CN102794662A - 一种六自由度位置姿态全解耦可调夹具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六自由度位置姿态全解耦可调夹具，从相对运动角度，通过增强工件及其夹具的姿态变动范围以补偿动平台姿态，解决了并联机床动平台姿态实现能力不足的问题。本夹具包括x轴移转动总成、y轴移转动总成和z轴移转动总成三部分，以螺旋传动和凹、凸燕尾结构形成移动运动，以蜗杆传动和轴、孔间隙配合结构形成转动运动，通过移动导路方向和转动轴平行以及移动导路方向和转动轴垂直这两类移、转动双副构件的结构创新和配套安装，实现本夹具沿x，y，z三轴和绕x，y，z三轴的移、转动。本夹具空间布局合理紧凑，驱动具有逆行程自锁特性，定位精确且夹紧牢靠；既可手动调整亦可采用伺服电机驱动其主动件再辅以软件编程实现其精确调整。

Description

一种六自由度位置姿态全解耦可调夹具

技术领域

本发明涉及并联机床工艺系统，尤其涉及一种六自由度位置姿态可调夹具。

背景技术

将动平台和静平台通过至少两个独立的运动链并联连接即可构成并联机构（Parallel Mechanism），一般并联机构具有至少两个自由度。由于并联机构与串联开链机构（或串联机器人）在结构和性能上的对偶关系，使它们在应用上不是替代作用而是互补关系。串联开链机构（或串联机器人）因其执行头具有灵活的姿态在工业界已获得广泛应用，而并联机构则以其累积误差小输出精度高、结构刚度大承载能力强以及动态惯量低等优点，始终吸引着世界各国学术界和工业界的研究和重视。

现有研究发现，并联机构动平台姿态实现能力不及串联开链机构，也使其作为并联机床应用时实现空间曲面等的加工能力受到限制，迄今也没有找到解决这一瓶颈问题的有效办法。按照相对运动原理，当并联机床动平台（刀具）姿态实现能力有限时，若增强被加工工件的姿态实现能力，同样可以达到扩展动平台（刀具）姿态实现能力的目的。

目前有关可调夹具设计，尚没有完全解决被加工工件在空间3位置参数和3姿态参数（亦即全部位姿参数）可调功能实现问题。如，中国专利CN201036834Y公开了一种“三维可调焊接夹具”，通过多节组块构成的安装支架组成互相垂直的X、Y、Z方向独立调整机构，其中Z方向调整通过升降螺杆实现；Y方向调整通过L-连接板沿Y方向长槽移动实现；X方向调整通过L-连接板沿X方向长槽移动实现；其设计结构上保证了夹具的定位点和夹紧面在X、Y、Z三个方向上都可以做相应的位置调整。又如，中国专利CN201960314U公开了一种“车身焊接夹具柔性三维可调支座”，可实现X、Y、Z三方向直线调整和二方向旋转调整。

发明内容

为了解决并联机床动平台姿态实现能力多有限制的问题，可在由机床、刀具、夹具和工件构成的机械加工工艺系统中，通过夹具和工件子系统相对于机床坐标系的三坐标方向的移动和绕三坐标轴的转动调整使并联机床动平台（刀具）位置姿态获得补偿。为此，本发明提供一种六自由度位置姿态全解耦可调夹具。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种六自由度位置姿态全解耦可调夹具，该夹具具有六个自由度，被加工工件固定在夹具上，夹具包括相连接的实现沿x、y、z三轴移动和绕x、y、z三轴转动的三个分总成，分别为x轴移转动总成、y轴移转动总成和z轴移转动总成。

x轴移转动总成可实现工件沿x轴、y轴移动和绕x轴转动；y轴移转动总成可实现工件沿y轴、z轴移动和绕y轴转动；z轴移转动总成可实现工件沿z轴移动和绕z轴转动。

所述夹具与并联机床配套使用，构成并联机床工艺系统，夹具的三个分总成依次相连接，所述x轴移转动总成支撑连接在所述y轴移转动总成上，所述y轴移转动总成支撑连接在所述z轴移转动总成上。

所述x轴移转动总成包括用于放置所述被加工工件的且能沿x轴移动的工件工作台、与该工件工作台连接的且能绕x轴转动的x轴移转动双副构件和与所述y轴移转动总成连接的且能沿y轴移动的x轴转动y轴移动双副构件，x轴移转动双副构件支撑在x轴转动y轴移动双副构件上。

