專利名稱：二并聯(lián)桿虛擬軸多功能機床的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機床技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種二并聯(lián)桿虛擬軸多功能數(shù)控機床。
以關(guān)節(jié)并聯(lián)的Stewart平臺為基礎(chǔ)的全新結(jié)構(gòu)的并聯(lián)桿虛擬軸(沒有傳統(tǒng)機床的X、Y、Z軸)機床是近幾年推出的一種全新概念的機床。以六并聯(lián)桿虛擬軸機床為例，這種機床用可伸縮的六根桿支撐并連接運動平臺(裝有主軸頭)與固定平臺(裝有工作臺)。每根桿均由各自的伺服電機與滾珠絲杠驅(qū)動。伸縮這六根桿就可使裝有主軸頭的運動平臺進行六坐標軸的運動，從而改變主軸與工件的相對空間位置，滿足加工中刀具運動軌跡的要求。對于傳統(tǒng)機床需要多次定位工件才能加工的復雜曲面，這種虛擬軸機床可以一次加工完成。但基于Stewart平臺的六桿虛軸機床也存在如下不足六桿之間的幾何干涉使作業(yè)空間狹小，正逆解實時計算困難，誤差補償建模復雜，使編制控制程序的難度增加，特別是運動的耦合性還要求高精度的運動部件和控制系統(tǒng)，造價昂貴，目前還難以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。為解決上述存在的問題，許多國家的科研機構(gòu)及公司正在進行三并聯(lián)桿六自由度、三并聯(lián)桿三自由度虛擬軸機床原型機的研制工作，并取得一些進展。如，與六并聯(lián)桿虛擬軸機床相比，三并聯(lián)桿虛擬軸機床機械結(jié)構(gòu)更簡單，制造成本低，作業(yè)空間增大，同時運動的耦聯(lián)，控制計算和誤差建模的復雜程度均有所改善。但仍沒有從根本上解決并聯(lián)桿虛擬軸機床工作空間小，各桿之間的運動耦聯(lián)產(chǎn)生的控制計算復雜、實時控制困難的弱點。
螺旋面鉆尖是目前國際金屬切削刀具市場上非常流行的一種鉆型。由于橫刃為S形，因此它具有定心好，切入穩(wěn)定，鉆削軸向力小，排屑能力強，鉆孔質(zhì)量好的特點。螺旋面鉆尖的刃磨在國外由自動鉆尖刃磨機床和數(shù)控鉆尖刃磨機床，及部分萬能數(shù)控刀具磨床來實現(xiàn)。自動鉆尖刃磨機是通過電機帶動夾持鉆頭的主軸轉(zhuǎn)動，另兩個運動由電機通過凸輪結(jié)構(gòu)驅(qū)動砂輪或夾持鉆頭的主軸架，來實現(xiàn)螺旋面鉆尖的刃磨；數(shù)控鉆尖刃磨機是用數(shù)控程序通過控制與三個運動相關(guān)的三個步進電機(或伺服電機)進行三軸聯(lián)動，來實現(xiàn)螺旋面鉆尖的刃磨。
本發(fā)明的目的就是推出一種結(jié)構(gòu)簡單、實時控制容易、性能價格比高、可對具有螺旋面鉆尖鉆頭進行修磨，可做為多軸數(shù)控鉆床或銑床使用，可完全實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的二并聯(lián)桿虛擬軸多功能機床。
