一种差动螺旋机构及基于差动螺旋机构的多轴机床.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103722432 A (43)申请公布日 2014.04.16 CN 103722432 A (21)申请号 201310737514.0 (22)申请日 2013.12.26 B23Q 5/22(2006.01) (71)申请人 北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路 37 号 (72)发明人 陈志同 (74)专利代理机构 北京慧泉知识产权代理有限 公司 11232 代理人 王顺荣 唐爱华 (54) 发明名称 一种差动螺旋机构及基于差动螺旋机构的多 轴机床 (57) 摘要 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）。

2、 、 丝杠花键轴 （3） 和机架 （4）组成 ； 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。本发明是利用差动原理使 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， 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 用一或多个螺旋动力头与其它移动或旋转运动单 元共同构成各种形式的多轴联动机床， 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。 (51。

3、)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 7 页 附图 9 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书7页 附图9页 (10)申请公布号 CN 103722432 A CN 103722432 A 1/2 页 2 1. 一种差动螺旋机构， 其特征在于 ： 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 ； 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 ； 所述。

4、螺母旋转单元 （1） ， 是由光栅读数头 （101） ， 光栅刻度盘 （102） ， 螺母单元左端盖 （103） ， 螺母左轴承 （104） ， 滚动螺母左半 （105） ， 电机定子 （106） ， 电机转子 （107） ， 滚动螺母 右半 （108） ， 螺母单元右端盖 （109） 和螺母右轴承 （110） 组成 ； 滚动螺母左半 （105） ， 电机转 子 （107） ， 滚动螺母右半 （108） 通过螺钉连接为螺母转子组件， 它们通过螺母左轴承 （104） 和螺母右轴承 （110） 分别支撑于螺母单元左端盖 （103） 和螺母单元右端盖 （109） 上， 螺母单 元左端盖 （103） 。

5、和螺母单元右端盖 （109） 与电机定子 （106） 通过螺钉连接于该螺母旋转单 元的壳体上， 而壳体又通过螺钉连接于机架 （4） 上 ； 其作用是利用电机定子 （106） 和电机转 子 （107） 构成的伺服电机驱动滚动螺母左半 （105） 和滚动螺母右半 （108） 构成的滚动螺母 旋转， 该螺母因具有相对丝杠的旋转运动而驱动丝杠花键轴做轴向运动， 螺母的旋转角度 通过由光栅读数头 （101） 和光栅刻度盘 （102） 组成的光栅或其它角度检测装置进行检测以 实现闭环控制 ； 该光栅读数头是是光栅的组成部分之一， 用于读取光栅刻度盘的位置数据， 它通常与光栅刻度盘构成一个整体作为回转光栅标。

6、准件 ； 该光栅刻度盘是回转光栅的刻度 装置， 其上刻有条纹， 其当前位置利用干涉原理被光栅读数头读取并传递给数控系统 ； 该螺 母单元左端盖和右端盖用于将电机定子固定于机架上并用于固定光栅读数头和为螺母轴 承提供安装空间 ； 该螺母左轴承和右轴承用于支撑电机定子和滚动螺母 ； 该滚动螺母左半 和右半共同组成一个滚动螺母， 它们通常安装在一起用于消除间隙， 也能安装于电机转子 的两端用于提高螺母的支撑长度， 但存在电机转子的温度影响需要充分冷却 ； 该电机定子 和电机转子组成伺服电机， 通常是力矩电机的定子和转子组成， 必要时将电机转子更换成 齿轮或齿形带轮， 其回转运动通过外部的伺服电机传送。

7、给该齿轮或齿形带轮 ； 所述花键套旋转单元 （2） ， 是由光栅读数头 （201） 、 光栅刻度盘 （202） 、 花键单元右端盖 （203） 、 花键套右轴承 （204） 、 滚动花键套右半 （205） ， 电机定子 （206） 、 电机转子 （207） 、 滚 动花键套左半 （208） 、 花键单元左端盖 （209） 和花键套左轴承 （21） 组成 ； 滚动花键套右半 （205） ， 电机转子 （207） ， 滚动花键套左半 （208） 通过螺钉连接为花键套转子组件， 它们通过 花键套右轴承 （104） 和花键套左轴承 （110） 分别支撑于花键单元右端盖 （203） 和花键单元 左端盖 。

