直线电机驱动的四轴联动数控机床

1.一种直线电机驱动的四轴联动数控机床，其特征在于：它是由床身立柱(1)、床身底座(2)、工作台安装座(3)、XY工作台模块(4)和非对称式并联主轴模块(5)组成；
该床身立柱(1)是一个整体式铸件，在其下端面有安装孔，用螺栓同床身底座(2)固定连接；在侧面有安装孔，用于安装非对称式并联主轴模块(5)；
该床身底座(2)也是一个整体式铸件，其上有凸台和安装孔，用于安装固定床身立柱(1)和工作台安装座(3)；
该工作台安装座(3)是一个长方体形中间连接部件，主要是支承XY工作台模块(4)与床身底座(2)间的连接；
该XY工作台模块(4)，由Y轴底座(6)、Y轴直线导轨(7)、Y轴导轨滑块(8)、Y轴直线电机定子(9)、Y轴直线电机动子(10)、Y轴侧挡板(11)、X轴与Y轴连接座(12)、X轴直线导轨(13)、X轴导轨滑块(14)、X轴直线电机定子(15)、X轴直线电机动子(16)、X轴底座(17)和T型槽工作台(18)组成；各部件间的结构连接关系是：一组Y轴直线导轨(7)对称平行安装在Y轴底座(6)上，Y轴直线电机定子(9)安装在两Y轴直线导轨(7)中间，一组Y轴导轨滑块(8)对称固定安装在连接座(12)的下表面上，同时Y轴直线电机动子(10)也固定安装在连接座(12)下表面的中心，Y轴侧挡板(11)固定安装在Y轴底座(6)的两侧，从而构成工作台的Y轴向移动组件；一组X轴直线导轨(13)对称平行安装在X轴底座(17)上，X轴直线电机定子(15)安装在两X轴直线导轨(13)中间，一组X轴导轨滑块(14)对称固定安装在连接座(12)的上表面上，同时X轴直线电机动子(16)也固定安装在连接座(12)上表面的中心，从而构成工作台的X轴向移动组件；通过连接座(12)的过渡连接作用，将X轴向移动组件和Y轴向移动组件垂直叠加在一起，从而构成串联运动的XY工作台；
Y轴侧挡板(11)固定安装在Y轴底座(6)的两侧，T型槽工作台(18)通过螺钉与X轴座固定连接；
该非对称式并联主轴模块(5)，是由基座(19)、直线导轨(20)、导轨滑块(21)、自锁滑块(22)、直线电机定子(23)、直线电机动子(24)、动子座(25)、直线光栅尺(26)、安装座(27)、旋转副组件A(28)、连杆(29)、旋转副组件B(30)、摆动平台(31)、旋转副组件C(32)、U型座(33)和电主轴(34)组成；
各部件间的结构连接关系是：一组直线导轨(20)平行固定安装在基座(19)上，直线电机定子(23)安装在两直线导轨(20)之间，并与基座(19)固定连接；一组导轨滑块(21)对称固定安装在动子座(25)上，同时一组自锁滑块(22)对称安装在导轨滑块(21)之间并与动子座(25)固定连接，直线电机动子(24)固定安装在动子座(25)的几何中心位置，直线光栅尺(26)与导轨平行并固定安装在基座(19)的左右侧面，固定安装在两个动子座(25)上的两组导轨滑块(21)和两组自锁滑块(22)与直线导轨(20)相配合，从而构成Z轴两个直线运动模块；安装座(27)与上面一个动子座(25)用螺钉固定连接，一组旋转副组件A(28)与安装座(27)固定连接，旋转副组件B(30)固定安装在摆动平台(31)上侧面，连杆(29)两端分别与旋转副组件A(28)和旋转副组件B(30)过盈配合，两个旋转副组件C(32)分别与摆动平台(31)和U型座(33)内侧相配合，U型座(33)固定安装在下面一个动子座(25)上，从而构成非对称式P3RP型并联运动机构；电主轴(34)通过螺钉固定安装在摆动平台(31)上；
该基座(19)是一个整体式U型槽状型构件，底面两侧有安装孔用于同床身立柱(1)的固定连接；其中，基座(19)是一个整体式U型槽状中空铸件；
该旋转副组件A(28)、旋转副组件B(30)和旋转副组件C(32)分别是一对回转部件，能绕其自身轴线进行360°旋转；旋转副组件结构相同，区别就是各自回转半径大小不同；
该连杆(29)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(28)和旋转副组件B(30)相配合的回转轴；
该U型座(33)是一个整体式构件，其上部有对称的定位孔，用于配合连接旋转副组件C(32)；底部有安装孔，通过螺钉与动子座(25)固定连接；
该摆动平台(31)是一个方形的型腔结构，其底部有安装定位孔，用于安装固定电主轴(34)。
