CN101318296A - 直线电机并联驱动的两自由度主轴进给功能模块 - Google Patents

Abstract

一种直线电机并联驱动的两自由度主轴进给功能模块，由基座、直线运动模块、非对称式并联机构模块和电主轴组成。基座是一个整体式U型槽状中空铸件；直线导轨平行固定安装在基座上，一个直线电机定子安装在两直线导轨之间；导轨滑块对称与动子座固定连接，直线电机动子固定安装在动子座的几何中心位置；直线导轨与导轨滑块配合，直线光栅尺固定安装在基座的侧面，安装座与动子座固定连接，旋转副组件A与安装座固定连接，旋转副组件B固定安装在摆动平台的上安装面，连杆两端分别与旋转副组件A和旋转副组件B过盈配合连接，旋转副组件C分别与摆动平台和U型座内侧配合相连，U型座固定安装在另一个动子座上。

Description

直线电机并联驱动的两自由度主轴进给功能模块

(一)技术领域：

本发明提供一种直线电机并联驱动的两自由度主轴进给功能模块，它涉及一种用于数控立式铣床的主轴进给功能模块，该模块由直线电机并联驱动，实现机床主轴的“平动+转动”两自由度进给运动，属于数控机床技术领域。

(二)背景技术：

机床是制造业的工作母机，是装备制造业的核心设备。所有的数控机床都是由各种功能模块(如主轴单元及主轴头、滚动直线导轨、回转工作台、数控伺服系统以及测量反馈元件等)在床身、立柱等基础机架上集装而成的，因此没有高水平、高质量的功能部件，就很难有高水平、高性能的各种数控机床。直线电机就是利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的设备。直线电机驱动与传统的传动方式相比：直线电机所产生的力直接作用于移动部件，中间没有通过任何具有柔度的机械传动环节，这就是所谓的“直接驱动”或“零传动”；因此，直线电机驱动可以简化机床结构、减少机床传动系统的惯性矩，大大提高机床的运动速度、加速度和精度，满足高速精密加工的要求。当前，绝大多数立式铣床的主轴都是采用旋转电机+滚珠丝杠传动的单自由度进给方式。

(三)发明内容：

本发明的目的是提供一种直线电机并联驱动的两自由度主轴进给功能模块，具体是指由由直线电机并联驱动的“平动+转动”两自由度数控立式铣床主轴进给功能模块，该功能模块兼有并联机构的诸多优点，同时电主轴转动偏摆角可达90°，且在偏转运动过程中无运动干涉和运动奇异产生。因此，该功能模块不仅可以实现机床主轴两自由度联动加工，而且还可以实现立式和卧式转换加工功能。

本发明一种直线电机并联驱动的两自由度主轴进给功能模块，技术方案如下：

该直线电机并联驱动的两自由度主轴进给功能模块由基座1、直线运动模块、非对称式并联机构模块和电主轴16组成，其中：

该基座1是一个整体式U型槽状中空铸件，其上表面上有定位面和螺纹孔，便于安装直线运动模块。

该直线运动模块由直线导轨2、导轨滑块3、自锁滑块4、直线电机定子5、直线电机动子6、直线光栅尺7和动子座8组成。

各部件间的结构连接关系是：一组(两根)直线导轨2平行固定安装在基座1上，一个直线电机定子5安装在两直线导轨2之间，与基座1的U型槽上表面固定连接；一组(四个)导轨滑块3对称与动子座8固定连接，同时一组(两个)自锁滑块4对称安装在导轨滑块3之间并与动子座8固定连接，直线电机动子5固定安装在动子座8的几何中心位置；直线导轨2与导轨滑块3配合，故可保证直线电机定子5和直线电机动子6的安装要求；直线光栅尺7固定安装在基座1的侧面，从而构成一个直线运动模块。

该非对称式并联机构模块由旋转副组件安装座9、旋转副组件A 10、连杆11、旋转副组件B 12、摆动平台13、旋转副组件C 14、U型座15组成。

各部件间的结构连接关系是：安装座9与动子座8固定连接，一组(两个)旋转副组件A10与安装座9固定连接，一组旋转副组件B12固定安装在摆动平台13的上安装面，连杆11两端分别与旋转副组件A10和旋转副组件B12过盈配合连接，一组(两个)旋转副组件C14分别与摆动平台13和U型座15内侧配合相连，U型座15固定安装在另一个动子座8上，从而构成P3RP(P-移动副，R-旋转副)型非对称式并联机构模块。

