專利名稱：多軸精密聯(lián)動進給設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多軸聯(lián)動精密設(shè)備，特別用于先進制造領(lǐng)域的進給設(shè)備。
背景技術(shù)：
多軸精密聯(lián)動設(shè)備先進性程度直接反映了國家制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀。目前大多機械制造機械系統(tǒng)中的常見的聯(lián)動設(shè)備，如多軸升降或滑動平臺，均采用絲杠直接驅(qū)動，運動軸直接套裝在導軌上。這種驅(qū)動形式下，絲杠作為升降平臺的進給部件，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)為直線運動，但絲杠的安裝固定不易實現(xiàn)；電機驅(qū)動和絲杠組成的整體進給系統(tǒng)由于缺少反饋信息而使得定位精度難以保證，尤其對于多軸聯(lián)動要求的精密制造設(shè)備，其制造生產(chǎn)出的產(chǎn)品精度遠不能達到預定的要求。對于精密微電子設(shè)備中聯(lián)動控制升降平臺的功能實現(xiàn)也有使用氣懸浮技術(shù)的 (李水進，基于進給伺服電流的銑削力間接測量與恒進給力加工控制技術(shù)研究[D].武漢 華中科技大學機械科學與工程學院博士學位論文，2001年)，但是這種技術(shù)要求的升降平臺制造加工難度大、成本高；并且不能夠進行主動的對進給位移的反饋和控制。對于聯(lián)動升降平臺的研究，專利“精密多功能升降平臺”(公開號CN101012048A)提出了一種微電子設(shè)備等精密機械用升降平臺，通過力傳感器監(jiān)測平臺壓力情況；但其僅限于監(jiān)測承載情況，而對升降過程中最重要的位置定位不能進行監(jiān)測及控制。此外，對于精密的多軸聯(lián)動設(shè)備，有必要對其進行誤差分析，以確保整個設(shè)備的誤差滿足設(shè)計要求，同時也為誤差補償技術(shù)提供必要技術(shù)指標。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)精度不高或者加工難度大、成本高的不足，本發(fā)明提供一種多軸精密聯(lián)動設(shè)備，解決了產(chǎn)品快速成型，尤其三維打印快速成型中設(shè)備中的多軸進給位移精度不高、難以控制的缺點，同時通過光柵尺的參數(shù)反饋，進一步保證多軸聯(lián)動設(shè)備的運動精度；通過引入獨立的Z軸微動調(diào)節(jié)，有利于提高在小范圍內(nèi)獲得的較高的定位精度。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是包括兩個獨立互不干涉的升降軸， 兩個升降軸均垂直固定在固定支架上，每個升降軸均包括工作臺、工作臺支架、絲杠、可升降滑臺和V型導軌，伺服電機通過剛性連軸器與絲杠連接，絲杠上安裝有可升降滑臺，可升降滑臺被限定于V型導軌(橫截面為V字型)中，可實現(xiàn)其沿垂直方向的聯(lián)動進給運動，可升降滑臺與工作臺支架固連，工作臺支架頂端安裝有工作臺，用于加工工件的定位。作為對進給位移的控制和反饋，在兩個升降軸的一側(cè)均安裝有光柵尺，光柵尺的讀數(shù)將反饋給運動控制器，由運動控制器發(fā)出運動命令控制伺服電機運動動作；從而形成控制程序預設(shè)位移量和光柵讀數(shù)進行對比的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在工作平臺的正上方設(shè)置有龍門型X-Y十字滑臺，固定在固定支架上，該十字滑臺垂直于工作臺面，距離工作臺面10 20mm，與升降軸形成互相垂直的空間關(guān)系。X-Y十字滑臺上的縱向和橫向運動軸分別通過同步皮帶輪和伺服電機相連接，由伺服電機帶動，可做縱向和橫向聯(lián)動運動。