專利名稱：一種雙驅動滾滑回轉結合部二軸并聯(lián)高速精密主軸頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于精密機床技術領域，涉及一種高速、精密數控機床的主軸頭， 具體涉及一種雙驅動滾滑回轉結合部二軸并聯(lián)高速精密主軸頭。
背景技術：
機床的主軸頭機構是指由實現(xiàn)主運動的主軸組件和直接帶動其作進給 運動的進給組件組成的獨立部件，獨立部件中進給組件的運動軸數目稱為主 軸頭機構的軸數。傳統(tǒng)的機床是完全串聯(lián)原理，其主軸頭機構也是串聯(lián)原理。 串聯(lián)原理機構的主要優(yōu)點是作業(yè)空間大，運動控制算法簡單；主要缺點是各 軸的運動誤差累加，結構剛度弱，運動質量大，進給速度不能太高。
六軸完全并聯(lián)原理機構的優(yōu)點是運動件質量小、速度高、比剛度高、各 個分支運動誤差不累加、精度高；缺點是作業(yè)空間小(尤其是回轉運動范圍 小)，運動算法復雜。并聯(lián)原理主軸頭機構的類型有二軸和三軸，且每種類 型又可以有多種構型和結構形式，例如德國的三軸并聯(lián)主軸頭機構(一個直 線進給運動和兩個回轉進給運動)，日本的二軸并聯(lián)主軸頭機構(二個直線 進給運動)。
二軸并聯(lián)機構屬于少自由度并聯(lián)機構，少自由度并聯(lián)機構的優(yōu)點①保 持了完全并聯(lián)機構速度高的特點，②少自由度并聯(lián)機構與完全并聯(lián)機構相 比，作業(yè)空間增大，③原理上講，并聯(lián)機構各個分支運動誤差不累加，精度 高，但由于并聯(lián)機構的被動關節(jié)(被動運動副)多，限于設計、制造的原因， 實際實施時往往達不到原理上的高精度，少自由度并聯(lián)機構與六自由度完全并聯(lián)機構相比，被動關節(jié)少，精度相對較高。少自由度并聯(lián)機構的缺點與完全并聯(lián)機構相比，機構受力狀況變差。提高機床的速度的主要形式是采用高速電主軸、高速進給系統(tǒng)(采用并聯(lián)機構、直線電機、高速滾珠絲杠副)。因此如何既能發(fā)揮少自由度并聯(lián)機構的高速優(yōu)勢，又能改善其受力狀況，進一步提高其精度，對推動高速、高精度機床創(chuàng)新研究開發(fā)具有重要意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種雙驅動滾滑回轉結合部二軸并聯(lián)高速精密主軸頭，用于高速、精密數控機床，不僅具有少自由度并聯(lián)原理機構的高速優(yōu)勢，而且提高了精度并改善受力狀況。
本發(fā)明所采用的技術方案是， 一種雙驅動滾滑回轉結合部二軸并聯(lián)高速精密主軸頭，包括電主軸和二軸并聯(lián)機構，二軸并聯(lián)機構由動平臺和兩個分別與動平臺相連接的分支結構構成，電主軸固接于動平臺，分支結構由并列設置的兩個直線運動組件、兩連桿、滑臺和回轉副構成，兩個直線運動組件與滑臺相連接，滑臺通過兩個回轉副分別與兩連桿的一端相連接，該兩連桿的另一端分別通過回轉副連接于動平臺，分支結構中的兩個直線運動組件分別與另一分支結構中的兩個直線運動組件水平并排設置。
本發(fā)明的特征還在于，
回轉副包括環(huán)形的回轉副殼體，沿回轉副殼體的軸向，其兩側分別設置有環(huán)形凸臺狀的回轉副底座和環(huán)形凸臺狀的法蘭，回轉副底座和法蘭的凸臺分別自回轉副殼體的兩端伸入回轉副殼體的內孔，連桿的一端從回轉副殼體的側壁伸入回轉副殼體內，并位于回轉副底座和法蘭之間，連桿伸入回轉副殼體內的一端設置有一通孔，該通孔內設置有軸，軸的兩端分別伸入回轉副