8、（209） 上， 花键单元右端盖 （203） 和花键单元左端盖 （209） 与电机定子 （206） 通过螺 钉连接于该花键套旋转单元的壳体上， 而壳体又通过螺钉连接于机架 （4） 上 ； 光栅读数头 （201） 固定于花键单元右端盖 （203） 上， 光栅刻度盘 （102） 固定于滚动花键套右半 （205） 上， 它们用于测量花键套转子组件的角位移 ； 其作用是利用电机定子 （206） 和电机转子 （207） 构成的伺服电机驱动花键套转子组件旋转， 该花键套转子组件通过花键带动丝杠花键轴做 同速回转运动， 花键套转子组件的旋转角度通过由光栅读数头 （201） 和光栅刻度盘 （202） 组成的光。

9、栅或其它角度检测装置进行检测以实现闭环控制 ； 该光栅读数头是光栅的组成部 分之一， 用于读取光栅刻度盘的位置数据， 它通常与光栅刻度盘构成一个整体作为回转光 栅标准件 ； 该光栅刻度盘是回转光栅的刻度装置， 其上刻有条纹， 其当前位置利用干涉原理 被光栅读数头读取并传递给数控系统 ； 该花键套转子组件单元左端盖和右端盖用于将电机 定子固定于机架上并用于固定光栅读数头和为花键套轴承提供安装空间 ； 该花键套左轴承 权 利 要 求 书 CN 103722432 A 2 2/2 页 3 和右轴承用于支撑电机定子和滚动花键 ； 该滚动花键左半和右半共同组成一个滚动花键 套， 它们只用一个来实现同样的。

10、功能， 而同时采用两个则提高支撑刚度， 在只采用二者之一 时另一部分的内部保留大的圆孔 ； 该电机定子和电机转子组成伺服电机， 通常是力矩电机 的定子和转子组成， 必要时将电机转子更换成齿轮或齿形带轮， 其回转运动通过外部的伺 服电机传送给该齿轮或齿形带轮 ； 所述丝杠花键轴 （3） 的一部分是滚动丝杠， 另一部分是滚动花键， 分别与滚动螺母和滚 动花键啮合 ； 所述机架 （4） 是由焊接或铸造工艺制作的箱式金属结构件， 它是该机构的基体， 其它三 单元与之相互连接。 2. 根据权利要求 1 所述的一种差动螺旋机构， 其特征在于 ： 丝杠花键轴由滚动螺 母 - 花键套， 滚动螺母 - 花键轴，。

11、 丝杠 - 花键套， 丝杠 - 花键轴四种方案组成， 能构造出丰富 的螺旋机构结构， 所述的具体机构和结构根据拓扑不变性和机构等效性以及强度刚度的要 求变换出多种结构形式， 如单螺母方式、 单花键套方式。 3. 根据权利要求 1 所述的一种差动螺旋机构， 其特征在于 ： 其中， 当将主轴电机安装于 该机构上时就构成了一个具有螺旋运动的动力头， 当将工作台连接在该机构上时就构成了 具有 2 个运动自由度的工作台 ； 按照工作台和主轴在丝杠花键轴上的中部或端部等两个不 同安装位置， 形成简支和悬臂两种结构方式， 即简支式差动螺旋工作台， 简支式差动螺旋动 力头， 悬臂式差动螺旋工作台和悬臂式差动螺。

12、旋动力头。 4. 根据权利要求 1 所述的一种差动螺旋机构， 其特征在于 ： 采用一个悬臂式差动螺旋 工作台和一个悬臂式差动螺旋动力头构成一种双差动螺旋四轴数控机床。 5. 根据权利要求 1 所述的一种差动螺旋机构， 其特征在于 ： 采用两个差动螺旋运动单 元和一个水平直线运动单元后形成一种双差动螺旋五轴数控机床。 6. 根据权利要求 1 所述的一种差动螺旋机构， 其特征在于 ： 滚动花键采用另一个与前 一个螺母導程不同的滚动螺母替换， 构成具有两个滚动螺母 - 丝杠运动副的差动螺旋运动 单元， 用于简化机床预紧结构。 7.根据权利要求1所述的一种差动螺旋机构， 其特征在于 ： 其中与电机定子。

