專利名稱：雙八面體框架式虛擬軸機(jī)床結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬機(jī)械制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有綜合功能的虛擬軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
在機(jī)械制造領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的機(jī)器結(jié)構(gòu)例如切削機(jī)床，都具有固定的導(dǎo)軌，它們的基本運(yùn)動(dòng)方式是使刀具或工件沿著固定的導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)設(shè)備共有的這種運(yùn)動(dòng)模式帶來了許多固有的缺陷其一、傳統(tǒng)機(jī)床必須具有高剛度的粗笨沉重的床身、立柱等支撐構(gòu)件和高精度的固定于支撐構(gòu)件的導(dǎo)軌系統(tǒng)，致使機(jī)床重量大、價(jià)格高、搬運(yùn)移動(dòng)困難。
其二、切削刀具只能沿固定導(dǎo)軌給定的方向?qū)崿F(xiàn)加工進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，限制了刀具作業(yè)的靈活性，串聯(lián)式的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使空間運(yùn)動(dòng)需靠每個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的相互迭加來實(shí)現(xiàn)，易產(chǎn)生誤差積累，降低了終端精度。
目前，國(guó)內(nèi)外的機(jī)床行業(yè)，面對(duì)日益復(fù)雜的加工形狀和特殊的加工要求，采取了各種相應(yīng)的對(duì)策。為滿足現(xiàn)代加工對(duì)象的要求，傳統(tǒng)機(jī)床需要借助更為復(fù)雜笨重的自身結(jié)構(gòu)和造價(jià)昂貴的工裝夾具才能完成任務(wù)。其結(jié)果是制造周期長(zhǎng)、成本高和制造質(zhì)量難以保證。近幾年出現(xiàn)了一種虛擬軸機(jī)床，采用了6個(gè)并聯(lián)可實(shí)施控制的伸縮軸，取代了傳統(tǒng)的固定導(dǎo)軌系統(tǒng)；采用框架結(jié)構(gòu)，取代了傳統(tǒng)的床身、立柱等笨重構(gòu)件。
傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)是針對(duì)直角坐標(biāo)系而言的，即X、Y、Z三個(gè)移動(dòng)自由度和A、B、C三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，每一個(gè)導(dǎo)軌系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)其中的一個(gè)自由度。而虛擬軸機(jī)床的控制器是針對(duì)六個(gè)可控軸的控制而言的。對(duì)于刀具的某一種空間位姿要求，存在相應(yīng)的六個(gè)伸縮軸的長(zhǎng)度值與之相對(duì)應(yīng)。即虛擬軸機(jī)床是通過對(duì)六個(gè)可控軸的實(shí)際長(zhǎng)度的控制來實(shí)現(xiàn)加工要求的。用直角坐標(biāo)系描述的刀具位姿，對(duì)該機(jī)床來說成了對(duì)虛擬軸系的描述，而六個(gè)伸縮軸的長(zhǎng)度才是它的實(shí)際控制軸，所以稱為虛擬軸機(jī)床。該機(jī)床提供了一種全新的加工設(shè)備，從根本上改變了刀具和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模式，增加了刀具作業(yè)運(yùn)動(dòng)的柔性，使設(shè)備具有更大的工藝靈活性和控制機(jī)動(dòng)性。
國(guó)外現(xiàn)有技術(shù)的典型例子是美國(guó)INGERSOLL公司的六軸機(jī)床，(美國(guó)專利5,392,663)，它具有單獨(dú)的八面體框架支撐結(jié)構(gòu)，6個(gè)可控伸縮軸上端分別與八面體框架的頂部節(jié)點(diǎn)相聯(lián)，下端與安裝刀具的主軸用的動(dòng)平臺(tái)相聯(lián)。
