[发明专利]一种差动螺旋机构及基于差动螺旋机构的多轴机床

说明书

技术领域

本发明涉及一种差动螺旋机构及基于差动螺旋机构的多轴机床，它是一种双自由度螺旋传动机构和基于螺旋机构的具有多个数控轴的数控机床，属于机械加工技术和装备领域。

背景技术

目前的各种四轴以上的数控机床绝大部分采用串联机构的原理,即一般由两条传动链同时从机床底座出发并分别延伸到机床的主轴和工作台,用于为安装于工作台上的工件和安装于主轴上的刀具或砂轮二者之间提供由程序控制的复杂相对进给运动,从而实现对各种复杂结构件的加工。这类机床因为采用的是串联结构,因此相邻的两个运动单元中离机床底座远的总是叠加于离机床底座较近的运动单元之上,每个运动平台需要移动的质量或惯量总是叠加于其上的所有运动平台的质量或惯量之和,越接近机床底座的运动单元的质量或惯量就越大,这使得底层运动平台在实现高加速度运动时需要更大的驱动力,这也是常规串联结构数控机床运动加速度难以获得显著提高的重要原因，目前能达到的机床加速度大多数在0.3g-3g之间，要进一步提高需要付出更加高昂的代价。采用并联机床可有效解决运动平台加速度过低问题，但六自由度并联机床的刚性很差，难以承受切削加工过程的重载荷，因此出现了将并联机床和串联机床组合在一起的串并联机床，这类机床同时具有高加速度特性和高刚度特性，因此在铝合金结构件加工用大型数控机床上获得成功应用，但这种采用虚拟轴的串并联机床的运动副刚性较差，且摆动范围小，不同方向的刚性不同，不适用于高精度机床，如叶片自由曲面磨床。叶片加工机床和刀具磨床是目前用于加工复杂曲面的两种典型和重要的数控机床，其轴数多达4-6轴、乃至7轴。齿轮加工机床也有需要4轴以上的结构，这些机床目前基本采用串联结构。但受到机床加速度的限制，采用螺旋加工方法加工叶片进排气边区域时弦长会缩短，加工拐角时经常出现过切，进给速度难以达到较理想值，这些问题严重限制了复杂曲面加工技术的发展、加工成本的降低和加工效率的提升。发展高加速度和高精度的数控机床势在必行。

采用传统的轻量化设计技术、直线驱动技术和增加电机功率的方法已经难以实现机床加速度的大幅度提升，因此必须另辟蹊径，从机床的机构学原理上找到更根本的解决方法。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种差动螺旋机构及基于差动螺旋机构的多轴机床，它克服了现有技术的不足，是一种利用差动螺旋机构原理的全新机床传动方式，即将数控机床的一个旋转轴和一个移动轴组合成一个螺旋轴，并利用差动原理使两个相对位置确定的电机分别驱动两个不同導程的螺母，并通过这两个螺母同时驱动一个两端具有不同導程的螺杆（其中一个螺杆的導程可为无穷大，即滚动花键），使螺杆同时做轴线方向的移动和绕轴线的旋转运动的差动螺旋动力头，并利用一个或多个螺旋动力头与其它移动或旋转运动单元共同构成出各种形式的多轴联动机床，如3-6轴机床。特别地，用两个差动螺旋动力头与一个移动运动单元构成一种全新的五轴联动叶片加工机床。

2、技术方案：为达到本发明的目的，采取以下技术方案来实现：

见图2，本发明一种差动螺旋机构，它是由螺母旋转单元1、花键套旋转单元2、丝杠花键轴3和机架4组成；它们之间的位置连接关系是:螺母旋转单元1和花键套旋转单元2固连在机架4两端，丝杠花键轴3贯穿螺母旋转单元1与花键套旋转单元2之间并在上述二单元之间运转。