13、 （106） 和电 机转子 （107） 或电机定子 （206） 和电机转子 （207） 构成的其回转中心与输出丝杠花键轴同 心的伺服电机采用一个与输出丝杠花键轴平行但具有一定距离的普通伺服电机与一组齿 轮传动副或一组齿形带传动副组合， 其中一个从动齿形带轮或从动齿轮替代电机转子固定 于当前的位置， 其中的主动齿形带轮或主动齿轮安装于普通伺服电机的输出轴上。 8. 根据权利要求 1 所述的一种差动螺旋机构， 其特征在于 ： 当用偏心的普通伺服电机 与一组齿轮传动副或一组齿形带传动副组合替代同心的伺服电机的定子和转子后， 所述的 由光栅读数头 （101） 和光栅刻度盘 （102） 组成的光栅或其它。

14、角度检测装置以及由光栅读 数头 （201） 和光栅刻度盘 （202） 组成的光栅或其它角度检测装置在实现开环控制时可以取 消。 9. 根据权利要求 1 所述的一种差动螺旋机构， 其特征在于 ： 所述的滚动丝杠 - 滚动螺 母运动副在精度要求不高时采用滑动丝杠 - 螺母运动副取代。 10. 根据权利要求 1 所述的一种差动螺旋机构， 其特征在于 ： 所述的滚动花键 - 滚动花 键套运动副采用一组安装于一个壳体上的直线导轨 - 替代， 能显著增加扭转刚度。 权 利 要 求 书 CN 103722432 A 3 1/7 页 4 一种差动螺旋机构及基于差动螺旋机构的多轴机床 技术领域 0001 本发明。

15、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 0002 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。

16、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。

17、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。 0003 采用传统的轻量化设计。

18、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 0004 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。

19、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 说 明 书 CN 103722432 A 4 2/7 页 5 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。 0005 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 ： 0006 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。

20、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。 0007 所述螺母旋转单元1， 是由光栅读数头101， 光栅刻度盘102， 螺母单元左端盖103， 螺母左轴承104， 滚动螺母左半105， 电机定子106， 电机转子107， 滚动螺母右半108， 螺母单 元右端盖 109 和螺母右轴承 110 组成 ； 它们之间的位置连接关系是 ： 滚动螺母左半 105， 电 机转子 107， 滚动螺母右半 108 通过螺钉连接为螺母转子组件， 它们通过螺母左轴承 104 和 螺母右轴承 110 分别支撑于螺母单元左端盖 103 和螺母单元右端盖 109 上， 螺母单元左。

21、端 盖 103 和螺母单元右端盖 109 与电机定子 106 通过螺钉连接于该螺母旋转单元的壳体上， 而壳体又通过螺钉连接于机架 4 上 ； 其作用是利用电机定子 106 和电机转子 107 构成的伺 服电机驱动滚动螺母左半 105 和滚动螺母右半 108 构成的滚动螺母旋转， 该螺母因具有相 对丝杠的旋转运动而驱动丝杠花键轴做轴向运动， 螺母的旋转角度可以通过由光栅读数头 101 和光栅刻度盘 102 组成的光栅或其它类似角度检测装置进行检测以实现闭环控制。该 光栅读数头是是光栅的组成部分之一， 用于读取光栅刻度盘的位置数据， 它通常与光栅刻 度盘构成一个整体作为回转光栅标准件， 可以从市场。

