CN112658706A

CN112658706A - 三自由度机床

Info

Publication number: CN112658706A
Application number: CN202110053775.5A
Authority: CN
Inventors: 李晨辉; 张秀立
Original assignee: North China University of Science and Technology
Current assignee: North China University of Science and Technology
Priority date: 2021-01-15
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2021-04-16

Abstract

本发明公开了一种三自由度机床，包括床身、α轴环形模组、β轴环形模组、r轴径向模组、主轴单元、加工刀具、工作台；该机床通过α轴驱动β轴的运动、同时通过β轴通过r轴的运动，α轴、β轴运动的同时，还可以通过r轴直线运动，即，α轴、β轴及r轴这三个轴可进行插补运动，从而可以在具有球面特征的零件上的不同位置的法向方向钻孔及攻丝，可实现高精度的球坐标位置；还可以进行具有复杂曲线及曲面零部件的铣削、钻孔、攻丝以及曲线槽加工工艺。

Description

三自由度机床

技术领域

本发明涉及机床，确切地说是一种三自由度机床。

背景技术

目前随着科学技术的飞速发展，机械设计领域在计算机不断更新换代过程中，出现了各种高端三维设计软件，优异的现代智能算法使得这些三维设计软件能够生成非常复杂的曲面，促使所设计的机械零部件结构日趋复杂，许多机械零部件会带有非常复杂的特征曲面。这就给机械加工制造带来了新的挑战。

当前，对于这些带有球面或复杂特征曲面工件的加工，如：在曲面上铣削空间曲线沟槽、在曲面上钻孔及攻丝等，往往需要至少4轴或4轴以上的数控加工机床或加工中心做很复杂的插补运动来完成。常规数控机床的结构一般是由3个直线运动轴加上1到3个转动轴组成，由于存在直线运动轴，在插补过程中刀具不能严格地按照要求加工出曲线，只能是用折线轨迹近似逼近所要加工的曲线及曲面。

近几年随着机械产品的更新换代，出现了弧形导轨以及精密齿轮加工技术，可以实现在一个伺服电机的驱动下，完成圆弧运动，取代传统的两个直线运动轴进行插补运动才能加工圆弧曲线。本发明基于上述加工要求及新技术发展，将弧形导轨、精密齿轮传动以及精密伺服电机集成为一个单元，作为环形模组，并在环形模组的基础上，搭建了三自由度球坐标机床机构。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种三自由度机床，该机床具有良好的圆弧插补效果，优于常规直线运动轴的圆弧插补效果；可以在具有球面特征的零件上的不同位置的法向方向钻孔及攻丝，可实现高精度的球坐标位置；还可以进行具有复杂曲线及曲面零部件的铣削、钻孔、攻丝以及曲线槽加工工艺。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术手段：

一种三自由度机床，包括床身、α轴环形模组、β轴环形模组、r轴径向模组、主轴单元、加工刀具、工作台；所述的α轴环形模组设有外环形导轨、内环形导轨及受驱动沿外环形导轨、内环形导轨做圆周运动的扇形平台；β轴环形模组与扇形平台固定连接，α轴环形模组通过扇形平台驱动β轴环形模组做圆周运动；所述的β轴环形模组设有半圆环形导轨、外半圆环形导轨及受驱动沿半圆环形导轨、外半圆环形导轨运动的扇形平台，r轴径向模组与扇形平台连接，β轴环形模组通过扇形平台驱动r轴径向模组做半圆周运动；所述的r轴径向模组设有主轴箱体，主轴箱体通过直线导轨、滑块与扇形平台连接；主轴箱体设有丝杠、伺服电机，主轴箱体在伺服电机驱动下做直线运动；主轴箱体的底端设有加工刀具；所述的床身上与α轴环形模组的轴心处安装有圆盘式工作台，被加工工件固定在该工作台上；α轴环形模组的运动轴线与β轴环形模组运动轴线正交，且两轴的交点位于r轴径向模组驱动的刀具回转轴线上。

采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其突出的特点是：

通过α轴驱动β轴的运动、同时通过β轴通过r轴的运动，α轴、β轴运动的同时，还可以通过r轴直线运动，即，α轴、β轴及r轴这三个轴可进行插补运动，从而可以在具有球面特征的零件上的不同位置的法向方向钻孔及攻丝，可实现高精度的球坐标位置；还可以进行具有复杂曲线及曲面零部件的铣削、钻孔、攻丝以及曲线槽加工工艺。

