CN102615514B - 一种平面两自由度冗余驱动并联机构及采用该机构的机床 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平面两自由度冗余驱动并联机构及采用该机构的机床，其特征在于：它包括底座，底座上垂直设置两个带有滑动导轨的立柱，两立柱上端通过横梁连接；其中一立柱上设置有一伺服电机、一滑块、一滚珠丝杠和一丝杠支撑座，该滑块上设置有第一连杆和第四连杆，两个连杆等长，构成平行四边形机构；另一立柱上设置有两伺服电机、两滑块、两滚珠丝杠和两丝杠支撑座，该两个滑块上对应设置有第二连杆和第三连杆；第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆均连接同一动平台；第二连杆位于动平台上方，其和第四连杆与动平台的铰接端在同一高度；第一连杆和第三连杆位于动平台下放，与动平台的铰接点是同一位置。本发明可减小工作空间的奇异性，改善力传递性能和动态特性。

Description

一种平面两自由度冗余驱动并联机构及采用该机构的机床

技术领域

本发明涉及一种并联机构及采用该机构的机床，特别是关于一种平面两自由度冗余驱动并联机构及采用该机构的机床。

背景技术

并联机床作为近二十几年来出现的新型机床，是并联机器人技术和现代机床技术相结合的产物，其具有刚度高、动态性能好、模块化程度高、易于重构以及机械结构简单等特点，符合制造高速化、柔性化和集成化的发展趋势，引起了工业界的广泛关注。最早出现的Stewart平台是典型的6自由度并联机构，此类结构形式的并联机构曾被用于机床设计中，第一台基于Stewart平台设计制造的并联机床在1994年芝加哥国际制造技术展览会上亮相，并引起了巨大轰动，但6自由度并联机构存在工作相对有限，操作灵活度差，球铰制造困难等缺点，从而限制这类机床的发展。为了解决上述问题，出现了少自由度并联机构，其中以Delta、Tricept和Z3主轴头的应用最为成功。另外还出现了将串联机构和并联机构联合使用的混联机构，继承了串联机构和并联机构的优点，这类机构具有工作空间大，刚度高，同时可以实现高速、高加速运动，具有很好的应用前景。

将混联机构应用于机床设计中，出现了一类混联结构机床，目前应用最多的混联机床的并联部分一般采用平面两自由度平动并联机构，这类机构具有结构简单、工作空间大、操作性能良好、研发成本低廉等特点，在此基础上，加上可移动的工作平台，以及双摆头，就可以形成五轴混联机床，已经在实际中得到了推广应用。这种机床的并联部分依靠连杆支撑并驱动整个动平台实现给定的加工轨迹，由于双摆头的质量较大，且主轴在加工过程中受到较大切削力，连杆受力又容易变形，因此会导致动平台的振动，影响加工精度，尤其在高速、高加速过程中对机床的动态性能有着很大的影响，无法保证被加工件的质量。