其中，该旋转副组件A 10、旋转副组件B 12和旋转副组件C 14分别是一对回转部件，能绕其自身轴线进行360°旋转；该旋转副组件A 10、旋转副组件B 12和旋转副组件C14结构相同，区别就是各自回转半径大小不同。

其中，该安装座9是一个直角U型整体部件，在其顶部和底部有安装固定孔，分别用于同旋转副组件A 10和动子座8固定连接。

其中，该连杆11是一个整体镂空的长方体部件，其两端过盈配合安装有与旋转副组件A10和旋转副组件B12相配合的回转轴。

其中，该U型座15是一个整体部件，其U型口处有对称的定位孔，用于配合连接；底部有安装孔，通过螺钉与动子座8固定连接。

其中，该摆动平台13是一个方形的型腔结构，其两侧有圆柱形凸台，用于配合连接旋转副组件C 14；其底部有安装定位孔，用于安装固定电主轴16。

其中，该直线电机定子采用一整体式单条永磁体。

其中，该电主轴16采用交流变频电主轴。

本发明优点及功效在于：该直线电机并联驱动的两自由度主轴进给功能模块既有并联机构刚性好、结构紧凑灵活、承载能力强的优点，同时还具有转动范围大的优点，即可实现机床主轴的立卧转换加工。另外，基于直线电机直接驱动技术，采用单定子+双动子驱动结构，使得该功能模块具有较高的机械装配精度；同时，也能获得较高的运动速度、加速度和精度。

(四)附图说明：

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的前视图。

图3为本发明的右视图。

图4为本发明的B向视图。

图5为本发明工作状态示意图。

图中标号及符号说明如下：

1基座            2直线导轨        3导轨滑块

4自锁滑块        5直线电机定子    6直线电机动子

7直线光栅尺      8动子座          9安装座

10旋转副组件A    11连杆           12旋转副组件B

13摆动平台       14旋转副组件C    15U型座

16电主轴

(五)具体实施方式：

本发明一种直线电机并联驱动的两自由度主轴功能模块，包括有：基座1、两个直线运动模块、非对称式并联机构模块、电主轴16；其中直线运动模块包括有：直线导轨2、导轨滑块3、自锁滑块4、直线电机定子5、直线电机动子6、直线光栅尺7和动子座8；其中非对称式并联机构模块包括有：安装座9、旋转副组件A 10、连杆11、旋转副组件B 12、摆动平台13、旋转副组件C 14和U型座15。

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明一种直线电机并联驱动的两自由度主轴进给功能模块，如图1和图2所示，一组(两根)直线导轨2平行对称用螺钉固定安装在基座1的上表面，一个直线电机定子5用螺钉固定安装在基座1的U型底面中心位置；一组(四个)导轨滑块3对称分布，用螺钉固定安装在动子座8的底面，一组(两个)自锁滑块4用螺钉对称安装在导轨滑块3的中间位置，一个直线电机动子6用螺钉固定安装在动子座8的几何中心位置；两组(八个)导轨滑块3和两组(四个)自锁滑块4分别与直线导轨2配合；同时，两个直线光栅尺7与导轨面平行用螺钉分别固定安装在基座1左右侧面的上下端部位置，从而构成两个直线运动模块。

如图1和3所示，自锁滑块4为通过螺钉与动子座8固定连接，并与直线导轨2相配合。在自由状态或未工作状态下，自锁滑块4在其内部弹簧预压作用下，紧紧抱死直线导轨2，此时产生垂直向上的静摩擦力，从而锁住直线电机动子6避免因自重而下滑；在工作状态下，给自锁滑块4通气，在气压作用下克服内部弹簧作用力，此时自锁滑块4和直线导轨2之间的静摩擦力消失，从而解锁让直线电机动子6驱动直线运动模块可沿直线导轨2左上下自由往复运动。