22、上购买到 ； 该光栅刻度盘是回转光栅 的刻度装置， 其上刻有条纹， 其当前位置可利用干涉原理被光栅读数头读取并传递给数控 系统 ； 该螺母单元左端盖和右端盖用于将电机定子固定于机架上并用于固定光栅读数头和 为螺母轴承提供安装空间 ； 该螺母左轴承和右轴承用于支撑电机定子和滚动螺母 ； 该滚动 螺母左半和右半共同组成一个滚动螺母， 它们通常安装在一起用于消除间隙， 也可以象本 发明一样安装于电机转子的两端用于提高螺母的支撑长度， 但存在电机转子的温度影响问 题， 需要充分冷却 ； 该电机定子和电机转子组成伺服电机， 通常可以是力矩电机的定子和转 子组成， 必要时可以将电机转子更换成齿轮或齿形带轮。

23、， 其回转运动通过外部的伺服电机 传送给该齿轮或齿形带轮。 0008 所述花键套旋转单元 2， 是由光栅读数头 201、 光栅刻度盘 202、 花键单元右端盖 203、 花键套右轴承204、 滚动花键套右半205， 电机定子206、 电机转子207、 滚动花键套左半 208、 花键单元左端盖 209 和花键套左轴承 21 组成 ； 它们之间的位置连接关系是 ： 滚动花键 套右半205， 电机转子207， 滚动花键套左半208通过螺钉连接为花键套转子组件， 它们通过 花键套右轴承 104 和花键套左轴承 110 分别支撑于花键单元右端盖 203 和花键单元左端盖 209 上， 花键单元右端盖 2。

24、03 和花键单元左端盖 209 与电机定子 206 通过螺钉连接于该花 键套旋转单元的壳体上， 而壳体又通过螺钉连接于机架 4 上。光栅读数头 201 固定于花键 单元右端盖 203 上， 光栅刻度盘 102 固定于滚动花键套右半 205 上， 它们用于测量花键套转 子组件的角位移 ； 其作用是利用电机定子 206 和电机转子 207 构成的伺服电机驱动花键套 转子组件旋转， 该花键套转子组件通过花键带动丝杠花键轴做同速回转运动， 花键套转子 组件的旋转角度可以通过由光栅读数头201和光栅刻度盘202组成的光栅或其它类似角度 检测装置进行检测以实现闭环控制。该光栅读数头是光栅的组成部分之一， 。

25、用于读取光栅 说 明 书 CN 103722432 A 5 3/7 页 6 刻度盘的位置数据， 它通常与光栅刻度盘构成一个整体作为回转光栅标准件， 可以从市场 上购买到 ； 该光栅刻度盘是回转光栅的刻度装置， 其上刻有条纹， 其当前位置可利用干涉原 理被光栅读数头读取并传递给数控系统 ； 该花键套转子组件单元左端盖和右端盖用于将电 机定子固定于机架上并用于固定光栅读数头和为花键套轴承提供安装空间 ； 该花键套左轴 承和右轴承用于支撑电机定子和滚动花键 ； 该滚动花键左半和右半共同组成一个滚动花键 套， 它们可以只用一个来实现同样的功能， 而同时采用两个可以提高支撑刚度， 在只采用二 者之一时另。

26、一部分的内部可保留大的圆孔 ； 该电机定子和电机转子组成伺服电机， 通常可 以是力矩电机的定子和转子组成， 必要时可以将电机转子更换成齿轮或齿形带轮， 其回转 运动通过外部的伺服电机传送给该齿轮或齿形带轮。 0009 所述丝杠花键轴 3 的一部分是滚动丝杠， 另一部分是滚动花键， 分别与滚动螺母 和滚动花键啮合。 0010 所述机架 4 是由焊接或铸造工艺制作的箱式金属结构件， 它是该机构的基体， 其 它三单元与之相互连接。 0011 其中， 根据螺旋机构的传动原理和花键的传动原理， 丝杠花键轴可以由滚动螺 母 - 花键套， 滚动螺母 - 花键轴， 丝杠 - 花键套， 丝杠 - 花键轴等四种方。