针对上述问题，产生了过约束并联机构，在原有结构基础上，通过增加连杆，使机床的刚度和稳定性增加，在一定程度上能够减小连杆在运动过程中的变形和振动对动平台的影响。但这类结构对各连杆的制造和安装精度提出了很高的要求，因为制造和安装误差会导致构件及运动副在运动过程中强制变形，使得驱动力显著增加，同时运动副的约束反力急剧增大，从而导致磨损加快，机械效率降低，引起系统较大的振动、冲击和噪声，降低机构的可靠性、精度和寿命。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够改善结构的力传递性能和动态特性，提高机床的加工精度、寿命和可靠性，用于开发高速重载混联机床的平面两自由度冗余驱动并联机构及采用该机构的机床。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种平面两自由度冗余驱动并联机构，其特征在于：它包括一底座，所述底座上垂直间隔设置有第一立柱和第二立柱，所述第一立柱和第二立柱的顶端连接同一横梁；所述第一立柱和第二立柱相对的两侧面上均设置有导轨；所述第一立柱的上部设置有第一伺服电机，所述第一伺服电机的输出端连接第一滚珠丝杠，所述第一滚珠丝杠的下端垂直支撑在第一丝杠支撑座上，所述第一丝杠支撑座设置在第一立柱上，所述第一滚珠丝杠上设置有沿着所述第一立柱上的导轨上下垂直移动的第一滑块；所述第二立柱的上部设置有第二伺服电机，所述第二立柱靠近中部的位置设置有第三伺服电机，所述第二伺服电机的输出端连接第二滚珠丝杠，所述第二滚珠丝杠的下端垂直支撑在第二丝杠支撑座上，所述第二丝杠支撑座设置在所述第二立柱上、第三伺服电机的上方；所述第二滚珠丝杠上设置有沿着所述第二立柱上的导轨上下垂直移动的第二滑块；所述第三伺服电机的输出端连接第三滚珠丝杠，所述第三滚珠丝杠的下端垂直支撑在第三丝杠支撑座上，所述第三丝杠支撑座设置在所述第二立柱上，所述第三滚珠丝杠上设置有沿着所述第二立柱上的导轨上下垂直移动的第三滑块；它还包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和动平台；所述第一连杆和第四连杆位于所述动平台的同一侧，所述第一连杆和第四连杆的其中一端均与所述第一滑块铰接，另一端均与所述动平台铰接，所述第一连杆和第四连杆等长，且所述第四连杆位于所述第一连杆的上方，形成了一平行四边形机构；所述第二连杆和第三连杆位于所述动平台的另一侧；所述第二连杆的一端与所述第二滑块铰接，另一端与所述动平台铰接，该铰接点与所述第四连杆和所述动平台的铰接端等高；所述第三连杆的一端与所述第三滑块铰接，另一端与所述动平台铰接，所述第三连杆和第一连杆与所述动平台铰接的一端铰接在同一位置。

所述第一立柱、第二立柱、第一滑块、第三滑块，第一连杆、第四连杆、第三连杆和动平台构成非冗余平面并联闭链结构；通过第二连杆与动平台铰接，第二连杆通过第二滑块带动，构成平面两自由度冗余驱动并联机构。

所述第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆都是定长连杆。

所述各个连杆的两端与所述滑块和所述动平台的铰接都通过轴承座实现；其中，所述第三连杆和第一连杆与所述动平台相连的一端通过同一轴承座与所述动平台铰接。

一种采用上述平面两自由度冗余驱动并联机构的机床，其特征在于：在所述动平台的前端装有铣刀和主轴电机，在所述底座一侧垂直一体设置有一工作台底座，所述工作台底座上设置可移动工作台，所述可移动工作台通过设置在所述工作台底座上的两条丝杠驱动，所述两条丝杠对称分布在所述可移动工作台的两侧，在所述可移动工作台上设置有传统的AC旋转台。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的第一连杆和第四连杆位于动平台的同一侧，第一连杆和第四连杆的一端与第一滑块铰接，另一端与动平台铰接，第一连杆和第四连杆等长，且第四连杆位于第一连杆的上方，形成了一平行四边形机构；第二连杆和第三连杆位于动平台的另一侧；第二连杆的一端与第二滑块铰接，另一端与动平台铰接，且与第四连杆与动平台的铰接端等高；第三连杆的一端与第三滑块铰接，另一端与动平台铰接，且第三连杆和第一连杆与动平台相连的一端铰接在一起，通过上述合理地对冗余驱动杆进行力位置控制，可以减少动平台在运动过程中的振动，尤其改善了动平台接近奇异位形时机构的动态性能，同时分担了其余连杆的驱动力，易于实现动平台的高速、高加速运动。2、本发明由第一连杆、第四连杆形成了一个平行四边形机构，并且两连杆的一端同时与第一滑块相连，从而限制了动平台的转动，使得动平台只能在平面内做平移运动，实现了并联结构部分的平面两自由度运动。3、本发明通过增加第二连杆可以使得两侧连杆受力均匀，与第三连杆组成的三角形结构，大大增加了结构的刚度；同时通过合理驱动第二连杆与其余三杆配合运动，可以使得各杆的受力均匀，而且在运动过程中尽可能受压，从而减小在运动过程中的变形和振动，改善了结构的力传递性能和动态特性，提高了机床的加工精度、寿命和可靠性。4、本发明的第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆都是定长连杆，定长连杆可以有很高的制造精度，同时滑块在立柱上的移动可以通过光栅尺进行精确定位，因此控制方便，可以保证动平台定位的准确性。5、本发明的滑块是通过与伺服电机连接的滚珠丝杠带动，运动过程中具有响应快、摩擦力小的优点，易于实现高速、高加速运动，从而可以保证动平台的高动态性能。6、本发明将动平台置于第一连杆和第三连杆的上方，并利用两根连杆铰接形成的三角形顶点进行支撑，这样尽可能得使连杆在运动过程中受压，同时减少连杆的横向弯曲，可以大大减少连杆的变形以及运动过程中的振动，利于提高机床的整体刚度以及加工的精度，为实现混联机床的高速高加速运动及重载提供了保证。7、基于本发明开发的高速重载卧式混联数控机床具有结构简单、作业空间大、刚度高、承载能力强、力矩传递特性优异等特点，在高速高加速运行过程中，由于冗余驱动杆的配合运动，可以减小连杆变形和振动，从而提高加工质量以及机床的使用寿命和可靠性。本发明结构简单，易于实现，通过引入冗余驱动杆，可以减小工作空间的奇异性，改善机构的力传递性能和动态特性，增加承载能力和刚度，能够有效地完成定位及轨迹跟踪。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是基于本发明机构设计的高速重载卧式五轴混联数控铣床示意图一

