CN101444892B - 机械系统可重构的混联机床及其容错纠错方法 - Google Patents

Abstract

该发明属于一种数控加工机床，包括固定平台、动平台及位于两平台之间、均带两传动系统的冗余驱动装置的中心腿及周边腿组成的空间并联闭链机构，设于中心腿铰支座与动平台之间的锁定装置，位于冗余驱动装置与中心腿及各周边腿之间的齿轮齿条传动机构，可沿X、Y方向移动的工作台，控制系统。机床运行中的重构及容错纠错方法为：当任一驱动装置中的一套传动系统出现故障时冗余传动系统自动切换；而当任一驱动装置中的两套传动系统均出现故障时则将其对应腿转变为从动腿，使并联闭链机构由四自由度转变为三自由度，以维持机床的正常工作。从而可有效提高混联机床的效率及安全性和可靠性，避免机床运行中因突发性故障而造成的质量或安全性事故。

Description

机械系统可重构的混联机床及其容错纠错方法 

技术领域

本发明属于机械制造技术领域中的机械加工用数控机床，特别是一种机械系统可重构的混联机床及为确保其安全性和可靠性的系统可重构和容错及自动纠错方法。 

背景技术

近年来，国内外学者在并联机床这一领域进行了大量的研究工作。但目前并联机床的原型大多都是基于Stewart(斯特瓦特)平台及其变形结构。此类并联机床最大特点是加工精度高、结构抗震性及切削稳定性好，但同时也存在工作空间小、难于实现大倾角加工等不足，特别是回程运动范围有限，驱动控制复杂和难以进行准确的精度补偿。而并联、串联同时采用的混联式数控机床更具实用价值。混联式数控机床可以将并联机构和传统机床的串联机构的优点集于一身，是并联机床的新发展，它具有可控自由度多、工作空间大(特别是旋转坐标运动范围大)、速度快、刚度高、造价低等众多优点，正在成为高速、高效、柔性加工设备的一个新的发展方向。在公开号为CN1358609A、发明名称为《基于混联结构的虚拟轴机床》即属于此类混联式数控机床，该混联机床包括固定平台，安装切削刀具的动平台，设于固定平台与动平台之间的由中间(心)腿及三条周边腿形成的四自由度1PS+3TPS(即中心腿所包含的一个移动副和一个球铰+三条周边腿各包含的一个虎克铰、一个移动副和一个球铰)空间并联闭链机构，可沿X、Y方向移动的双向移动机构和安装被加工工件的工作台；周边三条腿与固定平台之间通过虎克铰与球铰中的一种相联，与动平台之间通过球铰相联，中间一条腿的一端与固定平台刚性固联，另一端通过球铰与动平台相联，四条腿均含有移动副驱动，所说的可沿X、Y方向移动的双向移动机构在结构上与该闭链接构相互独立，在控制上实行联动控制。 

该混联机床虽然克服了传统并联式机床的缺陷，但由于该机床并联闭链机构中的四条腿均只设有一套驱动装置，当任意驱动装置发生故障时，则将导致并联闭链机构运行失衡，轻则造成质量事故、重则致使机床损毁；此外，由于中心腿与动平台采用球铰连接、而中心腿及三条周边腿内均采用丝杆螺母驱动，当任意一条腿出现故障时，均不能将其转变成从动腿，从而制约了并联闭链机构的重构。因此，上述混联机床存在故障的几率较大，且并联闭链机构一旦发生故障，机床如果继续运行，则将导致质量或安全性事故。 

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种机械系统可重构的混联机床及重构和容错纠错方法。以便在系统出现突发性故障时，通过系统内自动切换和重构进行在线自维修，达到提高混联数控机床运行的安全性和可靠性，有效避免因突发性故障造成的重大损失等目的。 