在該專利中描述的伸縮軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一端為球鉸，另一端為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，與框架頂部連接的是固定在可控伸縮軸中部外面的大球體。安裝制造困難復(fù)雜，相對(duì)來說縮短了可控伸縮軸的有效長(zhǎng)度，限制了加工范圍的可達(dá)域。
另外在該美國(guó)專利中，只提出了機(jī)床的單八面體框架，用來安裝伸縮軸、動(dòng)平臺(tái)和工作臺(tái)。而工作臺(tái)依靠變截面的梁來支撐，其缺陷在于未能使工藝系統(tǒng)完全由二力桿組成，限制了機(jī)床剛度的提高。
由于這種類型機(jī)床的加工范圍是隨垂直方向(正向)變化的，只是在一個(gè)固定的正值上有一個(gè)最大的加工范圍，而隨著這個(gè)正值的增大和減小，其加工范圍都將隨之縮小。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，采用并聯(lián)閉鏈機(jī)構(gòu)方式設(shè)計(jì)出一種具有切削、移載、裝配等多種功能虛擬軸的機(jī)床結(jié)構(gòu)，使其具有更好的剛性、更高的精度和更快的進(jìn)給速度。并且提高機(jī)床加工過程的靈活性和機(jī)動(dòng)性。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種雙八面體框架式虛擬軸機(jī)床結(jié)構(gòu)，包括6個(gè)可控的伸縮軸，裝有切削刀具的動(dòng)平臺(tái)和裝有工件的靜工作臺(tái)，支撐及聯(lián)接所說伸縮軸和動(dòng)平臺(tái)的框架，其特征在于，所說的框架為由二力桿組成相互聯(lián)接的大小雙八面體結(jié)構(gòu)，其中大八面體包括由12個(gè)桿組成的頂部三角形框，與該頂部三角形平行且頂角錯(cuò)位60°角的底部三角形框，及將一個(gè)三角形每一個(gè)頂點(diǎn)與另一個(gè)三角形相鄰的兩個(gè)頂點(diǎn)接在一起的邊框；小八面體包括由3個(gè)桿組成的支撐工作臺(tái)的小三角形框，及由6根桿組成的將小三角形框的每個(gè)頂角分別與所說的底部三角形相鄰兩個(gè)頂角相連接的邊框以及底部三角形框；所說的可控伸縮軸的固定端與所說的大八面體框架相連，其伸縮端與所說的動(dòng)平臺(tái)相連；本發(fā)明所說的小三角形框可位于所說的頂部三角形框及底部三角形框之中，形成內(nèi)嵌式雙八面體框架結(jié)構(gòu)。所說的小三角形框也可位于底部三角形框之下，形成外掛式雙八面體框架結(jié)構(gòu)。所說的可控伸縮軸由一端開口的圓柱形外殼，依次安裝在外殼內(nèi)的伺服電機(jī)，中空的直線導(dǎo)桿，插入導(dǎo)桿中受電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠和滾珠螺母及將直線導(dǎo)桿和滾珠螺母固定在一起的聯(lián)接器；直線導(dǎo)桿一端伸出外殼之外形成伸縮端其端面為一球鉸與所說動(dòng)平臺(tái)相連，外殼的封閉端為固定端，其端面固定一虛支鉸與所說的框架頂部相連。所說的工作臺(tái)，還可包括與之相聯(lián)的升降裝置，該升降裝置由支架及安裝在支架上的多條直線導(dǎo)套，插入導(dǎo)套中的多個(gè)直線導(dǎo)軌及一個(gè)滾珠絲杠和與之相配的滾珠螺母以及帶動(dòng)滾珠螺母旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)。
本發(fā)明的內(nèi)容體現(xiàn)在可控伸縮軸的結(jié)構(gòu)、雙八面體機(jī)床框架和附加工作臺(tái)升降系統(tǒng)等三個(gè)方面。
下面結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明的內(nèi)容。
圖1為本發(fā)明伸縮軸結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，28是伺服電機(jī)，可以驅(qū)動(dòng)安裝在軸承26上的滾珠絲杠16按照要求作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。軸承26和伺服電機(jī)28都安裝在箱體24內(nèi)。直線導(dǎo)套14固定在外壁22上，外壁22又固定在箱體24上，因此直線導(dǎo)套14與箱體24外壁22之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。直線導(dǎo)桿12在直線導(dǎo)套14的約束下只能沿軸向做直線運(yùn)動(dòng)而不能繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。聯(lián)結(jié)器18把直線導(dǎo)桿12和滾珠螺母20固定到一起，因此滾珠螺母20也不能繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)滾珠絲杠16旋轉(zhuǎn)時(shí)，直線導(dǎo)桿12就在滾珠螺母20的帶動(dòng)下沿軸向作伸長(zhǎng)或縮短運(yùn)動(dòng)。