底座和法蘭的內孔，并通過滾動軸承A和滾動軸承B分別與回轉副底座和法蘭連接，滾動軸承A與連桿之間、軸上設置有軸套，滾動軸承B與連桿A之間、軸上設置有軸套B，連桿與回轉副底座之間設置有回轉滑動介質A，連桿與法蘭之間分別設置有回轉滑動介質B，回轉副底座的外端面固定安裝有端蓋A，法蘭的外端面固接有端蓋B，法蘭與回轉副殼體之間設置有調整墊。
滑臺上設置的兩回轉副的中心距與動平臺上相對應的兩回轉副的中心
距相等。
各連桿兩端分別連接滑臺和動平臺的回轉副之間的中心距均相等。滑臺采用兩個電機同步驅動的雙驅動。
移動副采用直線電機驅動或伺服電機和具有高速滾珠絲杠副的直線運
動組件驅動。
本發(fā)明主軸頭采用二軸并聯(lián)機構、直線電機或伺服電機和高速滾珠絲杠副及高速電主軸，具有高速度；同時，對二軸并聯(lián)機構的直線運動自由度采用雙驅動，改善移動副的受力狀況，并可進行消隙或補償提高直線運動的精度；回轉副采用滾滑結合部回轉副，不僅改善了回轉副的受力狀況，而且提高了回轉副的回轉導向剛度及精度。


圖1是本發(fā)明主軸頭的結構示意圖2是本發(fā)明主軸頭中滾滑回轉結合部回轉副的結構示意圖；圖3是本發(fā)明主軸頭中雙驅動滾滑回轉結合部二軸并聯(lián)機構的原理圖。圖中，l.直線運動組件A， 2.回轉副A， 3.回轉副B， 4.連桿A， 5.連桿B， 6.回轉副C， 7.回轉副D, 8.電主軸，9.回轉副E， IO.動平臺，ll.連桿C，12.回轉副F， 13.連桿D， 14.回轉副G， 15.回轉副H， 16.直線運動組件B，17.直線運動組件C， 18.滑臺A， 19.滑臺B， 20.直線運動組件D， 21.回轉副 殼體，22.回轉副底座，23.端蓋A， 24.軸套A, 25.滾動軸承A， 26.回轉滑動 介質A， 27.調整墊，28.軸，29.法蘭，30.端蓋B， 31厲動軸承B， 32.軸套B， 33.回轉滑動介質B。
其中，P!、 P2、 P3和P4表示移動副，Rt、 R2、 R3、 R4、 R5、 R6、 R 和 Rs表示回轉副，/,、 /2、 /7和/8表示等效桿，/3、 /4、 /5和/6表示連桿，Y,、 Y2、 Y3和Y4表示四個移動副的實軸直線運動；Y， Z表示并聯(lián)機構的虛擬軸 運動。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。 本發(fā)明主軸頭的結構，如圖1所示。包括水平并排設置的直線運動組件 D20和直線運動組件C17及水平并排設置的直線運動組件Al和直線運動組 件B16，直線運動組件D20與直線運動組件Al并列設置，直線運動組件C17 與直線運動組件B16并列設置。直線運動組件D20和直線運動組件Al的滑 塊分別與滑臺B19相連接，滑臺B19可沿直線運動組件D20和直線運動組 件Al的滑座移動，直線運動組件C17和直線運動組件B16的滑塊分別與滑 臺A18相連接，滑臺A18可沿直線運動組件C17和直線運動組件B16的滑 座移動?；_B19通過回轉副A2和回轉副B3分別與連桿A4和連桿B5的 一端相連接，連桿A4和連桿B5的另一端分別通過回轉副C6和回轉副D7 與動平臺10相連接。滑臺A18通過回轉副G14和回轉副H15分別與連桿 Cll和連桿D13的一端相連接，連桿Cll和連桿D13的另一端分別通過回 轉副E 9和回轉副F12與動平臺10相連接。動平臺10上固定安裝有電主軸 8?；剞D副A2和回轉副B3的中心距、回轉副C6和回轉副D7的中心距、回轉副E 9和回轉副F12的中心距及回轉副G14和回轉副H15的中心距均相 等?；剞D副A2和回轉副C6的中心距、回轉副B3和回轉副D7的中心距、 回轉副E 9和回轉副G14的中心距及回轉副F12和回轉副H15的中心距均相等。
