專利名稱：對稱多軸線線性電動機機床的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及由線性電動機沿數(shù)個軸線驅動的機床，尤其涉及支承在框架內由線性電動機驅動以便刀具沿至少三個相互垂直的軸線高速運動的機床。
本發(fā)明涉及一種具有三個運動軸線的機床和一種由線性電動機沿這些軸線驅動的工作部件。工作部件能在加工區(qū)域內運動。因此，本發(fā)明應用于多種這類機床，但為簡潔起見，本發(fā)明將描述有關具有切削刀具的切削機床。然而，本發(fā)明不限于切削機床。5,368,425號美國專利揭示了線性電動機驅動的切削機床，正如目前在許多已有技術的絲桿傳動切削機床中，垂直立柱安裝在一滑件上以在水平X軸線方向移動，一垂直可動滑件可在Y軸線方向沿立柱垂直滑動。裝刀具的主軸安裝在滑件上，在位于X軸線上方并同時垂直于X和Y軸的Z軸線方向水平滑動。這三根軸線中的每一根一般相互層疊，結果，軸線驅動力偏離主軸和切削刀具，例如，切削一件鋼件的銑刀。相對于切削刀具軸線的驅動力的不對稱布置導致機床結構的偏轉及切削加工的誤差。無論是由伺服電動機和滾珠絲桿/螺母組合件提供驅動力還是由如在′425號專利中的線性電動機驅動裝置驅動的，都是如此。這種不對稱的布置其結果是1)由于運行力或加速度/減速度力而形成的結構偏轉，2)當受到主軸滑件和主軸的懸臂載荷時的彎曲，和3)由于大體積需達到一定的剛度而單位體積剛度減小。
5,368,425的美國專利揭示了一種安裝有大立柱的切削機床，該立柱沿支承其本身的大的固定的重型底座在X方向移動。線性電動機的驅動力僅作用于立柱的底端以在X軸線方向推動立柱。大型固定底座分別為立柱和沿著大塊立柱垂直壁在Y軸線方向垂直運行的主軸滑件和其刀具主軸提供了在X和Z軸運動的水平對準。主軸在Z軸線方向移動并裝在一懸臂的或外伸的沿垂直立柱壁移動的滑件上。因此，機床對準以基礎保持穩(wěn)定為基礎。如果基礎一角下陷或變得有偏差，則水平軸線將對不準。由于在立柱底端支承立柱所需的空間和裝刀具的滑件的尺寸，刀具主軸及刀具不易到達工件的底部。為了克服這一點，基礎需要挖一個凹座使主軸降低以便到達工件的底部，從而加工工件底部。當基礎凹座很大又常常需要定做時，則這樣的基礎凹座代價很大，這類機床的基礎在這個專利中有說明。此外，導軌的罩殼會增加基礎和機床的尺寸，罩殼為皮老虎形并定位于導軌的端部。這些皮老虎形罩殼位于在以X軸線方向移動的立柱的端部的機床底座上。罩殼阻止切屑和金屬屑進入導軌以及磁力吸到線性電動機部件。
為在上述專利揭示的機床中以X軸線移動大塊立柱，有一對線性電動機，其每個的一半安裝在固定的底座，另一半安裝在X軸線上的支承立柱的支座上，每個電動機在立柱上的一半加到立柱總的重量上，從而，需要更多的線性電動機推進要沿X軸線移動的立柱。此外，這個線性電動機加負荷于立柱，有一個磁性吸力，即法向磁力分量，在這種情況下，磁力分量是一個在線圈和這些線性電動機磁鐵之間的向下磁力，例如，引起摩擦增加的24,000磅向下的力，該摩擦必須被克服以使支承立柱和支座沿X軸線移動。如果立柱重8,000磅，又存在著法向的24,000磅磁性吸力，則后者有效地加到需要克服的質量上。線性電動機僅對立柱的底部施加推力。為了阻止當立柱的下端加速時立柱未被支承上端的偏轉，立柱設置有增加立柱重量的較重的結構部件。因此，如果不僅僅在立柱的下端驅動立柱，如果法向磁性吸引力不是那么大，以一個G或一個G以上的加速度移動立柱所需的線性電動機力從所需的力中得到增加。
一般來講，在目前，用約一磅的線性電動機的推力去移動約一磅的物體。所需推力越大，線性電動機加到立柱的重量越重。換句話講，因為需要從線性電動機獲得的力越大，線性電動機的重量越重，例如，在立柱支座上的線圈及此重量的增加使重量更重，需要更大的推力，所以，效果是累積的。
在上述專利所描述的線性電動機切削機床中，大塊立柱由輕型材料構成，它有一個骨架結構以便減少其重量，從而，減少了迅速加速立柱所需的線性推力，以減少立柱上端相對于其由線性電動機推動的立柱下端的偏轉。立柱有用鋁做的梯形支承框架、包覆骨架框架的鋁皮及在框架上的加固階梯以增加立柱剛度。由于機床是加工金屬的，所以，裝切削刀具的滑件和主軸的立柱需要一個很高的剛度，以使切削工件表面獲得所需的精度。
在上述專利中，裝主軸的滑件外伸或懸臂于立柱上并沿Y軸線垂直移動。立柱在其三側裝有三個線性電動機的永久性磁鐵，用來使主軸滑件加速和減速。電動機的定子線圈在滑件的三側，緊鄰于在立柱上的與之關連的三排垂直永久磁鐵，并沿這些永久磁鐵移動。需要三個線性電動機來垂直加速和減速主軸滑件，這三個線性電動機所產(chǎn)生的法向磁性吸力沿立柱的三側指向里面。裝主軸的滑件懸臂在立柱上?；椭鬏S的重量以及僅施加在滑件相鄰于立柱的一側的推力引起彎曲和偏轉，因此，必須在滑件中使用足夠的結構部件以補償任何這種彎曲或偏轉。三個線性電動機不僅把它們的推力施加在滑件相鄰于立柱壁的一側，而且這些線性電動機還增加主軸滑件和立柱之間必須被克服的摩擦。因此，如果在立柱和滑件之間存在著18,000磅法向磁性吸力，則必須克服所產(chǎn)生的增加的摩擦力以使主軸滑件在Y軸線方向加速，滑件結構必須用結構件加固，以當電動機推力加到滑件靠立柱壁一側時，阻止懸臂滑件遠端的彎曲和偏轉。