本发明的解决方案是在并联闭链机构中的中心腿及各周边腿上均采用两套完全相同的传动系统，其中一套作为冗余(备用)传动系统；当运行中的驱动装置一旦出现突发性故障时，冗余传动系统自动替换故障传动系统、以确保系统连续、稳定运行，从而克服了单传动系统存在的缺陷；同时，在中心腿与动平台之间增设一锁定装置、并将原中心腿及各周边腿内采用的丝杆螺母传动机构改设为齿轮齿条传动机构，当并联闭链机构中无论哪条腿中的传动系统都出现突发性故障时，以便将其转变成从动腿，从而可实现并联闭链机构的重构。因此，本发明装置包括固定平台，安装切削刀具的动平台，位于固定平台与动平台之间的由均设有驱动装置和传动机构的中间(心)腿及三条周边腿组成的空间并联闭链机构，可沿X、Y方向移动的双向移动机构和安装被加工工件的工作台，控制系统，关键在于在中心腿及三条周边腿上的驱动装置为均包含设于同一主传动轴上的光电编码器、动力输出齿轮及完全相同的两套传动系统的冗余驱动装置，在中心腿的铰支座与动平台之间还设有一能限制铰支座与动平台之间转动自由度的锁定装置，且驱动装置与中心腿及各周边腿之间的传动机构为齿轮齿条传动机构；三条周边腿与固定平台之间通过虎克铰连接、与动平台之间通过球铰连接，而中心腿上端与固定平台紧固连接、其下端则通过虎克铰的铰支座与动平台可转动式连接(活动铰支座)，以使中心腿与动平台之间实现三自由度连接，锁定装置活动(常开)式套于铰支座上并与动平台固定连接，各驱动装置均通过其上的动力输出齿轮分别与对应的中心腿及各周边腿内的齿条啮合式连接。 

上述完全相同的两套传动系统，包括两系统共用的壳体及主传动轴，各传动系统均包含位于主传动轴上的伺服电机、离合器及制动盘，位于伺服电机与离合器之间的齿轮减速机构。所述中心腿下端通过虎克铰的铰支座与动平台可转动式连接，以使中心腿与动平台之间实现三自由度连接，在锁定装置将铰支座与动平台锁定(紧固)时，中心腿与动平台之间的连接则为二自由度的虎克铰。而所述锁定装置包括锁紧环和设有双向螺纹输出轴的电动机，双向螺纹输出轴通过螺纹与锁紧环的环口连接。 

机械系统可重构的混联机床在运行中系统的重构和容错纠错方法，该方法包括： 

A.在机床运行中，当任意驱动装置中的一套传动系统出现突发性故障时，光电编码器即将反馈信号送入机床控制器，控制器立即向故障传动系统及冗余(备用)传动系统发出切换指令，冗余(备用)传动系统则替换故障传动系统投入运行，以维持五轴数控机床的正常工作； 

B. 而当中心腿的两套传动系统均出现突发性故障时，其对应的冗余传动装置上的光电编码器将反馈信号送入机床控制器，控制器立即向锁定装置上的电动机发出控制信号，将活动铰支座与动平台紧固成一体，使中心腿转变为从动腿，整个并联闭链机构由四自由度转变为正常工作的三自由度，以维持五轴数控机床的正常工作；当周边腿之一的两套传动系统均出现突发性故障时，对应的冗余传动装置上的光电编码器将反馈信号送入机床控制器，控制器立即向该腿的传动系统发出停止自驱动的指令，使其转变为从动腿，同时向锁定装置上的电机发出控制信号，仍将中心腿上的活动铰支座与动平台紧固成一体，使整个并联闭链机构由四自由度转变为正常工作的三自由度，以维持五轴数控机床的正常工作。 