本發(fā)明涉及的二并聯(lián)桿虛擬軸多功能機床包括有床身、二并聯(lián)桿支鏈、運動平臺、工作平臺、滾動導軌、滑塊、T型拖板、電機、伺服電機、立柱、砂輪、主軸箱、主軸、鉆頭(或銑刀)夾頭裝置。在床身上部設(shè)置有兩根直線滾動導軌，在直線滾動導軌上設(shè)置有T型拖板，在直線滾動導軌之間安裝有一使伺服電機與T型拖板相連接的滾珠絲杠；T型拖板上裝有驅(qū)動兩塊滑塊的二直線電機，二并聯(lián)桿支鏈通過球鉸將運動平臺與二滑塊連接，這里為了使二并聯(lián)桿支鏈保證運動平臺平動且保持運動平穩(wěn)，本發(fā)明的每條桿支鏈由四根平行定長的桿件組成，也可采用三根平行定長的桿件來組成每條桿支鏈；運動平臺上依次裝有伺服電機、裝有主軸的主軸箱、裝有鉆頭(或銑刀)的夾頭裝置與主軸相連；直線電機驅(qū)動兩塊滑塊，來改變兩塊滑塊間的距離，從而借助二個并聯(lián)桿支鏈推動運動平臺在XYZ直角坐標系YZ平面內(nèi)進行圓弧曲線平移，進而實現(xiàn)鉆頭(或銑刀)所需的曲線運動；根據(jù)本發(fā)明所設(shè)定的XYZ直角坐標系來說，二并聯(lián)桿支鏈組成的這臺虛擬軸機床沒有傳統(tǒng)機床的Y、Z軸，但通過直線電機的驅(qū)動來控制兩塊滑塊的方向、速度，完全可以使主軸單獨實現(xiàn)Y軸或Z軸方向的運動。
與桿可伸縮的六并聯(lián)桿虛擬軸和三并聯(lián)桿虛擬軸相比，本發(fā)明的二并聯(lián)桿支鏈由于是平行定長的桿件組成，因此可以采用簡單的桿，并且沒有內(nèi)置熱源，避免了熱影響。所以本發(fā)明除了具有并聯(lián)桿虛擬軸機床剛度大、空間的快速曲線加工能力、重量/外力負承比高的優(yōu)點外，與六桿和三桿并聯(lián)虛擬軸機床相比機械結(jié)構(gòu)更簡單，精度更高，制造成本低，同時不存在運動的耦聯(lián)，可進行封閉正逆解控制計算，實時控制容易。此外，本發(fā)明還同時具有普通機床的一些特性，如工作空間大，易于實現(xiàn)平面和直線的加工。特別是進行螺旋面鉆尖刃磨時，本發(fā)明只需2軸聯(lián)動即可實現(xiàn)，而傳統(tǒng)的鉆尖刃磨機需要3軸聯(lián)動。因此，本發(fā)明具有廣闊的應(yīng)用前景。
下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的俯視圖；圖3是圖1的側(cè)視圖。
實施例1如圖1、2、3所示，鉆尖刃磨機要實現(xiàn)螺旋面鉆尖的刃磨，關(guān)鍵是要同時實現(xiàn)刃磨螺旋面鉆尖所需的三個運動。圖中的1為床身，刃磨之前通過夾頭裝置5將鉆頭4夾緊在安裝主軸的主軸箱14上，伺服電機23帶動防塵罩18內(nèi)的滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，再通過絲母座帶動T型拖板16沿直線滾動導軌17和直線滾動導軌19做縱向(X方向)移動，從而實現(xiàn)鉆頭4與砂輪15縱向(X方向)位置的調(diào)整。在T型拖板16上裝有二直線電機分別驅(qū)動滑塊10和滑塊12在T型拖板上的直線導軌做橫向(Y方向)的直線往復運動，借助二個并聯(lián)桿支鏈8和13推動運動平臺6做橫向(Y方向)的直線運動，進而實現(xiàn)鉆頭4與砂輪15橫向(Y方向)位置的調(diào)整。工作平臺2上裝有立柱22，立柱上的伺服電機21可帶動電機3沿M方向左右旋轉(zhuǎn)，從而可以調(diào)整安裝在電機3上的砂輪15的軸線與鉆頭4軸線的角度，即確定所刃磨鉆頭4的頂尖角。在鉆尖刃磨時，伺服電機11通過主軸箱14內(nèi)的主軸帶動鉆頭4自轉(zhuǎn)，同時滑塊12不動，直線電機驅(qū)動滑塊10沿A方向平移(或滑塊10不動，直線電機驅(qū)動滑塊12沿B方向平移)，借助二個并聯(lián)桿支鏈8和13推動運動平臺6產(chǎn)生垂直平面(YZ平面)內(nèi)的曲線平移運動，從而帶動主軸箱內(nèi)的主軸實現(xiàn)刃磨螺旋面鉆尖的另兩個運動。