所述x轴移转动双副构件上设有驱动所述工件工作台沿x轴移动的螺旋传动机构，该螺旋传动机构的螺杆沿x轴方向支撑在x轴移转动双副构件上，在工件工作台的内部设有与该螺杆配合的内螺纹，工件工作台且与x轴移转动双副构件通过燕尾槽滑动配合。

所述x轴移转动双副构件通过其上设置的两根圆柱形轴支撑在固定设在所述x轴转动y轴移动双副构件上的两个支承凸块上，x轴移转动双副构件由蜗杆传动机构驱动绕x轴转动，该蜗杆传动机构的蜗杆沿y轴方向支撑在x轴转动y轴移动双副构件上，该蜗杆传动机构的蜗轮连接在其中一根圆柱形轴的端部。

所述y轴移转动总成包括绕y轴转动的y轴移转动双副构件和与所述z轴移转动总成连接的且能沿z轴移动的y轴转动z轴移动双副构件，y轴移转动双副构件支撑在y轴转动z轴移动双副构件上。

所述y轴移转动双副构件上设有驱动所述x轴转动y轴移动双副构件沿y轴移动的螺旋传动机构，该螺旋传动机构的螺杆沿y轴方向支撑在y轴移转动双副构件上，在x轴转动y轴移动双副构件的内部设有与该螺杆配合的内螺纹，x轴转动y轴移动双副构件且与y轴移转动双副构件通过燕尾槽滑动配合。

所述y轴移转动双副构件通过其上设置的两根圆柱形轴支撑在固定设在所述y轴转动z轴移动双副构件上的两个支承凸块上，y轴移转动双副构件由蜗杆传动机构驱动绕y轴转动，该蜗杆传动机构的蜗杆沿x轴方向支撑在y轴转动z轴移动双副构件上，该蜗杆传动机构的蜗轮连接在其中一根圆柱形轴的端部。

所述z轴移转动总成包括机座和竖直设置在机座上的且绕z轴转动的z轴移转动双副构件，z轴移转动双副构件上设有驱动所述y轴转动z轴移动双副构件沿z轴移动的螺旋传动机构，该螺旋传动机构的螺杆沿z轴方向支撑在在z轴移转动双副构件上，在y轴转动z轴移动双副构件的内部设有与该螺杆配合的内螺纹，y轴转动z轴移动双副构件且与z轴移转动双副构件通过燕尾槽滑动配合。

所述z轴移转动双副构件由蜗杆传动机构驱动绕z轴转动，该蜗杆传动机构的蜗杆沿水平方向支撑在所述机座上，该蜗杆传动机构的蜗轮与z轴移转动双副构件固定连接。

本发明利用机构学选型理论，通过3组螺旋传动将转动变为移动，以实现夹具和工件子系统相对静平台笛卡尔坐标系（亦即并联机床固定坐标系）沿x，y，z三轴的移动；通过3组蜗杆传动将输入转动变为输出转动，以实现夹具和工件子系统绕该坐标系x，y，z三轴的转动；利用螺旋传动和蜗杆传动的自锁特性，实现六自由度位置姿态全解耦可调夹具装置的精确定位和夹紧；通过燕尾结构构成移动运动副，通过轴与孔间隙配合结构构成转动运动副，结合移动导路方向和转动轴平行以及移动导路方向和转动轴垂直这两类移转动双副构件的结构创新设计（前者如所述的x轴移转动双副构件，y轴移转动双副构件和z轴移转动双副构件；后者如所述的x轴转动y轴移动双副构件和y轴转动z轴移动双副构件），将六自由度位置姿态全解耦可调夹具装置的传动原理方案予以工程实现。

本发明将并联机床置于由机床、刀具、夹具和工件构成的机械加工工艺系统中，从夹具和工件子系统相对于静平台位置姿态可调整性这一角度，通过可调夹具设计对并联机床动平台（刀具）进行位置和姿态补偿，以期打破并联机构（或并联机床）姿态能力有限这一僵局。

本发明的优点在于：

（1）六自由度位置姿态全解耦可调夹具装置可实现沿x，y，z三轴的移动，和绕x，y，z三轴的转动，在位置姿态调整时具有运动参数全解耦特点，即其沿x，y，z三轴的位置移动参数相互独立，其绕x，y，z三轴的转动姿态角参数相互独立而且其位置参数和姿态参数之间亦相互独立；