圖1所示的可控伸縮軸系統(tǒng)依靠伸縮端的球鉸10和固定端的虎克鉸30分別與該機(jī)床的動(dòng)平臺(tái)和框架頂部連接。直線導(dǎo)桿12采用的中空結(jié)構(gòu)，使?jié)L珠絲杠16可以方便地進(jìn)入，大大簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。減少了運(yùn)動(dòng)誤差產(chǎn)生的可能性。
圖2是本發(fā)明機(jī)床框架頂視圖，其頂部三角形由三個(gè)桿32組成；底部三角形由三個(gè)桿34組成。頂部三角形32和底部三角形34之間錯(cuò)開60°角，兩個(gè)三角形節(jié)點(diǎn)由6個(gè)桿36聯(lián)結(jié)起來，形成了一個(gè)大的正八面體。當(dāng)在任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)上施加作用力時(shí)，八面體框架的每一根桿都只受拉壓，不受彎矩，因此它具有很高的剛性。
圖3是本發(fā)明機(jī)床框架側(cè)視示意圖，表示了內(nèi)嵌式雙八面體框架結(jié)構(gòu)情況。三角形40由三個(gè)絲桿40組成。這個(gè)三角形40和底部三角形34之間錯(cuò)開60°角，兩個(gè)三角形節(jié)點(diǎn)由6個(gè)桿38聯(lián)結(jié)起來，形成一個(gè)上小下大的八面體。靜工作臺(tái)42依靠三個(gè)位于三角形40三個(gè)節(jié)點(diǎn)處的支承44支撐起來。當(dāng)靜工作臺(tái)42受到切削力等外力作用時(shí)，三角形40的三個(gè)節(jié)點(diǎn)處受力并將力傳向框架，八面體框架的每一根桿都只受拉壓，不受彎矩，因此具有很高的剛性。
圖3中，6個(gè)可控伸縮軸43的一端與八面體框架上三角形32的各節(jié)點(diǎn)相聯(lián)，另一端與動(dòng)平臺(tái)45相聯(lián)，這樣對(duì)應(yīng)6個(gè)可控伸縮軸43的一種長(zhǎng)度組合，就存在一個(gè)動(dòng)平臺(tái)45的特定位姿，6個(gè)可控伸縮軸43的長(zhǎng)度不斷變化，就會(huì)帶來動(dòng)平臺(tái)45的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。安裝在動(dòng)平臺(tái)45上的刀具47能靈活地加工靜工作平臺(tái)42上的工件。
圖4是本發(fā)明另一種形式的機(jī)床框架側(cè)視示意圖，表示了外掛式雙八面體框架結(jié)構(gòu)情況。三角形46由三個(gè)桿46組成，這個(gè)三角形46和大三角形34之間錯(cuò)開60°角，兩個(gè)三角形節(jié)點(diǎn)由6個(gè)桿50聯(lián)結(jié)起來，形成一個(gè)上大下小的八面體。靜工作臺(tái)42依靠三個(gè)位于三角形46三個(gè)節(jié)點(diǎn)處的支承48支撐起來。當(dāng)靜工作臺(tái)42受到切削力等外力作用時(shí)，三角形46的三個(gè)節(jié)點(diǎn)處受力并將力傳向框架，八面體框架的每一根桿都只受拉壓，不受彎矩，因此具有很高的剛性。
圖5是工作臺(tái)升降裝置結(jié)構(gòu)示意圖。在工作臺(tái)42下面固定了二或三條直線導(dǎo)軌60，直線導(dǎo)套62與支架64連接。為了在工作臺(tái)42上下移動(dòng)時(shí)保持沿Z方向準(zhǔn)確平移，在工作臺(tái)42的下面還固定了絲杠52，螺母54與支架64相連接，當(dāng)伺服電機(jī)58通過齒輪副56驅(qū)動(dòng)螺母54時(shí)，工作臺(tái)42便隨著上下作平移運(yùn)動(dòng)。由于6個(gè)可控伸縮軸帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的范圍可以簡(jiǎn)化為一個(gè)球體，當(dāng)附加了升降裝置之后，動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍就擴(kuò)大為一個(gè)該球體直徑相同的圓柱體了，明顯提高了機(jī)床性能。
