一种直线电机驱动的四轴联动数控机床的制作方法

本发明涉及数控机床技术领域，具体而言，涉及一种直线电机驱动的四轴联动数控机床。

背景技术：

四轴联动数控机床是指包括x、y、z轴以及一个旋转轴的机床。传统四轴联动数控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。

技术实现要素：

为了克服传统的“旋转伺服电机+滚珠丝杠”驱动系因机械元件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙因素而造成进给运动滞后的问题，本发明提供了一种直线电机驱动的四轴联动数控机床，其具体技术方案如下：

一种直线电机驱动的四轴联动数控机床，包括立柱、底座以及安装座，所述立柱以及安装座分别固定安装在底座之上。

所述四轴联动数控机床还包括：xy轴模块，所述xy轴模块包括第一工作台、第二工作台、第一直线电机、第二直线电机、第三直线电机、第四直线电机、x轴导轨以及y轴导轨，所述x轴导轨固定安装在底座之上，所述x轴导轨与y轴导轨相互垂直，所述第一工作台的底部与x轴导轨滑动连接，所述y轴导轨固定安装在第一工作台之上，所述第二工作台的底部与y轴导轨滑动连接，所述第一直线电机以及第二直线电机分别设置于第一工作台的两侧以驱动第一工作台沿x轴导轨来回移动，所述第三直线电机以及第四直线电机分别设置于第二工作台的两侧以驱动第二工作台沿y轴导轨来回移动；za轴模块，所述za轴模块包括第一组件以及第二组件，第一组件安装在立柱的侧面之上并可沿垂直方向上下移动，所述第二组件安装在第一组件之上并可围绕x轴旋转运动。

可选的，所述第一组件包括基座、两条z轴导轨、四组导轨滑块、第五直线电机初级、第五直线电机次级、呈上下分布的两个第一支撑座以及直线光栅尺，所述基座安装在立柱的侧面之上，两条所述z轴导轨相互平行且固定安装在基座之上，所述第五直线电机初级设于两条所述z轴导轨之间并固定安装在基座之上，四组所述导轨滑块分别对称地安装在两个所述第一支撑座的底部并分别与z轴导轨滑动连接，所述第五直线电机次级固定安装于两条所述第一支撑座的底部的几何中心位置，所述直线光栅尺与z轴导轨平行且固定安装在基座的左右侧面之上。

可选的，所述第二组件包括第二支撑座、旋转组件a、连杆、旋转组件b、摆动平台、旋转组件c、u型座以及电主轴，所述第二支撑座固定安装在第一支撑座之上，所述旋转组件a固定安装在第二支撑座之上，旋转组件b固定安装在摆动平台之上，所述连杆的两端分别与旋转组件a以及旋转组件b固定连接，所述摆动平台通过旋转组件c安装在u型座的内侧，所述u型座固定安装在下面一个所述第一支撑座之上，所述电主轴固定安装在摆动平台之上。

可选的，所述第一组件还包括自锁滑块，所述自锁滑块设于每一组导轨滑块之间且固定安装在第一支撑座之上。

可选的，所述自锁滑块包括滑块座，所述滑块座之中设有u型凹槽，所述凹槽由内往外依次设有弹簧、横板、支杆、呈l字型的喷气管以及橡胶块，所述弹簧的一端与凹槽的底部固定连接，所述弹簧的另一端与横板固定连接，所述支杆的一端与横板固定连接，所支杆的另一端与橡胶块固定连接，所述橡胶块以及横板均与凹槽的内侧壁滑动密封连接，所述凹槽位于所述橡胶块与横板之间的侧壁上设有进气孔，所述凹槽的底部设有出气孔，所述喷气管的进气口与进气孔连通，所述喷气管的出气口正对横板的上表面，横板上设有至少一个通气孔。

