一種直線電機驅動的數控工具機功能模塊的製作方法

2023-05-05 06:27:06

專利名稱：一種直線電機驅動的數控工具機功能模塊的製作方法
技術領域：
一種直線電機驅動的數控工具機功能模塊技術領域：
本實用新型涉及一種直線電機驅動的數控工具機功能模塊，具體涉及一種兩 軸數控工具機功能模塊。屬於數控工具機領域。背景技術：
工具機產業是國民經濟發展的基礎產業，是裝備製造業發展的重中之重，完 全可以說，沒有工具機工業就沒有其他工業。工具機是由各種功能部件，即功能模塊(主軸單元及主軸頭、滾珠絲槓副、 迴轉工作檯、數控伺服系統等)在床身、立柱等基礎機架上集裝而成的，功能 部件是數控工具機的重要組成部分。數控工具機主機廠的主要任務是生產製造床身、 立柱等基礎構件並把所需的功能部件與之集裝成完整的數控工具機產品，數控機 床整體技術與數控工具機功能部件的發展為相互依賴、共同發展的，所以工具機行 業的進步，不僅是工具機廠本身的研發就可以達到，功能部件的創新也深深地影 響數控工具機的發展。功能部件是工具機行業的上遊，而工具機行業則是功能部件的 下遊。由工具機設計的創新或環保的需求，可以推動功能部件的新發展；而功能 部件的創新，同樣也可以為工具機行業帶來革命性的改變。功能部件的水平決定 了整機的水平；功能部件的質量可靠性決定了整機的質量可靠性；功能部件的 製造成本決定了整機的製造成本；功能部件的交貨期決定了整機的交貨期。直線電機驅動系統是當前國際上公認的最有前途的高速、精密工具機的快速 進給系統，採用直線伺服電機和智能化數字伺服系統的高速加工工具機己成為當 今國際上主要工具機製造商競相研究和開發的關鍵技術和產品，並且已經在汽車 工業和航空工業中取得初步應用和成效。在數控工具機中採用直線電機驅動系統，具有直接驅動、結構簡單、慣量低、 磨擦小、效率高等顯著優點，可實現高速度、高加速度及精密位移控制，是滿 足新一代高性能數控工具機進給系統高性能運動控制的理想驅動方式，具有廣泛的應用前景。直線電機的應用可以明顯地提高數控工具機的性能，從而提高數控 加工精度和加工質量，特別是應用於精密高速加工工具機、特種加工工具機和大型 工具機，可以獲得優良的動態特性，從而滿足高速、高精度和高表面加工質量的 要求。本實用新型是一種兩軸數控工具機功能模塊，該模塊能完成刀具平臺的直線 進給運動和迴轉偏擺運動。從現有技術來看，完成這樣功能的工具機功能模塊採 用串聯設計，即一個電機通過相應機構，如旋轉電機加絲槓或直線電機加直線 導軌完成刀具平臺的直線運動，另一個電機(一般為旋轉電機)負責完成刀具 平臺的旋轉運動。這樣的設計往往機械總成較大，機械慣量較大，從而影響整 機的機械總成，動態性能不高。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種直線電機驅動的數控工具機功能模塊，以針 對現有技術的上述缺點，提供一種新型、小機械慣量、高動態性能的直線軸加 偏擺軸的雙軸功能模塊。本實用新型的技術解決方案是雙直線電機驅動的並聯雙環閉鏈結構設計。 該直線電機驅動的數控工具機功能模塊包括兩組直線驅動模塊、 一個刀具平臺運 動模塊、兩組連杆部件。兩個直線驅動模塊直線運動為本實用新型的功能模塊 的運動輸入，刀具平臺運動模塊中的刀具平臺有兩個自由度， 一個直線運動， 一個迴轉運動，是本實用新型的功能模塊的運動輸出。本實用新型是一個對稱的結構，是關於刀具平臺直線運動軸對稱；兩組直 線驅動模塊分別布置在刀具平臺運動模塊的兩側，通過連杆部件分別與刀具平 臺運動模塊相連。所述的每一組直線驅動模塊是一個直線電機驅動的直線進給模塊，其直線 運動軸與刀具平臺運動模塊的直線運動軸平行，該直線驅動模塊由電機座、直 線電機定子、直線電機動子、動子連接板、鉸鏈架、直線導軌、滑塊等組成。 