（2）将移动导路方向和转动轴平行以及移动导路方向和转动轴垂直的两类双副构件配套安装，结构简单，空间布局合理紧凑；

（3）移动采用自锁螺旋实现、转动采用自锁蜗杆蜗轮机构，重复定位精度高，锁止牢靠；

（4）六自由度位置姿态全解耦可调夹具装置的6个主动件均为转动构件，且自锁螺旋和自锁蜗杆蜗轮机构具有减速增力特性，既可采用伺服电机驱动其主动件通过软件编程实现其精确调整和运动，也可手动实现其六自由度位置姿态的精确调整；

（5）按照相对运动原理，当并联机床动平台（刀具）姿态实现能力有限时，若增强被加工工件的姿态实现能力，同样可以达到扩展动平台（刀具）姿态实现能力的目的。因此六自由度位置姿态全解耦可调夹具装置可实现并联机床动平台位置姿态的补偿功能。

附图说明

图1为工件工作台的结构示意图；

图2为x轴方向螺杆、y轴方向螺杆、z轴方向螺杆的结构示意图；

图3为支承定位轴承盖的结构示意图；

图4为x轴移转动双副构件的结构示意图；

图5为支承导向轴承盖的结构示意图；

图6为y轴转动蜗杆、x轴转动蜗杆及机座转动蜗杆的结构示意图；

图7为x轴转动y轴移动双副构件的结构示意图；

图8为x轴移转动总成的结构示意图；

图9为y轴移转动双副构件的结构示意图；

图10为y轴转动z轴移动双副构件的结构示意图；

图11为y轴移转动总成的结构示意图；

图12为z轴移转动双副构件的结构示意图；

图13为机座的结构示意图；

图14为z轴移转动总成的结构示意图；

图15为六自由度位置姿态全解耦可调夹具的结构示意图（附xyz参考坐标系）；

上述图中的标记均为：1、工件工作台；2、x轴方向螺杆；2A 、x轴方向外螺纹；3、支承定位轴承盖；4、x轴移转动双副构件；4A、凹形燕尾导轨；4B、轴承座孔；4C、轴向定位槽；4D、圆柱形轴；4E、圆柱形轴；4F、轴向定位结构；4G、蜗轮；4H、凸起结构；5、x轴转动y轴移动双副构件；5A、凸形燕尾导轨；5B、内螺纹通孔；5C、支承凸块；5D、支承凸块；5E、轴承座；5F、轴承座；5G、轴向定位结构；5H、前轴承座孔；5I、后轴承座孔；5J、轴向定位凹槽；6、左支承定位轴承盖；6A、圆柱形定位槽；7、右支承导向轴承盖；8、前支承导向轴承盖；9、后支承定位轴承盖；10、y轴移转动双副构件；10A、凹形燕尾导轨；10B、轴承座孔；10C、轴向定位槽；10D、圆柱形轴；10E、圆柱形轴；10F、轴向定位结构；10G、蜗轮；10H、凸起结构；11、y轴方向螺杆；11A 、y轴方向外螺纹；12、支承定位轴承盖；13、y轴转动z轴移动双副构件；13A、凸形燕尾导轨；13B、内螺纹通孔；13C、支承凸块；13D、支承凸块；13E、轴承座；13F、轴承座；13G、轴向定位结构；13H、轴承座孔；13J、轴向定位凹槽；14、x轴转动蜗杆；15、左支承定位轴承盖；16、右支承导向轴承盖；17、前支承定位轴承盖；17A、轴向定位凹槽；18、z轴方向螺杆；18A、z轴方向外螺纹；18B、轴向定位结构；19、z轴移转动双副构件；19A、凹形燕尾导轨；19B、轴承座孔；19C、轴向定位槽；19D、圆柱形轴；19E、蜗轮；19F、细台阶轴结构；19H、凸起结构；20、支承定位轴承盖；20A、圆柱形定位槽；21、机座转动蜗杆；21A、蜗杆轮齿；21B、轴向定位结构；22、机座；22A、沉孔；22B、凸块结构；22C、凸块结构；22D、轴承座；22E、轴承座；22F、轴向定位结构；23、前支承导向轴承盖；24、后支承定位轴承盖；24A、轴向定位凹槽；25、y轴转动蜗杆；25A、蜗杆轮齿；25B、轴向定位结构；26、后支承导向轴承盖。

