專利名稱：具有熱位移約束結(jié)合部的精密進給系統(tǒng)的復合滑座的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密機床技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高精度數(shù)控機床進給系統(tǒng)的滑 座，具體涉及一種具有熱位移約束結(jié)合部的精密進給系統(tǒng)的復合滑座。
背景技術(shù)：
目前，對零件的加工精度要求越來越高，普通機床加工難以滿足要求， 必須采用多軸聯(lián)動、高速、高精度的高性能數(shù)控機床加工高精度零件。近年 來隨著機床加工精度的不斷提高，超精密加工精度已進入納米級。大型精密 五軸聯(lián)動機床、坐標級精密加工機床等精密、超精密數(shù)控機床成為數(shù)控機床
的重要發(fā)展方向。
機床進給系統(tǒng)是影響機床整機性能的關(guān)鍵因素之一。精密、超精密數(shù)控 機床的進給系統(tǒng)采用零傳動的直線電機(直線運動)和力矩電機(回轉(zhuǎn)運動) 驅(qū)動，但直線電機和力矩電機的發(fā)熱及安裝連接是需要特別關(guān)注的問題。
環(huán)境溫度、切削熱、運動發(fā)熱導致的機床結(jié)構(gòu)件的熱變形對精密、超精 密數(shù)控機床的加工精度影響很大，為減小此種影響，精密、超精密數(shù)控機床 的一些結(jié)構(gòu)件采用熱膨脹系數(shù)小、變形小的花崗巖材料制作，如三坐標測量 機的結(jié)構(gòu)件可以全部采用花崗巖材料，但花崗巖材料不易加工復雜形狀的結(jié)
構(gòu)件，故具有動態(tài)變化切削載荷的多軸(如5軸)聯(lián)動的精密、超精密數(shù)控 機床很難全部采用花崗巖結(jié)構(gòu)，只是其中的一般支承件采用花崗巖材料制 作，而移動、回轉(zhuǎn)工作臺等執(zhí)行部件則采用金屬材料制成。但花崗巖材料與金屬材料的熱膨脹系數(shù)相差2 3倍，因而，解決花崗巖結(jié)構(gòu)件與金屬結(jié)構(gòu) 件連接結(jié)合部的熱特性問題是精密、超精密數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)。
采用直線電機驅(qū)動的精密進給系統(tǒng)包括滑臺、滑座、導軌組件及直線電 機，導軌組件的定軌及直線電機的初級與滑座固定連接，導軌組件的動軌及 直線電機的次極與滑臺固定連接，若滑臺和導軌組件采用金屬材料結(jié)構(gòu)，而 滑座直接采用花崗巖材料結(jié)構(gòu)，由于花崗巖與金屬材料熱膨脹系數(shù)相差很 大，二者的熱變形不同，將嚴重影響精密、超精密數(shù)控機床進給系統(tǒng)的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有熱位移約束結(jié)合部的精密進給系統(tǒng)的復 合滑座，用于精密、超精密數(shù)控機床的精密進給系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有進給系統(tǒng) 連接結(jié)合部因結(jié)構(gòu)件的材質(zhì)熱特性差異引起的熱變形不同，進而影響到進給 系統(tǒng)精度的問題。
'本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是， 一種具有熱位移約束結(jié)合部的精密進給系 統(tǒng)的復合滑座，包括花崗巖制成的支承滑座和鑄鐵制成的工作滑座，支承滑 座與工作滑座之間設置有熱位移約束結(jié)合部。 本發(fā)明的特征還在于，
熱位移約束結(jié)合部由支承滑座和工作滑座結(jié)合部分之間分別平行設置 的多個結(jié)合面組成，每個結(jié)合面沿支承滑座的長度方向設置，各結(jié)合面由多 個互不相連的子結(jié)合面構(gòu)成。
