本發(fā)明涉及一種機(jī)床及控制與工藝方法，尤其涉及一種加工自由曲面用機(jī)床，屬于微納機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代智能技術(shù)的發(fā)展，微小型精密產(chǎn)品越來越普遍，產(chǎn)品形狀趨向多元化，尤其是自由曲面零件越來越多，如光學(xué)鏡頭、微相機(jī)透鏡、微鏡陣列、汽車前照燈等。

一般的機(jī)床都限定了適用范圍，如磨床、銑床等，功能單一，不能一次完成自由曲面的加工，生產(chǎn)效率低，加工成本高。

同時(shí)，普通機(jī)床結(jié)構(gòu)在放置時(shí)占空間較大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不緊湊，最重要的是機(jī)床功能趨向多元化的同時(shí)，刀具的位置也在向靈活性靠近。

普通機(jī)床刀具大多就只有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，機(jī)床受力方向固定。

然而，要增加刀具位置的靈活性就可能造成機(jī)床受力方向改變，一旦這種變化過大就會(huì)造成加工過程中機(jī)床的振動(dòng)，使得零件加工精度下降，不符合微小型零件的加工功能要求。

這就需要設(shè)計(jì)一種能加工自由曲面用的穩(wěn)定性較高的微小型機(jī)床，不僅保證加工精度，同時(shí)降低零件的加工成本和提高零件的加工效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種可一次完成自由曲面加工的微型精密機(jī)床，以解決或部分解決上述問題。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是，一種可一次完成自由曲面加工的微型精密機(jī)床，其特征在于，包括機(jī)架、減振底座、驅(qū)動(dòng)組件、刀頭組件、工作臺(tái)和夾具；

所述機(jī)架為框架式結(jié)構(gòu)，整體呈正三棱錐形狀，包括一底板和三根支柱，底板為正三角形，三根支柱長度相等，三根支柱各自的一端分別與上述正三角形的一個(gè)頂角的內(nèi)側(cè)固定連接，三根支柱各自的另一端焊接在一起，成為上述正三棱錐的頂點(diǎn)；

所述機(jī)架放置在所述減振底座上；所述加工頭組件安裝在所述機(jī)架圍成的正三棱錐的內(nèi)部腔室內(nèi)；

所述驅(qū)動(dòng)組件包括座板、三臺(tái)Z向直線電機(jī)、一臺(tái)X向直線電機(jī)和一臺(tái)Y向直線電機(jī)；所述座板為正三角形，水平布置，座板的三個(gè)頂角內(nèi)側(cè)均分別設(shè)置有一半圓形缺口，并通過該三個(gè)半圓形缺口插接在上述三根支柱上，定位后焊接固定；

上述三臺(tái)Z向直線電機(jī)均豎立設(shè)置，每臺(tái)Z向直線電機(jī)的上端蓋板分別與上述座板固定連接，下端蓋板分別與上述底板固定連接；上述座板、底板與三臺(tái)Z向直線電機(jī)共同圍成一個(gè)正三棱柱形狀的空間；

上述三臺(tái)Z向直線電機(jī)頂部的滑動(dòng)塊均面向上述三棱柱形狀的空間內(nèi)部；

上述X向直線電機(jī)安裝在上述底板上，X向直線電機(jī)的縱向中心軸線與上述正三棱柱底部的正三角形的一條底邊重合；

上述Y向直線電機(jī)安裝在上述X向直線電機(jī)頂部的滑動(dòng)塊上，Y向直線電機(jī)的縱向中心軸線的一端為與上述X向直線電機(jī)的縱向中心軸線所在的正三角形的那條底邊所對的頂點(diǎn)，另一端固定在在上述X向直線電機(jī)頂部的滑動(dòng)塊的中心點(diǎn)上；

上述刀頭組件包括刀頭座和三根曲臂連接軸，刀頭座為正方體箱型結(jié)構(gòu)，前方敞口、另外五個(gè)面封閉，三根曲臂連接軸各自的一端分別與刀頭座的左側(cè)、右側(cè)和后側(cè)三個(gè)面的中心點(diǎn)固定連接，三根曲臂連接軸各自的另一端分別與上述三臺(tái)Z向直線電機(jī)頂部的滑動(dòng)塊固定連接；