27、案组成， 因此可以构 造出非常丰富的螺旋机构结构。 所述的具体机构和结构也可以根据拓扑不变性和机构等效 性以及强度刚度的要求变换出多种结构形式， 如单螺母方式、 单花键套方式等等。 0012 其中， 当将主轴电机安装于该机构上时就构成了一个具有螺旋运动的动力头， 当 将工作台 T 连接在该机构上时就构成了具有 2 个运动自由度的工作台。按照工作台和主轴 在丝杠花键轴上的中部或端部等两个不同安装位置， 可以形成简支和悬臂两种结构方式， 即简支式差动螺旋工作台， 简支式差动螺旋动力头， 悬臂式差动螺旋工作台悬臂式差动螺 旋动力头。 0013 其中， 采用一个悬臂式差动螺旋工作台和一个悬臂式差动螺旋。

28、动力头可构成一种 双差动螺旋四轴数控机床。 0014 其中， 采用两个差动螺旋运动单元和一个水平直线运动单元后可形成一种双差动 螺旋五轴数控机床。 0015 其中， 其中的滚动花键也可以采用另一个与前一个螺母導程不同的滚动螺母替 换， 构成具有两个滚动螺母 - 丝杠运动副的差动螺旋运动单元， 可以用于简化机床预紧结 构。 0016 其中， 与电机定子 106 和电机转子 107 或电机定子 206 和电机转子 207 构成的其 回转中心与输出丝杠花键轴同心的伺服电机可以采用一个与输出丝杠花键轴平行但具有 一定距离的普通伺服电机与一组齿轮传动副或一组齿形带传动副组合， 其中一个从动齿形 带轮或从。

29、动齿轮替代电机转子固定于当前的位置， 其中的主动齿形带轮或主动齿轮安装于 普通伺服电机的输出轴上。 0017 其中， 当用偏心的普通伺服电机与一组齿轮传动副或一组齿形带传动副组合替代 同心的伺服电机的定子和转子后， 所述的由光栅读数头 101 和光栅刻度盘 102 组成的光栅 或其它角度检测装置以及由光栅读数头201和光栅刻度盘202组成的光栅或其它角度检测 装置在实现开环控制时可以取消。 0018 其中， 所述的滚动丝杠 - 滚动螺母运动副在精度要求不高时可以采用滑动丝 说 明 书 CN 103722432 A 6 4/7 页 7 杠 - 螺母运动副取代。 0019 其中， 所述的滚动花键 。

30、- 滚动花键套运动副可以采用一组安装于一个壳体上的直 线导轨 - 替代， 能显著增加扭转刚度。 0020 图 1 为差动螺旋运动单元的传动原理图。图中， 驱动螺母的电机转子 A2 通过螺母 左轴承 A1 和螺母右轴承 A6 支撑于机架 A5 上 , 螺母驱动电机的电机定子 A3 固定于机架 A5 上 , 滚动螺母 A4 固连于电机转子 A2 上 , 滚动丝杠 A7 与滚动螺母 A4 通过导程为 P 的螺旋 副连接。电机转子 A2 以角速度 W1 旋转时， 丝杠滚动丝杠 A7 可做轴线方向的移动运动。驱 动花键套 B5 旋转的电机转子 B2 通过花键套左轴承 B1 和花键套右轴承 B5 支撑于机。

31、架 B4 上,驱动花键套B5旋转的B3为电机定子固定于机架B4,滚动花键套B6固连于电机转子B2 上 , 滚动花键轴 B7 与花键套 B5 以滚动花键副连接。电机转子不 2 以角速度 W2 旋转时， 丝 杠花键轴 （输出轴） C 将做速度为 Wc 的旋转运动， 且 Wc=W1, 而其移动速度 Vc=(W1-W2)P/2/ 。即在螺母 A4 和花键套 B5 的同时驱动下， 丝杠花键轴将同时输出旋转运动和直线运动， 即输出一个螺旋运动。 0021 根据运动的相对性 , 丝杠花键轴都采用的是丝杠螺母机构中的外螺纹或外花键 组合成的机构,实际上花键套和滚动螺母也可以参与组合成为多种形式的输出结构,包括。