本發(fā)明主軸頭中雙驅動滾滑回轉結合部回轉副的結構，如圖2所示。具 體以回轉副A2為例，回轉副A2包括環(huán)形的回轉副殼體21，沿回轉副殼體 21的軸向，其兩側分別設置有環(huán)形凸臺形的回轉副底座22和環(huán)形凸臺形的 法蘭29，回轉副底座22和法蘭29的凸臺由回轉副殼體21的兩端分別伸入 回轉副殼體21的內孔，回轉副殼體21的側壁設置有開口，連桿A4的一端 從回轉副殼體21的側壁開口伸入回轉副殼體21內，并位于回轉副底座22 和法蘭29之間，連桿A4伸入回轉副殼體21內的一端設置有一通孔，該通 孔的軸線與回轉副底座22內孔軸線和法蘭29內孔軸線重合，該通孔內設置 有軸28，軸28的兩端分別伸入回轉副底座22和法蘭29內，并通過滾動軸 承A25和滾動軸承B31分別與回轉副底座22和法蘭29連接，滾動軸承A25 與連桿A4之間、軸28上設置有軸套A24,滾動軸承B31與連桿A4之間、 軸28上設置有軸套B32，連桿A4與回轉副底座22之間設置有回轉滑動介 質A26，連桿A4與法蘭29之間設置有回轉滑動介質B33。回轉副底座22 的外端面設置有與其內孔同軸的凹槽，該凹槽內固定安裝有端蓋A23，法蘭 29的外端面固接有端蓋B30。法蘭29與回轉副殼體21之間設置有調整墊 27。
回轉滑動介質A26和回轉滑動介質B33采用小摩擦系數材料的涂層或 鍍層；同時通過調整墊27的調整，提高回轉結合部的承擔彎矩的能力，以 改善回轉副的受力狀況、提高回轉副的導向剛度及精度。有線運動組件D20、直線運動組件A1、滑臺B19、連桿A4、連桿B5、 回轉副A2、回轉副B3、回轉副C6和回轉副D7構成一個分支結構；直線運 動組件B16、直線運動組件C17、滑臺B18、連桿Cll、連桿D13、回轉副 E 9、回轉副F12、回轉副G14和回轉副H15構成另一分支結構，該兩分支 結構與動平臺10共同構成本發(fā)明主軸頭雙驅動滾滑回轉結合部的二軸并聯(lián) 機構。
電主軸8采用高速精密電主軸。
二軸并聯(lián)機構兩個分支結構的滑臺A18和滑臺B19的直線運動自由度 分別采用兩個電機進行同步驅動的雙驅動，通過消隙或補償提高移動副的直 線運動的精度。四個移動副均采用由直線電機(或伺服電機和高速滾珠絲杠 副)、滑塊、滑座及導軌組成的直線運動組件驅動?；剞D副A2、回轉副B3、 回轉副C6、回轉副D7、回轉副E9、回轉副F12、回轉副G14和回轉副H15 均采用滾滑回轉結合部回轉副，以提高回轉副的導向剛度及精度。
本發(fā)明主軸頭中的滾滑回轉結合部包括回轉滾動結合部和回轉滑動結 合部，滾動軸承25和滾動軸承B31組成回轉滾動結合部，回轉滑動介質26 和回轉滑動介質組成為回轉滑動結合部。通過調整墊27的調整，可以使回 轉滑動結合部在回轉副回轉運動自由度方向的摩擦力盡可能小、在保證回轉 副運動平穩(wěn)性的條件下5個約束方向的位移盡可能小，從而達到提高回轉副 導向剛度及精度的目的。
本發(fā)明主軸頭中雙驅動滾滑回轉結合部二軸并聯(lián)機構的原理圖，如圖3 所示，該二軸并聯(lián)機構由動平臺10和兩個相同的分支結構組成，該兩分支 結構中的一個分支結構包括兩個水平并列設置的移動副P和移動副P2、連 桿/3和連桿/4、等效桿A和等效桿/7及四個回轉副Ri、 R2、 R3和Rp連桿A、等效桿/3、連桿/4和等效桿/7構成平行四邊形R4R2R3R4。同理，二軸并 聯(lián)機構的另一分支結構包括兩個水平并列設置的移動副P3和移動副P4、連 桿/5和連桿/6、等效桿/2和等效桿/8及四個回轉副R5、 R^、 R7和Rg，連桿 /5、等效桿/8、連桿/6和等效桿/2構成平行四邊形RsR6R7R8。且/產/7=/2=/8;
/3=/4=/5=/6。四個移動副的實軸直線運動Y,、 Y2、 Y3和Y4產生并聯(lián)機構動平 臺10的虛擬軸運動Y和Z。四個移動副的導軌共同承擔由動平臺10經過兩 個分支機構傳遞過來的5個約束方向的力(Fz、 Fx及Mx、 My、 Mz)。