可选的，所述自锁滑块还包括一端固定安装在凹槽的底部的圆柱体形状记忆合金，所述圆柱体形状记忆合金的轴心线与弹簧的轴心线相互平行。

本发明所取得的有益效果包括：与传统的由“旋转伺服电机+滚珠丝杠”驱动系统驱动的四轴联动数控机床相比，本发明减少了中间机械驱动环节，可以避免因机械元件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙因素而造成进给运动滞后的问题，具有结构简单紧凑和进给速度快的优点。另外，由于第一直线电机以及第二直线电机分别设置于第一工作台的两侧以驱动第一工作台沿x轴导轨来回移动，第三直线电机以及第四直线电机分别设置于第二工作台的两侧以驱动第二工作台沿y轴导轨来回移动，利用第一直线电机和第二直线电机初、次级间的法向磁吸力，以及第三直线电机和第四直线电机初、次级间的法向磁吸力，可以使得第一工作台以及第二工作台在水平方向上受力大小相等、方向相反，合力为零，可以有效抵消法向力对数控机床的影响，避免因法向力波动而导致进给系统摩擦力的波动，进而导致数控机床推力的波动的问题，可以提高机床的加工精度。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明，将重点放在示出实施例的原理上。

图1是本发明实施例中一种直线电机驱动的四轴联动数控机床的整体结构示意图；

图2是本发明实施例中xy轴模块的主视图；

图3是本发明实施例中xy轴模块的右视图；

图4是本发明实施例中xy轴模块的俯视图；

图5是本发明实施例中za轴模块的整体结构示意图；

图6是本发明实施例中za轴模块的右视图；

图7是本发明实施例中za轴模块的俯视图；

图8是本发明实施例中自锁滑块的结构示意图一；

图9是本发明实施例中自锁滑块的结构示意图二。

附图标记说明：

1、立柱；2、底座；3、安装座；4、第一工作台；5、第二工作台；6、第一直线电机；7、第二直线电机；8、第三直线电机；9、第四直线电机；10、x轴导轨；11、y轴导轨；12、基座；13、z轴导轨；14、导轨滑块；15、第五直线电机初级；16、第五直线电机次级；17、第一支撑座；18、直线光栅尺；19、第二支撑座；20、旋转组件a；21、连杆；22、旋转组件b；23、摆动平台；24、旋转组件c；25、u型座；26、电主轴；27、自锁滑块；28、滑块座；29、弹簧；30、横板；31、支杆；32、橡胶块；33、圆柱体形状记忆合金；34、xy轴模块；35、za轴模块；36、进气孔；37、出气孔；38、凹槽；39、喷气管；40、开口；41、通气孔。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明为一种直线电机驱动的四轴联动数控机床，根据附图所示讲述以下实施例：

实施例一：

如图1、图2、图3以及图4所示，一种直线电机驱动的四轴联动数控机床，包括立柱1、底座2以及安装座3，所述立柱1以及安装座3分别固定安装在底座2之上。所述四轴联动数控机床还包括：xy轴模块34和za轴模块35。所述xy轴模块34包括第一工作台4、第二工作台5、第一直线电机6、第二直线电机7、第三直线电机8、第四直线电机9、x轴导轨10以及y轴导轨11，所述x轴导轨10固定安装在底座2之上，所述x轴导轨10与y轴导轨11相互垂直，所述第一工作台4的底部与x轴导轨10滑动连接，所述y轴导轨11固定安装在第一工作台4之上，所述第二工作台5的底部与y轴导轨11滑动连接，所述第一直线电机6以及第二直线电机7分别设置于第一工作台4的两侧以驱动第一工作台4沿x轴导轨10来回移动，所述第三直线电机8以及第四直线电机9分别设置于第二工作台5的两侧以驱动第二工作台5沿y轴导轨11来回移动。za轴模块35，所述za轴模块35包括第一组件以及第二组件，第一组件安装在立柱1的侧面之上并可沿垂直方向上下移动，所述第二组件安装在第一组件之上并可围绕x轴旋转运动。