上述刀頭座內(nèi)安裝有刀具，刀具的尾部固定在刀頭座的上蓋板上，刀具的刀頭部經(jīng)由刀頭座的下蓋板的中心孔穿過并伸出，刀具的中軸線的延長線分別過刀頭座上蓋板中心點(diǎn)和下蓋板中心點(diǎn)；

所述工作臺(tái)與上述Y向直線電機(jī)頂部的滑動(dòng)塊固定連接；

所述夾具安裝在工作臺(tái)上；

按從下至上的順序，所述工作臺(tái)依次包括下底板、齒輪副、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和夾具；其中，下底板與上述Y向直線電機(jī)頂部的滑動(dòng)塊固定連接，由Y向直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)；下底板的上表面中心設(shè)置有一齒輪定位軸，齒輪副包括一大一小的兩個(gè)齒輪，大齒輪以可繞上述齒輪定位軸轉(zhuǎn)動(dòng)的方式裝配在齒輪定位軸上，大齒輪與小齒輪共平面布置；

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)為開合結(jié)構(gòu)，包括上、下兩個(gè)臺(tái)面，上臺(tái)面與下臺(tái)面通過第一鉸接軸鉸接，第一鉸接軸的布置在上臺(tái)面的右邊緣內(nèi)側(cè)；上臺(tái)面的下表面和下臺(tái)面的上表面分別設(shè)置有尺寸相同的條形槽，條形槽的左端開至上述第一鉸接軸，條形槽的右端分別開至上下兩個(gè)臺(tái)面的右邊緣，分別形成一敞口；上下兩個(gè)臺(tái)面的右邊緣的內(nèi)側(cè)位置處設(shè)置有一開合結(jié)構(gòu)形式的驅(qū)動(dòng)裝置，所述開合結(jié)構(gòu)形式的驅(qū)動(dòng)裝置為一液壓缸，液壓缸的底座與下臺(tái)面鉸接，液壓缸的活塞桿與上臺(tái)面固定連接；當(dāng)液壓缸的活塞桿全部縮回后，上下兩個(gè)臺(tái)面均分別呈水平狀態(tài)；

在下臺(tái)面的一側(cè)設(shè)置有一水平向外伸出的平板，平板的中心開孔；

小齒輪和用于驅(qū)動(dòng)它的帶減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，按照小齒輪在下、帶減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在上的方式布置在平板的上下兩側(cè)，減速機(jī)的輸出軸穿過平板，小齒輪裝配在減速機(jī)的輸出軸上，整體位于上述下底板的外側(cè)。

優(yōu)選為，上述的可一次完成自由曲面加工的微型精密機(jī)床，其特征在于，減振底座包括有相互平行的上底座與下底座，上底座與下底座均為平板，上底座與下底座之間設(shè)置有第一空氣彈簧，空氣彈簧的上端與上底座下表面的中心固定連接，空氣彈簧的下端與下底座上表面的中心固定連接；

在上述空氣彈簧的周邊設(shè)置有若干數(shù)量的超磁致伸縮制動(dòng)器，第一超磁致伸縮制動(dòng)器的上下兩端分別與上底座和下底座固定連接。

進(jìn)一步優(yōu)選，上述的可一次完成自由曲面加工的微型精密機(jī)床，其特征在于，還包括有一個(gè)機(jī)床外罩；

所述機(jī)床外罩為正三棱錐形狀，底部敞口，其余各面均封閉；

所述機(jī)床外罩罩在所述機(jī)架上，機(jī)床外罩的底部邊緣與所述減振底座的周邊保留一定間距，在機(jī)床外罩的底部邊緣與減振底座的周邊的間隙處設(shè)置有若干數(shù)量的第二超磁致伸縮制動(dòng)器，第二超磁致伸縮制動(dòng)器的兩端分別與機(jī)床外罩和減振底座固定連接。

