专利名称：直线电机驱动的z-a两自由度并联主轴平台的制作方法
技术领域：
直线电机驱动的Z-A两自由度并联主轴平台
(一) 技术领域
本实用新型涉及一种用于并联机床中由直线电机驱动的Z-A两自由度并联
主轴平台，属于机械工程。
(二) 背景技术-
并联机床，又称虚(拟)轴机床是20世纪90年代中期问世的新型数控加 工设备。自第一台完全六自由度并联机床在美国推出以来，各国都相继推出了 各式的并联机床原型样机。由于多自由度并联机床存在运动学建模复杂、运动 耦合和加工精度较低等诸多不足，而且在许多情况下用户并不需要六自由度机 床，低于六自由度即可满足实际加工要求。因此，少自由度并联机床已成为当 前并联机床的研究热点。并联机床与传统机床相比具有结构简单、刚度高、承 载能力强、动态特性好等诸多优点，但也存在作业空间小、作业空间中的运动 干涉和奇异等缺点。同时，并联机床的并联主轴偏转范围较小也是个问题，一 般在30° 60°范围内。
(三) 实用新型内容 本实用新型的目的是提供一种直线电机驱动的Z-A两自由度并联主轴平台，
该并联主轴平台兼有并联机构的诸多优点，同时A轴偏转可达±90° 。该并联 主轴平台由直线电机直接驱动，应用于少自由度并联机床中，可实现较大的作 业空间，且在运动过程中无运动干涉和运动奇异产生。
本实用新型的一种直线电机驱动的Z-A两自由度并联主轴平台，由静平台1 、 立柱2、直线电机动子3和直线电机定子4、自锁装置、两个移动副组件、两个 旋转副组件A 12、两个连杆组件13、 一个伸縮杆组件、三个旋转副组件B 16、 动平台组件17和主轴部件18组成；其中
该静平台1是一个长方形的平面，用于定位和固定立柱2及摩擦柱8;在其 中心位置有一圆形孔，用于安装固定伸縮杆组件；
该立柱2是一个U型槽状整体部件，槽底部用于安装固定直线电机定子4， 槽顶部两边用于安装固定直线导轨9;
该直线电机定子4固定安装在立柱2上，直线电机动子3直接与移动副组 件相连，构成直线电机直接驱动系统；
该自锁装置是一组由单作用压出型气缸6、气缸座5、摩擦片7和摩擦柱8
组成的摩擦支承系统，气缸为一种单作用压出型气缸，均匀分布在移动副组件 的四角；摩擦片7为一种耐磨材料，直接与气缸活塞杆相连；
该移动副组件由直线导轨9、滑块10和运动基座11组成，直线导轨9固定 在立柱2上，运动基座11与滑块10相连，可沿导轨作Z轴往复移动；
该旋转副组件是一对回转部件，能绕其自身轴线进行360。旋转；旋转副组 件A和旋转副组件B结构相同，区别就是各自回转半径大小不同；
该连杆组件13是一个近似V型的板状部件，其两端焊接有与旋转副组件A 12 和旋转副组件B 16相配合的回转轴，从而构成一个整体部件；
该伸縮杆组件由伸縮杆14和一个U型拨叉15组成，U型拨叉15顶部直接 与伸縮杆14固定连接，U型口两端与旋转副组件B 16配合，能绕其轴线回转；
该动平台组件17是一个几何对称的多边形平台，上面设有安装螺纹孔；
该主轴部件18可采用交流伺服电主轴，也可采用交流变频电主轴。
上述部件间的结构连接关系是两个立柱2平行对置分布，分别与静平台l 连接固定；两个移动副组件平行对置于两立柱2上，两个连杆组件13两端通过 旋转副组件A 12和旋转副组件B 16分别与移动副组件和动平台组件17相连， 从而构成2-PRR (P-移动副，R-旋转副)支链；伸縮杆组件一端固定在静平台的 中心位置，另一端通过旋转副组件B 16与动平台组件17相连，从而对动平台 组件17起到辅助支承和冗余约束作用；主轴部件18安装在动平台组件17上； 动平台组件17带动主轴部件18在冗余约束作用下，可相对静平台作Z轴移动 和进行A轴偏转。
本实用新型一种直线电机驱动的Z-A两自由度并联主轴平台，其优点是 Z-A两自由度并联主轴平台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，可达±90° 。另外，其它一些结构特 点是基于直线电机直接驱动技术，该并联主轴平台能获得较高的运动速度、 加速度和精度；增加伸縮杆组件连接，提高了该并联主轴平台的结构刚性，并 消除了运动奇异；当移动副组件沿Z轴完全同步运动时，可实现该主轴平台的 重心驱动，有效地抑制了主轴在高速运动时的振动问题。
