[发明专利]多坐标数控机床主轴摆动机构

说明书

本发明属机械制造自动化及数控机床领域，特别涉及多坐标数控机床的加工主轴驱动部分结构设计。

多坐标加工机床在生产加工领域中扮演着重要的角色。其中，加工主轴驱动部分由于直接关系到最终的加工质量问题，对该机构的合理创新设计则提出较高要求。

就目前而言，主轴摆动机构因多坐标数控机床结构的不同而有所区别。现在的多坐标数控加工机床结构主要有三种类型：一类是传统的C型串联结构，一类是最新出现的Stewart型多杆并联结构，另一类是串并联混合结构。

对于串联结构而言，其主轴单元的摆动机构多采用伺服电机驱动，齿轮(或蜗轮蜗杆、带传动)传动，位置传感反馈的方案，两个旋转(A轴、B轴)运动机构串联。这就带来一些无法克服的弱点：由于摆动机构的总质量比较大，再加上传动环节的弹性变形和导轨中的摩擦阻力较大，使机床难以获得高的进给速度和加速度，不能满足现代高速高效加工的要求；由于串联开链结构组成环节多、结构复杂，并且存在悬臂部件和环节间的联接间隙，难以保证高的总体刚度，不容易获得高的加工精度和加工质量。

对于并联结构而言，其多坐标加工运动都是通过多驱动轴(二力杆)同时作用的结果，消除了串联结构的误差传递、刚度、响应速度等弱点，具有结构简单、精度较高、刚度较好、快速响应的优点，成为新的发展方向。但是，通过分析可以发现：由于一般直接基于Stewart平台原理的并联结构本身存在的一些固有缺陷(如运动干涉、存在死区等)，使其旋转坐标的合理运动范围比常规多坐标数控机床要小得多(如A、B轴的旋转范围通常只有20～30度，而常规多坐标机床可以达到90度以上)，并且随着旋转角的加大这类五坐标机床的有效工作空间将大幅度减小，无法实现真正意义上的大范围多坐标加工，大大限制了该类机床的应用。

对于串并联混合结构，其旋转运动是通过混合驱动方式实现的(一转动是通过并联机构直接实现，另一转动通过串联的传统驱动机构实现)，由于其并联机构是基于空间四杆驱动平台原理的，完全消除了基于Stewart平台原理的并联结构的空间干涉问题，可实现大范围加工(A、B两轴都可实现90度运动)。但是其串联摆动环节的传动间隙及误差问题并没有得以很好解决，致使动态响应能力依然存在一定的问题。

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种多坐标数控机床主轴摆动机构，既具有结构简单、有快速响应能力、高刚性、高精度的特点，又具有较大的加工范围，从根本上解决了主轴摆动机构的传动误差及系统响应能力问题。

本发明提出的一种多坐标数控机床主轴摆动机构，其特征在于，包括含有上下两个空间的支撑外壳，其上部空间构成气动随动平衡装置的外壳体，下部空同内安装有主轴加工机构，其外壁固定有两个对称安装的旋转直线电机，该外壳的上部设有用于连接加工机床主体的安装耳。

所说的气动随动平衡装置可由气室，置于气室中的活塞及与之相连的连杆，置于气室上端用于密封气室的端盖所组成。

所说的旋转直线电机可由底座和外壳围成电机腔体，在外壳和底座内部各固定有绕有线圈的定子，在两定子之间有绕有线圈的转子，转子的轴心孔与驱动转轴系固定。

本发明的特点与效果：

(1)通过附加简单的气动配重机构，大大提高了加工系统的快速响应能力，

   减小了附加于床身精密运动部件上的作用力，使得机床受力、变形、

   功效等等相关问题得以极大改善，非常有利于提高加工精度和加工质

   量，实现高速高效加工。

(2)通过旋转直线电机直接驱动电主轴加工本体，实现零传动驱动，完全

   消除了传动机构的传动误差，大大提高了快速响应能力，提高了定位

   (角度)精度及动态性能，而且控制简单、可靠。

(3)本发明既具有结构简单、控制容易、精度高等优点，又具有较大的

   加工范围，其旋转坐标运动范围可达±90°，加工空间大大高于基

   于Stewart平台的主轴摆动系统，刚度、动态响应等能力相比传统的

   基于C型结构的主轴摆动系统和现有混合结构主轴摆动系统又有了进

   一步的提高。

本发明从根本上提高多坐标数控加工机床的整体加工性能，为低成本、普及型多坐标加工系统在国民经济的各个领域发挥更大作用做好底层准备。

附图简要说明：

图1是本实施例主轴摆动机构总体结构示意图。

图2是本实施例中的旋转直线电机剖面结构示意图。

图3是图2中旋转直线电机A-A剖面正视结构示意图。