如图1、3和4所示，旋转副组件安装座9通过螺钉与运动基座8固定连接，一组(两个)旋转副组件A10用螺钉与与旋转副组件安装座9固定连接，一组旋转副组件B12用螺钉固定安装在摆动平台13的上安装面，连杆11两端分别与旋转副组件A10和旋转副组件B12过盈配合连接，一组(两个)旋转副组件C14分别与摆动平台13和U型座15内侧配合相连，U型座15通过螺钉固定安装在另一个动子座8上，从而构成P3RP(P-移动副，R-旋转副)型并联运动机构。电主轴16固定安装在摆动平台13上，摆动平台13带动电主轴16作“平动+转动”两自由度运动，且偏转最大可达90度，即可实现立式铣床主轴模块的立卧转换加工。

如图1、3和5所示，当直线电机动子6同步驱动动子座8时，安装在摆动平台13上的电主轴16沿直线导轨2方向作上下平移运动；当只有上面一个直线电机动子6驱动动子座8时，电主轴16将会产生偏转运动，且最大偏转能达90°，即可实现立式到卧式的转换；当两直线电机动子6同时驱动动子座8，但两者运动速度不同时，电主轴16将会同时产生平动和偏转运动，即可实现直线电机并联驱动的“平动+转动”两自由度主轴进给的功能。

Claims (8)

1、一种直线电机并联驱动的两自由度主轴进给功能模块，由基座、直线运动模块、非对称式并联机构模块和电主轴组成，其特征在于：

该基座是一个整体式U型槽状中空铸件，其上表面上有定位面和螺纹孔，便于安装直线运动模块；

该直线运动模块由直线导轨、导轨滑块、自锁滑块、直线电机定子、直线电机动子、直线光栅尺和动子座组成；其中，各部件间的结构连接关系是：

一组直线导轨平行固定安装在基座上，一个直线电机定子安装在两直线导轨之间，与基座的U型槽上表面固定连接；一组导轨滑块对称与动子座固定连接，同时一组自锁滑块对称安装在导轨滑块之间并与动子座固定连接，直线电机动子固定安装在动子座的几何中心位置；直线导轨与导轨滑块配合，直线光栅尺固定安装在基座的侧面，从而构成直线运动模块；

该非对称式并联机构模块由旋转副组件安装座、旋转副组件A、连杆、旋转副组件B、摆动平台、旋转副组件C、U型座组成；其中，各部件间的结构连接关系是：

安装座与动子座固定连接，旋转副组件A与安装座固定连接，一组旋转副组件B固定安装在摆动平台的上安装面，连杆两端分别与旋转副组件A和旋转副组件B过盈配合连接，一组旋转副组件C分别与摆动平台和U型座内侧配合相连，U型座固定安装在另一个动子座上，从而构成非对称式并联机构模块；

2、根据权利要求1所述的直线电机并联驱动的两自由度主轴进给功能模块，其特征在于：该旋转副组件A、旋转副组件B和旋转副组件C分别是一对回转部件，能绕其自身轴线进行360°旋转。

3、根据权利要求1所述的直线电机并联驱动的两自由度主轴进给功能模块，其特征在于：该安装座是一个直角U型整体部件，在其顶部和底部有安装固定孔，分别用于同旋转副组件A和动子座固定连接。

4、根据权利要求1所述的直线电机并联驱动的两自由度主轴进给功能模块，其特征在于：该连杆是一个整体镂空的长方体部件，其两端过盈配合安装有与旋转副组件A和旋转副组件B相配合的回转轴。

5、根据权利要求1所述的直线电机并联驱动的两自由度主轴进给功能模块，其特征在于：该U型座是一个整体部件，其U型口处有对称的定位孔，用于配合连接，底部有安装孔，通过螺钉与动子座固定连接。

6、根据权利要求1所述的直线电机并联驱动的两自由度主轴进给功能模块，其特征在于：该摆动平台是一个方形的型腔结构，其两侧有圆柱形凸台，用于配合连接旋转副组件C，其底部有安装定位孔，用于安装固定电主轴。

7、根据权利要求1所述的直线电机并联驱动的两自由度主轴进给功能模块，其特征在于：该直线电机定子采用一整体式单条永磁体。

8、根据权利要求1所述的直线电机并联驱动的两自由度主轴进给功能模块，其特征在于：该电主轴16采用交流变频电主轴。

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