2.根据权利要求1所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，其特征在于：该XY工作台模块(4)中的Y轴由Y轴直线电机动子(10)驱动。
3.根据权利要求1所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，其特征在于：该XY工作台模块(4)中的X轴由X轴直线电机动子(16)驱动。
4.根据权利要求1所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，其特征在于：该非对称式并联主轴模块(5)中的一组直线导轨(20)为两根。
5.根据权利要求1所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，其特征在于：该非对称式并联主轴模块(5)中一组导轨滑块(21)为四个。
6.根据权利要求1所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，其特征在于：该非对称式并联主轴模块(5)中一组自锁滑块(22)为两个。
7.根据权利要求1所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，其特征在于：该非对称式并联主轴模块(5)中的直线电机定子(23)采用整体式单条永磁体。
8.根据权利要求1所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，其特征在于：该非对称式并联主轴模块(5)中的直线电机动子(24)采用两个。
9.根据权利要求1所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，其特征在于：该非对称式并联主轴模块(5)中的电主轴(34)采用交流变频电主轴。

直线电机驱动的四轴联动数控机床\n(一)技术领域：\n[0001] 本发明涉及一种完全由直线电机驱动的数控机床，尤其是指一种能实现四轴联动加工的数控机床，属于数控机床技术领域。\n(二)背景技术：\n[0002] 机床是制造业的工作母机，是装备制造业的核心设备。传统机床布局的基本特点是以床身、立柱、横梁等作为支承部件，主轴部件和工作台由旋转电机(滚珠丝杠)驱动沿支承部件上的直线导轨移动，按照坐标运动叠加的串联运动学原理，形成刀头点的加工表面轨迹。传统的“旋转伺服电机+滚珠丝杠”驱动系统所能达到的最高进给速度为90～120米/分钟，最大加速度只有1.5g：同时，由于从电机到工作台之间存在联轴器、丝杠、螺母、轴承等一系列中间环节，这些机械元件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙等会造成进给运动的滞后和其它非线性误差，这些中间环节也加大了系统的惯性质量；另外，丝杠是细长杆，在力和热作用下，会产生变形而影响加工精度。\n[0003] 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。直线电机直接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。\n(三)发明内容：\n[0004] 本发明的目的是利用直线电机“零传动”的特点，设计一种完全由直线电机驱动，结构简单紧凑，刚性较好，能满足高速精密加工的四轴联动数控机床，该数控机床基于模块化设计思想，主要由“平动+转动”两自由度并联主轴模块和XY工作台两大功能模块组成。\n并联主轴功能模块能实现平动(沿Z轴移动)和转动(绕A轴转动)两自由度运动，且A轴偏转最大能达90°，即能实现主轴的立卧转换加工功能。\n[0005] 本发明所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，它由床身立柱(1)、床身底座(2)、工作台安装座(3)、XY工作台模块(4)和非对称式并联主轴模块(5)组成；\n[0006] 该床身立柱(1)是一个整体式铸件，在其下端面有安装孔，用螺栓同床身底座2固定连接；在侧面有安装孔，用于安装并联主轴头模块(5)。\n[0007] 该床身底座(2)也是一个整体式铸件，其上有凸台和安装孔，用于安装固定床身立柱(1)和工作台安装座(3)。\n[0008] 该工作台安装座(3)是一个长方体形中间连接部件，主要是支承XY工作台模块(4)与床身底座(2)间的连接。