本發(fā)明主軸頭中二軸并聯(lián)機構的每個直線運動自由度采用兩個主動移 動副進行雙驅動，以改善移動副受力狀況，并可進行消隙或補償提高直線運 動的精度；所有被動回轉副均采用滾滑結合部回轉副，以改善回轉副受力狀 況及提高回轉運動的導向精度，從而實現(xiàn)二軸并聯(lián)進給機構高速高精度的目 標。使得該主軸頭不僅速度高，而且改善了回轉副的受力狀況，具有較高的 回轉導向剛度及精度。主軸部件采用高速電主軸，進而實現(xiàn)二軸并聯(lián)高速精 密主軸頭目標。
權利要求
1. 一種雙驅動滾滑回轉結合部二軸并聯(lián)高速精密主軸頭，包括電主軸(8)和二軸并聯(lián)機構，二軸并聯(lián)機構由動平臺(10)和兩個分別與動平臺(10)相連接的分支結構構成，電主軸(8)固接于動平臺(10)，其特征在于，所述的分支結構由并列設置的兩個直線運動組件、兩連桿、滑臺和回轉副構成，所述的兩個直線運動組件與滑臺相連接，滑臺通過兩個回轉副分別與兩連桿的一端相連接，該兩連桿的另一端分別通過回轉副連接于動平臺(10)，所述的分支結構中的兩個直線運動組件分別與另一分支結構中的兩個直線運動組件水平并排設置。
2. 根據權利要求1所述的主軸頭，其特征在于，所述的回轉副包括環(huán)形 的回轉副殼體(21)，沿回轉副殼體(21)的軸向，其兩側分別設置有環(huán)形 凸臺狀的回轉副底座(22)和環(huán)形凸臺狀的法蘭(29),回轉副底座(22) 和法蘭(29)的凸臺分別自回轉副殼體(21)的兩端伸入回轉副殼體(21) 的內孔，連桿的一端從回轉副殼體(21)的側壁伸入回轉副殼體(21)內， 并位于回轉副底座(22)和法蘭(29)之間，連桿伸入回轉副殼體(21)內 的一端設置有一通孔，該通孔內設置有軸(28)，軸(28)的兩端分別伸入 回轉副底座(22)和法蘭(29)的內孔，并通過滾動軸承A (25)和滾動軸 承B (31)分別與回轉副底座(22)和法蘭(29)連接，滾動軸承A (25) 與連桿之間、軸(28)上設置有軸套(24)，滾動軸承B (31)與連桿A (4) 之間、軸(28)上設置有軸套B (32)，連桿與回轉副底座(22)之間設置 有回轉滑動介質A (26)，連桿與法蘭(29)之間分別設置有回轉滑動介質B(33)，回轉副底座(22)的外端面固定安裝有端蓋A (23)，法蘭(29)的 外端面固接有端蓋B (30)，法蘭(29)與回轉副殼體(21)之間設置有調整墊(27)。
3. 根據權利要求1所述的主軸頭，其特征在于，所述的滑臺上設置的兩 回轉副的中心距與動平臺(10)上相對應的兩回轉副的中心距相等。
4. 根據權利要求l所述的主軸頭，其特征在于，所述的各連桿兩端分別 連接滑臺和動平臺(10)的回轉副之間的中心距均相等。
5. 根據權利要求1所述的主軸頭，其特征在于，所述的滑臺采用兩個電 機同步驅動的雙驅動。
6. 根據權利要求1所述的主軸頭，其特征在于，所述的移動副采用直線 電機驅動或伺服電機和具有高速滾珠絲杠副的直線運動組件驅動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙驅動滾滑回轉結合部二軸并聯(lián)高速精密主軸頭，包括電主軸和二軸并聯(lián)機構，二軸并聯(lián)機構由動平臺和兩個分別與動平臺相連接的分支結構構成，電主軸固接于動平臺，兩個分支結構均包括并列設置的兩個移動副，該兩個移動副與一滑臺相連接，滑臺通過兩個回轉副分別與兩根連桿的一端相連接，兩根連桿的另一端分別通過回轉副連接于動平臺，兩分支結構中一個分支結構的兩移動副分別與另一分支結構相對應的移動副水平并排設置。本發(fā)明主軸頭不僅速度高，而且改善了回轉副的受力狀況，使其具有較高的導向剛度及精度。
文檔編號B23Q5/00GK101474756SQ20091002097
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月20日 優(yōu)先權日2009年1月20日
發(fā)明者磊 張, 楊新剛, 雯 閆, 純 陳, 韓旭炤, 黃玉美 申請人:西安理工大學