再参照图2、图3以及图4，所述第一直线电机6的初级以及第二直线电机7的初级分别固定设于安装座3的两侧，所述第一直线电机6的次级以及第二直线电机7的次级相应地设置在第一工作台4的两侧。所述第三直线电机8的初级以及第四直线电机9的初级分别固定设于第一工作台4上表面的两侧，所述第三直线电机8的次级以及第四直线电机9的次级相应地设置在第二工作台5的两侧。

xy轴模块34实现了四轴联动数控机床的x轴以及y轴运动，而za轴模块35则实现了z轴以及a轴的运动。xy轴模块34分别通过第一直线电机6驱动，与传统的由“旋转伺服电机+滚珠丝杠”驱动系统驱动的四轴联动数控机床相比，减少了中间机械驱动环节，可以避免因机械元件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙因素而造成进给运动滞后的问题，具有结构简单紧凑和进给速度快的优点。另外，由于所述第一直线电机6以及第二直线电机7分别设置于第一工作台4的两侧以驱动第一工作台4沿x轴导轨10来回移动，所述第三直线电机8以及第四直线电机9分别设置于第二工作台5的两侧以驱动第二工作台5沿y轴导轨11来回移动，利用第一直线电机6和第二直线电机7初、次级间的法向磁吸力，以及第三直线电机8和第四直线电机9初、次级间的法向磁吸力，可以使得第一工作台4以及第二工作台5在水平方向上受力大小相等、方向相反，合力为零，可以有效抵消法向力对数控机床的影响，避免因法向力波动而导致进给系统摩擦力的波动，进而导致数控机床推力的波动的问题，可以提高机床的加工精度。

实施例二：

本实施例应当理解为包含前述实施例全部技术特征，并在前述实施例的基础上做进一步的具体描述。

如图5以及图6以及图7所示，所述第一组件包括基座12、两条z轴导轨13、四组导轨滑块14、第五直线电机初级15、第五直线电机次级16、呈上下分布的两个第一支撑座17以及直线光栅尺18，所述基座12安装在立柱1的侧面之上，两条所述z轴导轨13相互平行且固定安装在基座12之上，所述第五直线电机初级15设于两条所述z轴导轨13之间并固定安装在基座12之上，四组所述导轨滑块14一共八个且分别对称地安装在两个所述第一支撑座17的底部并分别与z轴导轨13滑动连接，也就是每一个所述第一支撑座17的底部设有两组导轨滑块14，所述第五直线电机次级16固定安装于两条所述第一支撑座17的底部的几何中心位置，所述直线光栅尺18与z轴导轨13平行且固定安装在基座12的左右侧面之上。所述第二组件包括第二支撑座19、旋转组件a20、连杆21、旋转组件b22、摆动平台23、旋转组件c24、u型座25以及电主轴26，所述第二支撑座19固定安装在第一支撑座17之上，所述旋转组件a20固定安装在第二支撑座19之上，旋转组件b22固定安装在摆动平台23之上，所述连杆21的两端分别与旋转组件a20以及旋转组件b22固定连接，所述摆动平台23通过旋转组件c24安装在u型座25的内侧，所述u型座25固定安装在下面一个所述第一支撑座17之上，所述电主轴26固定安装在摆动平台23之上。

基座12是一个整体式u型槽状中空铸件，底面两侧有安装孔用于与立柱1固定连接，旋转组件a20、旋转组件b22以及旋转组件c24分别是一堆回转部件，能绕其自身轴线进行260度旋转。连杆21两端过盈配合安装有与旋转组件a20以及旋转组件b22相配合的回转轴。

