專利名稱：具有熱位移約束結合部的精密進給系統(tǒng)的復合滑座的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于精密機床技術領域，涉及一種高精度數(shù)控機床進給系統(tǒng)的滑 座，具體涉及一種具有熱位移約束結合部的精密進給系統(tǒng)的復合滑座。
背景技術：
目前，對零件的加工精度要求越來越高，普通機床加工難以滿足要求， 必須采用多軸聯(lián)動、高速、高精度的高性能數(shù)控機床加工高精度零件。近年 來隨著機床加工精度的不斷提高，超精密加工精度已進入納米級。大型精密 五軸聯(lián)動機床、坐標級精密加工機床等精密、超精密數(shù)控機床成為數(shù)控機床
的重要發(fā)展方向。
機床進給系統(tǒng)是影響機床整機性能的關鍵因素之一。精密、超精密數(shù)控 機床的進給系統(tǒng)采用零傳動的直線電機(直線運動)和力矩電機(回轉(zhuǎn)運動) 驅(qū)動，但直線電機和力矩電機的發(fā)熱及安裝連接是需要特別關注的問題。
環(huán)境溫度、切削熱、運動發(fā)熱導致的機床結構件的熱變形對精密、超精 密數(shù)控機床的加工精度影響很大，為減小此種影響，精密、超精密數(shù)控機床 的一些結構件采用熱膨脹系數(shù)小、變形小的花崗巖材料制作，如三坐標測量 機的結構件可以全部采用花崗巖材料，但花崗巖材料不易加工復雜形狀的結
構件，故具有動態(tài)變化切削載荷的多軸(如5軸)聯(lián)動的精密、超精密數(shù)控 機床很難全部采用花崗巖結構，只是其中的一般支承件采用花崗巖材料制 作，而移動、回轉(zhuǎn)工作臺等執(zhí)行部件則采用金屬材料制成。但花崗巖材料與金屬材料的熱膨脹系數(shù)相差2 3倍，因而，解決花崗巖結構件與金屬結構 件連接結合部的熱特性問題是精密、超精密數(shù)控機床的關鍵技術。
采用直線電機驅(qū)動的精密進給系統(tǒng)包括滑臺、滑座、導軌組件及直線電 機，導軌組件的定軌及直線電機的初級與滑座固定連接，導軌組件的動軌及 直線電機的次極與滑臺固定連接，若滑臺和導軌組件采用金屬材料結構，而 滑座直接采用花崗巖材料結構，由于花崗巖與金屬材料熱膨脹系數(shù)相差很 大，二者的熱變形不同，將嚴重影響精密、超精密數(shù)控機床進給系統(tǒng)的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有熱位移約束結合部的精密進給系統(tǒng)的復 合滑座，用于精密、超精密數(shù)控機床的精密進給系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有進給系統(tǒng) 連接結合部因結構件的材質(zhì)熱特性差異引起的熱變形不同，進而影響到進給 系統(tǒng)精度的問題。
'本發(fā)明所采用的技術方案是， 一種具有熱位移約束結合部的精密進給系 統(tǒng)的復合滑座，包括花崗巖制成的支承滑座和鑄鐵制成的工作滑座，支承滑 座與工作滑座之間設置有熱位移約束結合部。 本發(fā)明的特征還在于，
熱位移約束結合部由支承滑座和工作滑座結合部分之間分別平行設置 的多個結合面組成，每個結合面沿支承滑座的長度方向設置，各結合面由多 個互不相連的子結合面構成。
'結合面包括至少兩個平行設置的結合面A、至少兩個平行設置的結合面 B、至少兩個平行設置的結合面C、至少兩個平行設置的結合面D和至少兩 個平行設置的結合面E，結合面C位于支承滑座工作邊頂面與工作滑座頂部內(nèi)側(cè)面之間，結合面B位于支承滑座工作邊一個側(cè)面與工作滑座相應側(cè)壁 內(nèi)側(cè)之間，結合面D與結合面B相對，位于支承滑座工作邊的另一個側(cè)面
與工作滑座相應側(cè)壁內(nèi)側(cè)之間，結合面E和結合面A位于支承滑座工作邊 下面與工作滑座底部內(nèi)側(cè)之間。
熱位移約束結合部外載荷與熱位移約束的關系為
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中，F(xiàn)為外載荷；F^為第i個子結合面在子結合面坐標系i下約束力 和力矩，其中，F(xiàn)Ril、 FRi2、 FR。為約束力，F(xiàn)Ri4、 FRi5、 FRi6為約束力和力矩， i=l n， ， n為子結合面數(shù)量；$為結合部坐標系c與子結合面坐標系i間的 雅可比矩陣；P2i為第i個子結合面上的法向接觸面壓、Pli、 P3i為第i個子結 合面上的切向接觸面壓；X.n、 X2i、 &為第i個子結合面上的位置坐標，Si 為第i個子結合面上的面積。
本發(fā)明復合滑座在鑄鐵工作滑座與花崗巖支承滑座之間采用熱位移約 束結合部連接，可以解決不同熱膨脹系數(shù)材料間熱變形干涉，減小熱變形對 精密、超精密數(shù)控機床的影響。


圖1是本發(fā)明復合滑座的結構示意圖；圖2是本發(fā)明復合滑座中熱位移結合部的結構示意圖； 圖3是圖2的A-A剖視圖4是本發(fā)明復合滑座用于機床進給系統(tǒng)的連接結構示意圖。 圖中，l.支承滑座，2.熱位移約束結合部，3.工作滑座，4.直線電機，5. 滑臺，6.導軌副組件，7.基礎支承件。
其中，2-l.結合面A， 2-2.結合面B, 2-3.結合面C， 2-4.結合面D， 2-5.