為了支承三個Y軸線的電動機的三排線圈以及為滑件和主軸提供在其上的剛性懸臂支承，使切削刀具具有對工件的必要剛度，所以，主軸滑件的尺寸和重量相當大，在這個專利中所說明的主軸滑件有一個帶肋和結構，該結構的橫截面相當大并在肋的外周裝有鋁皮。主軸滑件的大尺寸意味著由于低于主軸的主軸滑件的高度限制了主軸向下移動量，刀具不能下降到相對于工件所需要的那么低。
本發(fā)明提供一種旋轉切削刀具沿至少三個相互垂直的軸線進給并由線性電動機驅動的機床，該機床克服了已有技術的上述問題。
本發(fā)明的機床有對稱地相對于至少兩個軸線布置的線性電動機驅動裝置，使得引起切削加工偏差和誤差的偏轉達到最小值。由于機床部件在切削主軸軸線相對側對稱驅動，就能實現(xiàn)減少結構偏轉；使單位體積具有較高剛度的較輕的機床重量；平衡或抵消會增加摩擦的法向磁力；以及消除懸臂負荷的彎曲。本發(fā)明在X軸線方向移動的結構部件或門架由在其上端和下端的兩只線性電動機而不是僅在其底端的線性電動機驅動，裝主軸的滑件在Y軸線方向系由在滑件相對兩側的兩只線性電動機而不是僅在滑件的一側的線性電動機驅動。通過平衡在X和Y軸上運動的結構的相對兩側驅動力，而不是如在上述專利機床中把這些驅動力施加在X和Y軸運動的結構的一側，通過省去遠離驅動力施加側的一側抗偏轉或抗彎曲的附加結構部件，結構可以是較輕重量的構造。因此，本發(fā)明提供重量相對于垂直立柱和懸臂的主軸滑件的大體積重量較輕的X和Y軸線結構，并通過抵消吸力的作用而減少了摩擦。X和Y線性電動機對稱地設置在裝刀具的主軸相對兩側，以用對稱地施加在裝刀具的主軸的相對兩側的力驅動沿X和Y軸線移動的機床部件，其結果是使電動機的吸力、加速度力和切削力引起的結構偏轉最小。這種對稱的機床結構去除了許多在不對稱的機床結構中由于懸臂負荷而受到的彎曲。最好是，線性電動機最恰當?shù)胤植荚谡麄€機床結構，以平衡圍繞裝刀具的主軸的負荷和力，從而使切削偏差和誤差最小。由于省去了對許多用在不對稱機床以阻止彎曲和/或偏轉的結構部件的需求，對稱機床重量較輕，且單位質量剛度較大。因此，用少量的線性電動機就可達到較高的加速度和減速度。
在本發(fā)明中，線性電動機機床包括一個裝滑件的門架，其中驅動門架的線性電動機安裝在門架的相對兩側，以在門架的兩側提供相等的推力，并提供一磁性吸力的平衡原則，這樣，在門架和框架下的支承件之間存在著減少了的凈向下的力。這一點最好是通過在門架的一側如底側的線性電動機驅動裝著沿X方向推門架的底側并向下吸引以及在門架的另一頂側的線性電動機驅動裝置在X方向推門架的頂側并相反地如向上吸引來實現(xiàn)。這一點與移動立柱的所有線性電動機都推立柱的下端、并都以相同的向下方向吸引的上述機床相反。同樣地，裝刀具的滑件或滑座(以下稱滑座)由安裝在其相對側的如左、右垂直側的線性電動機驅動，而不是僅對滑件一側施加電動機驅動力。把所述線性電動機置于滑座的兩相對側，在滑座的兩相對側提供Y方向的推力，并提供相互反向的電動機吸力。這就實現(xiàn)了力平衡原則，其結果是減少了法向凈磁性力，最好是在左向或在右向的法向凈磁性力為零左右。這點與上述專利相反，上述專利中舉例的機床有三個驅動滑件的線性電動機，它們全都在滑件的一側提供推力并全對垂直立柱的三側施加朝內的法向磁性力。
在本發(fā)明的門架、線性電動機的機床中，裝刀具的主軸支承于在下面的滑座，該滑座橫跨一對相鄰的、垂直門架的框架部件，而不是如在上述專利所描述的懸臂在立柱的一垂直壁上。滑座的在下面的支承使其相對于懸臂滑件的尺寸大大減少。尺寸減少，重量也減少，其結果是在Y軸線方向所需移動重量和在X軸線方向移動重量均較輕。重量和尺寸的減少導致成本降低、所需的電動機推力降低。確實，線性電動機的數(shù)量從在上述425專利的六個或八個減少到在此舉例的五個。
在本發(fā)明的另一個方面，機床框架為具有上、下平行的水平框架部件和一對間隔的與上下框架部件端相連的垂直框架部件的構造的箱形狀。沒有必要用大的基礎校準機床，而是框架部件本身提供對準。在理論上，機床可轉過90°、180°或270°，也還能同樣工作，但對在上述專利描述過的立柱體機床不適合。
在舉例說明和較佳實施例中，機床框架是一個固定的箱形結構，它包圍可動的由線性電動機驅動的在X方向移動的門架的側、后、頂和底部、線性電動機驅動的在Y方向沿門架運動的滑座和線性電動機驅動的在Z方向沿滑座運動的主軸。在這個較佳實施例中，門架由間隔在主軸相對側的頂部和底部線性電動機驅動裝置支承，并由它們驅動。上下線性電動機最好是大體上相同。因而，施加在門架頂部的底部的力基本上相等，而在定子線圈和磁鐵之間的相對的法向磁力自相抵消。因而，相對X軸線對稱。