摆动平台23是一个方形的型腔结构，其底部设有安装定位孔，用于安装固定电主轴26，所述电主轴26采用交流变频电主轴26。

第一组件以及第二组件分别能够实现沿z轴移动和绕x轴转动（即a轴）的两自由度运动，且a轴偏转最大能达90度，可以实现电主轴26的立卧转换加工功能。

实施例三：

本实施例应当理解为包含前述实施例全部技术特征，并在前述实施例的基础上做进一步的具体描述。

如图8所示，所述第一组件还包括自锁滑块27，所述自锁滑块27设于每一组导轨滑块14之间且固定安装在第一支撑座17之上。所述自锁滑块27包括滑块座28，所述滑块座28之中设有u型凹槽38，所述凹槽38由内往外依次设有弹簧29、横板30、支杆31、喷气管39以及橡胶块32，所述弹簧29的一端与凹槽38的底部固定连接，所述弹簧29的另一端与横板30固定连接，所述支杆31的一端与横板30固定连接，所支杆31的另一端与橡胶块32固定连接，所述橡胶块32以及横板30均与凹槽38的内侧壁滑动密封连接，所述凹槽38位于所述橡胶块32与横板30之间的侧壁上设有进气孔36，所述凹槽38的底部设有出气孔37。所述喷气管39的进气口与进气孔36连通，所述喷气管39的出气口正对横板30的上表面。作为一种优选的技术方案，如图8以及图9所示，支杆31中部开设有贯穿支杆31的开口40，喷气管39由硬质塑料或者不锈钢制成，其包括一个进气口以及两个出气口，喷气管39穿过开口40并且喷气管39的两个出气口分别位于支杆31的两侧，开口40的高度大于喷气管39的直径。横板30上设有至少一个贯穿横板30上下表面的通气孔41，通气孔41的位置与喷气管39的出气口位置相互错开。喷气管39设置两个分别位于支杆31两侧的出气口，可以使横板30受到均衡的气流压力，以更好地通过气流驱动横板30、支杆31以及橡胶块32往下移动。开口40的高度大于喷气管39的直径的作用是为了使喷气管39可以穿过开口40且使得横板30在气流的喷射压力下可以向下移动。横板30、支杆31以及橡胶块32在气流喷射压力下移动的距离取决于喷气管39与开口40之间的间隙距离，该间隙距离可以根据实际需要进行设定，在此不再赘述。为了使从喷气管39喷射出来的空气可以快速从通气孔41排泄出去，通气孔41设有两个以上且直径大于喷气管39的内径。其中，本发明以横板30与支杆31相接触表面为上，以横板30与弹簧29相接触面为下。

在自由状态下，自锁滑块27在弹簧29预压弹力作用下，抱死z轴导轨13，此时产生垂直向上的静摩擦力，可以锁住第五直线电机初级15，防止第一组件以及第二组件因自重滑落。在工作状态，通过进气孔36以及喷气管39往凹槽38内通气，一定压力气流经由喷气管39的出气口推动横板30往下移动，并克服弹簧29预压弹力，带动支杆31以及橡胶块32往下移动，自锁滑块27与z轴导轨13之间的静摩擦力消失，可以解锁第一组件以及第二组件并使其可以在z轴上自由往复运动。

如图9所示，所述自锁滑块27还包括一端固定安装在凹槽38的底部的圆柱体形状记忆合金33，所述圆柱体形状记忆合金33的轴心线与弹簧29的轴心线相互平行。圆柱体形状记忆合金33具有随着温度升高而体积沿轴向膨胀的特性，并在当超过预设温度范围时，该圆柱体形状记忆合金33能够伸长并克服弹簧29弹力，推动横板30、支杆31以及橡胶块32往z轴导轨13方向运动以抱紧z轴导轨13。通过设置圆柱体形状记忆合金33，可以在za轴模块35温度过高时，利用机械方式锁死第一组件，避免四轴联动数控机床因高温工作而造成的意外事故。

综上所述，本发明公开的一种直线电机驱动的四轴联动数控机床，所产生的有益技术效果包括：与传统的由“旋转伺服电机+滚珠丝杠”驱动系统驱动的四轴联动数控机床相比，本发明减少了中间机械驱动环节，可以避免因机械元件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙因素而造成进给运动滞后的问题，具有结构简单紧凑和进给速度快的优点。另外，由于第一直线电机以及第二直线电机分别设置于第一工作台的两侧以驱动第一工作台沿x轴导轨来回移动，第三直线电机以及第四直线电机分别设置于第二工作台的两侧以驱动第二工作台沿y轴导轨来回移动，利用第一直线电机和第二直线电机初、次级间的法向磁吸力，以及第三直线电机和第四直线电机初、次级间的法向磁吸力，可以使得第一工作台以及第二工作台在水平方向上受力大小相等、方向相反，合力为零，可以有效抵消法向力对数控机床的影响，避免因法向力波动而导致进给系统摩擦力的波动，进而导致数控机床推力的波动的问题，可以提高机床的加工精度。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。