进一步的优选技术方案如下：

所述的床身上面固定安装有α轴环形模组，α轴环形模组的环形底座固接于床身上面，在环形底座内以同轴等高方式安装有外环形导轨及内环形导轨，同时一齿圈与内外环形导轨以同轴方式安装在环形底座上，外环形导轨及内环形导轨上均设有滑块，扇形平台通过滑块分别与外环形导轨及内环形导轨滑动连接，扇形平台设置2个，2个扇形平台相对外环形导轨及内环形导轨轴线呈对称分布，2个扇形平台上表面分别安装有直角输出型减速器，直角输出型减速器输出轴分别固接传动齿轮，传动齿轮内啮合于齿圈；直角输出型减速器输入轴固接有精密伺服电机。

通过上述设置，利用外环形导轨及内环形导轨形成移动轨道；通过扇形平台、滑块配合沿上述移动轨道运动。

所述β轴环形模组设有2个半圆环形底座，半圆环形底座的2个端面分别连接固定在α轴环形模组的2个扇形平台上；2个半圆环形底座内侧相对，每个半圆环形底座内侧分别以同轴等高方式安装有内半圆环形导轨、外半圆环形导轨，外半圆环形导轨设有齿圈，并分别与两个半圆环形底座上的内外环形导轨同轴，内半圆环形导轨、外半圆环形导轨设有滑块，扇形平台分别通过滑块与内半圆环形导轨、外半圆环形导轨滑动连接，扇形平台设置2个，2个扇形平台中间固定安装有直角双输出型减速器，直角双输出型减速器的2个输出轴上分别固接有传动齿轮，传动齿轮分别啮合于齿圈；直角双输出型减速器的输入轴固接有精密伺服电机。

通过上述设置，利用内半圆环形导轨、外半圆环形导轨形成运动轨道，通过扇形平台、滑块配合沿上述移动轨道运动。

所述r轴径向模组通过箱式底座固接于β轴环形模组的两个扇形平台上，在箱式底座内侧固定安装有4个滑块，2个直线导轨，4个滑块每2个滑块分别与一个直线导轨滑动连接，2个直线导轨相互平行设置，主轴箱体置于箱式底座内，主轴箱体与直线导轨固定连接，主轴箱体底面上设有滑槽，滑槽处设有螺母支撑座，丝杠螺母副4-4的螺母与螺母支撑座固定连接，丝杠一端由支撑法兰支撑，丝杠的另一端由丝杠铰支座支撑，由支撑法兰支撑的丝杠的端头通过联轴器与精密伺服电机的轴固定连接，伺服电机通过支撑法兰与主轴箱体刚性连接，在主轴箱体的另一端固定安装有主轴安装底板，主轴单元固定安装在主轴安装底板上；主轴安装底板底面设有夹头，夹头安装固定加工刀具。

通过上述设置，使r轴径向模组可沿直线运动。

所述2个半圆环形底座通过两个U型底板固接于α轴环形模组的2个扇形平台上。

通过设置U型底板，提高部件连接的便捷性、稳定性。

本发明的优点在于：

（1）具有良好的圆弧插补效果，优于常规直线运动轴的圆弧插补效果。

（2）可在具有球面特征的零件上的不同位置的法向方向钻孔及攻丝，可实现高精度的球坐标位置。

（3）可进行具有复杂曲线及曲面零部件的铣削、钻孔、攻丝以及曲线槽加工工艺。

（4）该装置具有广泛的应用领域，可拓展用于天文望远镜了望机构平台、雷达相位跟踪转换传动机构以及高精密火炮转向机构方面的应用。

附图说明

图1：三自由度球坐标机床机构总体示意图。

图2：α轴环形模组示意图。

图3：β轴环形模组示意图。

图4：r轴径向模组示意图。

图5：扇形平台示意图。

图6：U型底板示意图。

附图标记说明：

1-床身；

2-α轴环形模组；2-1-环形底座；2-2-外环形导轨；2-3-内环形导轨；2-4-齿圈；2-5-滑块；2-6-传动齿轮；2-7-扇形平台；2-8-伺服电机；2-9-直角输出型减速器；

3-β轴环形模组；3-1-U型底板；3-2-半圆环形底座；3-3-内半圆环形导轨；3-4-外半圆环形导轨；3-5-齿圈；3-6-传动齿轮；3-7-扇形平台；3-8-伺服电机；3-9-直角双输出型减速器。

