CN102615543B - 一种四回转一平动的五轴联动机床 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四回转一平动的五轴联动机床，包括床身，床身的顶面固定有工作台，工作台上设有两个第一回转装置，两个第一回转装置上各设置有转盘一，转盘一的一侧设有箱体，箱体上设有第二回转装置，第二回转装置上设有转盘二，其中一个转盘二上装卡有待加工工件，另一个转盘二上设有平动导向机构，平动导向机构上设有固定座，固定座上固定铣削机构。所述第一回转装置的轴线一与第二回转装置的轴线二相互垂直。所述铣削机构的轴线三与该铣削机构连接的第二回转装置的轴线二相互垂直。本发明的有益效果为：机床结构简单，布置灵活；运动质量较小，动态特性好；附加运动少，加工效率高；动态特性匹配好，曲面轮廓加工精度高。

Description

一种四回转一平动的五轴联动机床

技术领域

本发明涉及一种四回转一平动的五轴联动机床。

背景技术

目前传统的五轴联动机床多属于串联结构机床，串联机床是由多个轴联动并串联的机床，是属于数学简单而机构复杂的机床，一般由三个平动方式的的直线坐标轴和两个回转方式的旋转或摆动坐标轴构成。其工作原理为：三个平动方式的的直线坐标轴使刀具切削点移位到达待加工点的空间位置，两个回转方式的旋转或摆动坐标轴通过使刀具或工件旋转一定角度，达到刀具轴线与待加工点法矢量方向重合或控制呈一定角度以利于刀具侧刃切削----一般在CAM里称为刀轴矢量；在控制系统的控制下，五个坐标轴的速度环与位置环实时匹配运动，从而使刀具与刀轴矢量重合，切削点沿着一定的连续轨迹运动，经过刀具旋转与工件表面的相对切削运动，加工、包络出空间连续曲面。

随着技术的发展，并联机构机床（虚拟轴并联机床）应运而生，其机构简单而数学复杂，整个平台的运动牵涉到相当庞大的数学运算，是一种知识密集型机构。这种新型机床完全打破了传统机床结构的概念，抛弃了固定导轨的刀具导向方式，采用了多杆并联机构驱动，大大提高了机床的运动特性，使加工精度和加工质量都有较大的改进。另外，由于其进给速度的提高，从而使高速、超高速加工更容易实现。并联机床的典型代表是Stewart平台结构，即由六根可伸缩杆和动平台构成，可实现较高的动态特性，但工作范围小。以Stewart平台为基础的并联机床改变了传统机床的机构，是制造业具有革命性的创新成果。

现有技术存在的缺点：

对于传统的三平动二转动五轴机床结构而言，随着高速切削的不断发展，传统串联式机构构造平台的结构刚性与移动台高速化逐渐成为技术发展的瓶颈，主要缺点在以下几个方面：①传统三平动二转动五轴机床串联机构刀具只能沿固定导轨进给、刀具作业自由度偏低，为获得良好的刀具切削姿态，各个直线运动轴附加行程较大，加工效率不高；②为获得较好的刚性，机床结构体积较大，机床运动部件质量较大，设备加工灵活性和运动特性性不够，对于曲面尤其是曲率变化较大的曲面加工造成跟随误差较大，曲面加工效率和精度不足。

以Stewart平台为代表的六杆并联机构，虽然其有着得天独厚的特点和优势，但距离实际应用还有许多问题需要进一步加以研究和解决，主要间题是：①有效工作区域的描述复杂和受约束问题的解决困难；②运动学的正解求解非常困难，没有解析解、存在运动藕合和多解性；③动力学计算困难，影响因素非常复杂；④球铰的制造精度、运动和造价等问题影响其应用，运动藕合的存在导致对元件和控制精度要求高；⑤由于其工作空间存在奇异点，而且要考虑避免驱动杆间的几何干涉，机床的实际工作空间狭小。所述局限性影响其应用和推广。

