多驱动单元组成的进给系统

摘要

本发明公开了一种多驱动单元组成的进给系统，包括工作台，工作台通过导轨与基体相联，双驱动单元分别设置在工作台上部两侧，在工作台下部设置另外的驱动单元。本发明所述进给系统结构实现工作台重心位置在垂直于驱动力方向平面内任意变化时，驱动力及外力形成的相对重心的力矩均得到补偿，最大程度抑制进给系统机械振动；可提高进给系统加速度；可提高工件加工的表面质量。

权利要求

一种多驱动单元组成的进给系统，其特征是：包括工作台，工作台通过导轨与基体相联，双驱动单元分别设置在工作台上部两侧，在工作台下部设置另外的驱动单元；工作台呈阶梯形，双驱动单元分别布置在工作台上部两侧的阶梯上，导轨设置在工作台中部两侧的阶梯上，另外的驱动单元至少有一个，且设置在工作台底部；双驱动单元为双滚珠丝杠，另外的驱动单元为一个直线电机，且直线电机的动子与工作台底部固连，直线电机的定子与基体固连；工作台加装工件后的重心位置W在Y轴方向变化时，双滚珠丝杠驱动力Fdl、Fdr和直线电机驱动力Fdm的大小和方向满足式(1)可补偿驱动力和外力相对工作台重心的Z轴外力相对重心等效力矩Mz，Fdl(c‑ydr)‑Fdrydr‑Fdmydm‑Mz＝0        (1)式(1)中，ydr、ydm和c分别为Fdr、Fdm距重心W的间距和双驱动单元间距；工作台加装工件后的重心位置W在Z轴方向升高时，双丝杠驱动力Fdl、Fdr和直线电机驱动力Fdm的大小和方向满足公式(2)可补偿驱动力和外力相对工作台重心的Y轴外力相对重心等效力矩My，Fdmzdm‑(Fdl+Fdr)zdr‑My＝0      (2)式(2)中，zdm和zdr分别为Fdm、Fdr与重心W的间距。

2.根据权利要求1所述的多驱动单元组成的进给系统，其特征是：工作台上设置减轻 工作台重量的工艺孔。

说明书

多驱动单元组成的进给系统

技术领域：

[0001] 本发明涉及一种进给系统机械结构设计领域，特别是关于数控机床领域的进给平 台驱动单元（伺服电机+滚珠丝杠或直线电机等驱动力输出系统）布置和平台结构形式。背景技术：

[0002] 在数控机床领域，承载工件、主轴和转台等的进给系统得到广泛应用，在高速高精 度的数控加工中心中对进给系统的加速度、进给速度和精度等指标提出了更高的要求。传 统单伺服电机+滚珠丝杠或直线电机直接驱动进给系统（以滚珠丝杠为例）。因工作台中 间有机床零部件，或考虑平台结构刚度等因素，不能让驱动单元直接通过其重心W。在高切 削速度尤其在较大进给速度条件下，有使运动部件产生扭转的趋势。上述不可避免的扭转 运动和由于运动件产生的惯性作用，都会引起机床的振动，甚至使机床构件例如机床床身 或立柱等铸件等发生弯曲和变形。

[0003] 目前解决上述问题的方法有三，一是尽可能提高丝杠、导轨等功能部件和机床自 身结构刚度，此时进给系统成本高，机床结构变复杂，重量大；二是从伺服控制角度，抑制平 台振动，此方案作用有限，且不具备通用性；三是采用日本森精机公司提出的基于重心驱动 (DCG-Drive atCenter of Gravity)原理的采用双驱动单元的进给系统机械结构设计理 念。在日本专利JP9262727中，述及一种基于用于卧式加工中心的机床进给系统结构，该结 构采用双直线电机在平台双边驱动。在日本专利US2005031429-A1、US2005032616-A1和 US20060143889-A1中，述及一种立式加工中心，其中Y轴和Z轴进给系统采用上述基于DCG 的双丝杠双边驱动结构。上述采用双丝杠的进给系统结构中驱动单元布置形式和平台结 构（双丝杠驱动为例），将工作台通过导轨联结到基体，在各导轨外侧布置滚珠丝杠驱动单 元，且使工作台重心位置W与双丝杠推力作用点（丝杠轴线）在同一平面内。上述基于DCG 的进给系统结构可有效抑制机床振动。当工作台重心位置W(加装工件）在Y轴方向变化 时，通过控制双丝杠驱动力Fdl和Fdr的大小满足下式可补偿驱动力和外力相对工作台重心 的Z轴力矩Mz。

[0004] Fdl(c-ydr)-Fdr7dr-Mz = O

[0005] 式中，ydr和c分别为Fto与重心W的间距和c为双驱动单元间距。工作台和工件 的合重心位置W在Z轴方向有升高时，驱动力Fdl、Fdr和外力F相对重心的Y轴力矩My同方 向，无法得到补偿。但上述发明中的基于DCG原理的进给系统结构设计思路可作为解决该 类问题的重要方法。发明内容：

[0006] 本发明的目的在于提供一种结构合理，可有效抑制因进给系统工作台重心位置变 化导致引起的机床振动的多驱动单元组成的进给系统。

[0007] 本发明的技术解决方案是：

[0008] 一种多驱动单元组成的进给系统，其特征是：包括工作台，工作台通过导轨与基体相联，双驱动单元分别设置在工作台上部两侧，在工作台下部设置另外的驱动单元。

[0009] 工作台呈阶梯形，双驱动单元分别布置在工作台上部两侧的阶梯上，导轨设置在 工作台中部两侧的阶梯上，另外的驱动单元至少有一个，且设置在工作台底部。

[0010] 双驱动单元为双滚珠丝杠，另外的驱动单元为一个直线电机，且直线电机的动子 与工作台底部固连，直线电机的定子与基体固连。工作台加装工件后的重心位置W在Y轴 方向变化时，双滚珠丝杠驱动力Fdl、Fto和直线电机驱动力Fdffl的大小和方向满足式（1)可 补偿驱动力和外力相对工作台重心的Z轴外力相对重心等效力矩Mz，[0011 ] Fdl (c-ydr) -FdrYdr-Fdfflydffl-Mz = 0(1)