在X-Y十字滑臺的定位塊上安裝有可沿垂直方向移動的獨立小型升降軸，該獨立小型升降軸的下端固定加工工具，其運動范圍為10 20mm，用來手動調(diào)整加工工件和加工工具之間的距離，同時該獨立小型升降軸可繞X-Y十字滑臺的定位塊垂直方向中心線做360°旋轉(zhuǎn)運動，便于調(diào)節(jié)加工工件和加工工具的空間位置。在所述的V型導軌與可升降滑臺之間配有直線導軌滾珠，滾珠通過保持架安裝在 V型導軌的凹槽中，裝配過程中對滾珠進行預緊處理，以保證可升降滑臺的運行平穩(wěn)和進給精度。所述兩個升降軸的間距為125%的加工工件水平長度，加工工件的截面面積不大于80%的工作臺面積。本發(fā)明的有益效果是克服現(xiàn)有技術(shù)精度不高或者加工難度大、成本高的不足，本發(fā)明提供一種多軸精密聯(lián)動設(shè)備，解決了精密設(shè)備多軸進給位移精度不高、難以控制的缺點，同時通過光柵尺的參數(shù)反饋，進一步保證多軸聯(lián)動設(shè)備的運動精度的監(jiān)測和補償；通過引入獨立的Z軸微動調(diào)節(jié)，有利于提高加工工件和加工工具之間的定位精度。本發(fā)明設(shè)備特別用于先進制造領(lǐng)域的進給設(shè)備，尤其可用于作為三維打印機、激光打印機等精密設(shè)備， 將應用于機械產(chǎn)品快速成型、生物制藥、模具生產(chǎn)等領(lǐng)域。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。


圖1是本發(fā)明的主視圖；圖2是本發(fā)明的側(cè)視圖；圖3是本發(fā)明所述的升降軸及工作平臺的剖視圖；圖4是本發(fā)明所述X-Y十字滑臺主視圖。圖中，1、15、17均為伺服電機；2為精密絲杠；3為剛性連軸器；4為滑臺；5為V型導軌，6為工作臺支架；7為工作臺；8為X-Y十字滑臺X方向?qū)к墸?為X-Y十字滑臺定位塊；10為獨立小型升降軸；11為固定支架；12為光柵尺；13為升降臺導軌固定支架；14為 X-Y十字滑臺Y方向?qū)к墸?6、18均為同步齒型皮帶輪；19為直線導軌滾珠。
具體實施例方式該設(shè)備包括伺服電機(1，15，17)、控制器、精密絲杠2與滑臺導軌0，5，6)組成的可升降工作平臺、龍門型X-Y工作平臺(8，9，14)、固定支架11，設(shè)備包括了五軸以上的聯(lián)動控制，所有控制軸都與伺服電機相連，通過多軸控制器協(xié)調(diào)動作。升降工作平臺7連接滑臺固定于導軌上可沿Z方向運行，導軌為V型直線導軌5 ；滑臺外壁安裝光柵尺12 ；伺服電機 1通過剛性連軸器3直接與精密絲杠2連接；龍門型X-Y工作平臺定位于升降平臺的正上方；X-Y方向的運動通過同步皮帶輪(16，18)和伺服電機(15，17)相連接；X-Y工作平臺上配備可沿Z軸方向移動的獨立小型升降軸10。兩個獨立互不干涉的垂直方向運動軸(也稱為升降軸)，兩個升降軸平行固定在固定支架11上，根據(jù)加工工件水平長度設(shè)定其間距大小，間距為125%的加工工件水平長度；兩個升降軸可實現(xiàn)其沿垂直方向的聯(lián)動進給運動，兩個升降軸的末端均分別通過工作臺支架連接工作平臺，便于加工工件的定位。伺服電機通過剛性聯(lián)軸器與絲杠連接，絲杠上安裝有可升降滑臺，它被固定于V型導軌(橫截面為V字型)上，在V型導軌上，配有直線導軌滾珠，滾珠通過其保持架安裝在導軌凹槽中，裝配過程中對其進行預緊處理，以保證可升降滑臺的運行平穩(wěn)和進給精度。作為對進給位移的控制和反饋，在兩個升降軸的一側(cè)均安裝有光柵尺，從而形成控制程序預設(shè)位移量和光柵讀數(shù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在工作平臺的正上方設(shè)置龍門型的XY十字滑臺，該十字滑臺垂直于工作臺面，距離工作臺面10 20mm， 螺釘固定在固定支架11上，與升降軸形成互相垂直的空間關(guān)系。XY十字滑臺上的縱向和橫向運動軸分別通過同步皮帶輪和伺服電機相連接，由伺服電機帶動，可做縱向和橫向聯(lián)動運動。