从应用层面上看，虽然并联机床近20年来得到了长足的发展，但从技术成熟度和实际加工效果来看，还是存在刚性差（主要取决于虎克铰制造和装配精度）、机构复杂、成本高昂的固有弊端，在机床制造和机械加工制造业推广十分有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种四回转一平动的五轴联动机床，采用四个回转轴，一个平动轴的五轴机床结构，充分利用现有回转轴的成熟结构，解决了传统三平动二转动串联机床结构的固有缺陷和并联机床的现有不足。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种四回转一平动的五轴联动机床，包括床身，床身的顶面固定有工作台，工作台上设有两个第一回转装置，两个第一回转装置上各设置有转盘一，转盘一的一侧设有箱体，箱体上设有第二回转装置，第二回转装置上设有转盘二，其中一个转盘二上装卡有待加工工件，另一个转盘二上设有平动导向机构，平动导向机构上设有固定座，固定座上固定铣削机构。

所述第一回转装置的轴线一与第二回转装置的轴线二相互垂直，所述铣削机构的轴线三与该铣削机构连接的第二回转装置的轴线二相互垂直。

可选择地，所述两个第一回转装置的轴线一重叠布置，所述两个第一回转装置的轴线一与两个第二回转装置的轴线二正交布置。

本发明的有益效果为：

1、机床结构简单，布置灵活：由于取消了导轨丝杠传动，各回转装置的回转轴运动方式为转动运动，轴线位置布置灵活，四个回转装置的轴线既可以两两平行，又可以两两正交布置（直线轴都是正交布置）；

2、运动质量较小，动态特性好：由于取消了导轨丝杠的传动方式，也取消了大质量的导轨丝杠安装基础件，机床运动质量相对传统机床减少很多，容易获得更好的运动特性，运动加速度大幅提高；

3、附加运动少，加工效率高：四个回转装置的布局，可以使得被加工对象处于几个轴轴线的交点位置，各轴加工时均围绕中心转动，主切削运动沿法向平动，刀具的有效运动均为沿曲面法矢量的切削进给运动，刀尖主要围绕两个正交回转轴线交汇点运动，比传统的三平动二转动多轴加工结构常见的附加运动距离小，可以以较小的移动距离获得较高的切削效率； 

4、动态特性匹配好，曲面轮廓加工精度高：传统的五轴机床很难将直线轴与回转轴的动态特性调整一致，四回转一平动五轴机床可以很容易将四个回转装置调整为相同的动态特性，大大减少曲面加工包络时位置环跟随误差，理论上可以加工包络出完美的曲面轮廓。 

5、回转轴结构成熟，成本低：四回转一平动五轴机床可以采用蜗轮蜗杆式、齿轮减速机式、谐波减速机式、轴承减速机式或力矩电机式等成熟的回转轴结构，技术风险小，在小规格机床上可以采用四个规格完全一样的回转装置，极大地降低了五轴机床的成本，有利于扩大推进五轴机床在常规零件加工中的应用。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明实施例所述的四回转一平动的五轴联动机床的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明实施例所述的四回转一平动的五轴联动机床去掉床身部分的主视图；

图4是图3的俯视图。

图中：

1、床身；2、工作台；3、第一回转装置；4、转盘一；5、箱体；6、第二回转装置；7、转盘二；8、待加工工件；9、平动导向机构；10、固定座；11、铣削机构；12、轴线一；13、轴线二；14、轴线三。

具体实施方式

如图1-4所示，本发明实施例所述的一种四回转一平动的五轴联动机床，包括床身1，床身1的顶面固定有工作台2，工作台2上设有两个第一回转装置3，两个第一回转装置3上各设置有转盘一4，转盘一4的一侧设有箱体5，箱体5上设有第二回转装置6，第二回转装置6上设有转盘二7，其中一个转盘二7上装卡有待加工工件8，另一个转盘二7上设有平动导向机构9，平动导向机构9上设有固定座10，固定座10上固定铣削机构11。所述第一回转装置3的轴线一12与第二回转装置6的轴线二13相互垂直。所述铣削机构11的轴线14三与该铣削机构11连接的第二回转装置6的轴线二13相互垂直。