'結(jié)合面包括至少兩個平行設置的結(jié)合面A、至少兩個平行設置的結(jié)合面 B、至少兩個平行設置的結(jié)合面C、至少兩個平行設置的結(jié)合面D和至少兩 個平行設置的結(jié)合面E，結(jié)合面C位于支承滑座工作邊頂面與工作滑座頂部內(nèi)側(cè)面之間，結(jié)合面B位于支承滑座工作邊一個側(cè)面與工作滑座相應側(cè)壁 內(nèi)側(cè)之間，結(jié)合面D與結(jié)合面B相對，位于支承滑座工作邊的另一個側(cè)面
與工作滑座相應側(cè)壁內(nèi)側(cè)之間，結(jié)合面E和結(jié)合面A位于支承滑座工作邊 下面與工作滑座底部內(nèi)側(cè)之間。
熱位移約束結(jié)合部外載荷與熱位移約束的關(guān)系為
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中，F(xiàn)為外載荷；F^為第i個子結(jié)合面在子結(jié)合面坐標系i下約束力 和力矩，其中，F(xiàn)Ril、 FRi2、 FR。為約束力，F(xiàn)Ri4、 FRi5、 FRi6為約束力和力矩， i=l n， ， n為子結(jié)合面數(shù)量；$為結(jié)合部坐標系c與子結(jié)合面坐標系i間的 雅可比矩陣；P2i為第i個子結(jié)合面上的法向接觸面壓、Pli、 P3i為第i個子結(jié) 合面上的切向接觸面壓；X.n、 X2i、 &為第i個子結(jié)合面上的位置坐標，Si 為第i個子結(jié)合面上的面積。
本發(fā)明復合滑座在鑄鐵工作滑座與花崗巖支承滑座之間采用熱位移約 束結(jié)合部連接，可以解決不同熱膨脹系數(shù)材料間熱變形干涉，減小熱變形對 精密、超精密數(shù)控機床的影響。


圖1是本發(fā)明復合滑座的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明復合滑座中熱位移結(jié)合部的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是圖2的A-A剖視圖4是本發(fā)明復合滑座用于機床進給系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中，l.支承滑座，2.熱位移約束結(jié)合部，3.工作滑座，4.直線電機，5. 滑臺，6.導軌副組件，7.基礎支承件。
其中，2-l.結(jié)合面A， 2-2.結(jié)合面B, 2-3.結(jié)合面C， 2-4.結(jié)合面D， 2-5.
結(jié)合面E。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。 本發(fā)明復合滑座的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括花崗巖制成的支承滑座l、 鑄鐵制成的工作滑座3及熱位移約束結(jié)合部2。支承滑座1的橫截面為"H" 形，工作滑座3的橫截面為單邊開口的方形環(huán)，該方形環(huán)內(nèi)孔橫截面的形狀 與支承滑座1工作邊的橫截面形狀相適應，支承滑座1工作邊位于工作滑座 3的方形孔內(nèi)，工作滑座3與支承滑座1通過熱位移約束結(jié)合部2接觸，工 作滑座3與支承滑座1工作邊的結(jié)合面之間設置有熱位移約束結(jié)合部2。工 作滑座3與支承滑座1之間無宏觀運動，但可以有微小的相對熱位移。
本發(fā)明復合滑座中熱位移約束結(jié)合部2的結(jié)構(gòu)，如圖2a、 2b所示。支 承滑座1工作邊頂面與工作滑座2方形孔頂面之間水平并排設置有多個結(jié)合 面C2-3，每個結(jié)合面C2-3沿支承滑座1的長度方向設置，每個結(jié)合面C2-3 由多個互不相連的子結(jié)合面組成。支承滑座1工作邊的一個側(cè)面與工作滑座 3方形孔相應側(cè)壁之間設置有至少兩個相互平行的結(jié)合面B2-2，每個結(jié)合面 B2-2均沿支承滑座1的長度方向設置，每個結(jié)合面B2-2由多個互不相連的子結(jié)合面組成。支承滑座1工作邊的另一個側(cè)面與工作滑座3方形孔相應側(cè)