在本發(fā)明的舉例說明和較佳實施例中，安裝裝主軸的滑座，以便在一槽中沿門架的垂直中心線垂直移動?；砂惭b于在槽相對兩垂直側的門架的左右邊兩只線性電動機驅動。線性電動機是相同的、并設置得使施加在滑座相對側的力基本相等，以便相對的左右邊的法向磁性力自行抵消。因此，Y軸線象沿X軸線一樣有對稱性。
主軸和滑塊安裝于滑座以在Z方向移動。如果需要的話，一線性電動機可安裝在滑塊和主軸之上和之下以在Z方向驅動滑塊和主軸，并提供對稱性。然而，比較好的是，單個線性電動機用在滑塊上面或下面并在Z方向延伸，以減少滑塊的重量，并在滑塊和滑座的導軌提供吸引的預負荷，使主軸具有較大的穩(wěn)定性。


圖1是一種在三個軸線方向可動的機床的立體圖，它示出支承本發(fā)明三軸線機床的箱形框架；圖2是圖1機床的主視圖，它去掉了箱形框架部分前面，以示出垂直門架、滑座、滑塊和主軸的布置；圖3是沿圖2的3-3線截取的截面圖，它示出了垂直的門架、滑座、滑塊和主軸并以滑塊沿Y軸線的虛線表示運動；圖4是滑塊和主軸組件放大的部件分解立體圖，它包括與滑塊相配的一線性電動機的永久性磁鐵和一滑動部件；圖5是另一種形狀的滑塊放大的部件分解立體圖；圖6是圖5滑塊的鼓形罩和皮考虎裝置的放大立體圖；圖7是圖5滑塊的主視圖；圖8是類似于圖4滑塊的另外的滑座和滑塊的主視圖，滑塊由在其頂部和底部的線性電動機驅動；圖9是已有技術的懸臂式滑塊和與之相關的線性電動機的截面?zhèn)纫晥D；圖10是垂直門架放大的部件分解立體圖；圖11是滑件和與之相關的線性電動機線圈定子部分的放大的部件分解立體圖，它示出了可拆下的底板和定子線圈組件；圖12是用來裝垂直門架、滑座、滑塊和主軸組件的箱形框架的部分部件分解立體圖；圖13是類似于圖3的側面剖視圖，它示出了門架頂部導向件和線性電動機布局的另一個實施例。
以下結合附圖具體介紹較佳實施例。機床10有一支承在水平的X軸線方向可動的、沿一上面的支承件即框架部件20和一下面的支承件即框架部件22可滑動的門架38的框架12。門架38裝一個在Y軸線方向垂直運行的裝刀具的滑件或滑座56?；?6裝一個往復運動的滑塊68和其上有一刀具11以切削安裝在工件支承臺34上的工件30的刀具主軸78。門架38、滑座5 6和滑塊68由通常用標號108的線性電動機驅動，每個線性電動機有永久性磁鐵110和線圈定子部分112。
在本發(fā)明中，上下驅動力由一固定于在上面的水平框架部件20的在上線性電動機108b和一固定于在下面的水平框架部件22的在下線性電動機108a施加在門架38的上端38a和下端38b。如在圖2中所看到的，滑座56和裝刀具的主軸78分別安裝在上下線性電動機108b和108a之間，以便具有針對主軸78的對稱性。這種情況與在上述′425號專利揭示的線性電動機都安裝在立柱底部并都推立柱下端的非對稱機床相反。在圖2和3所示的機床10中，來自線性電動機的基本相等的力在門架38與框架上部件20相鄰的頂部和門架38與框架下部件22相鄰的底部施加推動力。由于力作用在門架38在裝主軸的滑塊68相對側的頂部和下部，門架38不需要在其上有結構部件以阻止如′425號專利的大塊立柱那樣的彎曲和偏轉，該專利的大塊立柱的刀具主軸位于所有在機床底座內以在X軸線方向驅動立柱的線性電動機之上。
另外，在本發(fā)明的一個重要方面，是通過在上線性電動機108b用一個在圖2和3中用箭頭A示出的6,000磅的力向上拉和在下線電動機108a用一個在圖2和3中用箭頭B示出的6,000磅的力向下拉，使每個線性電動機的6,000磅法向磁性吸力抵消。因為上下線性電動機在尺寸和磁場強度基本上相同，并且以相同方式同時控制，所以，法向凈磁力最好為零左右。在′425號專利的機床中，所有X方向的線性電動機施加向下的力，例如24,000磅向下的力。由此產(chǎn)生了附加的摩擦阻力及用來阻止偏轉的立柱中較重結構部件的需求。
在本發(fā)明中，滑座56靠垂直門架的框架部件40和42支承在其左右側，其中每個框架部件在裝刀具的主軸78的兩相對側裝有線性電動機108c和108d的垂直配置部分(圖10)。即，線性電動機驅動裝置安裝在主軸78的兩相對側并對稱于主軸78以在滑件56的兩相對側施加相等的、垂直指向的力。因此，滑件56在其兩相對側支承，并通過左右方的線性電動機108c和108d把Y方向的推動力施加于滑座56的兩相對側。這種情況與在′425號專利中的裝主軸的滑件不同，該專利的滑件在其一側上安裝以沿立柱滑動，且裝主軸的滑件懸臂支承在立柱上。如在′425專利中的用來使裝主軸的滑件在Y軸線運動的線性電動機都安裝在立柱壁上使得推動力沿滑件的一側，即滑件與立柱相鄰的一側。由于在425′號專利機床中的三個線性電動機的每一個用6,000磅法向磁性吸力向內拉，因而增加了摩擦。更重要的是，必須用帶肋的重型框架結構加固懸臂的主軸滑件的結構，以便阻止主軸滑件的彎曲和偏轉，從而提供主軸上切削刀具所需的剛度?；?6則可輕得多，并有一個較高的剛度與質量之比。重量較輕的滑座56能比較快的加速，只需用較少的線性電動機推力。