伺服電機11驅(qū)動主軸從0°轉(zhuǎn)動到180°實現(xiàn)鉆頭一個后刀面的刃磨，然后滑塊10(或滑塊12)返回初始位置；伺服電機11驅(qū)動主軸從180°轉(zhuǎn)動到360°，同時滑塊10再沿A方向平移(或滑塊12沿B方向平移)從而實現(xiàn)鉆頭另一個后刀面的刃磨，經(jīng)過如此循環(huán)，最終實現(xiàn)螺旋面鉆尖的刃磨。其間通過伺服電機20驅(qū)動工作平臺2垂直方向(Z方向)的移動來調(diào)整刃磨鉆尖后刀面的磨削量。
實施例2如圖1、2、3所示，將立柱22及其上的伺服電機21、電機3和砂輪15卸去，本發(fā)明就成為一臺二并聯(lián)桿虛擬軸鉆床。圖中的1為床身，鉆削之前將需要進行鉆削的工件裝夾在工作平臺2上；通過夾頭裝置5將鉆頭4夾緊在安裝主軸主軸箱14上，伺服電機23帶動防塵罩18內(nèi)的滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，再通過絲母座帶動T型拖板16沿直線滾動導軌17和直線滾動導軌19做縱向(X方向)移動，從而實現(xiàn)鉆頭4與工件縱向(X方向)位置的調(diào)整。在T型拖板16上裝有二直線電機分別驅(qū)動滑塊10和滑塊12在T型拖板上的直線導軌做橫向(Y方向)的直線往復運動，借助二個并聯(lián)桿支鏈8和13推動運動平臺6做橫向(Y方向)的直線運動，進而實現(xiàn)鉆頭4與工件橫向(Y方向)位置的調(diào)整。在鉆削時，伺服電機11通過主軸箱14內(nèi)的主軸帶動鉆頭4自轉(zhuǎn)，同時兩直線電機分別驅(qū)動滑塊10和滑塊12以相同的速度沿A、B方向同時移動，借助二個并聯(lián)桿支鏈8和13推動運動平臺6產(chǎn)生垂直方向(Z方向)上的鉆削進給運動，從而完成工件的鉆削；另外在上述操作過程中，如果兩滑塊10和滑塊12保持不動，而伺服電機20驅(qū)動工作平臺2垂直方向(Z方向)的移動來實現(xiàn)鉆削進給運動，亦可完成工件的鉆削。
實施例3如圖1、2、3所示，將立柱22及其上的伺服電機21、電機3和砂輪15卸去，將鉆頭4換成端銑刀或球頭銑刀，本發(fā)明就成為一臺二并聯(lián)桿虛擬軸銑床。圖1中的1為床身，銑削之前將需要進行銑削的工件裝夾在工作平臺2上；通過夾頭裝置5將銑刀夾緊在安裝主軸的主軸箱14上，伺服電機23帶動防塵罩18內(nèi)的滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，再通過絲母座帶動T型拖板16沿直線滾動導軌17和直線滾動導軌19做縱向(X方向)移動，從而實現(xiàn)銑刀與工件縱向(X方向)位置的調(diào)整。在T型拖板16上裝有二直線電機分別驅(qū)動滑塊10和滑塊12在T型拖板上的直線導軌做橫向(Y方向)的直線往復運動并改變滑塊10和滑塊12之間距離，從而借助二個并聯(lián)桿支鏈8和13推動運動平臺6做橫向(Y方向)和垂直方向(Z方向)平移運動，進而實現(xiàn)銑刀與工件橫向(Y方向)及垂直方向(Z方向)位置的調(diào)整。