\n[0009] 该XY工作台模块(4)，由Y轴底座(6)、Y轴直线导轨(7)、Y轴导轨滑块(8)、Y轴直线电机定子(9)、Y轴直线电机动子(10)、Y轴侧挡板(11)、X轴与Y轴连接座(12)、X轴直线导轨(13)、X轴导轨滑块(14)、X轴直线电机定子(15)、X轴直线电机动子(16)、X轴底座(17)和T型槽工作台(18)组成。各部件间的结构连接关系是：一组Y轴直线导轨(7)对称平行安装在Y轴底座(6)上，Y轴直线电机定子(9)安装在两Y轴导轨(7)中间，一组Y轴导轨滑块(8)对称固定安装在连接座(12)的下表面上，同时Y轴直线电机动子(10)也固定安装在连接座(12)下表面的中心，Y轴侧挡板(11)固定安装在Y轴底座(6)的两侧，从而构成工作台的Y轴向移动组件；一组X轴直线导轨(13)对称平行安装在X轴底座(17)上，X轴直线电机定子(15)安装在两X轴导轨(13)中间，一组(四个)X轴导轨滑块(14)对称固定安装在连接座(12)的上表面上，同时X轴直线电机动子(16)也固定安装在连接座(12)上表面的中心，从而构成工作台的X轴向移动组件；通过连接座(12)的过渡连接作用，将X轴向移动组件和Y轴向移动组件垂直叠加在一起，从而构成串联运动的XY工作台。\nY轴侧挡板(11)固定安装在Y轴底座(6)的两侧，T型槽工作台(18)通过螺钉与X轴座固定连接。\n[0010] 其中，该XY工作台模块(4)中的一组Y轴直线导轨(7)可采用两根，一组Y轴导轨滑块(8)可采用四个，一组X轴直线导轨(13)可采用两根，一组X轴导轨滑块(14)可采用四个。\n[0011] 其中，该XY工作台模块(4)中的Y轴由直线电机动子(10)驱动；该XY工作台模块\n[0012] (4)中的X轴由直线电机动子(16)驱动。\n[0013] 该非对称式并联主轴模块(5)，已另外提出发明申请，下面只对其作一些简要说明：该由基座(19)、直线导轨(20)、导轨滑块(21)、自锁滑块(22)、直线电机定子(23)、直线电机动子(24)、动子座(25)、直线光栅尺(26)、安装座(27)、旋转副组件A(28)、连杆(29)、旋转副组件B(30)、摆动平台(31)、旋转副组件C(32)、U型座(33)和电主轴(34)组成。\n[0014] 各部件间的结构连接关系是：一组直线导轨(20)平行固定安装在基座(19)上，直线电机定子(23)安装在两直线导轨(20)之间，并与基座(19)固定连接。一组导轨滑块(21)对称固定安装在动子座(25)上，同时一组自锁滑块(22)对称安装在导轨滑块(21)之间并与动子座(25)固定连接，直线电机动子(24)固定安装在动子座(25)的几何中心位置，直线光栅尺(26)与导轨平行并固定安装在基座(19)的左右侧面，固定安装在两个动子座(25)上的两组导轨滑块(21)和两组自锁滑块(22)与直线导轨(20)相配合，从而构成Z轴两个直线运动模块(或称为移动副组件)；安装座(27)与上面一个动子座(25)用螺钉固定连接，一组旋转副组件A(28)与安装座(27)固定连接，旋转副组件B(30)固定安装在摆动平台(31)上侧面，连杆(29)两端分别与旋转副组件A(28)和旋转副组件B(30)过盈配合，两个旋转副组件C(32)分别与摆动平台(31)和U型座(33)内侧相配合，U型座(33)固定安装在下面一个动子座(25)上，从而构成非对称式P3RP型(P-移动副，R-旋转副)并联运动机构；电主轴(34)通过螺钉固定安装在摆动平台(31)上。\n[0015] 其中，该非对称式并联主轴模块(5)中的一组直线导轨(20)可采用两根，一组导轨滑块(21)可采用四个，一组自锁滑块(22)可采用两个。\n[0016] 其中，该非对称式并联主轴模块(5)中的直线电机定子(23)采用整体式单条永磁体，该非对称式并联主轴模块(5)中的直线电机动子(24)采用两个。\n[0017] 该基座(19)是一个整体式U型槽状中空铸件，底面两侧有安装孔用于同床身立柱(1)的固定连接；\n[0018] 该旋转副组件A(28)、旋转副组件B(30)和旋转副组件C(32)分别是一对回转部件，能绕其自身轴线进行360°旋转；旋转副组件结构相同，区别就是各自回转半径大小不同；\n[0019] 该连杆(29)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(28)和旋转副组件B(30)相配合的回转轴；\n[0020] 该U型座(33)是一个整体式构件，其上部有对称的定位孔，用于配合连接旋转副组件C(32)；底部有安装孔，通过螺钉与动子座(25)固定连接。