因此，將會看到，主軸78正對X軸和Y軸線的電動機對稱安裝，使結構偏轉最小，消除受到懸臂負荷時的彎曲，抵消法向磁性吸力。雖然可同時在主軸78之上和之下及滑件56上安裝線性電動機，但最好是僅用單只位于主軸78下方的線性電動機驅動裝置并用6,000磅法向向下的吸力預加于滑塊68使之與主軸的導軌緊緊接觸。
在′425專利的機床中，需要一個帶凹座的很大的基礎來支承底座并為在X、Y和Z軸的疊層可動部件提供在X軸線方向的對準。如果基礎的一角下落，則就失去對準。在此，正方形或矩形框架容納了它的來自鋼框架部件16、18、20和22的對準，所述框架部件16、18、20和22包圍以后稱作一組可動部件14的門架、滑座和裝主軸的滑塊?？蚣?2最好由鋼構成，而在框架部件20和22之間實測的機床在Y方向的高度等于或小于在部件16和18之間實測的機床在X方向的寬度，以當可動部件14沿著它們各自的運動軸滑動時，為可動部件14提供很穩(wěn)定的箱形框架支承。機床可以被裝運并即可安裝，它無需在一個如′425號專利中的機床那樣的大塊基礎上安裝和調整水平。如在圖13中所看到的，在框架底部部件22和地面之間可設置振動隔離器150，機床即可使用，無需調整水平或一個專門的基礎。理論上，由于機床的對稱和框架的箱形性能，能將框架底部部件22以及框架12的其余部件轉過90°、180°或270°而仍能完成相同的功能。
箱形框架12和位于X軸線可動部件(門架)之上和之下的X軸線電動機108b和108a的對稱設置，使舉例說明的機床的幾何尺寸或軌跡比在′425號專利中示出的機床小得多。在已有技術的垂直立柱機床中，導軌端部有大的延伸到導軌外面的皮老虎形狀的罩子而使機床長度大大加長。在本發(fā)明中，箱形框架12封閉在一外殼內，該外殼由一風機的空氣加壓，使金屬顆粒和碎屑不能進入導軌和線性的磁性電動機。對在一個連續(xù)自動生產(chǎn)線上并排設置的多臺機床10來講，較短的長度尤其重要。
圖10所示為用作沿X軸線運動的可動部件14的垂直門架38。垂直門架38被驅動沿著X軸線運動，且安裝在框架12內以在框架的上下部件20和22之間延伸。垂直門架38包括分別與頂壁和底壁44和46相連的平行細長側構架40和42。前后壁48和50分別設置在側構架40和42及上下壁44和46之間，其中各有長槽52和54，所述槽52和54構成切削刀具11移動的Y軸線，并使切削刀具11沿Z軸線進給。
圖11所示為用作沿Y軸線運動的部件14的滑座56?；?6有一對橫向間隔的、各有一L形輪廓的平行側壁58和60。安裝滑件56，使它在門架38內側構架40和42之間垂直滑動。門架側構架40和42以一個比滑件側壁58和60間距稍大的距離間隔，以便當滑件56被門架38載著并在門架38內被驅動沿Y軸線滑動時，使門架側構架40、42和滑件側壁58、60之間緊密配合。滑座56還包括一在底部的、呈平板狀的、在側壁58和60之間延伸的可拆連接板62。頂壁64和前壁66完成了滑件56的構造，并形成用于承載如將在此詳細描述的滑塊68的托架。滑座56的前壁66在70處被切去，以形成一個當滑塊68沿Z軸線被驅動時、滑塊68能夠延伸通過的拱形開口72。因此，滑座56在滑塊68的底下支承滑塊68，從而消除了如在′425號專利所示的懸臂支承及所產(chǎn)生的過度偏轉應力。
現(xiàn)在結合圖4-8描述滑塊68的結構。滑塊68包括一在其內支承一主軸78的空心體76?？招捏w76有一個環(huán)形通孔77?？招捏w76的外表面79從橫截面看可以有許多不同的形狀?；瑝K68的較佳多角形狀為在圖4中所示的五角形。五角形本身的確切形狀如將在此詳細描述的那樣能改變(圖8)。如在圖4中所看到的為較佳的五角形形狀的滑塊68，利用一個彈性塑料滑動部件81，該滑動部件81截面形狀與滑塊68相似以便繞滑塊外表面79緊密配合，并限制運行中的金屬碎片和碎屑在滑塊68沿Z軸線滑動時被帶入內部空間13?；瑝K68還包括一組在其前端面87圍繞孔77的孔86。主軸78有一個與一圓柱體84一體形成的在前面的圓環(huán)凸緣82，其中圓柱體84從凸緣82向后延伸，凸緣82包括一組在圓周上間隔的通孔88。圓柱體84的直徑這樣設定使得它在孔77內緊緊配合，并把在滑塊前端面87的孔86和在主軸前凸緣82上的孔88對齊，插入如螺栓(未示出)的連接件穿過孔，使圓柱體84固定在孔77內。
在另一種形式中，滑塊68a包括一個空心體76a，如在圖5中所看到的空心體76a有一個圓柱形表面79a?；瑝K68a在前面有一個擴大的環(huán)形凸緣80，環(huán)形凸緣80的內徑稍小于孔77的直徑，一組孔86a圍著凸緣80，如在圖7中所示。環(huán)形凸緣80和82相配以把主軸78固定在滑塊68a中。圓柱體84的直徑稍小于前面的圓環(huán)凸緣80的內徑，使得主軸78能配合進滑塊孔77，同時如前面所述那樣分別把其中的孔86a和88對準并連接，使相互配合的前端面凸緣80和前面凸緣82固定起來?；瑝K體76a安裝在一底部支承板81上以安裝與滑塊68a相配的線性電動機部件以便沿Z軸線驅動滑塊68a。