進(jìn)一步優(yōu)選，上述驅(qū)動(dòng)電機(jī)為調(diào)速電機(jī)，配套有變頻器。

進(jìn)一步優(yōu)選，上述上底座和下底座的材質(zhì)均為花崗巖石。

進(jìn)一步優(yōu)選，外部配套有一控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)用于上述Z向直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)、X向直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和Y向直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)、液壓缸活塞桿的伸/縮、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟/停和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、空氣彈簧的充/放氣的控制，以及第一超磁致伸縮制動(dòng)器的供電電流大小的調(diào)節(jié)和第二超磁致伸縮制動(dòng)器的電流大小的調(diào)節(jié)。

上述技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，

1、機(jī)床整體結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理。

2、X向直線電機(jī)、Y向直線電機(jī)、液壓缸活塞桿和齒輪副等運(yùn)動(dòng)部件的相互協(xié)調(diào)、配合，可以帶動(dòng)待加工件進(jìn)行前后左右方向的運(yùn)動(dòng)，沿垂直方向的對稱軸進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，沿水平面進(jìn)行360度轉(zhuǎn)動(dòng)；而，刀頭組件在Z向直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行垂直方向的上下移動(dòng)。這樣，待加工件在一次夾持固定后，不需要再次進(jìn)行夾具上的拆卸與換位夾持，即可按所需加工要求，完成平面或自由曲面的加工。即，本發(fā)明的微型精密機(jī)床，不僅適于常規(guī)面和自由曲面的加工成型，而且，這種加工成型可以在工件被夾持一次的前提下，從始到終，一次完成。從而，提高了加工件的加工精度、消除了二次加工帶來的誤差，降低了工件加工的難度。

3、精密機(jī)床的主體部分全部安裝在三棱錐結(jié)構(gòu)形式的機(jī)架上，形成一個(gè)極其穩(wěn)定的四面體結(jié)構(gòu)，確保了工件加工成形過程中“振動(dòng)”的最小化(相關(guān)理論研究表明，四面體的各個(gè)環(huán)結(jié)構(gòu)上傳播的機(jī)械振動(dòng)波之間會(huì)出現(xiàn)干涉，最終會(huì)相互抵消)。因而可有效減少工件加工成形精度的影響/制約因素，保證機(jī)床工作時(shí)的高精度。

同時(shí)，機(jī)床外罩的設(shè)置可以消除機(jī)床周圍環(huán)境內(nèi)空氣氣流可能帶來的擾動(dòng)、沖擊；并且，進(jìn)一步地，減振底座安裝在機(jī)床外罩內(nèi)，上面放置機(jī)架，可盡可能將工件加工成形過程中可能導(dǎo)致的豎直方向上的抖動(dòng)衰減到最小程度；并可屏蔽周圍環(huán)境氣流的干擾。此外，空氣彈簧和第一超磁致伸縮制動(dòng)器連接減振底座的上下底座，減小來自底部的振動(dòng)，第二超磁致伸縮制動(dòng)器連接機(jī)床外罩與減振底座，可減小來自機(jī)床側(cè)面的振動(dòng)。

4、機(jī)床外部配套有一控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)用于Z向直線電機(jī)、X向直線電機(jī)和Y向直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)、液壓缸活塞桿的伸/縮、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟/停和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、空氣彈簧的充/放氣的控制，以及第一超磁致伸縮制動(dòng)器的供電電流大小的調(diào)節(jié)和第二超磁致伸縮制動(dòng)器的電流大小的調(diào)節(jié)。這，一方面，具有數(shù)控機(jī)床的全部優(yōu)點(diǎn)和特性；另一方面，保證了機(jī)床加工的效率和加工精度。。