4-r轴径向模组；4-1-伺服电机；4-2-联轴器；4-3-支撑法兰；4-4-丝杠螺母副；4-5-螺母支撑座；4-6-丝杠铰支座；4-7-主轴箱体；4-8-主轴安装底板；4-9-底座；4-10-直线导轨；4-11-滑块；

5-主轴单元；6-加工刀具；7-被加工工件；8-工作台。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

参见图1-图6可知，本发明的一种三自由度机床，由床身1、α轴环形模组2、β轴环形模组3、r轴径向模组4、主轴单元5、加工刀具6、工作台8组成。

参见图1、图2床身1上面固定安装有α轴环形模组2，α轴环形模组2的环形底座2-1固接于床身1上面，在环形底座2-1内以同轴等高方式安装有外环形导轨2-2及内环形导轨2-3，同时一齿圈2-4与内外环形导轨2-3以同轴方式安装在环形底座2-1上，外环形导轨2-2及内环形导轨2-3上均设有滑块2-5，扇形平台2-7通过滑块2-5分别与外环形导轨2-2及内环形导轨2-3滑动连接，扇形平台2-7设置2个，2个扇形平台2-7相对外环形导轨2-2及内环形导轨2-3轴线呈对称分布，2个扇形平台2-7上表面分别安装有直角输出型减速器2-9，直角输出型减速器2-9输出轴分别固接传动齿轮2-6，传动齿轮2-6内啮合于齿圈；直角输出型减速器2-9输入轴固接有精密伺服电机2-8。

参见图1、图3，β轴环形模组设有2个半圆环形底座3-2，半圆环形底座3-2的2个端面分别连接固定在α轴环形模组2的2个扇形平台2-7上；2个半圆环形底座3-2内侧相对，每个半圆环形底座3-2内侧分别以同轴等高方式安装有内半圆环形导轨3-3、外半圆环形导轨3-4，外半圆环形导轨3-4设有齿圈3-5，并分别与两个半圆环形底座上的内外环形导轨同轴，内半圆环形导轨3-3、外半圆环形导轨3-4设有滑块，扇形平台3-7分别通过滑块与内半圆环形导轨3-3、外半圆环形导轨3-4滑动连接，扇形平台3-7设置2个，2个扇形平台中间固定安装有直角双输出型减速器3-9，直角双输出型减速器3-9的2个输出轴上分别固接有传动齿轮3-6，传动齿轮3-6分别啮合于齿圈3-5；直角双输出型减速器3-9的输入轴固接有精密伺服电机3-8。

参见图1、图4，r轴径向模组4通过箱式底座固接于β轴环形模组的两个扇形平台3-7上，在箱式底座内侧固定安装有4个滑块4-11，2个直线导轨4-10，4个滑块每2个滑块分别与一个直线导轨滑动连接，2个直线导轨4-10相互平行设置，主轴箱体4-7置于箱式底座内，主轴箱体4-7与直线导轨固定连接，主轴箱体4-7底面上设有滑槽，滑槽处设有螺母支撑座4-5，丝杠螺母副4-4的螺母与螺母支撑座4-5固定连接，丝杠一端由支撑法兰4-3支撑，丝杠的另一端由丝杠铰支座支撑，由支撑法兰4-3支撑的丝杠的端头通过联轴器与精密伺服电机4-1的轴固定连接，伺服电机4-1通过支撑法兰与主轴箱体4-7刚性连接，在主轴箱体4-7的另一端固定安装有主轴安装底板4-8，主轴单元固定安装在主轴安装底板4-8上；主轴安装底板4-8底面设有夹头，夹头安装固定加工刀具6。根据权利要求3所述的三自由度机床，其特征在于：所述2个半圆环形底座3-2通过两个U型底板3-1固接于α轴环形模组的2个扇形平台2-7上。

床身1上与α轴环形模组2的轴心处安装有圆盘式工作台8，被加工工件7固定在该工作台上；α轴环形模组2的运动轴线与β轴环形模组3运动轴线正交，且两轴的交点位于r轴径向模组4驱动的刀具回转轴线上。α轴、β轴及r轴这三个轴可进行插补运动，完成空间曲线及曲面的复杂加工作业。