滑塊68a還可設置有一個起保護作用的“鼓形罩”罩子90，當滑塊68a沿Z軸線被驅動時，罩子90防護滑塊68a從框架12穿過開口28向外延伸的那部分，以保護滑塊68a沿Z軸滑動時從框架內部空間13向外延伸的部分。因此，采用罩子90就不需要滑動部件81。罩子90有一個用鋼做的頂部92，頂部92有一個前端94和一個后端96。在前端94設置一個垂直前板98，在前板98的中心切割出一個入孔100，其直徑大到滑塊68能夠滑行穿過。側面的皮老虎102和底部的皮老虎104與頂部92和滑座56的前表面66相連，皮老虎102和104與頂94配合起來形成一個可伸展的腔室106，在腔室106中，滑塊68能在滑座56的外面進給。用螺栓擰緊等方法把罩子前端94的頂部92的底部與凸緣80連接起來，使罩子90與圓柱體76相連。由于頂部92沿滑塊體76縱向延伸超過皮老虎，所以在拱形開口72的上面74處設置一個尖頂形的切去部分并與頂部92的形狀對應，使得當滑塊68沿Z軸滑動時，頂部92能穿越延伸。類似地，在門架38的前壁48切出槽52，使得前板98以及皮老虎102、104和鋼頂部92能滑動穿過槽52。另一方面，由于圖10中朝右邊的運動只允許罩子90的前板98到達滑座56的前壁66為止，所以，滑座56的前壁66限制了罩子90延伸進滑座的距離。當滑塊沿Z軸進出滑座56時，可伸展腔室106以這種方式交替地收縮與伸展。
如上所述，可以看出，包括水平滑塊68、滑座56和門架38在內的可動部件14一個套在另一個里面以在機床10的三個軸線上運動。具體地說，門架38沿X軸線裝有滑座56、滑塊68和主軸78，滑座56沿著Y軸線裝有滑塊68和主軸78，而滑塊68沿著Z軸線僅裝有主軸78。
為了驅動可動部件14在機床10的三個軸線上運動，采用線性電動機108。線性電動機108各有一個定子線圈部分110和一排永久磁鐵112。線性電動機108的永久磁鐵112排列成一排連接于可動部件14和框架12，成一排的磁鐵之間的間隙填充有環(huán)氧樹脂。一薄條狀的、起保護作用的非磁性金屬材料覆蓋各排磁鐵112。
線性電動機108可以是任何基于產(chǎn)生一推動的驅動力的磁性吸力來運行的電動機，所以在驅動件(固定的)與被驅動件(運動的)之間沒有接觸。例如，線性電動機108可以是無刷直流電動機，每個具有2,000磅最大能力。線性電動機108一般位于可動部件14、X軸線的可動部件(門架38)及框架12之間。線性電動機108的控制裝置裝在機床框架12內并可通過控制面板116操作。利用一位置反饋裝置，它包括光、機械或激光傳感器，這些傳感器用來探測可動部件的位置，并把信號送出使控制器僅激勵那些需要沿其運動軸線驅動部件的線圈，如在已有技術中所了解的那樣。
與線性電動機108相似，呈耐磨配合形式的支承結構118即細長的直線軌道(以下稱凸軌)120和接納直線軌道120的軌道(以下稱凹軌)122位于可動部件14和在X軸線的可動部件(門架38)以及框架12之間，以當可動部件被線性電動機108驅動時支承和導向它們在X、Y和Z軸線的滑動。凸軌120和凹軌122通過滾柱軸承或球軸承、或涂覆有低摩擦系數(shù)的材料如聚四氟乙烯的表面具有導向和支承功能。
再回到箱形框架12，盡管本技術領域的技術人員將會很清楚，還要結合附圖1、12和13更詳細地描述其布局，箱形框架12的確切布局可以改變，但須包容和支承沿X、Y和Z軸線滑動的可動部件14。箱形框架的內部空間13通過在側面部件16和18之間延伸的一中間隔板124被分別分隔成前后區(qū)域126和136。前框架板24在T形的臂和腿的結合處與箱形框架12的T形底座15相連從底座向上延伸，并與圍著支承件34后部的支承件34的加工罩子32相連。板24平行于中間隔板124延伸，并在中心有一個矩形的切去部分26以便繞罩子32配合，使得滑塊68沿Z軸伸進罩子32與在其內的工件接觸。中間隔板124以及側面部件16和18、前板24和上下部件20和22構成一個在箱形框架內部空間13內前門架區(qū)域126。與前板24相似，中間隔板124在其中有一個矩形的切去部分，使得滑座沿Y軸滑動時，滑座56的L形側壁58和60底部腿130穿過該切去部分延伸，并使滑塊68沿Z軸運動時，滑塊68穿過此延伸。
兩個平行的側面支承板132和134分別距離箱形框架側面部件16和18朝內間置，并從中間隔板124朝箱形框架12的后面延伸。中間隔板124、側板132和134以及上下部件20和22配合起來構成在箱形框架內部空間13中的后部區(qū)域136，滑座底部腿130和滑塊68能如前面所述伸到該后區(qū)域136。此外，后部區(qū)域136為安置諸如油箱、泵和為線性電動機供應冷卻水的冷卻器等各種輔助裝置和支承裝置提供一外殼。