壁之間設置有至少兩個相互平行的結(jié)合面D2-4，每個結(jié)合面D2-4均沿支承 滑座1的長度方向設置，每個結(jié)合面D2-4由多個互不相連的子結(jié)合面組成。 支承滑座1工作邊底面與工作滑座3方形孔底部之間設置有至少兩個相互平 行的結(jié)合面A2-l和結(jié)合面E2-5，結(jié)合面A2-l和結(jié)合面E2-5均沿支承滑座 l的長度方向設置，結(jié)合面A2-l和結(jié)合面E2-5均由多個子結(jié)合面構(gòu)成。熱 位移約束結(jié)合部子結(jié)合面的主要參數(shù)為材質(zhì)、預變形及結(jié)合面尺寸，子結(jié)合 面材質(zhì)主要影響結(jié)合面的摩擦特性及剛度，預變形及結(jié)合面尺寸主要影響結(jié) 合面的剛度。結(jié)合部外載荷與熱位移約束關(guān)系式如下
尸加
& = - Js, A,X3A +
尸《,6 =-s, A,X, A + A,X2 A
式中，F(xiàn)為外載荷；F^為第i個子結(jié)合面在子結(jié)合面坐標系i下約束力 和力矩'(F肌、FRi2、 FRi3為約束力FRi4、 FRi5、 FRi6為約束力和力矩)，i=l n，， n為子結(jié)合面數(shù)量；％為結(jié)合部坐標系c與子結(jié)合面坐標系i間的雅可 比矩陣；P2i為第i個子結(jié)合面上的法向接觸面壓、Pli、 P3i為第i個子結(jié)合面 上的切向接觸面壓；Xu、 X2i、 X3i為第i個子結(jié)合面上的位置坐標，Si為第i 個子結(jié)合面上的面積。
結(jié)合面上的法向和切向接觸面壓分布與結(jié)合面材質(zhì)、變形(含預變形)及結(jié)合面尺寸有關(guān)，結(jié)合面材質(zhì)采用小摩擦系數(shù)的金屬(如銅等)和非金屬 (如樹脂)，同時通過預變形及結(jié)合面結(jié)構(gòu)尺寸匹配設計，以滿足復合滑座 的熱位移約束和剛度要求。
本發(fā)明復合滑座用于進給系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)，如圖3所示。支承滑座1固 定安裝于基礎支承件7的上面，工作滑座3的上表面固接有導軌副組件6， 導軌副組件6的上面固接有滑臺5，滑臺5與工作滑座3之間固定安裝有直 線電機4。
熱位移約束結(jié)合部2具有6個自由度約束功能，以局部的子結(jié)合面固定 約束為相對位移基準，沿滑臺運動方向Z坐標方向的平動自由度，只有結(jié)合 面切向約束，即結(jié)合面A2-1、結(jié)合面B2-2、結(jié)合面C2-3、結(jié)合面D2-4和 結(jié)合面E2-5平行于Z坐標，均為結(jié)合面切向約束；垂直于滑臺運動方向的 X、 Y坐標方向的平動自由度，既有結(jié)合面B 2-2和結(jié)合面D 2-4對X坐標 方向平動自由度的切向約束及結(jié)合面A2-l、結(jié)合面C2-3和結(jié)合面E2-5對Y 坐標方向平動自由度的切向約束，又有結(jié)合面A2-1、結(jié)合面C2-3和結(jié)合面 E2-5對X坐標方向平動自由度的法向約束及結(jié)合面B 2-2和結(jié)合面D 2-4對 Y坐標方向平動自由度的法向約束。對于繞X、 Y、 Z轉(zhuǎn)動自由度，結(jié)合面 A2-l、結(jié)合面B2-2、結(jié)合面C2-3、結(jié)合面D2-4及結(jié)合面E2-5均同時起法 向約束和切向約束作用。
由子結(jié)合面組成的結(jié)合面A2-l、結(jié)合面B2-2、結(jié)合面C 2-3、結(jié)合面 D2-4及結(jié)合面E2-5共同構(gòu)成的熱位移約束結(jié)合部2對支承滑座1與工作滑 座3之間的6個相對自由度進行不同程度的約束，對與滑臺運動方向平行的 Z坐標方向的平動自由度進行弱約束(其Z方向的相對熱位移可由Z軸運動進行補償控制)，對其他5個自由度(沿X、 Y坐標方向平動自由度，繞X、 繞Y、繞Z坐標方向轉(zhuǎn)動自由度)進行強約束，以保證復合滑座具有足夠的剛度。