所述的電機座負責集成直線驅動模塊的其它所有零部件；所述的直線電機定子 是直線電機的次級，通過螺栓固連在電機座的中部；所述的直線導軌分布在直 線電機定子的兩側，平行放置，通過螺栓與電機座固連。所述的滑塊安裝在直線導軌上，與直線導軌配合使用，構成移動副；所述的直線電機動子是直線電 機的初級，通過螺栓與動子聯接板固連，動子連接板又與滑塊通過螺栓固連； 所述的直線電機動子位於直線電機定子的正上方，與直線電機定子有一個小間 隙；所述的鉸鏈架固連在動子連接板上，其上有鉸連結頭，負責與連杆部件的 連接。所述的刀具平臺運動模塊由底座、直線導軌、滑塊、刀具平臺、圓軸承、 連接板、平臺支撐架等組成。所述的直線導軌安裝在底座上，並與之固連；所 述的滑塊安裝在直線導軌上，與之配合使用，組成移動副；所述的連接板固連 在滑塊上；所述的平臺支撐架是一個斜置外伸形零件， 一端固連在連接板上， 一端有用於圓軸承安裝的軸承碗；所述的刀具平臺是一個用於安裝刀具的動平 臺，其上下側有圓柱形凸臺，用於安裝圓軸承，其左右兩側分別有一個鉸鏈耳， 用於連杆部件的安裝；所述的刀具平臺通過圓軸承安裝在平臺支撐架的軸承碗 中。所述的每一組連杆部件由連杆、鉸鏈軸等組成。所述的連杆是一個杆狀零 件，兩端有鉸連結頭；所述的鉸鏈軸分別用於連杆與鉸鏈架及鉸鏈耳的安裝。所述的鉸鏈軸穿過連杆一端的鉸連結頭及鉸鏈架中的鉸連結頭，三者相互 配合構成一個迴轉副；所述的鉸鏈軸穿過連杆另一端的鉸連結頭及刀具平臺上 的鉸鏈耳，三者相互配合構成另一個迴轉副。所述的刀具平臺運動模塊可設計成由U形座、頂蓋、平臺連杆、平臺滑塊 B、平臺導軌B、刀具平臺B組成，是一個上下對稱的結構；所述的U形座是將 所述的電機座和底座合併成一個零件，完成直線電機定子的安裝和平臺導軌B 的安裝；所述的頂蓋通過螺栓G固連在U形座上，與U形座構成一個沒有前後 面板的箱體結構；所述的平臺導軌B有兩條，是直線導軌，且平行布置， 一條 安裝在U形座的中部，另一條安裝在頂蓋的下表面中部；所述的平臺滑塊B有 兩個，是圓錐滾子滑塊，分別安裝在兩條平臺導軌B上，並與之配合組成一個 移動副；所述的平臺連杆有兩根，每一根均是斜置外伸形杆件， 一端固連在平 臺滑塊B上， 一端設有用於圓軸承B安裝的軸承碗B;所述的刀具平臺B是一 個用於安裝刀具的動平臺，其上下側各有一個圓柱形的凸臺B，用於安裝圓軸 承B，刀具平臺B左右兩側分別有一個鉸鏈耳B，用於連杆部件的安裝；所述的刀具平臺B上下側的凸臺B通過圓軸承B安裝在平臺連杆的軸承碗B中。 所述的兩組直線驅動模塊、刀具平臺運動模塊固連在同一個底座上。 所述的兩組連杆部件分別將刀具平臺運動模塊兩側的直線驅動模塊與刀具平臺運動模塊的刀具平臺相連。本實用新型一種直線電機驅動的數控工具機功能模塊，其優點及功效在於-本實用新型採用雙直線電機並聯驅動，實現刀具平臺的直線運動和偏擺運動，動態性能好，機械慣量小，剛度大。
圖1為本實用新型實施例一的立體結構圖圖2為本實用新型實施例一的主視圖圖3為本實用新型實施例一的左視圖圖4為本實用新型實施例一的俯視圖圖5為本實用新型實施例一的直線驅動模快圖6為本實用新型實施例一的刀具平臺運動模塊圖7為本實用新型實施例一的連杆部件圖8為本實用新型實施例一的刀具平臺偏擺示意圖圖9為本實用新型實施例二的立體結構圖圖10為本實用新型實施例二的主視圖圖11為本實用新型實施例二刀具平臺局部爆炸視圖圖中標號及符號說明如下1-1、 1-2、 1-1'、 1-2'直線驅動模塊n、 n'刀具平臺運動模塊m-i、 in-2、 in-r、 in-2'連杆部件Rl、電機迴轉副A