技术领域
[0001] 本
发明属于精密数控机床技术领域,涉及一种适用于大尺度全行程宏微驱动、全
载荷的精密超精密数控机床的宏微驱动进给系统,具体涉及滚珠丝杠副
压电致动器串联宏微驱动及其导轨装置。
背景技术
[0002] 随着科学技术的发展,高
精度零件的加工需求越来越多,超精密加工精度已经开始进入
纳米级,因此微米、亚微米、纳米级的精密和超精密数控机床成为高端数控机床的重要发展方向之一。机床进给系统是影响机床整机性能的关键因素之一。驱动、传动、导向装置对进给系统性能影响很大。提高大尺度、全载荷超精密加工机床进给精度的有效途径之一是采用宏驱动和微驱动相结合的宏微驱动进给系统,由宏驱动实现加工尺寸及轮廓,由微驱动进行尺寸、轮廓的误差补偿,从而达到超精密加工要求。
[0003] 直线进给宏微驱动系统的微
驱动器主要采用压电致动器或
磁致伸缩致动器,宏驱动部分主要有直线
电机直接驱动和
伺服电机经滚珠丝杠副驱动两种形式。宏驱动和微驱动相结合的方式有两种:一种方式是宏驱动和微驱动直接串联的方式,即各个进给轴均由宏驱动和微驱动串联组成,例如具有Z轴和X轴进给运动的宏微驱动数控
车床,Z轴和X轴都分别由宏驱动和微驱动串联组成;另一种方式是宏驱动和微驱动装置分离,宏驱动形式与常规机床一样,微驱动装置可以设计成独立部件,可以安装在其他任何
位置,例如具有Z轴和X轴进给运动的宏微驱动数控车床,可以采用X、Z轴的宏驱动与常规机床一样分别设置,而将X和Z轴微驱动设计成独立的XZ双轴微驱动部件,安装在刀架处。
[0004] 直线进给机构中,如X轴进给机构,外载荷可以包括Fx、FZ、FY3项
力及MX、MY、MZ3项力矩等6项全载荷,其中进给方向的外载荷Fx由X轴驱动机构承受,其余外载荷FZ、FY及MX、MY、MZ全部由导轨副承受。上面所述的宏微直接串联方式中的滚珠丝杠副与微驱动器串联方式、直线电机与微驱动器串联方式和微驱动装置独立部件方式,三者对导向的要求及导轨装置各不相同。后两种形式没有滚珠丝杠副,不存在
螺母的导向问题,只有驱动力而无驱动力产生的力矩。对于第一种方式,虽然外载荷中的FZ、FY及MX、MY、MZ全部由导轨副承受,但进给方向的外载荷Fx是由滚珠丝杠副承受的,滚珠丝杠副驱动力Fx将产生与Fx相应的驱动
扭矩MX,而且滚珠丝杠与微驱动器不同轴时,滚珠丝杠副驱动力Fx还将产生与Fx相应的驱动弯矩MY(或MZ),(为了与外载荷力矩区分,可将驱动力所产生的扭矩及弯矩称为驱动力矩),在滚珠丝杠副与微驱动器串联方式中螺母将与微驱动器串联连接,而微驱动器不能承受或只能承受微小力矩(扭矩、弯矩)。因此对于采用滚珠丝杠副与微驱动器串联方式的大尺度、全载荷超精密加工机床精密进给系统,螺母的导向装置(导轨)是关键。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供了滚珠丝杠副压电致动器串联全程范围宏微驱动、导向性能好、承载能力强,可用于大尺度全行程、大载荷的宏微驱动精密进给装置。
[0006] 本发明所采用的技术方案是,一种滚珠丝杠副压电致动器串联宏微驱动及导轨装置,包括呈上下设置的滑台和滑座,滑台与滑座之间设置有1个滚珠丝杠副和2个滑台导轨副,2个滑台导轨副分别位于滚珠丝杠副的两侧;所述滑台导轨副由导轨条A及嵌在导轨条A上的两个滑
块A组成;滚珠丝杠副由滚珠丝杠及套在滚珠丝杠上的螺母组成;螺母上设置有螺母座;螺母座上设置有螺母座导轨副、微动台和压电致动器;压电致动器的一端与螺母座固定连接,另一端与微动台固定连接;微动台和滑块A的上表面固定在滑台的下表面,2个导轨条A固定在滑座的上表面。