結合面E。
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)明復合滑座的結構，如圖1所示，包括花崗巖制成的支承滑座l、 鑄鐵制成的工作滑座3及熱位移約束結合部2。支承滑座1的橫截面為"H" 形，工作滑座3的橫截面為單邊開口的方形環(huán)，該方形環(huán)內(nèi)孔橫截面的形狀 與支承滑座1工作邊的橫截面形狀相適應，支承滑座1工作邊位于工作滑座 3的方形孔內(nèi)，工作滑座3與支承滑座1通過熱位移約束結合部2接觸，工 作滑座3與支承滑座1工作邊的結合面之間設置有熱位移約束結合部2。工 作滑座3與支承滑座1之間無宏觀運動，但可以有微小的相對熱位移。
本發(fā)明復合滑座中熱位移約束結合部2的結構，如圖2a、 2b所示。支 承滑座1工作邊頂面與工作滑座2方形孔頂面之間水平并排設置有多個結合 面C2-3，每個結合面C2-3沿支承滑座1的長度方向設置，每個結合面C2-3 由多個互不相連的子結合面組成。支承滑座1工作邊的一個側(cè)面與工作滑座 3方形孔相應側(cè)壁之間設置有至少兩個相互平行的結合面B2-2，每個結合面 B2-2均沿支承滑座1的長度方向設置，每個結合面B2-2由多個互不相連的子結合面組成。支承滑座1工作邊的另一個側(cè)面與工作滑座3方形孔相應側(cè)
壁之間設置有至少兩個相互平行的結合面D2-4，每個結合面D2-4均沿支承 滑座1的長度方向設置，每個結合面D2-4由多個互不相連的子結合面組成。 支承滑座1工作邊底面與工作滑座3方形孔底部之間設置有至少兩個相互平 行的結合面A2-l和結合面E2-5，結合面A2-l和結合面E2-5均沿支承滑座 l的長度方向設置，結合面A2-l和結合面E2-5均由多個子結合面構成。熱 位移約束結合部子結合面的主要參數(shù)為材質(zhì)、預變形及結合面尺寸，子結合 面材質(zhì)主要影響結合面的摩擦特性及剛度，預變形及結合面尺寸主要影響結 合面的剛度。結合部外載荷與熱位移約束關系式如下
尸加
& = - Js, A,X3A +
尸《,6 =-s, A,X, A + A,X2 A
式中，F(xiàn)為外載荷；F^為第i個子結合面在子結合面坐標系i下約束力 和力矩'(F肌、FRi2、 FRi3為約束力FRi4、 FRi5、 FRi6為約束力和力矩)，i=l n，， n為子結合面數(shù)量；％為結合部坐標系c與子結合面坐標系i間的雅可 比矩陣；P2i為第i個子結合面上的法向接觸面壓、Pli、 P3i為第i個子結合面 上的切向接觸面壓；Xu、 X2i、 X3i為第i個子結合面上的位置坐標，Si為第i 個子結合面上的面積。
結合面上的法向和切向接觸面壓分布與結合面材質(zhì)、變形(含預變形)及結合面尺寸有關，結合面材質(zhì)采用小摩擦系數(shù)的金屬(如銅等)和非金屬 (如樹脂)，同時通過預變形及結合面結構尺寸匹配設計，以滿足復合滑座 的熱位移約束和剛度要求。
本發(fā)明復合滑座用于進給系統(tǒng)的連接結構，如圖3所示。支承滑座1固 定安裝于基礎支承件7的上面，工作滑座3的上表面固接有導軌副組件6， 導軌副組件6的上面固接有滑臺5，滑臺5與工作滑座3之間固定安裝有直 線電機4。
熱位移約束結合部2具有6個自由度約束功能，以局部的子結合面固定 約束為相對位移基準，沿滑臺運動方向Z坐標方向的平動自由度，只有結合 面切向約束，即結合面A2-1、結合面B2-2、結合面C2-3、結合面D2-4和 結合面E2-5平行于Z坐標，均為結合面切向約束；垂直于滑臺運動方向的 X、 Y坐標方向的平動自由度，既有結合面B 2-2和結合面D 2-4對X坐標 方向平動自由度的切向約束及結合面A2-l、結合面C2-3和結合面E2-5對Y 坐標方向平動自由度的切向約束，又有結合面A2-1、結合面C2-3和結合面 E2-5對X坐標方向平動自由度的法向約束及結合面B 2-2和結合面D 2-4對 Y坐標方向平動自由度的法向約束。對于繞X、 Y、 Z轉(zhuǎn)動自由度，結合面 A2-l、結合面B2-2、結合面C2-3、結合面D2-4及結合面E2-5均同時起法 向約束和切向約束作用。