箱形框架12可以通過在前中心開口28處用能堵塞開口又能使滑塊68沿Z軸滑動時穿越延伸的結構加以密封。密封結構取允許滑座38和滑塊68在X和Y軸運動而還能堵塞滑塊68的周圍開口28的X和Y幕簾142或擋板的形式。幕簾142包括一在滑座之上的上幕簾輥142a和一在框架底部及滑座底部的下幕簾輥142b。當滑座垂直運動時，上下幕簾分別卷起和展開。機床的后面可用薄板金屬密封以形成后部區(qū)域外殼。用一個風機146形式的正壓裝置給箱形框架內部空間13加壓，以阻止在加工過程中所產(chǎn)生的碎屑和工件屑進入內部空間。風機146可置放在箱形框架的后部區(qū)域136內并供有過濾過的環(huán)境空氣。來自風機146的加壓空氣能有效地把內部空間與任何由工件產(chǎn)生的鑄鐵或鋼屑或碎屑隔絕開來，這些碎屑可能會被吸到線性電動機108的磁鐵上而對電動機的運行有不利的影響。
參閱圖13，如前所述的底座15也可去掉而用一個比較厚的直接安裝在一個支承表面的底部部件22a提供給框架12。吸振彈性墊座150與底部的框架部件22Aa相連，以把機床及其支承表面與其它部分隔絕開來，使它們的振動不能相互傳遞。由于機床的對稱箱形框架結構，機床的對準不依靠基礎，所以，僅需采用三個支承墊座150給機床提供一有效的三點安裝支承面。
為在箱形框架12內沿X軸驅動垂直的門架38，如在圖3中所看到的提供一對相對的線性電動機108a和108b。通過提供門架38的頂部和底座驅動，基本上避免了由單獨驅動門架底部所引起的偏轉負荷。如在′425號專利中所看到的，長的獨立式立柱的底部驅動由于驅動力集中在立柱的底部而引起立柱自由頂端附近的偏轉，從而，當立柱被驅動時引起一個在頂部的偏轉滯后。在箱形框架機床中，在門架底部的線性電動機108a的線圈定子部分112a安裝在門架的底部部件46，而成排的永久磁鐵110a沿X軸安裝于在前面的門架區(qū)域126(圖12)內的框架底部部件22上。與安裝在框架底部部件22的線圈定子部分112a相鄰的是一對直線對齊的接納直線軌道的軌道(即凹軌)122a(圖10)。與之對準的是一個與磁鐵110a相鄰的滑動軌道120a(即凸軌)，使得通過軌道120a和122a的配合分別支承和導向沿X軸滑動的門架38。
頂部線性電動機108b在門架38和框架12的頂部或其附近。如在圖2和3中所看到的，在較佳實施例中，水平延伸的框架部件154設置在前面的門架區(qū)域126與框架的頂部部件20平行并與之間隔一段距離?？蚣懿考?54從中間隔板124朝框架12的前面延伸，并與一個在前板24和在壁部分154和框架頂部部件20之間延伸的中間隔板124之間的一垂直壁部分158相連。為了從門架的頂部及底部驅動垂直門架38，線圈定子部分112b安裝于門架的頂壁44，成排的永久磁鐵110b沿X軸與之對準并安裝在水平壁部分154的底部。緊鄰線性電動機108b，設置一軌道(即凸軌)120b和軌道(即凹軌)122b，以當門架38沿X軸進給時在其頂部附近引導和支承門架38。門架38包括安裝直線成對配置的軌道122b(圖10)的垂直凸緣162?？蚣?2的垂直壁部分158安裝滑動軌道120b(即凸軌)，使得軌道120b與軌道122b對準以在軌道122b內滑動。在另一個配置中，軌道122b和線圈部分112b以并排的關系安裝在門架頂壁44，分別與它們對準的軌道120b和成排的永久磁鐵110b安裝在框架的頂部部件20，如在圖13中所示。正如對本技術領域的技術人員來講將是顯而易見的，配合的軌道120b的軌道122b以及線性電動機108b的布置可以改變，例如在中間隔板124放置它們，只要它們留在門架頂部附近以提供相同的頂部驅動。在這個方式中，在頂部和底部的線性電動機108a和108b的磁鐵吸力自相抵消，從而限制了作用在′425號專利機床中的由不平衡磁力引起的結構偏轉。
類似地，滑座56作為一個在門架38內被平衡的載荷安裝在門架側構架40和42之間在Y軸沿側構架40和42滑動運行，線性電動機108c和108d分別位于滑座側壁58和60與門架側構架40和42之間，以平衡作用在圍繞Y軸的門架38與滑座56之間的磁力。尤其是，各門架側構架40和42分別安裝線性電動機108c和108d的一半，該一半的較佳形式是一排沿Y軸延伸的永久磁鐵112c和112d(圖10)。各自的線圈定子部分112c和112d分別安裝在滑座的側壁58和60，從而沿Y軸驅動滑座56和安裝的滑塊68。因此，滑座56系從Y軸的兩側對稱地加以驅動，而同時以可拆連接板62的形式在滑塊68的下面提供一支承，從而去除了如在′425號專利所看到的滑塊、滑件和立柱結構的任何外伸或懸臂負荷。
為了當滑座56在Y軸運動時平衡它，一對平衡圓柱體166和168連在門架38和滑座56之間，使得線性電動機108c和108d停止時，滑座56在門架38內沿Y軸保持不動。圓柱體166和168可以是如氣缸或液壓缸，每一個分別包括一個彈簧閘170和172，正如在已有技術中所了解的。因此，當動力損失、壓力從平衡圓柱體166和168失去時，啟動彈簧閘170和172以把滑座56保持在沿Y軸的位置上。