[0012] 式（1)中，ΥΛ、Υ(1ω*(3分别为FpFdm距重心W的间距和双驱动单元间距；

[0013] 工作台加装工件后的重心位置W在Z轴方向升高时，双丝杠驱动力Fdl、Fdr和直线 电机驱动力Fdm的大小和方向满足公式（2)可补偿驱动力和外力相对工作台重心的Y轴外 力相对重心等效力矩My，_4] FdfflZdffl-(Fd^Fdr)Zdr-My = 0(2)

[0015] 式⑵中，Zdm和Zdr分别为Fdm, Fdr与重心W的间距。

[0016] 双驱动单元为双滚珠丝杠，另外的驱动单元为另外的双丝杠驱动单元，且所述另 外的双丝杠驱动单元分别对称布置于工作台导轨以下部分两侧。

[0017] 工作台呈矩形，双驱动单元分别布置在工作台上部两侧，另外的驱动单元有二个， 且设置在工作台中下部分的两侧。

[0018] 工作台上设置减轻工作台重量的工艺孔。

[0019] 本发明所述进给系统结构实现工作台重心位置在垂直于驱动力方向平面内任意 变化时，驱动力及外力形成的相对重心的力矩均得到补偿，最大程度抑制进给系统机械振 动；可提高进给系统加速度；可提高工件加工的表面质量。附图说明：

[0020] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0021] 图1是本发明实施例1的结构示图。

[0022] 图2是实施例1的Z方向示图。

[0023] 图3是实施例1的Y方向示图。

[0024] 图4是实施例2的结构示图。

[0025] 图5是实施例3的结构示图。具体实施方式：

[0026] 实施例1 ：

[0027] 图1是本发明中采用双滚珠丝杠加直线电机的三驱动单元进给系统结构和驱动 单元布置形式的一种可行结构的X方向示意图。图中工作台14采用阶梯形结构，为减小工 作台重量在其上开出工艺孔15，工作台14通过导轨13a和13b联结到基体16上，双滚珠丝 杠Ila和lib分别布置于工作台14两侧，直线电机12动子12a与工作台14底部固联，定 子12b固联到基体16，直线电机12不局限于布置于工作台14底部对称中心。本发明中，不 要求工作台14重心位置与双驱动单元Ila和lib推力作用点在同一平面内。本发明可通过控制多驱动单元驱动力大小和方向补偿Y轴和Z轴的外力矩，保证X轴驱动力通过工作 台14重心位置W，实现DCG驱动。

[0028] 图2是本发明中上述结构中的Z方向示意图。工作台14重心位置W(加装工件 17)在图示Y轴方向变化时，双丝杠驱动力Fdl、Fdr和直线电机驱动力Fdm的大小和方向满足 公式（2)可补偿驱动力和外力相对工作台重心的Z轴外力相对重心等效力矩Mz。

[0029] Fdl (c-ydr) -Fdrydr-Fdfflydffl-Mz = 0 (2)

[0030] 式（2)中，yto、Ydn^Pc分别为FpFdm距重心W的间距和双驱动单元间距。

[0031] 图3是本发明中上述结构中Y方向示意图，工作台14和工件17的合重心位置W 在Z轴方向由升高时，双丝杠驱动力Fdl、Fdr和直线电机驱动力Fdffl的大小和方向满足公式 (3)可补偿驱动力和外力相对工作台重心的Y轴外力相对重心等效力矩My。

[0032] FdfflZdffl- (Fdl+Fdr) Zdr-My = 0 (3)

[0033] 式⑵中，Zdm和Zdr分别为Fdm, Fdr与重心W的间距。

[0034] 多驱动单元进给系统中驱动单元配置形式和平台结构要求：(a)双边驱动单元类 型相同，（b)底部驱动单元不必相对双边驱动单元对称布置且不限制为一个驱动单元，（c) 平台重心不必与双边驱动单元作用力同平面。采用驱动单元不限为直线电机或滚珠丝杠寸。

[0035] 实施例2 ：

[0036] 图4中的进给系统结构为用于装载转台20的采用4驱动单元的配置形式的X轴 方向示意图。用于转台在Z轴方向限制图3中第三驱动单元的配置的情况。图中工作台21 同样采用梯形结构，且其上开具工艺孔22，工作台21通过导轨19a和19b联结到基体23 上，双驱动单元（以丝杠为例）18a和18b分别对称布置于工作台21中导轨以上部分两侧， 另外双驱动单元18c和18d分别对称布置于工作台21中导轨以下部分两侧。

[0037] 实施例3 ：

[0038] 图5中的进给系统结构为用于装载主轴28的亦采用4驱动单元的配置形式的X 轴方向示意图。该结构适用于主轴在Z轴方向限制图3中第三驱动单元的配置的情况。图 中工作台26采用矩形结构，且其上开具工艺孔27，工作台26通过导轨25a和25b联结到基 体29上，双驱动单元（以丝杠为例）24a和24b分别对称布置于工作台26中上部分两侧， 另外双驱动单元24c和24d分别对称于工作台26中下部分两侧。