在XY平臺上配備可沿垂直方向移動的獨立小型升降軸，其運動范圍為10 20mm，用來手動調(diào)整加工件和加工工具之間的距離，同時該獨立升降軸可繞垂直Z軸旋轉(zhuǎn)，便于調(diào)節(jié)加工件和加工工具的空間位置。本發(fā)明采用多軸控制器實現(xiàn)對多軸聯(lián)動的控制，在機械加工過程中，首先進行垂直方向升降軸的進給量控制，控制器發(fā)出指令控制升降軸執(zhí)行運動，通過光柵尺保證其在要求的位置精密定位；隨后控制XY十字滑臺，通過安置在XY滑臺上的可沿垂直方向獨立運行小型升降軸10末端的加工工具進行加工動作，根據(jù)加工程序完成在XY工作面內(nèi)的各類加工活動；如需要對加工工具的位置調(diào)整，可通過手動調(diào)節(jié)小型升降軸10在垂直方向上升或下降或者使該軸沿垂直方向旋轉(zhuǎn)；當完成了一個平面內(nèi)的多軸聯(lián)動加工過程后，重新設(shè)定垂直升降軸的進給位置，重復下一次操作，直到整個工件都被加工制作完成。下面結(jié)合具體的實施方式來分析設(shè)備的精度及其運行誤差。本發(fā)明具有作為一種多軸聯(lián)動控制設(shè)備，設(shè)定其運行精度如下垂直方向升降平臺的定位精度< 5 μ m ；重復定位精度< 3 μ m ；水平龍門型十字滑臺在XY方向的位精度彡5 μ m ；重復定位精度彡3 μ m ；承載負荷大于500N。整個系統(tǒng)的運動誤差分析如下1)精密絲杠精度2和工作平臺7負荷分析；采用按照滾珠絲杠預期的工作時間計算其中，η為轉(zhuǎn)速，初定20mm/s (約24轉(zhuǎn)/分)；T為預期工作時間，初選T = 5YearX270DayX8Hours = 8100h，該時間范圍符合精密測試機械的時間要求；Fm為當量的載荷，初定為360N;fa為精度系數(shù)，精度等級為1-3級時，精度等級選C 0級(定位誤差彡3 μ m/300mm行程)，fa = 1 ;f。為可靠性系數(shù)，一般情況下f。= 1，在重要場合，要求一組同樣的滾珠絲杠副在同樣條件下使用壽命超過希望壽命的90%以上時選；fw為負荷系數(shù)， 根據(jù)負荷性質(zhì)選，這里取fw = 1，屬于無沖擊平穩(wěn)載荷下的系數(shù)。綜上，有C0 =V60n-TFm'fw =徹χ24χ8100χ 360x1 =816.43 (N)
0100.f,/c100x1x1V J垂直方向升降平臺7作為工作承載平臺，其負荷可滿足大于500N的設(shè)計要求。2)垂直升降軸聯(lián)接的伺服電機1精度及力矩分析精密滾珠絲杠副受軸向載荷F作用時，滾珠絲杠中徑dQ(即滾珠中心圓直徑)處產(chǎn)生螺紋力矩若采用雙螺母預緊，將使摩擦力增加，結(jié)果會產(chǎn)生附加摩擦力矩Mp。1.無預緊情況下的驅(qū)動力矩F-L te(w + ρ ) F-L (1)正傳動時的驅(qū)動力矩Μ,W μα)=-■一·，F(xiàn)-軸向工作載荷，N;
2π tgi// 2π ■ η
L-螺紋導程，πιπι;Ψ-螺紋升角；Pa-當量摩擦角，一般，正傳動時Pa = 8.6'，逆?zhèn)鲃訒rPa
tg￥
=12' ； η-無預緊時的正傳動效率，7 =
ts{w + pa)(2)逆?zhèn)鲃訒r的驅(qū)動力矩M/=^^，—η'-無預緊時的逆
2π tgy/ 2π
傳動衡jikz^l。2.有預緊力Fp情況下的驅(qū)動力矩
F. L(1)正傳動時的驅(qū)動力矩Mp =—-； Ilp-預緊后的傳動效率，
Δπ . Π ρ
η
rIo =
-預緊后的逆?zhèn)鲃有剩?br> ι+f(卜“2)(2)逆?zhèn)鲃訒r的驅(qū)動力矩I1i
Ln
nP' ^ np03.支承軸承產(chǎn)生的摩擦力矩Mb，查閱軸承手冊。4.加速所產(chǎn)生的負載扭矩當電機轉(zhuǎn)速從Ii1升至n2時，My 二·/. 2苽(^2 —"1)；
υυι α