参见图5，扇形平台整体呈扇形，扇形平台设有螺孔，便于安装固定，α轴环形模组2的扇形平台2-7，β轴环形模组3的扇形平台3-7均采用这种结构。

参见图6，U型底板3-1整体呈U形，其便于连接固定β轴环形模组。

本实施例的有益效果：

以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims

1.一种三自由度机床，包括床身、α轴环形模组、β轴环形模组、r轴径向模组、主轴单元、加工刀具、工作台，其特征在于：

所述的α轴环形模组设有外环形导轨、内环形导轨及受驱动沿外环形导轨、内环形导轨做圆周运动的扇形平台；β轴环形模组与扇形平台固定连接，α轴环形模组通过扇形平台驱动β轴环形模组做圆周运动；

所述的β轴环形模组设有半圆环形导轨、外半圆环形导轨及受驱动沿半圆环形导轨、外半圆环形导轨运动的扇形平台，r轴径向模组与扇形平台连接，β轴环形模组通过扇形平台驱动r轴径向模组做半圆周运动；

所述的r轴径向模组设有主轴箱体，主轴箱体通过直线导轨、滑块与扇形平台连接；主轴箱体设有丝杠、伺服电机，主轴箱体在伺服电机驱动下做直线运动；主轴箱体的底端设有加工刀具；

所述的床身上与α轴环形模组的轴心处安装有圆盘式工作台，被加工工件固定在该工作台上；α轴环形模组的运动轴线与β轴环形模组运动轴线正交，且两轴的交点位于r轴径向模组驱动的刀具回转轴线上。

2.根据权利要求1所述的三自由度机床，其特征在于：所述的床身上面固定安装有α轴环形模组，α轴环形模组的环形底座固接于床身上面，在环形底座内以同轴等高方式安装有外环形导轨及内环形导轨，同时一齿圈与内外环形导轨以同轴方式安装在环形底座上，外环形导轨及内环形导轨上均设有滑块，扇形平台通过滑块分别与外环形导轨及内环形导轨滑动连接，扇形平台设置2个，2个扇形平台相对外环形导轨及内环形导轨轴线呈对称分布，2个扇形平台上表面分别安装有直角输出型减速器，直角输出型减速器输出轴分别固接传动齿轮，传动齿轮内啮合于齿圈；直角输出型减速器输入轴固接有精密伺服电机。

3.根据权利要求1所述的三自由度机床，其特征在于：所述β轴环形模组设有2个半圆环形底座，半圆环形底座的2个端面分别连接固定在α轴环形模组的2个扇形平台上；2个半圆环形底座内侧相对，每个半圆环形底座内侧分别以同轴等高方式安装有内半圆环形导轨、外半圆环形导轨，外半圆环形导轨设有齿圈，并分别与两个半圆环形底座上的内外环形导轨同轴，内半圆环形导轨、外半圆环形导轨设有滑块，扇形平台分别通过滑块与内半圆环形导轨、外半圆环形导轨滑动连接，扇形平台设置2个，2个扇形平台中间固定安装有直角双输出型减速器，直角双输出型减速器的2个输出轴上分别固接有传动齿轮，传动齿轮分别啮合于齿圈；直角双输出型减速器的输入轴固接有精密伺服电机。

4.根据权利要求1所述的三自由度机床，其特征在于：所述r轴径向模组通过箱式底座固接于β轴环形模组的两个扇形平台上，在箱式底座内侧固定安装有4个滑块，2个直线导轨，4个滑块每2个滑块分别与一个直线导轨滑动连接，2个直线导轨相互平行设置，主轴箱体置于箱式底座内，主轴箱体与直线导轨固定连接，主轴箱体底面上设有滑槽，滑槽处设有螺母支撑座，丝杠螺母副4-4的螺母与螺母支撑座固定连接，丝杠一端由支撑法兰支撑，丝杠的另一端由丝杠铰支座支撑，由支撑法兰支撑的丝杠的端头通过联轴器与精密伺服电机的轴固定连接，伺服电机通过支撑法兰与主轴箱体刚性连接，在主轴箱体的另一端固定安装有主轴安装底板，主轴单元固定安装在主轴安装底板上；主轴安装底板底面设有夹头，夹头安装固定加工刀具。

5.根据权利要求3所述的三自由度机床，其特征在于：所述2个半圆环形底座通过两个U型底板固接于α轴环形模组的2个扇形平台上。