[0007] 其特征在于,螺母座由螺母座主体、侧翼和设置在螺母座主体上表面前部的突起组成;螺母座主体上设置有孔,螺母固定安装在螺母座主体的孔内;侧翼分别位于螺母座主体的两侧;微动台设置在螺母座主体的上表面的后部,压电致动器的一端与突起固定连接,另一端与微动台固定连接;螺母座主体两侧的侧翼上分别设置有螺母座导轨副。
[0008] 其中,螺母座导轨副由滑块B及设置在滑块B上的导轨条B组成;2个滑块B对称地固定安装在螺母座两侧螺母座侧翼的上表面,2个导轨条B固定安装在滑台的下表面。
[0009] 其特征还在于,螺母座由螺母座主体、侧翼和设置在螺母座主体上表面前部的突起组成;侧翼分别位于突起的两侧;螺母座主体上设置有孔,螺母固定安装在螺母座主体的孔内;微动台设置在螺母座主体上表面的后部,压电致动器的一端与突起固定连接,另一端与微动台固定连接;两个侧翼的下表面固定有滑块C,滑块C嵌在导轨条A上作为螺母座导轨副。
[0010] 其中,螺母座两侧的侧翼分别伸至滑台两侧的缺口内,且侧翼与滑台之间留有间隙。
[0011] 另外,滚珠丝杠的轴线与两个滑台导轨副的对称线重合;压电致动器的轴线与对两个滑台导轨副的对称线重合。
[0012] 本发明的有益效果是,宏微结合可实现大行程全程超精密进给,压电致动器都只承受驱动力而不承受滚珠丝杠副驱动力所产生的驱动力矩,压电致动器的受力状况好,可适用于大载荷超精密进给系统。
附图说明
[0013] 图1是本发明
实施例1精密进给装置的结构外观图;
[0014] 图2是本发明实施例1装置中除滑台之外的结构组成图;
[0015] 图3是本发明实施例1中螺母、螺母座、压电致动器、微动台的串联关系图;
[0016] 图4是本发明实施例1中螺母座结构示意图;
[0017] 图5是本发明实施例2精密进给装置的结构外观图;
[0018] 图6是本发明实施例2装置中除滑台之外的结构组成图;
[0019] 图7是本发明实施例2中螺母、螺母座、压电致动器、微动台的串联关系图;
[0020] 图8是本发明实施例2中螺母座结构示意图。
[0021] 图中,1.滑座,2.滚珠丝杠,3.螺母,4.导轨条A,5.滑块A,6. 螺母座,7.压电致动器,8.微动台,9.滑块B,10.导轨条B,11. 滑台,12. 滑块C,6-1.螺母座侧翼,6-2. 螺母座突起,6-3. 螺母座主体。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0023] 实施例1
[0024] 本发明提供一种滚珠丝杠副压电致动器串联宏微驱动及导轨装置,如图1所示,包括呈上下设置的滑台11和滑座1,滑台11与滑座1之间设置有1个滚珠丝杠副及2个滑台导轨副。如图2所示,2个滑台导轨副分别位于滚珠丝杠副的两侧;每个滑台导轨副由1个导轨条A4及嵌在这个导轨条A4上的2个滑块A5组成;滚珠丝杠副由滚珠丝杠2及套在滚珠丝杠2上的螺母3组成;2个滑台导轨副的2个导轨条A4分别固定在滑座1两侧的上表面,4个滑块A5固定在滑台11的下表面;滚珠丝杠2的两端通过固定安装在滑座1两端的丝杠支承(与常规的滚珠丝杠支承相同,图中未示出)与滑座1连接,滚珠丝杠2的轴线与2个滑台导轨副的对称线重合。本发明滚珠丝杠副压电致动器串联宏微驱动及导轨装置还包括螺母座6,如图4所示,螺母座6由螺母座主体6-3、侧翼6-1和设置在螺母座主体
6-3上表面前部的突起6-2组成;螺母座主体6-3上设置有孔,螺母3固定安装在螺母座主体6-3的孔内;侧翼6-1分别位于螺母座主体6-3的两侧。如图3所示,微动台8设置在螺母座主体6-3的上表面的后部,螺母座6上还设置有压电致动器7,压电致动器7的一端与突起6-2固定连接,另一端与微动台8固定连接;微动台8的上表面固定安装在滑台11的下表面;压电致动器7的轴线与2个滑台导轨副的对称线重合。螺母座主体6-3两侧的侧翼6-1上分别设置有一个螺母座导轨副,螺母座导轨副由滑块B9及设置在滑块B9上的导轨条B10组成;2个螺母座导轨副的2个滑块B9对称地固定安装在螺母座6两侧螺母座侧翼6-1的上表面,2个螺母座导轨副的2个导轨条B10固定安装在滑台11的下表面。