32、 螺母 - 花键输出方式 , 螺母 - 花键套输出方式 , 丝杠 - 花键套输出方式 , 即与图 1 所示的 方式一起共可得到四种不同的输出方式 . 而且滚动螺母常采用预紧结构， 即每个螺母或花 键套可以由两段组成， 通过预先捏转一定角度或在其中间加上一定厚度的调整垫片而消除 其中的间隙和提高其扭转和轴向运动的刚度。 0022 此外， 花键可以认为是螺母的特例， 即滚动花键可以认为是導程无穷大的滚动螺 母。因此， 该机构最一般的形式是图 1 种的滚动花键也可以是滚动丝杠 - 螺母运动副， 此 时输出轴的轴线移动速度为 Vc=(W1P2-W2P1)P/2/, 输出轴的角速度为 Wc=(W1P1-。

33、W2P2)/ (P1-P2), 其中 P1 为螺母 1 的導程、 P2 为螺母 2 的導程。这种机构的好处是， 当输出轴刚性 足够好时每个螺母都只由一个螺母构成， 其中的间隙由两个电机相对转动一个小角度而进 行控制。 从本质上看， 螺旋机构是一种并联机构， 但是是一种具有良好的工业基础的其零件 已经标准化和在大量应用的没有采用球面轴承的 2 自由度并联机构， 当螺母和花键精度足 够高时， 这两个运动单元省去了通常意义的直线运动导轨， 因此其结构得到极大简化， 其成 本获得显著降低。 0023 图 2 是根据图 1 原理设计的一种差动螺旋运动单元的典型结构。图中， 滚动螺母 左半105， 电机转。

34、子107， 滚动螺母右半108通过螺钉连接为螺母转子组件， 它们通过螺母左 轴承 104 和螺母右轴承 110 分别支撑于螺母单元左端盖 103 和螺母单元右端盖 109 上， 螺 母单元左端盖 103 和螺母单元右端盖 109 与电机定子 106 通过螺钉连接于该螺母旋转单元 的壳体上， 而壳体又通过螺钉连接于底座4上。 光栅读数头101固定于螺母单元左端盖103 上， 光栅刻度盘 102 固定于滚动螺母左半 105 上， 它们用于测量螺母转子组件的角位移。滚 动花键套右半205， 电机转子207， 滚动花键套左半208通过螺钉连接为花键套转子组件， 它 们通过花键套右轴承 104 和花键套。

35、左轴承 110 分别支撑于花键单元右端盖 203 和花键单元 左端盖 209 上， 花键单元右端盖 203 和花键单元左端盖 209 与电机定子 206 通过螺钉连接 于该花键套旋转单元的壳体上， 而壳体又通过螺钉连接于底座 4 上。光栅读数头 201 固定 于花键单元右端盖 203 上， 光栅刻度盘 102 固定于滚动花键套右半 205 上， 它们用于测量螺 说 明 书 CN 103722432 A 7 5/7 页 8 母转子组件的角位移。 0024 当电机转子 107 和 207 分别驱动螺母转子组件和花键套转子组件旋转时， 丝杠花 键轴 4 将作为输出轴同时输出轴线方向的直线运动和绕该轴。

36、线的旋转运动， 即形成了可输 出给定任意螺旋运动的螺旋运动单元。 0025 当将主轴电机 S 安装于该机构上时就构成了一个具有螺旋运动的动力头， 当将工 作台 T 连接在该机构上时就构成了具有 2 个运动自由度的工作台。按照工作台和主轴在丝 杠花键轴4上的不同安装位置， 可以形成简支和悬臂两种方式， 图3为一种简支式差动螺旋 工作台， 图 4 为一种简支式差动螺旋动力头， 图 5 为一种悬臂式差动螺旋工作台， 图 6 为一 种悬臂式差动螺旋动力头。 0026 图 7 为采用图 5 所示的悬臂式差动螺旋工作台和图 6 所示的悬臂式差动螺旋动力 头构成的一种双差动螺旋四轴机床典型结构。在该机构中，。