本发明于在中心腿及三条周边腿上的驱动装置均分别设置了完全相同的两套传动系统，其中一套作为冗余(备用)传动系统，在并联闭链机构的机械系统出现突发性故障时，可通过系统内自动通过冗余(备用)传动系统自动替换故障传动系统；将背景技术中的丝杆螺母传动机构改设为齿轮齿条传动机构，同时在中心腿的铰支座与动平台之间增设一能限制其转动自由度的锁定装置，又可在联闭链机构中任何一条腿内的两套传动系统都出现突发性故障时，将其转变成从动腿，即将原正常状态下并联闭链机构的四自由度(1PS+3TPS)转变为三自由度(1PT+3TPS或1PT+2TPS)，混联机构的运动性质转化为一平移两转动，仍可满足五轴数控机床加工的要求，而实现并联闭链机构的重构。因此，本发明在并联闭链机构的机械系统出现突发性故障时可进行在线自维修，从而具有可有效提高混联数控机床运行的效率及安全性和可靠性，避免机床运行中因突发性故障而造成质量或安全性事故等特点。 

附图说明

图1.为本发明混联数控机床结构示意图； 

图2.为驱动装置结构示意图； 

图3.为中心腿结构示意图； 

图4.为图3的俯视图； 

图5.冗余驱动系统与中心腿(各周边腿)连接关系示意图(A-A视图)； 

图6.各周边腿结构示意图； 

图7.为图6的俯视图； 

图8.为本发明混联数控机床并联闭链机构的机械系统正常状态四自由度(1PS+3TPS)结构示意图； 

图9.当中心腿发生故障时三自由度(1PT+3TPS)结构示意图； 

图10.当周边腿发生故障时三自由度(1PT+2TPS)结构示意图。 

图中:1.固定平台，2.中心腿、2-1.虎克铰、2-2.铰支座、2-3.锁定装置、2-4，中心腿壳体、2-5.中心腿芯轴、2-6.齿条，3.周边腿、3-1.虎克铰、3-2.球铰、3-3.周边腿壳体、3-4.周边腿芯轴，4.冗余传动装置、4-1.伺服电机、4-2.齿轮减速机构、4-3.离合器、4-4.制动器、4-5.主传动轴、4-6.动力输出齿轮、4-7.光电编码器，5.动平台，6.工作台，7. 刀具，8.工件；9.带活动铰支座的虎克铰，10.故障腿，11.(铰支座)与动平台固定的虎克铰。 

具体实施方式

本实施方式：冗余传动装置4共四套，分别固定于中心腿2及三条周边腿3上，并通过其上的动力输出齿轮4-6与中心腿芯轴2-5及周边腿芯轴3-4上的齿条2-6啮合，模数(m)3，齿轮4-6的齿数(z)15；冗余传动装置4的传动系统中，伺服电机4-1功率(P)80W、齿轮减速机构4-2的减速比为8，离合器4-3，制动器4-4均与背景技术同，该传动系统一式二套，分装于传动系统壳体内两侧的主传动轴4-5上，并通过离合器4-3与主轴离合式连接，以传递动力，光电编码器4-7型号为CN65M121759；中心腿壳体2-4及其芯轴2-5的外径分别为φ65mm、φ30mm，各周边腿壳体3-3及其芯轴3-4的外径分别为φ45mm、φ20mm；锁定装置2-3中：电动机型号为Maxon RE8，锁定环采用抱筘式锁定环、两端锁口与电机轴双向螺纹连接。其余：固定平台1，中心腿2的轴向长度，各周边腿3的轴向长度及其虎克铰3-1、球铰3-2，动平台5，工作台6均与背景技术同。 

在加工过程中，当任意驱动装置中的一套传动系统出现突发性故障时，光电编码器4-7则将反馈信号送入机床控制器，控制器立即向故障传动系统及冗余(备用)传动系统发出切换指令，冗余(备用)传动系统则替换故障传动系统投入运行，以维持五轴数控机床的正常工作，从而达到容错纠错的目的； 