在銑削時，伺服電機11通過主軸箱14內(nèi)的主軸帶動銑刀自轉(zhuǎn)，同時伺服電機23帶動防塵罩18內(nèi)的滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，再通過絲母座帶動T型拖板16沿直線滾動導軌17和直線滾動導軌19做縱向(X方向)移動，于是帶動滑塊10和12，通過二個并聯(lián)桿支鏈8和13推動運動平臺6實現(xiàn)銑刀沿工件縱向(X方向)的運動，而兩直線電機分別驅(qū)動滑塊10和滑塊12以相同的速度沿A方向(或B方向)同時移動，借助二個并聯(lián)桿支鏈8和13推動運動平臺6實現(xiàn)銑刀沿工件橫向(Y方向)的運動，從而完成對工件在水平面(XY平面)內(nèi)的銑削；另外在上述操作過程中，如果兩直線電機分別驅(qū)動滑塊10和滑塊12以不同的速度沿A方向(或B方向)同時移動，或驅(qū)動滑塊10(或滑塊12)移動而滑塊12(或驅(qū)動滑塊10)不動，則改變了滑塊10和滑塊12之間的距離，借助二個并聯(lián)桿支鏈8和13推動運動平臺6實現(xiàn)銑刀在垂直平面(YZ平面)內(nèi)的曲線運動，則可完成對工件在空間(XYZ坐標系空間)內(nèi)的曲面銑削。
權(quán)利要求
1.一種二并聯(lián)桿虛擬軸多功能機床，包括有床身、運動平臺、工作平臺、滑塊、電機、伺服電機、立柱、砂輪、主軸箱、主軸、夾頭裝置等，其特征在于該機床還包括有二并聯(lián)桿支鏈、滾動導軌、T型拖板，在床身上部設(shè)置有兩根直線滾動導軌，在直線滾動導軌上設(shè)置有T型拖板，在直線滾動導軌之間安裝有一使伺服電機與T型拖板相連接的滾珠絲杠，T型拖板上裝有驅(qū)動二個滑塊的二直線電機，二并聯(lián)桿支鏈通過球鉸將運動平臺與二個滑塊連接，運動平臺上依次裝有伺服電機、裝有主軸的主軸箱、夾頭裝置與主軸相連。
2.如權(quán)利要求1所述的二并聯(lián)桿虛擬軸多功能機床，其特征在于所說的二并聯(lián)桿支鏈的每條桿支鏈是四根平行定長的桿。
3.如權(quán)利要求1所述的二并聯(lián)桿虛擬軸多功能機床，其特征在于所說的二并聯(lián)桿支鏈的每條桿支鏈是三根平行定長的桿。
4.如權(quán)利要求1所述的二并聯(lián)桿虛擬軸多功能機床，其特征在于當該機床為二并聯(lián)桿虛擬軸鉆床時，則將立柱及其上的伺服電機、電機和砂輪卸去，在夾頭裝置上裝上鉆頭。
5.如權(quán)利要求1所述的二并聯(lián)桿虛擬軸多功能機床，其特征在于當該機床為二并聯(lián)桿虛擬軸銑床時，則將立柱及其上的伺服電機、電機和砂輪卸去，在夾頭裝置上裝上端銑刀。
6.如權(quán)利要求1所述的二并聯(lián)桿虛擬軸多功能機床，其特征在于當該機床為二并聯(lián)桿虛擬軸銑床時，則將立柱及其上的伺服電機、電機和砂輪卸去，在夾頭裝置上裝上球頭銑刀。
全文摘要
一種二并聯(lián)桿虛擬軸多功能機床,包括有床身、運動平臺、工作平臺、電機、伺服電機、立柱、砂輪、主軸箱、主軸、夾頭裝置、二并聯(lián)桿支鏈、滾動導軌、T型拖板、滑塊等。該機床可進行具有螺旋面鉆尖鉆頭的修磨,還可做為多軸數(shù)控鉆床或銑床使用。本發(fā)明涉及的機床與六桿和三桿并聯(lián)虛擬軸機床相比,同樣具有剛度大、精度高、重量/外力負承比高的優(yōu)點外,機械結(jié)構(gòu)更簡單,制造成本低,不存在運動的耦聯(lián),工作空間大,易于實現(xiàn)平面和直線的加工。
文檔編號B23Q15/20GK1268419SQ00110008
公開日2000年10月4日 申請日期2000年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月5日
發(fā)明者鄒平, 蔡光起 申請人:東北大學