图3是基于本发明机构设计的高速重载卧式五轴混联数控铣床示意图二

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括一底座1，底座1上垂直间隔设置有第一立柱2和第二立柱3，第一立柱2和第二立柱3的顶端连接同一横梁4。第一立柱2和第二立柱3相对的两侧面上均设置有滑动导轨。第一立柱2的上部设置有第一伺服电机5，第一伺服电机5的输出端连接第一滚珠丝杠6，第一滚珠丝杠6的下端垂直支撑在第一丝杠支撑座7上，第一丝杠支撑座7设置在第一立柱2上，第一滚珠丝杠6上设置有可以沿着第一立柱2上的导轨上下垂直移动的第一滑块8。第二立柱3的上部设置有第二伺服电机9，第二立柱3靠近中部的位置设置有第三伺服电机10，第二伺服电机9的输出端连接第二滚珠丝杠11，第二滚珠丝杠11的下端垂直支撑在第二丝杠支撑座12上，第二丝杠支撑座12设置在第二立柱3上、第三伺服电机10的上方；第二滚珠丝杠11上设置有可以沿着第二立柱3上的导轨上下垂直移动的第二滑块13。第三伺服电机10的输出端连接第三滚珠丝杠14，第三滚珠丝杠14的下端垂直支撑在第三丝杠支撑座15上，第三丝杠支撑座15设置在第二立柱3上，第三滚珠丝杠14上设置有可以沿着第二立柱3上的导轨上下垂直移动的第三滑块16。

本发明还包括第一连杆17、第二连杆18、第三连杆19、第四连杆20和动平台21。第一连杆17和第四连杆20位于动平台21的同一侧，第一连杆17和第四连杆20的其中一端均与第一滑块8铰接，另一端均与动平台21铰接，第一连杆17和第四连杆20等长，且第四连杆20位于第一连杆17的上方，形成了一平行四边形机构。第二连杆18和第三连杆19位于动平台21的另一侧；第二连杆18的一端与第二滑块13铰接，另一端与动平台21铰接，且与第四连杆20与动平台21的铰接端等高；第三连杆19的一端与第三滑块16铰接，另一端与动平台21铰接，且第三连杆19和第一连杆17与动平台21铰接的一端铰接在同一位置。

上述第一立柱2、第二立柱3、第一滑块8、第二滑块13、第三滑块16、第一连杆17、第二连杆18、第三连杆19、第四连杆20和动平台21共同组成了平面两自由度冗余驱动闭链结构。

工作过程中，第一伺服电机5通过第一滚珠丝杠6驱动第一滑块8在第一立柱2的导轨上作上下垂直移动；第二伺服电机9和第三伺服电机10分别通过第二滚珠丝杠11和第三滚珠丝杠14对应驱动第二滑块13和第三滑块16在第二立柱3的导轨上作上下垂直移动。