37、 主轴和工作台之间可具有两个 直线相对运动和两个回转相对运动， 即正好两个螺旋运动。图 8 为在图 7 所示机构上增加 水平直线运动单元 4 后形成的一种双差动螺旋五轴机床典型结构。在该机构中， 主轴和工 作台之间可具有 3 个直线相对运动和两个回转相对运动， 即正好由两个螺旋运动和一个直 线运动组成， 可实现五轴联动加工运动。 0027 3、 优点及功效 :1) 显著提高机床加速度， 提高复杂曲面的加工效率和加工精度。 利用差动螺旋机构可以将传统的由一个直线运动单元和一个回转运动单元组成的机构中 的移动质量从一个工作台和一个电机的质量减轻为一个丝杠的质量， 这种质量上的改变通 常可以达到 1。

38、0 倍到 100 倍， 由于丝杆和花键可以集成在同一段圆柱面上， 这样可以进一步 减轻移动部分的质量和惯量， 因此， 与传统的轻量化设计等方案比较， 该发明可以很轻松地 提高机床的加速度 1-2 个数量级。可以预期， 采用螺旋机构的机床加速度可以达到 3-10 个 重力加速度， 而目前要达到 2 个重力加速度已经是非常困难的。2） 可大幅度降低多轴机床 的结构复杂程度。采用差动螺旋机构可以省去直线运动导轨， 使机床成为无导轨或少导轨 机床， 这样可以大幅度降低机床成本 ； 3） 可以构造出全新的低成本高性能多轴数控机床系 列。利用差动螺旋机构可以构造出一个系列的全新的多轴数控机床， 如一个差动。

39、螺旋机构 和一个直线运动单元可构成圆柱坐标机床， 两个差动螺旋机构可构成新型四轴数控机床， 两个差动螺旋机构和一个直线运动单元可构成与常规叶片加工机床运动链相同的五轴叶 片加工机床， 三个差动螺旋机构可构成六轴数控机床， 可以满足复杂刀具磨削等的需要。 附图说明 0028 图 1a 差动螺旋运动单元的传动原理图 ； 0029 图 1b 差动螺旋运动单元的传动原理图 ； 0030 图 2 一种差动螺旋运动单元的典型结构 ； 0031 图 3 一种简支式差动螺旋工作台 ； 0032 图 4 一种简支式差动螺旋动力头 ； 0033 图 5 一种悬臂式差动螺旋工作台 ； 0034 图 6 一种悬臂式差。

40、动螺旋动力头 ； 0035 图 7 一种双差动螺旋四轴机床典型结构 ； 0036 图 8 一种双差动螺旋五轴机床典型结构。 说 明 书 CN 103722432 A 8 6/7 页 9 0037 图中各符号意义如下 ： 0038 A1 螺母左轴承， A2 电机转子， A3 电机定子， A4 滚动螺母 ,A5（B4） 机架 ,A6 螺母 右轴承 ,A7 滚动丝杠 ； 0039 B1 花键套左轴承， B2 电机转子， B3 电机定子， B4 机架 ,B5 花键套右轴承 ,B6 滚动 花键套， B7 滚动花键轴 ； 0040 C 丝杠花键轴， P 丝杠导程， W1 螺母旋转角速度， W2 花键套旋转。

41、角速度 Wc 丝杠花 键轴 （输出轴） 旋转角速度， Vc 丝杠花键轴 （输出轴） 移动速度。 0041 1 螺母旋转单元， 2 花键套旋转单元， 3 和 3 和 3” ： 丝杠花键轴 （或输出轴） ， 4 机架 （或底座） ； 0042 101 光栅读数头， 102 光栅刻度盘， 103 螺母单元左端盖， 104 螺母左轴承， 105 滚动 螺母左半， 106电机定子， 107电机转子， 108滚动螺母右半， 109螺母单元右端盖， 110螺母右 轴承 ； 0043 201 光栅读数头， 202 光栅刻度盘， 203 花键单元右端盖， 204 花键套右轴承， 205 滚 动花键套右半， 20。