R2、電機迴轉副BR3、連杆迴轉副AR4、連杆迴轉副B 1、螺栓A 2、電機座5、動子連接板 8、電機滑塊4、直線電機動子 7、電機導軌3、直線電機定子 6、鉸鏈架 9、底座10、平臺導軌11、平臺滑塊12、平臺連接板14、平臺架15、緊固架16、刀具平臺17、圓軸承18、凸臺19、鉸鏈耳20、軸承碗21、連杆22、鉸鏈軸A23、鉸鏈軸B24、螺栓B25、螺栓c26、螺栓D27、螺栓E28、螺栓F29、 U形座30、頂蓋31、平臺連杆32、平臺滑塊B33、平臺導軌B34、螺栓G35、圓軸承B36、刀具平臺B37、凸臺B38、軸承碗B39、鉸鏈耳B具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型的技術方案做進一步說明。實施例一所述的直線電機驅動的數控工具機功能模塊包括兩組直線驅動模塊1-1、 1-2， 一個刀具平臺運動模塊II，兩組連杆部件III-1、 111-2。兩個直線驅動 模塊I-1、 I-2直線運動為本實用新型的運動輸入，刀具平臺運動模塊II中的 刀具平臺16有兩個自由度， 一個直線運動， 一個迴轉運動，是本實用新型的運動輸出。其特徵在於如圖l、圖2、圖4所示，所述的直線電機驅動的數控工具機功能模塊是一個 對稱的結構，是關於刀具平臺16的直線運動軸對稱；直線驅動模塊1-1、 1-2 分別布置在刀具平臺運動模塊II的兩側，分別通過連杆部件III-1、 III-2與 刀具平臺運動模塊II相連。直線驅動模塊1-1與直線驅動模塊1-2結構相同。 連杆部件III-1與連杆部件III-2結構相同。如圖5所示，所述的直線驅動模塊1-1是一個平板式、帶鐵心永磁直線電 機驅動的直線進給模塊，其直線運動軸與刀具平臺運動模塊的直線運動軸平行， 該直線驅動模塊I-1由電機座2、直線電機定子3、直線電機動子4、動子連接 板5、鉸鏈架6、電機導軌7、電機滑塊8等組成。所述的電機座2可以集成直 線驅動模塊I-1的其它所有零部件；所述的直線電機定子3是平板式、帶鐵心永磁直線電機的次級，通過螺栓固連在電機座2的中部；所述的電機導軌7是 直線導軌，有兩根，平行分布在直線電機定子3的兩側，通過螺栓C25與電機座2固連。所述的電機滑塊8是圓錐滾子滑塊， 一共4塊，在每根電機導軌7 安裝兩個，與電機導軌7配合使用，構成移動副；所述的直線電機動子4是平 板式、帶鐵心永磁直線電機的初級，通過螺栓與動子聯接板5固連，動子連接 板5又與電機滑塊8通過螺栓B 24固連；所述的直線電機動子4位於直線電機 定子3的正上方，與直線電機定子3有一個小間隙；所述的鉸鏈架6固連在動 子連接板5上，其上有鉸連結頭，能完成與連杆部件III-1的連接。如圖6所示，所述的刀具平臺運動模塊II由底座9、平臺導軌10、平臺滑 塊ll、刀具平臺16、圓軸承17、平臺連接板12、平臺架14、緊固架15等組 成。所述的平臺導軌10是直線導軌，有兩條，安裝在底座:9上，並與之固連； 所述的平臺滑塊ll是圓錐滾子滑塊，有4個，安裝在平臺導軌10上，每條平 臺導軌10上安裝兩個，與之配合使用，組成移動副；所述的平臺連接板12通 過螺栓固連在平臺滑塊ll上；所述的平臺架14是一個斜置外伸形零件， 一端 固連在平臺連接板12上， 一端有用於圓軸承17安裝的軸承碗20;所述的刀具 平臺16是一個用於安裝刀具的動平臺，其上下側各有一個圓柱形凸臺18，用 於安裝圓軸承17，刀具平臺16左右兩側分別有一個鉸鏈耳19，用於連杆部件 III-1、 III-2的安裝；所述的刀具平臺16下側凸臺18通過圓軸承17安裝在 平臺架14的軸承碗20中；所述的刀具平臺16上側凸臺18通過圓軸承17安裝 在緊固架15上；緊固架15通過螺栓F 28固連在平臺架14上。