在加工过程中，当中心腿2的两套传动系统均出现突发性故障时，其对应的冗余传动装置4上的光电编码器4-7将反馈信号送入机床控制器，控制器立即向锁定装置2-3上的电机发出控制信号，驱使电机开始工作，将抱筘式锁定环与铰支座2-2紧固于一体，从而使中心腿转变成从动腿，整个并联闭链机构由四自由度转变为正常工作的三自由度，以维持五轴数控机床的正常工作；而当周边腿之一的两套传动系统均出现突发性故障时，对应的冗余传动装置4上的光电编码器4-7将反馈信号送入机床控制器，控制器立即向该腿的传动系统发出停止自驱动的指令，使其转变为从动腿，同时向锁定装置2-3上的电机发出控制信号，仍将抱筘式锁定环与铰支座2-2紧固于一体，使整个并联闭链机构由四自由度转变为正常工作的三自由度，以维持五轴数控机床的正常工作。从而达到并联闭链机构的重构及系统容错纠错的目的。

Claims (5)

1.一种机械系统可重构的混联机床，包括固定平台，安装切削刀具的动平台，位于固定平台与动平台之间的由均设有驱动装置和传动机构的中心腿及三条周边腿组成的空间并联闭链机构，可沿X、Y方向移动的双向移动机构和安装被加工工件的工作台，控制系统，其特征在于在中心腿及三条周边腿上的驱动装置为均包含设于同一主传动轴上的光电编码器、动力输出齿轮及完全相同的两套传动系统的冗余传动装置，在中心腿的铰支座与动平台之间还设有一能限制铰支座与动平台之间转动自由度的锁定装置，且驱动装置与中心腿及各周边腿之间的传动机构为齿轮齿条传动机构；三条周边腿与固定平台之间通过虎克铰连接、与动平台之间通过球铰连接，而中心腿上端与固定平台紧固连接，其下端则通过虎克铰的铰支座与动平台可转动式连接，以使中心腿与动平台之间实现三自由度连接，锁定装置固定于动平台上并活动式套于铰支座上，各驱动装置均通过其上的动力输出齿轮分别与对应的中心腿及各周边腿内的齿条啮合式连接。

2.按权利要求1所述机械系统可重构的混联机床，其特征在于所述完全相同的两套传动系统，各传动系统均包含位于主传动轴上的伺服电机、离合器及制动盘，位于伺服电机与离合器之间的齿轮减速机构，以及两系统共用的壳体及主传动轴。

3.按权利要求1所述机械系统可重构的混联机床，其特征在于在锁定装置将铰支座与动平台锁定时，中心腿与动平台之间的连接则为二自由度的虎克铰。

4.按权利要求1所述机械系统可重构的混联机床，其特征在于所述锁定装置包括锁紧环和设有双向螺纹输出轴的电动机，双向螺纹输出轴通过螺纹与锁紧环的环口连接。

5.按权利要求1所述机械系统可重构的混联机床的容错纠错方法，其方法包括；

A.在机床运行中，当任意驱动装置中的一套传动系统出现突发性故障时，光电编码器即将反馈信号送入机床控制器，控制器立即向故障传动系统及冗余传动系统分别发出切换指令，冗余传动系统立即替换故障传动系统投入运行，以维持五轴数控机床的正常工作；

B.而当中心腿的两套传动系统均出现突发性故障时，其对应的冗余传动装置上的光电编码器将反馈信号送入机床控制器，控制器立即向锁定装置上的电机发出控制信号，将活动铰支座与动平台紧固成一体，使中心腿转变为从动腿，整个并联闭链机构由四自由度转变为正常工作的三自由度，以维持五轴数控机床的正常工作；当周边腿之一的两套传动系统均出现突发性故障时，对应的冗余传动装置上的光电编码器将反馈信号送入机床控制器，控制器立即向该腿的传动系统发出停止自驱动的指令，使其转变为从动腿，同时向锁定装置上的电机发出控制信号，仍将中心腿上的活动铰支座与动平台紧固成一体，使整个并联闭链机构由四自由度转变为正常工作的三自由度，以维持五轴数控机床的正常工作。

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