本發(fā)明具有以下效果第一、功能獨(dú)立的可控伸縮軸結(jié)構(gòu)，直線導(dǎo)桿采用了中空結(jié)構(gòu)，便于滾珠絲杠可以進(jìn)入，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且中心對(duì)稱，減少了運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的各種誤差，可以大大提高機(jī)床的綜合精度。
第二、雙八面體框架結(jié)構(gòu)，使工藝系統(tǒng)的四大組成部分機(jī)床、刀具、工件、夾具之間的各種作用力均通過框架的節(jié)點(diǎn)傳遞到八面體框架的各個(gè)桿上，因此整個(gè)框架只承受拉力或壓力，沒有扭矩作用，減少了機(jī)床受力變形而造成的加工誤差?？梢源蟠筇岣邫C(jī)床的剛度。
第三、大的八面體框架連接六個(gè)可控伸縮軸的末端；六個(gè)可控伸縮軸的前端連接裝有刀具的動(dòng)平臺(tái)。兩端采用止口聯(lián)結(jié)方式，拆裝方便，有利于維護(hù)。
第四、工作臺(tái)固定在內(nèi)嵌式或外掛式八面體框架頂面上，使工作臺(tái)上的外來綜合作用力作用在該框架的頂面各結(jié)點(diǎn)上，避免框架承受彎曲力矩，與目前已有并聯(lián)機(jī)構(gòu)型機(jī)床相比，提高了機(jī)床的剛度。
第五、工作臺(tái)的下方附有可上下移動(dòng)的升降裝置，使這類機(jī)床的運(yùn)動(dòng)空間的最大截面得以充分利用，擴(kuò)大了該機(jī)床的實(shí)際加工范圍。


圖1是可控伸縮軸的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是雙八面體機(jī)床框架結(jié)構(gòu)的頂視示意圖，圖中省略了機(jī)床操作部分。
圖3是雙八面體機(jī)床框架結(jié)構(gòu)的側(cè)視示意圖(內(nèi)嵌式雙八面體結(jié)構(gòu))，圖中省略了工作臺(tái)升降系統(tǒng)部分。
圖4是雙八面體機(jī)床框架結(jié)構(gòu)的側(cè)視示意圖(外掛式雙八面體結(jié)構(gòu))，圖中省略了工作臺(tái)升降部分和機(jī)床的操作部分。
圖5是工作臺(tái)升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是可控伸縮軸的實(shí)施例示意圖。
圖7是雙八面體框架的實(shí)施例示意圖，圖中省略了工作臺(tái)升降部分。
圖8是工作臺(tái)升降系統(tǒng)實(shí)施例示意圖。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種雙八面體框架式虛擬軸機(jī)床結(jié)構(gòu)實(shí)施例，如圖6所示，結(jié)合各圖分別描述如下
圖6為本發(fā)明實(shí)施例的可控伸縮軸結(jié)構(gòu)示意圖。球鉸10由可調(diào)式球鉸座8消除間隙，直線導(dǎo)套12受滑套14的約束，不能轉(zhuǎn)動(dòng)，只能沿軸向移動(dòng)。伺服電機(jī)28驅(qū)動(dòng)絲杠16，使得螺母20帶動(dòng)直線導(dǎo)套12沿軸向伸長(zhǎng)或縮短。可控伸縮軸一端利用球鉸座8的止面與動(dòng)平臺(tái)45連接，另一端利用虎克鉸固定座31的止口面與八面體框架上部連接。其制造簡(jiǎn)單，安裝方便。充分地利用了可控伸縮軸的有效長(zhǎng)度，擴(kuò)大了機(jī)床加工范圍。
圖7是本發(fā)明實(shí)施例的總體結(jié)構(gòu)示意圖。箱體66為八面體框架結(jié)構(gòu)頂部的鉸鏈連接部件。通過它形成了八面體頂面的三角形面和側(cè)面的三角形面，同時(shí)可控伸縮軸也安裝在箱體66上面。底座68為八面體框架結(jié)構(gòu)底部的鉸鏈連接部件，每一個(gè)底座68連接了6根二力桿，通過它形成了八面體底面的三角形面和側(cè)面的三角形面，還形成了內(nèi)嵌式八面體的側(cè)面的三角形面。
當(dāng)動(dòng)平臺(tái)上的刀具47切削工作臺(tái)42上的工件時(shí)，切削力通過兩個(gè)八面體框架的各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到各個(gè)二力桿，使該機(jī)床框架的桿件只承受拉力或壓力。在整個(gè)封閉的工藝系統(tǒng)中，具有極好的剛性。
可控伸縮軸43安裝在箱體66和動(dòng)平臺(tái)45之間?？煽厣炜s軸43的不同長(zhǎng)度變化，可以改變動(dòng)平臺(tái)45上刀具47的位置和姿勢(shì)實(shí)現(xiàn)切削運(yùn)動(dòng)?？煽厣炜s軸43安裝方便，充分利用了可控伸縮軸43的有效長(zhǎng)度，獲得了較大的作業(yè)空間范圍。