如圖4、圖7、圖8所示，所述的連杆部件III-1由連杆21、鉸鏈軸A22、 鉸鏈軸B23等組成。所述的連杆21是一個杆狀零件，兩端有鉸連結頭；所述 的鉸鏈軸A用於連杆21的鉸連結頭與直線驅動模塊I-1中的鉸鏈架6的鉸連結 頭的配合連接，構成一個電機迴轉副A Rl;所述的鉸鏈軸B用於連杆21的另 一個鉸連結頭與刀具平臺運動模塊II中刀具平臺16的鉸鏈耳19的配合連接, 構成一個連杆迴轉副A R3。如圖1所示，所述的直線驅動模塊1-1、 1-2通過螺栓Al固連在刀具平臺 運動模塊II的底座9上。如圖4、圖8所示，工作時，直線電機動子4與直線電機定子3相互作用，帶動電機迴轉副A Rl和電機迴轉副B R2各自作直線運動，通過連杆21的作用， 兩連杆21同時驅動二自由度的刀具平臺16。這樣，在本實施例中，兩直線電 機動子4的直線位置對應於刀具平臺16的一個直線位移和一個擺角輸出。如圖 4所示，兩直線電機動子4處於不同的位置時，刀具平臺16便會有偏擺運動。工作時，直線電機動子4、直線電機定子3相互作用，帶動動子連接板5 上的鉸鏈架6作直線運動，鉸鏈架6分別驅動各自連接的連杆部件運動，使兩 連杆同時驅動二自由度的刀具平臺。這樣，在該機構中，兩直線電機動子4的 直線位置對應於刀具平臺16的一個直線位移和一個擺角輸出。實施例二本實用新型的實施例二與實施例一的類似，包括兩組直線驅動模塊I-r 、 i-2'， 一個刀具平臺運動模塊n，，兩組連杆部件ni-r 、 in-2'。兩個 直線驅動模塊i-r 、 i-2'和兩組連杆部件in-r 、 in-2'和實施例一的 實施方式相同。不同的是刀具平臺運動模塊n'的實施方式。如圖9、圖10、圖11所示，所述的刀具平臺運動模塊n，由U形座29、 頂蓋30、平臺連杆31、平臺滑塊B32、平臺導軌B33、刀具平臺B36等組成， 該刀具平臺運動模塊n'是一個上下對稱的結構。所述的U形座29是將實施 例一中電機座2和底座9合併成一個零件，完成直線電機定子的安裝和平臺導 軌B33的安裝；所述的頂蓋30通過螺栓G 34固連在U形座29上，與U形座 29構成一個沒有前後面板的箱體結構；所述的平臺導軌B 33有兩條，是直線 導軌，且平行布置， 一條安裝在U形座29的中部，另一條安裝在頂蓋30的下 表面中部；所述的平臺滑塊B32有兩個，是圓錐滾子滑塊，分別安裝在兩條平 臺導軌B33上，並與之配合組成一個移動副；所述的平臺連杆31有兩根，每 一根均是斜置外伸形杆件， 一端固連在平臺滑塊B32上， 一端設有用於圓軸承 B 35安裝的軸承碗B 38;所述的刀具平臺B 36是一個用於安裝刀具的動平臺， 其上下側各有一個圓柱形凸臺B 37，用於安裝圓軸承B 35，刀具平臺B 36左 右兩側分別有一個鉸鏈耳B39，用於連杆部件III-r 、 111-2，的安裝；所述 的刀具平臺B 36上下側凸臺B 37通過圓軸承B 35安裝在平臺連杆31的軸承 碗B 38中。實施例二的運動方式與實施例一相同，此處不再贅述。
權利要求1、一種直線電機驅動的數控工具機功能模塊，其特徵在於所述的功能模塊包括兩組直線驅動模塊、一個刀具平臺運動模塊、兩組連杆部件；所述的功能模塊是一個對稱的結構，是關於刀具平臺直線運動軸對稱；直線驅動模塊分別布置在刀具平臺運動模塊的兩側，通過連杆部件分別與刀具平臺運動模塊相連；所述的每一組直線驅動模塊為直線電機驅動的直線進給模塊，其直線運動軸與刀具平臺運動模塊的直線運動軸平行；該直線驅動模塊由電機座、直線電機定子、直線電機動子、動子連接板、鉸鏈架、直線導軌、滑塊等組成；所述的電機座負責集成直線驅動模塊的其它所有零部件；所述的直線電機定子是直線電機的次級，通過螺栓固連在電機