。静工作台42依靠三个位于三角形46三个节点处的支承48支撑起来。当静工作台42受到切削力等外力作用时，三角形46的三个节点处受力并将力传向框架，八面体框架的每一根杆都只受拉压，不受弯矩，因此具有很高的刚性。图5是工作台升降装置结构示意图。在工作台42下面固定了二或三条直线导轨60本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双八面体框架式虚拟轴机床结构，包括６个可控的伸缩轴，装有切削刀具的动平台和装有工件的静工作台，支撑及联接所说伸缩轴和动平台的框架，其特征在于，所说的框架为由二力杆组成相互联接的大小双八面体结构，其中大八面体包括由１２个杆组成的顶部三角形框，与该顶部三角形平行且顶角错位６０°角的底部三角形框，及将一个三角形每一个顶点与另一个三角形相邻的两个顶点接在一起的边框；小八面体包括由３个杆组成的支撑工作台的小三角形框，及由６根杆组成的将小三角形框的每个顶角分别与所说的底部三角形相邻两个顶角相连接的边框以及底部三角形框；所说的可控伸缩轴的固定端与所说的大八面体框架相连，其伸缩端与所说的动平台相连；。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：汪劲松，段广洪，杨向东，朱铁君，陈恳，冯之敬，赵广木，冯平法，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]