如前所述，滑座56包括一個可拆的底部連接板62，以當滑塊68沿Z軸滑動時給滑塊68提供托架或在下的支承。如在圖11中所看到的，用任何種類的已知的連接裝置如用螺紋孔和螺栓把連接板62連接于滑座56的主要部分，該連接裝置還允許連接板62可調節(jié)，以便校正在滑塊68和滑座56之間的任何公差變化。
為了沿Z軸驅動滑塊68，采用其一半在連接板62、其另一半在滑塊68下面的單個線性電動機108e是較好的。線圈定子部分112e最好安裝在具有一對直線排列的、位于其兩側的軌道(即凹軌)122e的底部連接板62。一排永久磁鐵110e安裝在滑塊68的下面，兩個平行的軌道120e(凸軌)位于其兩側，磁鐵110e和軌道120e分別與線圈112e和軌道(凹軌)122e對準，使得被驅動的滑塊68沿Z軸滑動并由連接板62支承著。在這種配置中，由線性電動機108e提供的強吸力在軌道120e和軌道122e上產(chǎn)生一個預載荷，使得當滑塊68沿Z軸往復運動時給主軸78提供較大的穩(wěn)定性。
由于對稱的箱形框架構造，在固定的鋼框架12中具有體積龐大的機床并圍繞于門架38和滑座56施加了平衡的驅動力，可動部件14即門架38、滑座56和滑塊68重量都可比較輕，并且還要由具有高剛度的材料如鋼制成，被它們各自的線性電動機108精確驅動而高速運動，所以機床10能以每分鐘至少1500英寸的速度和以至少1G的加速度或減速度進給。
在另一個實施例中，平衡的磁性驅動力作用于采用略微變形的五角形形狀如圖8所示的滑塊68上，其中其平頂表面在X方向延伸，使得它適于在其上安裝一排永久磁鐵110f。利用頂部安裝線性電動機108f的變形滑塊68b也采用了一個略微變形的滑座構形，其中滑座56a形成一個圍繞滑塊68b外圍的正方形框架，使得滑座56a的頂部水平部件174能在其上安裝一個與磁鐵110f對準的線圈組件112f以同時從滑塊68b的頂部和底部驅動滑塊68b。
很顯然，由于線性電動機108而不是已有技術的滾珠-絲桿電動機或在′425號專利的機床中的線性電動機可分布在整個機床的箱形框架12以平衡圍繞多個運動軸的力，線性電動機108在本專利說明書中描述的箱形樞架機床中的使用為其可動部件14的設計提供了靈活性。因此，電動機108及其元件即磁鐵110和線圈部分112的確切布局可根據(jù)力和本專利說明書中描述的負荷平衡原則改變。因而，有了對稱設置的可動部件和驅動力，就可得到比傳統(tǒng)機床更高的精度、剛度、速度和加速度。
權利要求
1.一種沿至少三個相互垂直的軸線進給一刀具如旋轉切削刀具的機床，包括一主軸，其上安裝有一個刀具；一框架，具有第一組的框架頂部和底部部件和第二組的框架側面部件，它們連接起來以形成一個中心開口并當主軸和切削刀具沿橫向軸切削和進給時以支承主軸和切削刀具；一個垂直門架，至少與兩個框架部件連接以在第一軸線相對框架滑動；一滑座，安裝于裝滑座的門架以在垂直于第一軸線的第二軸線、在框架的頂部和底部部件之間沿垂直門架滑動；一滑塊，裝于滑座以沿一個垂直于第二軸線的第三軸線運動，并沿第三軸線裝主軸和旋轉切削刀具；一個第一線性驅動裝置，至少有一個線性電動機沿第一軸線相對于框架部件驅動門架，并由門架和第一組框架的頂部和底部部件支承；一個第二線性驅動裝置，至少有一個線性電動機沿門架和第二軸線驅動滑座，并由門架和滑座支承，以及一個第三線性驅動裝置，至少有一個線性電動機沿第三軸線驅動滑塊和主軸，并由主軸、滑塊和滑座支承。
2.如權利要求1所述的機床，其特征在于，框架的頂部和底部部件以第一預定距離垂直間置，框架的側面部件平行并以第二預定距離橫向間置，其中第一預定距離大約等于或小于第二預定距離。
3.如權利要求1所述的機床，其特征在于，框架、門架、滑座和滑塊由鋼制成。
4.如權利要求1所述的機床，其特征在于，框架部件形成一個內部空間，內部空間具有相對于框架安裝的在內部空間中的門架和滑座，框架包括使內部空間基本密封和加壓、以使在機加工時滑塊和主軸伸出內部空間、而限制所產(chǎn)生的工件切屑和用在刀具和工件接觸界面的冷卻劑進入內部空間的裝置。
5.如權利要求4所述的機床，其特征在于，密封和加壓裝置包括基本堵塞中心開口而允許滑塊穿越其延伸的隔板和一個供應空氣加壓內部空間的正壓裝置。
6.如權利要求4所述的機床，其特征在于，門架包括頂、底和側壁，滑座包括間置的側壁和一個在側壁間延伸的以形成一個支承滑塊的托架的底部連接板。
7.如權利要求6所述的機床，其特征在于，門架側壁有一個第一預定間距，滑座側壁有一個稍小于第一預定間距的使滑座在第二軸線滑動時在門架側壁間緊密配合的第二預定間距。
8.如權利要求6所述的機床，其特征在于，各線性電動機有一排與一線圈部分相配合的永久磁鐵，第一線性驅動裝置包括第一對對稱的具有在相對方向吸引以抵消它們各自力的磁力的線性電動機。
9.如權利要求8所述的機床，其特征在于，第二線性驅動裝置包括一第二對對稱的線性電動機，它們分別各位于門架側壁和對應的滑座側壁之間，并有在相對方向吸引以一個抵消另一個的磁力。
10.如權利要求6所述的機床，其特征在于，滑塊包括一個具有第三線性驅動裝置的底部支承板，第三線性驅動裝置包括一個位于滑塊底板和滑座底部連接板之間以便滑塊在第三軸線滑動的線性電動機。