座的中部；所述的直線導軌分布在直線電機定子的兩側，平行放置，通過螺栓與電機座固連；所述的滑塊安裝在直線導軌上，與直線導軌配合使用，構成移動副；所述的直線電機動子是直線電機的初級，通過螺栓與動子聯接板固連，動子連接板又與滑塊通過螺栓固連；所述的直線電機動子位於直線電機定子的正上方，與直線電機定子有一個小間隙；所述的鉸鏈架固連在動子連接板上，其上有鉸連結頭，負責與連杆部件的連接；所述的刀具平臺運動模塊由底座、直線導軌、滑塊、刀具平臺、圓軸承、連接板、平臺支撐架等組成；所述的直線導軌安裝在底座上，並與之固連；所述的滑塊安裝在直線導軌上，與之配合使用，組成移動副；所述的連接板固連在滑塊上；所述的平臺支撐架是一個斜置外伸形零件，一端固連在連接板上，一端有用於圓軸承安裝的軸承碗；所述的刀具平臺是一個用於安裝刀具的動平臺，其上下側各有一個用於安裝圓軸承的圓柱形凸臺，其左右兩側分別有一個用於連杆部件的安裝的鉸鏈耳；所述的刀具平臺通過圓軸承安裝在平臺支撐架的軸承碗中；所述的每一組連杆部件由連杆、鉸鏈軸組成；所述的連杆是一個杆狀零件，兩端有鉸連結頭；所述的鉸鏈軸分別用於連杆與鉸鏈架及鉸鏈耳的安裝。
2、 根據權利要求1所述的一種直線電機驅動的數控工具機功能模塊，其特徵 在於所述的兩組直線驅動模塊、刀具平臺運動模塊固連在同一個底座上。
3、 根據權利要求1所述的一種直線電機驅動的數控工具機功能模塊，其特徵 在於所述的兩組連杆部件分別將刀具平臺運動模塊兩側的直線驅動模塊與刀 具平臺運動模塊的刀具平臺相連。
4、 根據權利要求1所述的一種直線電機驅動的數控工具機功能模塊，其特徵 在於所述的刀具平臺運動模塊由U形座、頂蓋、平臺連杆、平臺滑塊B、平 臺導軌B、刀具平臺B組成，是一個上下對稱的結構；所述的U形座是將所述 的電機座和底座合併成一個零件，完成直線電機定子的安裝和平臺導軌B的安裝；所述的頂蓋通過螺栓G固連在U形座上，與U形座構成一個沒有前後面板 的箱體結構；所述的平臺導軌B有兩條，是直線導軌，且平行布置， 一條安裝在U形座的中部，另一條安裝在頂蓋的下表面中部；所述的平臺滑塊B有兩個， 是圓錐滾子滑塊，分別安裝在兩條平臺導軌B上，並與之配合組成一個移動副；所述的平臺連杆有兩根，每一根均是斜置外伸形杆件， 一端固連在平臺滑塊B 上， 一端設有用於圓軸承B安裝的軸承碗B;所述的刀具平臺B是一個用於安 裝刀具的動平臺，其上下側各有一個用於安裝圓軸承B的圓柱形的凸臺B，刀 具平臺B左右兩側分別有一個用於安裝連杆部件的鉸鏈耳B;所述的刀具平臺B 上下側的凸臺B通過圓軸承B安裝在平臺連杆的軸承碗B中。
5、 根據權利要求1所述的一種直線電機驅動的數控工具機功能模塊，其特徵 在於所述的鉸鏈軸穿過連杆一端的鉸連結頭及鉸鏈架中的鉸連結頭，三者相 互配合構成一個迴轉副；所述的鉸鏈軸穿過連杆另一端的鉸連結頭及刀具平臺 上的鉸鏈耳，三者相互配合構成另一個迴轉副。
專利摘要本實用新型一種直線電機驅動的數控工具機功能模塊，其特徵在於其包括兩組直線驅動模塊、一個刀具平臺運動模塊、兩組連杆部件；該功能模塊是一個關於刀具平臺直線運動軸對稱的結構；直線驅動模塊分別布置在刀具平臺運動模塊的兩側，通過連杆部件分別與刀具平臺運動模塊相連；每一組直線驅動模塊為直線電機驅動的直線進給模塊，其直線運動軸與刀具平臺運動模塊的直線運動軸平行。本實用新型採用了雙直線電機並聯驅動，實現刀具平臺的直線運動和偏擺運動，動態性能好，機械慣量小，剛度大。
文檔編號B23Q5/02GK201172168SQ200820079549
公開日2008年12月31日 申請日期2008年3月24日 優先權日2008年3月24日
發明者強 劉, 吳文鏡 申請人:北京航空航天大學