權(quán)利要求
1. 一種具有熱位移約束結(jié)合部的精密進給系統(tǒng)的復合滑座，包括花崗巖制成的支承滑座(1)和鑄鐵制成的工作滑座(3)，其特征在于，所述的支承滑座(1)與工作滑座(3)之間設置有熱位移約束結(jié)合部(2)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復合滑座，其特征在于，所述的熱位移約束結(jié) 合部(2)由支承滑座(1)和工作滑座(3)結(jié)合部分之間分別平行設置的 多個結(jié)合面組成，每個結(jié)合面沿支承滑座(1)的長度方向設置，各結(jié)合面 由多個'互不相連的子結(jié)合面構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的復合滑座，其特征在于，所述的結(jié)合面包括至 少兩個平行設置的結(jié)合面A (2-1)、至少兩個平行設置的結(jié)合面B (2-2)、 至少兩個平行設置的結(jié)合面C (2-3)、至少兩個平行設置的結(jié)合面D (2-4) 和至少兩個平行設置的結(jié)合面E (2-5)，所述的結(jié)合面C (2-3)位于支承滑 座(1)工作邊頂面與工作滑座(2)頂部內(nèi)側(cè)面之間，所述的結(jié)合面B (2-2) 位于支承滑座(1)工作邊一個側(cè)面與工作滑座(3)相應側(cè)壁內(nèi)側(cè)之間，所 述的結(jié)合面D (2-4)與結(jié)合面B (2-2)相對，位于支承滑座(1)工作邊的 另一個側(cè)面與工作滑座(3)相應側(cè)壁內(nèi)側(cè)之間，所述的結(jié)合面E (2-5)和 結(jié)合面A (2-1)位于支承滑座(1)工作邊下面與工作滑座(3)底部內(nèi)側(cè) 之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復合滑座，其特征在于，所述的熱位移約束結(jié) 合部(2)外載荷與熱位移約束的關(guān)系為<formula>formula see original document page 3</formula>式中，F(xiàn)為外載荷；F^為第i個子結(jié)合面在子結(jié)合面坐標系i下約束力 和力矩，其中，F(xiàn)Ril、 FRi2、 FRi3為約束力，F(xiàn)Ri4、 FRi5、 FRi6為約束力和力矩， i=l n，， n為子結(jié)合面數(shù)量；eji為結(jié)合部坐標系c與子結(jié)合面坐標系i間的 雅可比矩陣；P2i為第i個子結(jié)合面上的法向接觸面壓、Pli、 P3i為第i個子結(jié) 合面上的切向接觸面壓；Xu、 X2i、 X3i為第i個子結(jié)合面上的位置坐標，Si 為第i個子結(jié)合面上的面積。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有熱位移約束結(jié)合部的精密進給系統(tǒng)的復合滑座，包括花崗巖制成的支承滑座和鑄鐵制成的工作滑座，支承滑座與工作滑座之間設置有熱位移約束結(jié)合部相連接，熱位移約束結(jié)合部用于消除支承滑座和工作滑座由于材質(zhì)熱特性差異引起的熱變形不同，并能約束工作滑座相對于支承滑座的6個自由度，對與滑臺運動方向Z平行的平動自由度，只進行切向約束，對其他5個自由度，既進行切向約束，又進行法向約束。本發(fā)明復合滑座采用熱位移約束結(jié)合部連接，可以解決不同熱膨脹系數(shù)材料間熱變形干涉，減小熱變形對精密、超精密數(shù)控機床精度的影響。
文檔編號B23Q1/25GK101474749SQ200910020978
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月20日
發(fā)明者耀 劉, 曾德飛, 楊新剛, 韓旭炤, 黃玉美 申請人:西安理工大學