綜上所述，本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理，加工精度高、可靠性與穩(wěn)定性好，可一次完成自由曲面的加工成型等有益效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體軸測結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的減振底座的軸測結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)組件的軸測結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的工作臺(tái)的軸測結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的下底板的軸測結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的軸測結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說明：1、機(jī)架，2、減振底座，201、下底座，202、上底座，203、第一空氣彈簧，204、第一超磁致伸縮致動(dòng)器，205、第二超磁致伸縮制動(dòng)器，3、驅(qū)動(dòng)組件，301、Y向直線電機(jī)，302、X向直線電機(jī)，303/304/305、Z向直線電機(jī)，306、座板，4、刀頭組件，5、工作臺(tái)，501、下底板，502、齒輪副，503、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，5031、下臺(tái)面，5032、液壓缸，5033、上臺(tái)面，5034、第一鉸接軸，6、夾具，7、機(jī)床外罩。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明的一種可一次完成自由曲面加工的微型精密機(jī)床，其特征在于，包括機(jī)架1、減振底座2、驅(qū)動(dòng)組件3、刀頭組件4、工作臺(tái)5和夾具6；

如圖2至圖3所示，機(jī)架1為框架式結(jié)構(gòu)，整體呈正三棱錐形狀，包括一底板和三根支柱，底板為正三角形，三根支柱長度相等，三根支柱各自的一端分別與上述正三角形的一個(gè)頂角的內(nèi)側(cè)固定連接，三根支柱各自的另一端焊接在一起，成為上述正三棱錐的頂點(diǎn)；

上述機(jī)架1放置在上述減振底座2上；上述刀頭組件4安裝在上述機(jī)架1圍成的正三棱錐的內(nèi)部腔室內(nèi)；

如圖3所示，上述驅(qū)動(dòng)組件3包括座板306、三臺(tái)Z向直線電機(jī)303/304/305、一臺(tái)X向直線電機(jī)302和一臺(tái)Y向直線電機(jī)301；上述座板306為正三角形，水平布置，座板306的三個(gè)頂角內(nèi)側(cè)均分別設(shè)置有一半圓形缺口，并通過該三個(gè)半圓形缺口插接在上述三根支柱上，定位后焊接固定；

上述三臺(tái)Z向直線電機(jī)均豎立設(shè)置，每臺(tái)Z向直線電機(jī)的上端蓋板分別與上述座板306固定連接，下端蓋板分別與上述底板固定連接；上述座板306、底板與三臺(tái)Z向直線電機(jī)共同圍成一個(gè)正三棱柱形狀的空間；

上述三臺(tái)Z向直線電機(jī)頂部的滑動(dòng)塊均面向上述三棱柱形狀的空間內(nèi)部；

上述X向直線電機(jī)302安裝在上述底板上，X向直線電機(jī)302的縱向中心軸線與上述正三棱柱底部的正三角形的底邊A重合；

上述Y向直線電機(jī)301安裝在上述X向直線電機(jī)302頂部的滑動(dòng)塊上，Y向直線電機(jī)301的縱向中心軸線的一端為與上述X向直線電機(jī)301的縱向中心軸線所在的正三角形的那條底邊所對的頂點(diǎn)，另一端固定在在上述X向直線電機(jī)301頂部的滑動(dòng)塊的中心點(diǎn)上；

上述刀頭組件4包括刀頭座和三根曲臂連接軸，刀頭座為正方體箱型結(jié)構(gòu)，前方敞口、另外五個(gè)面封閉，三根曲臂連接軸各自的一端分別與刀頭座的左側(cè)、右側(cè)和后側(cè)三個(gè)面的中心點(diǎn)固定連接，三根曲臂連接軸各自的另一端分別與上述三臺(tái)Z向直線電機(jī)頂部的滑動(dòng)塊固定連接；

上述刀頭座內(nèi)安裝有刀具，刀具的尾部固定在刀頭座的上蓋板上，刀具的刀頭部經(jīng)由刀頭座的下蓋板的中心孔穿過并伸出，刀具的中軸線的延長線分別過刀頭座上蓋板中心點(diǎn)和下蓋板中心點(diǎn)；