图1为本实用新型的立体结构示意图。
图2为本实用新型的主视图。
图3为本实用新型的仰视图。图4为本实用新型的左视图。
图5为本实用新型的A-A向剖视图。
图中标号及符号说明如下
1静平台 2立柱
4直线电机定子 5气缸座
7摩擦片 8摩擦柱
10滑块 11运动基座
13连杆组件 14伸縮杆
3直线电机动子
6单作用压出型气缸
9直线导轨
12旋转副组件A
15 U型拨叉
16旋转副组件B 17动平台组件 18主轴部件
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。
本实用新型一种直线电机驱动的Z-A两自由度并联主轴平台，包括有静 平台1、立柱2、直线电机动子3、直线电机定子4、自锁装置、两个移动副组 件、两个旋转副组件A12、两个连杆组件13、伸縮杆14、 U型拨叉15、三个旋 转副组件B 16、动平台组件17和主轴部件18;
如图1所示，两个U型槽状立柱2平行对置分布，通过螺钉连接分别与静 平台1固定，直线电机定子4用螺钉分别固定在立柱2中的U型凹槽内，四个 摩擦柱8也用蠊钉与静平台1连接，并固定在如图1所示的位置上。
如图1、 2所示，移动副组件包括有直线导轨9、滑块10和运动基座11; 两组直线导轨9用螺钉分别固定在立柱2的U型口端面上，每组中的一对直线 导轨9平行放置；四组滑块10分别置于两组直线导轨9上，每组直线导轨9对 称放置两组滑块10;运动基座11用螺钉与滑块IO连接固定，同时直线电机动 子3与运动基座11用螺钉固定连接；直线电机动子3直接驱动运动基座11和 与此固定连接的滑块IO，沿直线导轨9作Z轴往复直线运动。因基于直线电机 直接驱动技术，故该移动副组件中的运动基座11和滑块10可实现高速、高加 速和高精度的直线运动。
如图3、 4所示，自锁装置包括气缸座5、单作用压出型气缸6、摩擦片7 和摩擦柱8;两组(共八个)气缸座5用螺钉直接固定在运动基座11的四个边 角上，两组(共八个)单作用压出型气缸6用螺栓固定在气缸座5上，两组(共 八个)摩擦片7分别与气缸6的活塞杆顶端螺纹连接固定，四个摩擦柱8对称 放置于静平台1的前后两侧，并用螺钉与静平台1连接固定，各部件形状及详 细安装结构如图3所示。在自由状态或未工作状态下，气缸6在气缸内弹簧的
作用下，压出气缸6的活塞杆，使得同活塞杆顶端固定连接的摩擦片7紧紧的 压住摩擦柱8，此时产生垂直向上的静摩擦力，从而锁住直线电机动子3和移动 副组件因自重而下滑；在工作状态下，给气缸6通气，气缸6的活塞杆在气压 作用下克服气缸内弹簧作用力，压进气缸6的活塞杆，使得同活塞杆顶端固定 连接的摩擦片7与摩擦柱8分离，此时两者之间的静摩擦力消失，从而解锁让 直线电机动子3和移动副组件可在Z轴上自由往复运动。
如图l、 2、 3和5所示，两个旋转副组件A 12用螺钉分别与移动副组件中 的运动基座11连接固定，两个连杆组件13两端焊接有回转轴，上端焊接的回 转轴分别与两个旋转副组件A 12连接配合，下端焊接的回转轴分别与另两个旋 转副组件B 16连接配合，旋转副组件B 16用螺钉对称固定于动平台组件17的 左右两边，从而形成并联机构的2-PRR (P-移动副，R-旋转副)支链。伸縮杆 14的上端与静平台1相连，并通过静平台1上的中心孔用螺钉固定在静平台1 上，伸縮杆14的下端用螺栓与一 U型拨叉15上部拨叉柄连接固定，U型拨叉下 部与旋转副组件B 16连接配合，能绕其轴线旋转，旋转副组件B 16放置于动 平台组件17中心线上的前后两端位置，并用螺钉固定，从而形成具有冗余约束 作用的伸縮杆支链，同时该支链对动平台组件17也起到辅助支承作用。在伸縮 杆支链冗余约束作用下，消除了动平台组件17的运动奇异，故动平台组件17 只能作Z轴移动和A轴偏转两自由度运动；在伸縮杆支链辅助支承作用下，提 高了该并联主轴平台的结构刚性。主轴部件18安装在动平台组件17上，动平 台组件17带动主轴部件18可相对静平台1作Z轴移动和A轴偏转运动，且A 轴偏转可达±90° 。