由子結合面組成的結合面A2-l、結合面B2-2、結合面C 2-3、結合面 D2-4及結合面E2-5共同構成的熱位移約束結合部2對支承滑座1與工作滑 座3之間的6個相對自由度進行不同程度的約束，對與滑臺運動方向平行的 Z坐標方向的平動自由度進行弱約束(其Z方向的相對熱位移可由Z軸運動進行補償控制)，對其他5個自由度(沿X、 Y坐標方向平動自由度，繞X、 繞Y、繞Z坐標方向轉(zhuǎn)動自由度)進行強約束，以保證復合滑座具有足夠的剛度。
權利要求
1. 一種具有熱位移約束結合部的精密進給系統(tǒng)的復合滑座，包括花崗巖制成的支承滑座(1)和鑄鐵制成的工作滑座(3)，其特征在于，所述的支承滑座(1)與工作滑座(3)之間設置有熱位移約束結合部(2)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的復合滑座，其特征在于，所述的熱位移約束結 合部(2)由支承滑座(1)和工作滑座(3)結合部分之間分別平行設置的 多個結合面組成，每個結合面沿支承滑座(1)的長度方向設置，各結合面 由多個'互不相連的子結合面構成。
3. 根據(jù)權利要求2所述的復合滑座，其特征在于，所述的結合面包括至 少兩個平行設置的結合面A (2-1)、至少兩個平行設置的結合面B (2-2)、 至少兩個平行設置的結合面C (2-3)、至少兩個平行設置的結合面D (2-4) 和至少兩個平行設置的結合面E (2-5)，所述的結合面C (2-3)位于支承滑 座(1)工作邊頂面與工作滑座(2)頂部內(nèi)側(cè)面之間，所述的結合面B (2-2) 位于支承滑座(1)工作邊一個側(cè)面與工作滑座(3)相應側(cè)壁內(nèi)側(cè)之間，所 述的結合面D (2-4)與結合面B (2-2)相對，位于支承滑座(1)工作邊的 另一個側(cè)面與工作滑座(3)相應側(cè)壁內(nèi)側(cè)之間，所述的結合面E (2-5)和 結合面A (2-1)位于支承滑座(1)工作邊下面與工作滑座(3)底部內(nèi)側(cè) 之間。
4. 根據(jù)權利要求1所述的復合滑座，其特征在于，所述的熱位移約束結 合部(2)外載荷與熱位移約束的關系為<formula>formula see original document page 3</formula>式中，F(xiàn)為外載荷；F^為第i個子結合面在子結合面坐標系i下約束力 和力矩，其中，F(xiàn)Ril、 FRi2、 FRi3為約束力，F(xiàn)Ri4、 FRi5、 FRi6為約束力和力矩， i=l n，， n為子結合面數(shù)量；eji為結合部坐標系c與子結合面坐標系i間的 雅可比矩陣；P2i為第i個子結合面上的法向接觸面壓、Pli、 P3i為第i個子結 合面上的切向接觸面壓；Xu、 X2i、 X3i為第i個子結合面上的位置坐標，Si 為第i個子結合面上的面積。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有熱位移約束結合部的精密進給系統(tǒng)的復合滑座，包括花崗巖制成的支承滑座和鑄鐵制成的工作滑座，支承滑座與工作滑座之間設置有熱位移約束結合部相連接，熱位移約束結合部用于消除支承滑座和工作滑座由于材質(zhì)熱特性差異引起的熱變形不同，并能約束工作滑座相對于支承滑座的6個自由度，對與滑臺運動方向Z平行的平動自由度，只進行切向約束，對其他5個自由度，既進行切向約束，又進行法向約束。本發(fā)明復合滑座采用熱位移約束結合部連接，可以解決不同熱膨脹系數(shù)材料間熱變形干涉，減小熱變形對精密、超精密數(shù)控機床精度的影響。
文檔編號B23Q1/25GK101474749SQ200910020978
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)明者耀 劉, 曾德飛, 楊新剛, 韓旭炤, 黃玉美 申請人:西安理工大學