上述工作臺(tái)與上述Y向直線電機(jī)頂部的滑動(dòng)塊固定連接；

上述夾具安裝在工作臺(tái)上；

按從下至上的順序，上述工作臺(tái)5依次包括下底板501、齒輪副502、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)503和夾具504；其中，下底板501與上述Y向直線電機(jī)301頂部的滑動(dòng)塊固定連接，由Y向直線電機(jī)301驅(qū)動(dòng)；下底板501的上表面中心設(shè)置有一齒輪定位軸，齒輪副包括一大一小的兩個(gè)齒輪，大齒輪以可繞上述齒輪定位軸轉(zhuǎn)動(dòng)的方式裝配在齒輪定位軸上，大齒輪與小齒輪共平面布置；

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)503為開合結(jié)構(gòu)，包括上、下兩個(gè)臺(tái)面，上臺(tái)面5033與下臺(tái)面5031通過第一鉸接軸5034鉸接，第一鉸接軸5034的布置在上臺(tái)面5033的右邊緣內(nèi)側(cè)；上臺(tái)面5033的下表面和下臺(tái)面5031的上表面分別設(shè)置有尺寸相同的條形槽，條形槽的左端開至上述第一鉸接軸5034，條形槽的右端分別開至上下兩個(gè)臺(tái)面的右邊緣，分別形成一敞口；上下兩個(gè)臺(tái)面的右邊緣的內(nèi)側(cè)位置處設(shè)置有一開合結(jié)構(gòu)形式的驅(qū)動(dòng)裝置，上述開合結(jié)構(gòu)形式的驅(qū)動(dòng)裝置為一液壓缸5032，液壓缸5032的底座與下臺(tái)面5031鉸接，液壓缸5032的活塞桿與上臺(tái)面5033固定連接；當(dāng)液壓缸5032的活塞桿全部縮回后，上下兩個(gè)臺(tái)面均分別呈水平狀態(tài)；

在下臺(tái)面5031的一側(cè)設(shè)置有一水平向外伸出的平板，平板的中心開孔；

小齒輪和用于驅(qū)動(dòng)它的帶減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，按照小齒輪在下、帶減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在上的方式布置在平板的上下兩側(cè)，減速機(jī)的輸出軸穿過平板，小齒輪裝配在減速機(jī)的輸出軸上，整體位于上述下底板的外側(cè)。

上述減振底座2包括有相互平行的上底座202與下底座201，上底座202與下底座201均為平板，上底座202與下底座201之間設(shè)置有第一空氣彈簧203，空氣彈簧203的上端與上底座下表面的中心固定連接，空氣彈簧203的下端與下底座上表面的中心固定連接；

在上述空氣彈簧203的周邊設(shè)置有若干數(shù)量的超磁致伸縮制動(dòng)器，第一超磁致伸縮制動(dòng)器204的上下兩端分別與上底座和下底座固定連接。

上述的可一次完成自由曲面加工的微型精密機(jī)床，還包括有一個(gè)機(jī)床外罩7；

上述機(jī)床外罩7為正三棱錐形狀，底部敞口，其余各面均封閉；

上述機(jī)床外罩7罩在上述機(jī)架1上，機(jī)床外罩7的底部邊緣與上述減振底座2的周邊保留一定間距，在機(jī)床外罩7的底部邊緣與減振底座2的周邊的間隙處設(shè)置有若干數(shù)量的第二超磁致伸縮制動(dòng)器205，第二超磁致伸縮制動(dòng)器205的兩端分別與機(jī)床外罩7和減振底座2固定連接。

上述驅(qū)動(dòng)電機(jī)為調(diào)速電機(jī)，配套有變頻器。

上述上底座202和下底座201的材質(zhì)均為花崗巖石。

說明：

上述的可一次完成自由曲面加工的微型精密機(jī)床，其外部配套有一控制系統(tǒng)，上述控制系統(tǒng)用于上述Z向直線電機(jī)、X向直線電機(jī)和Y向直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)、液壓缸活塞桿的伸/縮、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟/停和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、空氣彈簧的充放氣，以及第一超磁致伸縮制動(dòng)器的供電電流大小的調(diào)節(jié)和第二超磁致伸縮制動(dòng)器的電流大小的調(diào)節(jié)。