如图2、 5所示，动平台组件17完全结构对称，主轴部件18安装在动平台 组件17上后，故主轴重心在其中心位置。当两直线电机动子3完全同步运动时， 安装在动平台组件17上的主轴部件18相对于静平台1将会产生Z轴的平动； 因动平台组件17和主轴部件18的重心在两连杆组件13末端连线的中心线位置 上，因此可实现该并联主轴平台的重心驱动，可有效地抑制主轴部件18在高速 运动时的振动，提高加工精度。当两直线电机动子3中只有一个运动时，安装 在动平台组件17上的主轴部件18相对于静平台1将会产生偏转运动，即A轴 偏转运动。当两直线电机动子3同时运动，但运动速度不同时，安装在动平台 组件17上的主轴部件18相对于静平台1将会同时产生平动和偏转运动，即Z 轴的上下移动和A轴的偏转运动。
权利要求1、一种直线电机驱动的Z-A两自由度并联主轴平台，其特征在于该装置由静平台(1)、立柱(2)、直线电机动子(3)和直线电机定子(4)、自锁装置、两个移动副组件、两个旋转副组件A(12)、两个连杆组件(13)、一个伸缩杆组件、三个旋转副组件B(16)、动平台组件(17)和主轴部件(18)组成；该静平台(1)是一个长方形的平面，定位和固定立柱(2)及摩擦柱(8)；在其中心位置有一圆形孔，安装固定伸缩杆组件；该立柱(2)是一个U型槽状整体部件，槽底部用于安装固定直线电机定子(4)，槽顶部两边用于安装固定直线导轨(9)；该直线电机定子(4)固定安装在立柱(2)上，直线电机动子(3)直接与移动副组件相连，构成直线电机直接驱动系统；该自锁装置是一组由单作用压出型气缸(6)、气缸座(5)、摩擦片(7)和摩擦柱(8)组成的摩擦支承系统，单作用压出型气缸均匀分布在移动副组件的四角；摩擦片(7)直接与气缸活塞杆相连；该移动副组件由直线导轨(9)、滑块(10)和运动基座(11)组成，直线导轨(9)固定在立柱(2)上，运动基座(11)与滑块(10)相连；该旋转副组件是一对能绕其自身轴线进行360°旋转的回转部件，回转半径大小不同的旋转副组件A和旋转副组件B结构相同；该连杆组件(13)是一个近似V型的板状部件，其两端焊接有与旋转副组件A(12)和旋转副组件B(16)相配合的回转轴，从而构成一个整体部件；该伸缩杆组件由伸缩杆(14)和一个U型拨叉(15)组成，U型拨叉(15)顶部直接与伸缩杆(14)固定连接，U型口两端与旋转副组件B(16)配合；该动平台组件(17)是一个几何对称的多边形平台，上面设有安装螺纹孔；上述部件间的结构连接关系是两个立柱(2)平行对置分布，分别与静平台(1)连接固定；两个移动副组件平行对置于两立柱(2)上，两个连杆组件(13)两端通过旋转副组件A(12)和旋转副组件B(16)分别与移动副组件和动平台组件(17)相连，构成2-PRR支链；伸缩杆组件一端固定在静平台(1)的中心位置，另一端通过旋转副组件B(16)与动平台组件(17)相连；主轴部件(18)安装在动平台组件(17)上。
2、 根据权利要求1所述的直线电机驱动的Z-A两自由度并联主轴平台，其特征在于该主轴部件(18)采用交流伺服电主轴。
3、根据权利要求1所述的直线电机驱动的Z-A两自由度并联主轴平台，其特征在于该主轴部件(18)采用交流变频电主轴。
专利摘要一种直线电机驱动的Z-A两自由度并联主轴平台，由静平台、立柱、直线电机定子和动子、自锁装置、移动副组件、旋转副组件A、B、连杆组件、伸缩杆组件、动平台组件和主轴部件组成；静平台呈平面状；立柱呈槽状；直线电机定子设在立柱上、动子连接移动副组件；自锁装置有气缸、气缸座、摩擦片和摩擦柱；移动副组件有由直线导轨、滑块和运动基座；旋转副组件为回转部件；连杆组件呈V型状；伸缩杆组件有伸缩杆及U型拨叉；动平台组件呈几何对称多边形。连接关系是立柱与静平台连接；移动副组件置于立柱上；连杆组件经旋转副组件A、B分别与移动副组件和动平台组件相连；伸缩杆组件一端连静平台，另一端经旋转副组件B连接动平台组件；主轴部件设在动平台组件上。
文档编号B23Q1/25GK201052577SQ20072016959
公开日2008年4月30日 申请日期2007年7月6日 优先权日2007年7月6日
发明者强 刘, 袁松梅, 静 陈, 陈华伟 申请人:北京航空航天大学