\n[0021] 该摆动平台(31)是一个方形的型腔结构，其底部有安装定位孔，用于安装固定电主轴(34)。\n[0022] 其中，该电主轴(34)可采用交流变频电主轴。\n[0023] 本发明一种直线电机驱动的四轴联动数控机床，其优点是：基于模块化设计思想，将机床分为并联主轴进给模块和XY工作台两大功能模块；因此整个机床结构简单紧凑，设计灵活，同时也具有较好的结构刚性和一定的动刚度。由于采用了直线电机直接进行驱动，避免了中间机械传动环节，XY工作台功能模块具有进给速度快，精度高和承载能力强等优点；Z-A两自由度并联主轴功能模块既有并联机构进给速度快、刚度高、承载能力强的优点，同时还具有A轴偏转范围大的优点，最大可达90°，即能实现主轴的立卧转换加工。\n(四)附图说明：\n[0024] 图1为本发明的L型结构机床立体结构示意图。\n[0025] 图2为本发明的L型结构机床左视图。\n[0026] 图3为本发明的XY工作台模块立体结构示意图。\n[0027] 图4为本发明的XY工作台模块俯视图。\n[0028] 图5为本发明的XY工作台模块左视图。\n[0029] 图6为本发明的XY工作台模块A-A向剖视图。\n[0030] 图7为本发明的非对称式并联主轴模块立体结构示意图。\n[0031] 图8为本发明的非对称式并联主轴模块右视图。\n[0032] 图9为本发明的非对称式并联主轴模块B向视图。\n[0033] 图中标号及符号说明如下：\n[0034] 1 床身立柱 2 床身底座 3 工作台安装座[0035] 4 XY工作台模块 5 非对称式并联主轴模块 6 Y轴底座\n[0036] 7 Y轴直线导轨 8 Y轴导轨滑块 9 Y轴直线电机定子[0037] 10 Y轴直线电机动子 11 Y轴侧挡板 12 X轴与Y轴连接座[0038] 13 X轴直线导轨 14 X轴导轨滑块 15 X轴直线电机定子[0039] 16 Y轴直线电机动子 17 X轴底座 18 T型槽工作台[0040] 19 基座 20 直线导轨 21 导轨滑块\n[0041] 22 自锁滑块 23 直线电机定子 24 直线电机动子[0042] 25 动子座 26 直线光栅尺 27 安装座\n[0043] 28 旋转副组件A 29 连杆 30 旋转副组件B\n[0044] 31 摆动平台 32 旋转副组件C 33 U型座\n[0045] 34 电主轴\n(五)具体实施方式：\n[0046] 下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。\n[0047] 如图1和2所示，本发明所述的直线电机驱动的四轴联动数控机床，它由床身立柱\n1、床身底座2、工作台安装座3、XY工作台模块4和非对称式并联主轴模块5组成。\n[0048] 该床身立柱1是一个整体式铸件，在其下端面有安装孔；该床身底座2也是一个整体式铸件，其上有凸台和安装孔；床身立柱1通过螺栓固定安装在床身底座2上，端面平齐放置，呈L型结构；并联主轴头模块5通过床身立柱1侧面的安装孔垂直安装在床身立柱1上。该工作台安装座3是一个长方体形中间连接部件，通过螺钉固定安装在床身底座2的凸台上，XY工作台模块4也通过螺钉与其固定连接。XY工作台模块4提供X轴和Y轴运动，非对称式并联主轴模块5提供Z轴和A轴运动，从而实现机床的四轴联动，同时还能实现立卧转换加工功能。\n[0049] 如图3、4、5和6所示，该XY工作台模块4，由Y轴底座6、Y轴直线导轨7、Y轴导轨滑块8、Y轴直线电机定子9、Y轴直线电机动子10、Y轴侧挡板11、X轴与Y轴连接座12、X轴直线导轨13、X轴导轨滑块14、X轴直线电机定子15、X轴直线电机动子16、X轴底座17和T型槽工作台18组成。各部件间的结构连接关系是：一组(两根)Y轴直线导轨7对称平行安装在Y轴底座6上，Y轴直线电机定子9安装在两Y轴导轨7中间，一组(四个)Y轴导轨滑块8对称固定安装在连接座12的下表面上，同时Y轴直线电机动子10也固定安装在连接座12下表面的中心，Y轴侧挡板11固定安装在Y轴底座6的两侧，从而构成工作台的Y轴向移动组件；一组(两根)X轴直线导轨13对称平行安装在X轴底座17上，X轴直线电机定子15安装在两X轴导轨13中间，一组(四个)X轴导轨滑块14对称固定安装在连接座12的上表面上，同时X轴直线电机动子16也固定安装在连接座12上表面的中心，从而构成工作台的X轴向移动组件；通过连接座12的过渡连接作用，将X轴向移动组件和Y轴向移动组件垂直叠加在一起，从而构成串联运动的XY工作台。