11.如權利要求6所述的機床，其特征在于，包括引導門架、滑座和滑塊由它們各自的線性電動機引起的滑動的支承裝置。
12.如權利要求11所述的機床，其特征在于，支承裝置包括互相配合的耐磨滑動軌道(即凸軌)和接納滑動軌道的軌道(即凹軌)，其中各滑動軌道和接納軌道分別位于一對門架壁和一對框架部件之間。
13.如權利要求12所述的機床，其特征在于，滑塊包括一個具有一接收主軸的孔并在其上安裝滑動軌道的箱形體，以及限制在機加工時所產(chǎn)生的工件切屑和用在刀具與工件接觸界面的冷卻劑進入機床的裝置。
14.一種沿多個相互垂直的軸線驅動一刀具的箱形組件，箱形組件包括一能接納一刀具的主軸；一構成一內部空間的箱形框架，內部空間有一個在構成面向前面的開口的橫向間置的側壁之間延伸的頂部和底部壁；一垂直門架，在頂部和底部壁之間延伸安裝以沿一水平的、在相鄰于開口的橫向間置的側壁之間延伸的X軸相對于框架滑動，該門架有兩個間置的側構架，在該兩個側構架之間有一個形成一細長的與框架開口相鄰的中心垂直槽的前端面；安裝主軸以在兩個垂直于X軸的方向滑動的滑動裝置，其中一個方向是沿與垂直槽一致的垂直Y軸，滑動裝置還構成另外的沿一水平的通過槽延伸運動的方向；以及與垂直門架和滑動裝置相關連的線性電動機驅動裝置，能使一刀具至少以一1,500英寸/分鐘的速度和至少以一1G的加速度或減速度沿X、Y和Z軸進給，其中框架、門架和滑動裝置由一具有高剛度的材料制成。
15.如權利要求14所述的箱形組件，其特征在于，框架、垂直門架和滑動裝置由鋼制成并有一個預定的結構固有頻率，線性驅動裝置包括一具有一預選的工作頻率范圍的電動機驅動線路，其中工作頻率范圍的選擇使得預定的結構固有頻率大于電動機驅動裝置線路的預選的工作頻率范圍。
16.如權利要求14所述的箱形組件，其特征在于，多個彈性的吸振墊座與箱形框架相連使框架安裝在一個支承表面，并把箱形組件和支承表面相互隔離開來。
17.如權利要求16所述的箱形組件，其特征在于，吸振墊座連接于框架底部壁以將箱形框架三點安裝于一支承表面。
18.如權利要求14所述的箱形組件，其特征在于，滑動裝置包括一在其內裝主軸的空心滑塊和一滑座，其中安裝于滑座的滑塊沿Z軸線滑動，滑座圍繞主軸在門架構架之間對稱地安裝使滑座、滑塊和主軸沿Y軸滑動。
19.如權利要求16所述的箱形組件，其特征在于，線性電動機驅動裝置至少包括分別安裝在門架和箱形框架壁之間的第一和第二個線性電動機，提供在相對方向的磁性吸力使之相互抵消。
20.如權利要求19所述的箱形組件，其特征在于，線性電動機驅動裝置還至少包括安裝在門架構架和滑座之間的、沿Y軸相對于門架兩側對稱驅動滑座和滑塊的第三和第四個線性電動機。
21.如權利要求20所述的箱形組件，其特征在于，線性電動機驅動裝置還包括一安裝在滑塊和滑座之間沿Z軸驅動滑塊和主軸的第五個線性電動機。
22.一機床包括一旋轉主軸，其上安裝有一切削刀具；一框架，具有構成一中心開口的框架側面部件；一垂直門架，平行于框架側面部件延伸安裝，在框架上滑動；一滑座，安裝于裝滑座的門架以沿門架滑動；一滑塊，裝于滑座并穿過中心開口滑動，它通過開口裝有主軸和旋轉切削刀具；一第一線性驅動裝置，有一對或多對線性電動機，各線性電動機有一個安裝在框架和門架鄰近的相對端的定子線圈部分和永久磁鐵部分，用在相對方向吸引的磁力驅動門架以提供對稱性；一第二線性驅動裝置，至少有一對線性電動機，各線性電動機有一個安裝在門架相對側的定子線圈部分和永久磁鐵部分，用在相對方向吸引的磁力驅動滑座以提供對稱性；以及一第三線性驅動裝置，有具一個定子線圈部分和永久磁鐵部分的一個或多個電動機驅動滑塊和主軸。
23.如權利要求22所述的機床，其特征在于，第三線性驅動裝置包括安裝在滑塊和主軸下面的單個線性電動機。
24.如權利要求23所述的機床，其特征在于，各線性電動機各可驅動門架、滑座和滑塊，使一刀具至少以一1,500英寸/分鐘的速度和至少以一1G的加速度或減速度進給，其中框架、門架和滑動裝置由具有高剛度的鋼制成。
25.如權利要求22所述的方法，其特征在于，第三線性驅動裝置包括一對線性電動機，它們各有一個安裝在滑塊相對側的定子線圈部分和永久磁鐵部分，用在相對方向吸引的磁力驅動滑塊和主軸以提供對稱性。
全文摘要
一種有支承垂直門架的框架的機床，該門架的頂部和底部被線性電動機驅動，使得相對兩個法向磁力基本相等并自相抵消。由此降低增加摩擦的法向磁力。安裝在門架相對兩側的線性電動機使裝主軸的滑座在門架中心的垂直槽移動，諸線性電動機相同使得相對的左右方的法向磁力自相抵消。由此分別提供沿X、Y軸線的對稱性。一主軸和滑塊安裝于滑座并被至少一個線性電動機沿Z軸驅動。包容門架和滑座是較佳的、固定的、箱形結構的框架。
文檔編號B23Q37/00GK1135950SQ95121419
公開日1996年11月20日 申請日期1995年12月12日 優(yōu)先權日1995年5月12日
發(fā)明者托馬斯·朱爾斯·林德姆 申請人:尹格索碾磨機公司