[0025] 实施例2
[0026] 对于小型的滚珠丝杠副与微驱动器串联进给系统,滑台11及两个滑台导轨副间距受限,不允许在螺母座6上设置螺母导轨副,本发明提供了另一种丝杠副压电致动器串联宏微驱动及其导向装置,将螺母导轨副分开设置,螺母导轨副的导轨条与滑台导轨副的导轨条共用,将螺母导轨副的滑块C12配置在滑台导轨副的导轨条A4上,螺母座6两侧的侧翼6-1分别伸到滑台11两侧的缺口内但并不与滑台11
接触,螺母导轨副的滑块C12固定安装在螺母座6两侧的侧翼6-1下表面。
[0027] 该装置具体结构为,如图5所示,包括呈上下设置的滑台11和滑座1,滑台11与滑座1之间设置有1个滚珠丝杠副及2个滑台导轨副。如图6所示,2个滑台导轨副分别位于滚珠丝杠副的两侧;每个滑台导轨副由1个导轨条A4及嵌在这个导轨条A4上的2个滑块A5组成;滚珠丝杠副由滚珠丝杠2及套在滚珠丝杠2上的螺母3组成;2个滑台导轨副的2个导轨条A4分别固定在滑座1两侧的上表面,4个滑块A5分别固定在滑台11的下表面;滚珠丝杠2的两端通过固定安装在滑座1两端的丝杠支承(与常规的滚珠丝杠支承相同,图中未示出)与滑座1连接,滚珠丝杠2的轴线与2个滑台导轨副的对称线重合。本发明滚珠丝杠副压电致动器串联宏微驱动及导轨装置还包括螺母座6,如图8所示,螺母座6由螺母座主体6-3、侧翼6-1和设置在螺母座主体6-3上表面前部的突起6-2组成;侧翼6-1分别位于突起6-2的两侧,两个侧翼6-1分别伸至滑台11两侧的缺口内,但并不与滑台11接触。如图7所示,螺母座主体6-3上设置有孔,螺母3固定安装在螺母座主体6-3的孔内;微动台8设置在螺母座主体6-3上表面的后部,螺母座6上还设置有压电致动器7,压电致动器
7的一端与突起6-2固定连接,另一端与微动台8固定连接;微动台8的上表面固定安装在滑台11的下表面;压电致动器7的轴线与2个滑台导轨副的对称线重合。每个导轨条A4上还分别嵌有一个滑块C12,两个滑块C12分别固定安装在侧翼6-1的下表面,1个导轨条A4与配置其上的1个滑块C12组成一个螺母座导轨副,螺母座6共有2个螺母座导轨副。
[0028] 本发明滚珠丝杠副与微驱动器串联宏微驱动及其导向装置的原理是,微驱动器采用压电致动器7,滚珠丝杠副与压电致动器7直接串联,由滚珠丝杠副实现m(米)量级的大-9行程宏进给,串联的压电致动器7在宏进给的
基础上实现10 m(纳米)量级的超精密微进给,宏微可以同时驱动,宏微结合可实现大行程全程范围的超精密进给,且由于滚珠丝杠副与压电致动器7直接串联,因此在高度方向结构紧凑;作用在滑台11上的外载荷,除进给力(进给方向的力)之外的其他外载荷(垂直于进给方向的2个方向的横向力和3个力矩)由滑台11的滑台导轨副承受,通过滑台导轨副传递到滑座1,进给力通过串联的压电致动器
7、滚珠丝杠副传递到滑座1,而与进给力相抗衡的滚珠丝杠副驱动力所产生的驱动力矩则由螺母导轨副传递到滑台11,再通过滑台11及滑台导轨副传递到滑座1(实施例1中丝杠副压电致动器串联宏微驱动及其导向装置),或者由螺母导轨副直接传递到滑座1(实施例
2中丝杠副压电致动器串联宏微驱动及其导向装置),因此两种装置的压电致动器都只承受驱动力而不承受滚珠丝杠副驱动力所产生的驱动力矩,压电致动器7的受力状况好,可适用于大载荷超精密进给系统。