圖8為本發(fā)明實(shí)施例的工作臺(tái)升降裝置結(jié)構(gòu)示意圖。工作臺(tái)42下部固定了3個(gè)直線導(dǎo)軌60。三個(gè)導(dǎo)套62與支架64相連接，支架64固定在內(nèi)嵌式或外掛式八面體的小三角形平面的三個(gè)節(jié)點(diǎn)上。伺服電機(jī)58通過齒輪付56驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)42上下移動(dòng)，使工作臺(tái)總是位于加工可達(dá)空間內(nèi)緣球體的最大直徑剖面附近。把加工范圍從球體擴(kuò)大為一個(gè)與該球體直徑相同的圓柱體。
權(quán)利要求
1.一種雙八面體框架式虛擬軸機(jī)床結(jié)構(gòu)，包括6個(gè)可控的伸縮軸，裝有切削刀具的動(dòng)平臺(tái)和裝有工件的靜工作臺(tái)，支撐及聯(lián)接所說伸縮軸和動(dòng)平臺(tái)的框架，其特征在于，所說的框架為由二力桿組成相互聯(lián)接的大小雙八面體結(jié)構(gòu)，其中大八面體包括由12個(gè)桿組成的頂部三角形框，與該頂部三角形平行且頂角錯(cuò)位60°角的底部三角形框，及將一個(gè)三角形每一個(gè)頂點(diǎn)與另一個(gè)三角形相鄰的兩個(gè)頂點(diǎn)接在一起的邊框；小八面體包括由3個(gè)桿組成的支撐工作臺(tái)的小三角形框，及由6根桿組成的將小三角形框的每個(gè)頂角分別與所說的底部三角形相鄰兩個(gè)頂角相連接的邊框以及底部三角形框；所說的可控伸縮軸的固定端與所說的大八面體框架相連，其伸縮端與所說的動(dòng)平臺(tái)相連；
2.如權(quán)利要求1所述的機(jī)床結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的小三角形框位于所說的頂部三角形框及底部三角形框之中，形成內(nèi)嵌式雙八面體框架結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的機(jī)床結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的底部三角形框之下，形成外掛式雙八面體框架結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的機(jī)床結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的可控伸縮軸由一端開口的圓柱形外殼，依次安裝在外殼內(nèi)的伺服電機(jī)，中空的直線導(dǎo)桿，插入導(dǎo)桿中受電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠和滾珠螺母及將直線導(dǎo)桿和滾珠螺母固定在一起的聯(lián)接器；直線導(dǎo)桿一端伸出外殼之外形成伸縮端其端面為一球鉸與所說動(dòng)平臺(tái)相連，外殼的封閉端為固定端，其端面固定一虛支鉸與所說的框架頂部相連。
5.權(quán)權(quán)利要求1所述的機(jī)床結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的工作臺(tái)，還包括與之相聯(lián)的升降裝置，該升降裝置由支架及安裝在支架上的多條直線導(dǎo)套，插入導(dǎo)套中的多個(gè)直線導(dǎo)軌及一個(gè)滾珠絲杠和與之相配的滾珠螺母以及帶動(dòng)滾珠螺母旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明屬機(jī)械制造技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括6個(gè)可控的伸縮軸,裝有切削刀具的動(dòng)平臺(tái)和裝有工件的靜工作臺(tái)及框架,框架為大小雙八面體結(jié)構(gòu),其中大八面體包括頂部三角形框、底部三角形框及邊框。小八面體包括支撐工作臺(tái)的小三角形框及將小三角形框與底部三角形相連接的邊框可控伸縮軸的固定端與大八面體框架相連,其伸縮端與動(dòng)平臺(tái)相連。本發(fā)明具有更好的剛性、更高的精度和更快的進(jìn)給速度。并且提高機(jī)床加工過程的靈活性和機(jī)動(dòng)性。
文檔編號(hào)B23Q1/01GK1182003SQ9711192
公開日1998年5月20日 申請(qǐng)日期1997年7月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月4日
發(fā)明者汪勁松, 段廣洪, 楊向東, 朱鐵君, 陳懇, 馮之敬, 趙廣木, 馮平法 申請(qǐng)人:清華大學(xué)