本发明的工作原理是：第一滑块8、第三滑块16，第一连杆17、第四连杆20、第三连杆19，动平台21，第一立柱2和第二立柱3构成了非冗余平面并联闭链结构，另外通过第二连杆18(冗余驱动杆)与动平台21铰接，第二连杆18通过第二滑块13带动，从而实现了平面两自由度冗余驱动并联机构。第一伺服电机5通过第一滚珠丝杠6驱动第一滑块8在第一立柱2的导轨上作上下垂直移动；第三伺服电机10通过第三滚珠丝杠14驱动第三滑块16在第二立柱3的导轨上作上下垂直移动，从而带动了与第一滑块8、第三滑块16相连接的第一连杆17、第四连杆20、第三连杆19运动，通过第一连杆17、第四连杆20、第三连杆19实现了改变动平台21位置的目的。由于第一连杆17、第四连杆20形成了一个平行四边形机构，并且两连杆的一端同时与第一滑块8相连，从而限制了动平台21的转动，使得动平台21只能在平面内做平移运动，实现了并联结构部分的平面两自由度运动。由此可知，第二连杆18对实现动平台21的运动是不起作用的，因而第二连杆18是一个冗余驱动杆，但若没有第二连杆18，动平台21在运动过程中，自身重力、运动过程中的惯性力以及切削过程中所受的切削力都由第一连杆17、第四连杆20、第三连杆19承担，同时第一连杆17、第四连杆20位于动平台21的同一侧构成平行四边形机构，而另一边仅由第三连杆19单独支撑，会导致机构的承载能力不均匀，机构的刚度差。另外，若在加工过程中，产生垂直向上很大的切削力时，第一连杆17、第四连杆20、第三连杆19可能会受拉，在高速、高加速运动过程中，易变形，而且很容易产生振动，因此影响被加工件的精度。通过增加第二连杆18可以使得两侧连杆受力均匀，与第三连杆19组成的三角形结构，大大增加了结构的刚度。同时通过合理驱动第二连杆18与其余三杆配合运动，可以使得各杆的受力均匀，而且在运动过程中尽可能受压，从而减小在运动过程中的变形和振动，改善了结构的力传递性能和动态特性，提高了机床的加工精度、寿命和可靠性。

本发明的第一连杆17、第二连杆18、第三连杆19、第四连杆20都是定长连杆，依靠与之相连的第一滑块8、第二滑块13、第三滑块16来带动，由于定长连杆可以有很高的制造精度，同时滑块在立柱上的移动可以通过光栅尺进行精确定位，因此控制方便，可以保证动平台21定位的准确性。滑块是通过与伺服电机连接的滚珠丝杠带动，运动过程中具有响应快、摩擦力小的优点，易于实现高速、高加速运动，从而可以保证动平台21的高动态性能。

上述实施例中，各个连杆的两端与滑块和动平台的铰接都通过轴承座实现；其中，第三连杆19和第一连杆17与动平台21相连的一端通过同一轴承座与动平台21铰接。

如图2所示，在本发明提出的平面两自由度冗余驱动并联机构上，通过加入可以平移的工作台，以及布置在工作台上的AC旋转台，可以设计出高速重载卧式五轴混联机床，具体设置方式如下。