Y轴侧挡板11固定安装在Y轴底座6的两侧，T型槽工作台18通过螺钉与X轴座固定连接；X轴垂直放置在Y轴上方，X轴直线电机动子16驱动T型槽工作台18沿X轴作直线运动，Y轴直线电机动子10驱动X轴和T型槽工作台18沿Y轴作直线运动，从而形成工作台的X轴和Y轴联动。\n[0050] 该非对称式并联主轴模块5该由基座19、直线导轨20、导轨滑块21、自锁滑块22、直线电机定子23、直线电机动子24、动子座25、直线光栅尺26、安装座27、旋转副组件A28、连杆29、旋转副组件B 30、摆动平台31、旋转副组件C 32、U型座33和电主轴34组成。\n[0051] 各部件间的结构连接关系是：一组(两根)直线导轨20平行固定安装在基座19上，直线电机定子23安装在两直线导轨20之间，并与基座19固定连接。一组(四个)导轨滑块21对称固定安装在动子座25上，同时一组(两个)自锁滑块22对称安装在导轨滑块21之间并与动子座25固定连接，直线电机动子24固定安装在动子座25的几何中心位置，直线光栅尺26与导轨平行并固定安装在基座19的左右侧面，固定安装在两个动子座25上的两组(八个)导轨滑块21和两组(四个)自锁滑块22与直线导轨20相配合，从而构成Z轴两个直线运动模块(或称为移动副组件)；安装座27与上面一个动子座25用螺钉固定连接，一组(两个)旋转副组件A 28与安装座27固定连接，旋转副组件B 30固定安装在摆动平台31上侧面，连杆29两端分别与旋转副组件A 28和旋转副组件B 30过盈配合，两个旋转副组件C 32分别与摆动平台31和U型座33内侧相配合，U型座33固定安装在下面一个动子座25上，从而构成非对称式P3RP型(P-移动副，R-旋转副)并联运动机构；电主轴34通过螺钉固定安装在摆动平台31上。平台31带动电主轴34作Z轴移动和A轴偏转运动，且A轴偏转可达90°，即可实现立卧转换加工。\n[0052] 其中，该基座19是一个整体式U型槽状型中空铸件，底面两侧有安装孔用于同床身立柱1的固定连接；\n[0053] 该旋转副组件A 28、旋转副组件B 30和旋转副组件C 32分别是一对回转部件，能绕其自身轴线进行360°旋转；旋转副组件结构相同，区别就是各自回转半径大小不同；\n[0054] 该连杆29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 \n28和旋转副组件B 30相配合的回转轴；\n[0055] 该U型座33是一个整体式构件，其上部有对称的定位孔，用于配合连接旋转副组件C 32；底部有安装孔，通过螺钉与动子座(25)固定连接。\n[0056] 该摆动平台31是一个方形的型腔结构，其底部有安装定位孔，用于安装固定电主轴34。\n[0057] 该电主轴34采用交流变频电主轴。\n[0058] 如图7和8所示，自锁滑块22通过螺钉与动子座25固定连接，并与直线导轨20相配合。在自由状态或未工作状态，自锁滑块22在内部弹簧预压作用下，紧紧抱死直线导轨\n20，此时产生垂直向上的静摩擦力，从而锁住直线电机动子24和运动机构因自重而下滑；\n在工作状态下，给自锁滑块22通气，在气压作用下克服内弹簧作用力，此时自锁滑块22和直线导轨20之间的静摩擦力消失，从而解锁让直线电机动子24和移动副组件可在Z轴上自由往复运动。\n[0059] 如图7、8所示，当Z轴两直线电机动子24同步驱动动子座25时，安装在摆动平台\n31上的电主轴34沿Z轴只作平移运动；当只有上面的直线电机动子24驱动动子座25时，电主轴34将会产生偏转运动，即A轴偏转运动；当只有下面的直线电机动子24驱动动子座25时，电主轴34既会产生平动也会产生偏转，即Z轴的上下移动和A轴的偏转运动；当Z轴两直线电机动子24同时驱动动子座25，但速度不同时，电主轴34将会同时产生平动和转动两轴联动，即Z轴的上下移动和A轴的偏转运动。该电主轴34采用交流变频电主轴。\n[0060] 本发明的直线电机驱动四轴联动数控机床，如果在XY工作台模块4上配以一个数控回转工作台，便可实现五轴联动加工和立式车削加工。