42、6电机定子， 207电机转子， 208滚动花键套左半， 209花键单元左端盖， 210 花键套左轴承 ； 0044 T 工作台， S 主轴。 0045 01 悬臂螺旋动力头， 02 悬臂螺旋工作台， 03 底座， 04 水平直线运动单元。 0046 A 滚动丝杠轴 B 滚动花键轴 W3 丝杠花键轴的角速度。 具体实施方式 0047 见图 1a、 图 1b、 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。

43、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。 0048 图 2 一种差动螺旋运动单元的典型实施例。图中， 滚动螺母左半 105， 电机转子 107， 滚动螺母右半 108 通过螺钉连接为螺母转子组件， 它们通过螺母左轴承 104 和螺母右 轴承110分别支撑于螺母单元左端盖103和螺母单元右端盖109上， 螺母单元左端盖103和 螺母单元右端盖 109 与电机定子 106 通过螺钉连接于该螺母旋转单元的壳体上， 而壳体又 通过螺钉连接于底座 4 上。光栅读数头 101 固定于螺母单元左端盖 103 上， 光栅刻度盘 102 固定于滚动螺母左半 105 上， 它们用于测量。

44、螺母转子组件的角位移。滚动花键套右半 205， 电机转子 207， 滚动花键套左半 208 通过螺钉连接为花键套转子组件， 它们通过花键套右轴 承 104 和花键套左轴承 110 分别支撑于花键单元右端盖 203 和花键单元左端盖 209 上， 花 键单元右端盖 203 和花键单元左端盖 209 与电机定子 206 通过螺钉连接于该花键套旋转单 元的壳体上， 而壳体又通过螺钉连接于底座 4 上。光栅读数头 201 固定于花键单元右端盖 203 上， 光栅刻度盘 102 固定于滚动花键套右半 205 上， 它们用于测量螺母转子组件的角位 移。 0049 当电机转子 107 和 207 分别驱动螺。

45、母转子组件和花键套转子组件旋转时， 丝杠花 键轴 4 将作为输出轴同时输出轴线方向的直线运动和绕该轴线的旋转运动， 即形成了可输 出给定任意螺旋运动的螺旋运动单元。 说 明 书 CN 103722432 A 9 7/7 页 10 0050 当将主轴电机 S 安装于该机构上时就构成了一个具有螺旋运动的动力头， 当将工 作台 T 连接在该机构上时就构成了具有 2 个运动自由度的工作台。按照工作台和主轴在丝 杠花键轴4上的不同安装位置， 可以形成简支和悬臂两种方式， 图3为一种简支式差动螺旋 工作台， 图 4 为一种简支式差动螺旋动力头， 图 5 为一种悬臂式差动螺旋工作台， 图 6 为一 种悬臂式。

46、差动螺旋动力头。 0051 图 7 为采用图 5 所示的悬臂式差动螺旋工作台和图 6 所示的悬臂式差动螺旋动力 头构成的一种双差动螺旋四轴机床典型结构。在该机构中， 主轴和工作台之间可具有两个 直线相对运动和两个回转相对运动， 即正好两个螺旋运动。图 8 为在图 7 所示机构上增加 水平直线运动单元 4 后形成的一种双差动螺旋五轴机床典型结构。在该机构中， 主轴和工 作台之间可具有 3 个直线相对运动和两个回转相对运动， 即正好由两个螺旋运动和一个直 线运动组成， 可实现五轴联动加工运动。 说 明 书 CN 103722432 A 10 1/9 页 11 图 1a 说 明 书 附 图 CN 1。

47、03722432 A 11 2/9 页 12 图 1b 说 明 书 附 图 CN 103722432 A 12 3/9 页 13 图 2 说 明 书 附 图 CN 103722432 A 13 4/9 页 14 图 3 说 明 书 附 图 CN 103722432 A 14 5/9 页 15 图 4 说 明 书 附 图 CN 103722432 A 15 6/9 页 16 图 5 说 明 书 附 图 CN 103722432 A 16 7/9 页 17 图 6 说 明 书 附 图 CN 103722432 A 17 8/9 页 18 图 7 说 明 书 附 图 CN 103722432 A 18 9/9 页 19 图 8 说 明 书 附 图 CN 103722432 A 19 。