本发明的五轴混联机床的并联部分采用上述平面两自由度冗余驱动并联机构，同时在动平台21的前端装有铣刀22和主轴电机23，可以通过选择不同的铣刀类型，实现机床的不同功能。在加工过程中，铣刀22主要受到垂直方向的力，同时由于动平台21的自重和第二连杆18(冗余驱动杆)的作用，四根连杆在运动过程中主要受压，很少受拉，不受弯矩，因此具有很高的刚度和承载能力。在底座1的一侧一体设置有一工作台底座24，工作台底座24与第一立柱2和第二立柱3垂直，在工作台底座24上设置可移动工作台25，可移动工作台25通过设置在工作台底座24上的两条丝杠26驱动，两条丝杠26对称分布在可移动工作台25的两侧，以保证可移动工作台25移动时的平稳性。可移动工作台25的移动方向与机床并联结构部分的动平台21的移动平面垂直，从而共同形成了机床运动的X、Y、Z轴，并且两者之间是互相独立的，具有类似传统笛卡尔坐标系机床结构的优点，扩大了机床的加工范围。在可移动工作台25上装有传统的AC旋转台27，在旋转台27上可以装夹工件，这样就可以利用动平台21上的铣刀22进行加工，整体实现了高速重载卧式五轴混联数控铣床。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种平面两自由度冗余驱动并联机构，其特征在于：它包括一底座，所述底座上垂直间隔设置有第一立柱和第二立柱，所述第一立柱和第二立柱的顶端连接同一横梁；所述第一立柱和第二立柱相对的两侧面上均设置有导轨；所述第一立柱的上部设置有第一伺服电机，所述第一伺服电机的输出端连接第一滚珠丝杠，所述第一滚珠丝杠的下端垂直支撑在第一丝杠支撑座上，所述第一丝杠支撑座设置在第一立柱上，所述第一滚珠丝杠上设置有沿着所述第一立柱上的导轨上下垂直移动的第一滑块；所述第二立柱的上部设置有第二伺服电机，所述第二立柱靠近中部的位置设置有第三伺服电机，所述第二伺服电机的输出端连接第二滚珠丝杠，所述第二滚珠丝杠的下端垂直支撑在第二丝杠支撑座上，所述第二丝杠支撑座设置在所述第二立柱上、第三伺服电机的上方；所述第二滚珠丝杠上设置有沿着所述第二立柱上的导轨上下垂直移动的第二滑块；所述第三伺服电机的输出端连接第三滚珠丝杠，所述第三滚珠丝杠的下端垂直支撑在第三丝杠支撑座上，所述第三丝杠支撑座设置在所述第二立柱上，所述第三滚珠丝杠上设置有沿着所述第二立柱上的导轨上下垂直移动的第三滑块；

它还包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和动平台；所述第一连杆和第四连杆位于所述动平台的同一侧，所述第一连杆和第四连杆的其中一端均与所述第一滑块铰接，另一端均与所述动平台铰接，所述第一连杆和第四连杆等长，且所述第四连杆位于所述第一连杆的上方，形成了一平行四边形机构；所述第二连杆和第三连杆位于所述动平台的另一侧；所述第二连杆的一端与所述第二滑块铰接，另一端与所述动平台铰接，该铰接点与所述第四连杆和所述动平台的铰接端等高；所述第三连杆的一端与所述第三滑块铰接，另一端与所述动平台铰接，所述第三连杆和第一连杆与所述动平台铰接的一端铰接在同一位置。

2.如权利要求1所述的一种平面两自由度冗余驱动并联机构，其特征在于：所述第一立柱、第二立柱、第一滑块、第三滑块，第一连杆、第四连杆、第三连杆和动平台构成非冗余平面并联闭链结构；通过第二连杆与动平台铰接，第二连杆通过第二滑块带动，构成平面两自由度冗余驱动并联机构。

3.如权利要求1所述的一种平面两自由度冗余驱动并联机构，其特征在于：所述第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆都是定长连杆。

4.如权利要求2所述的一种平面两自由度冗余驱动并联机构，其特征在于：所述第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆都是定长连杆。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种平面两自由度冗余驱动并联机构，其特征在于：所述各个连杆的两端与所述滑块和所述动平台的铰接都通过轴承座实现；其中，所述第三连杆和第一连杆与所述动平台相连的一端通过同一轴承座与所述动平台铰接。

6.一种采用如权利要求1～5任一项所述的平面两自由度冗余驱动并联机构的机床，其特征在于：在所述动平台的前端装有铣刀和主轴电机，在所述底座一侧垂直一体设置有一工作台底座，所述工作台底座上设置可移动工作台，所述可移动工作台通过设置在所述工作台底座上的两条丝杠驱动，所述两条丝杠对称分布在所述可移动工作台的两侧，在所述可移动工作台上设置有传统的AC旋转台。

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