待加工工件8装夹后，在两个第一回转装置3的轴线一12所确定的平面内，仅通过旋转与铣削机构11连接的第二回转装置6的轴线二13，可使得铣削机构11上的刀轴方向与某一点的法矢量（或刀轴矢量）在两个第一回转装置3的轴线一12所确定的平面内的投影平行；在连个第二回转装置6的轴线二13所确定的平面内，仅通过旋转位于铣削机构11下方的第二回转装置6的轴线二13，可使得刀轴方向与该法矢量（或刀轴矢量）在两个第二回转装置6的轴线二13轴线所确定的平面内的投影平行，法矢量（或刀轴矢量）与铣削机构11的刀轴平行满足了曲面加工的轴线方向条件。

在得到平行刀轴方向基础上，通过联动旋转两个第一回转装置3和两个第二回转装置6，至少可以得到一个使得法矢量（或刀轴矢量）与刀轴方向重合的坐标位置，满足了曲面加工的轴线位置条件。

平动轴运动装置带动铣削机构11沿其轴线三14方向运动，到达待加工点位置深度，满足了曲面加工的法向位置条件。

上述三个过程是在控制系统控制下，通过电机和减速装置实现，三个过程同步进行，实时速度环、位置环同步，完成对曲面上任意一点的加工。

连续重复上述3个过程，按照一定的轨迹顺序，连续完成对曲面上不同点的加工，从而完成对曲面轮廓的加工包络。

具体使用时，两个第一回转装置3的轴线一12可重叠布置，或两个第一回转装置3的轴线一12与两个第二回转装置6的轴线二13之间正交布置，其工作过程与上述相同。

本发明也可以采用三个回转轴叠加与一个平动轴、一个回转轴叠加的机床布置形式，甚至四个回转轴叠加对一个平动轴的机床布置形式，所有的基础和原理是不变的，都是四回转一平动五轴联动机床结构。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种四回转一平动的五轴联动机床，包括床身（1），床身（1）的顶面固定有工作台（2），工作台（2）上设有两个第一回转装置（3），两个第一回转装置（3）上各设置有转盘一（4），转盘一（4）的一侧设有箱体（5），箱体（5）上设有第二回转装置（6），第二回转装置（6）上设有转盘二（7），其中一个转盘二（7）上装卡有待加工工件（8），另一个转盘二（7）上设有平动导向机构（9），平动导向机构（9）上设有固定座（10），固定座（10）上固定铣削机构（11），所述第一回转装置（3）的轴线一（12）与第二回转装置（6）的轴线二（13）相互垂直，所述铣削机构（11）的轴线三（14）与该铣削机构（11）连接的第二回转装置（6）的轴线二（13）相互垂直，待加工工件（8）装夹后，在两个第一回转装置（3）的轴线一（12）所确定的平面内，仅通过旋转与铣削机构（11）连接的第二回转装置（6）的轴线二（13）, 可使得铣削机构（11）上的刀轴方向与待加工工件（8）的某一点的法矢量在两个第一回转装置（3）的轴线一（12）所确定的平面内的投影平行；在两个第二回转装置（6）的轴线二（13）所确定的平面内，仅通过旋转位于铣削机构下方的第一回转装置（3）的轴线一（12），可使得刀轴方向与该法矢量在两个第二回转装置的轴线二（13）轴线所确定的平面内的投影平行，法矢量与铣削机构的刀轴平行满足了曲面加工的轴线方向条件，在得到平行刀轴方向基础上，通过联动旋转两个第一回转装置（3）和两个第二回转装置（6），至少可以得到一个使得法矢量与刀轴方向重合的坐标位置，满足了曲面加工的轴线位置条件；平动轴运动装置带动铣削机构（11）沿其轴线三（14）方向运动，到达待加工点位置深度，满足了曲面加工的法向位置条件；三个过程是在控制系统控制下，通过电机和减速装置实现，三个过程同步进行，实时速度环、位置环同步，完成对曲面上任意一点的加工。