ζ τ fIuntvtw當電機轉(zhuǎn)速從0升至nmax時，M7二 J-^l ；式中，J為加在電機上的慣性矩(kgf'mrn^ec2),!!電機轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)，Ta加速時間(秒)。其中，馬達/電機的慣性矩+等效傳動裝置的慣性矩+滾珠絲杠的慣性矩
1 (nV
+負載的慣性矩二+
2
f 7 \2其中，Ws為滾珠絲杠的重量(kg)，D為絲杠的公稱直徑(mm)，g為重力加速度，1導程(mm)，W為床臺重+工作物重(Kg)，Jm為馬達慣性矩，Jg為傳動裝置的慣性矩(如齒輪、 皮帶輪等)。5.電機的總的扭矩Mffl = Td+Mp(或TpHMfMjCTd為預緊力產(chǎn)生的摩擦力矩，Tp為外部載荷產(chǎn)生的摩擦力矩)通常將Td+Tp限制在電機輸出功率的10 30%，尤其是選用小電機更要注意。6.進給系統(tǒng)的剛度計算
11111Y =
A A1 A2 A3 A4式中:K---進給系統(tǒng)的軸向剛性(N/ μ m) -—滾珠絲杠的軸向剛性(N/ μ m)；K2---螺母的軸向剛性(N/ μ m) ；K3---支承軸承的軸向剛性(N/ μ m) ;K4—螺母座、軸承座的軸向剛性(Ν/μπι)；K1-—滾珠絲杠的軸向剛性
權(quán)利要求
1.一種多軸精密聯(lián)動進給設(shè)備，包括兩個獨立互不干涉的升降軸，其特征在于兩個升降軸均垂直固定在固定支架上，每個升降軸均包括工作臺、工作臺支架、絲杠、可升降滑臺和V型導軌，伺服電機通過剛性連軸器與絲杠連接，絲杠上安裝有可升降滑臺，可升降滑臺被限定于V型導軌中，可實現(xiàn)其沿垂直方向的聯(lián)動進給運動，可升降滑臺與工作臺支架固連，工作臺支架頂端安裝有工作臺，用于加工工件的定位；在兩個升降軸的一側(cè)均安裝有光柵尺，光柵尺的讀數(shù)反饋給運動控制器，由運動控制器發(fā)出運動命令控制伺服電機運動動作；在工作平臺的正上方設(shè)置有龍門型X-Y十字滑臺，固定在固定支架上，該十字滑臺垂直于工作臺面，距離工作臺面10 20mm，與升降軸形成互相垂直的空間關(guān)系，X-Y十字滑臺上的縱向和橫向運動軸分別通過同步皮帶輪和伺服電機相連接，由伺服電機帶動，可做縱向和橫向聯(lián)動運動，在X-Y十字滑臺的定位塊上安裝有可沿垂直方向移動的獨立小型升降軸，該獨立小型升降軸的下端固定加工工具，其運動范圍為10 20mm，用來手動調(diào)整加工工件和加工工具之間的距離，同時該獨立小型升降軸可繞X-Y十字滑臺的定位塊垂直方向中心線做360°旋轉(zhuǎn)運動，便于調(diào)節(jié)加工工件和加工工具的空間位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多軸精密聯(lián)動進給設(shè)備，其特征在于在所述的V型導軌與可升降滑臺之間配有直線導軌滾珠，滾珠通過保持架安裝在V型導軌的凹槽中，裝配過程中對滾珠進行預緊處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多軸精密聯(lián)動進給設(shè)備，其特征在于所述兩個升降軸的間距為125%的加工工件水平長度，加工工件的截面面積不大于80%的工作臺面積。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多軸精密聯(lián)動進給設(shè)備，包括兩個固定在固定支架上的獨立升降軸，升降軸上由電機通過絲杠驅(qū)動可升降滑臺沿V型導軌垂直運動，可升降滑臺上安裝工作臺定位工件；在工作臺上方設(shè)有龍門型十字滑臺，由電機帶動縱向和橫向聯(lián)動，在十字滑臺上安有可沿垂直方向移動的獨立小型升降軸，下端固定加工工具。本發(fā)明保證了多軸聯(lián)動設(shè)備的運動精度的監(jiān)測和補償，提高了加工工件和加工工具之間的定位精度。
文檔編號B23Q5/40GK102248430SQ20111016327
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者衛(wèi)軍朝, 張國淵, 閆秀天, 閆秀峰, 陳垚 申請人:西北工業(yè)大學