具体实施方式

实施例：

参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14图15，一种六自由度位置姿态全解耦可调夹具装置包括x轴移转动总成、y轴移转动总成以及z轴移转动总成三个部分。

所述的x轴移转动总成包括工件工作台1，x轴方向螺杆2，x轴移转动双副构件4，x轴转动y轴移动双副构件5，y轴转动蜗杆25，支承定位轴承盖3，左支承定位轴承盖6，后支承定位轴承盖9，右支承导向轴承盖7和前支承导向轴承盖8。

所述的y轴移转动总成包括y轴方向螺杆11，y轴移转动双副构件10，x轴转动蜗杆14，y轴转动z轴移动双副构件13，支承定位轴承盖12，左支承定位轴承盖15，前支承定位轴承盖17，右支承导向轴承盖16和后支承导向轴承盖26。

所述的z轴移转动总成包括z轴方向螺杆18，z轴移转动双副构件19，机座转动蜗杆21，机座22，支承定位轴承盖20，前支承导向轴承盖23和后支承定位轴承盖24。

工件工作台1与x轴移转动双副构件4通过燕尾槽滑动配合，x轴移转动双副构件4上设有驱动工件工作台1沿x轴移动的螺旋传动机构。在工件工作台1下方设有沿x轴方向的凸形燕尾导轨1A，其中间设有沿x轴方向的内螺纹通孔1B，见图1。驱动工件工作台1移动的螺旋传动机构中的x轴方向螺杆2表面设有x轴方向外螺纹2A，其端部设有凸起的在x轴方向上进行定位的轴向定位结构2B，x轴方向外螺纹2A与工件工作台1上的内螺纹通孔1B形成螺旋传动，通过x轴方向螺杆2的转动可实现工件工作台1沿x轴方向的移动，见图2，图8。

支承定位轴承盖3上开有内凹的圆柱形定位槽3A，通过螺钉固定在x轴移转动双副构件4的凸起结构4H上，见图3，图4，图8。

x轴移转动双副构件4，其上部设有沿x轴方向的凹形燕尾导轨4A并与x轴方向凸形燕尾导轨1A构成x轴方向的移动副；x轴移转动双副构件4上部左端设有凸起结构4H并在中间部位开有装配x轴方向螺杆2的轴承座孔4B，该轴承座孔上设有内凹的圆柱形轴向定位槽4C，x轴方向螺杆2通过轴向定位结构2B在前述轴承座孔4B处支承，支承定位轴承盖3盖合后，轴向定位槽4C与圆柱形定位槽3A形成完整的内凹圆柱定位卡槽且外凸的轴向定位结构2B落在该定位卡槽中；x轴移转动双副构件4由蜗杆传动机构驱动绕x轴转动，在x轴移转动双副构件4的左端和右端分别设有圆柱形轴4D、4E和设在圆柱形轴4D上的凸起的轴向定位结构4F，沿圆柱形轴4D轴线方向端部装配有轴向和周向相对于该轴固定的蜗轮4G，蜗轮4G固定在圆柱形轴4D 上，见图4，图8。

y轴转动蜗杆25，其中间为蜗杆轮齿25A，其一端设有外凸的轴向定位结构25B，见图6。

x轴转动y轴移动双副构5与y轴移转动双副构件10通过燕尾槽滑动配合，y轴移转动双副构件10上还设有驱动x轴转动y轴移动双副构件5沿y轴移动的螺旋传动机构。x轴转动y轴移动双副构件5，其下部设有y轴方向凸形燕尾导轨5A，中间开有内螺纹通孔5B，其上部中间和右端分别设有支承凸块5C和5D，在凸块5C和5D中部设有安装x轴移转动双副构件4的轴承座5E、5F和轴向定位结构5G，轴承座5E、5F分别用于安装圆柱形轴4D和4E，并通过轴向定位结构4F约束x轴移转动双副构件4的轴向运动，该轴承座为剖分式结构——其左支承定位轴承盖6上开有内凹的圆柱形定位槽6A（见图3）和其右支承导向轴承盖7（见图5），轴承盖6盖合时，凸起的轴向定位结构4F落在轴向定位结构5G与圆柱形定位槽6A形成的圆柱形定位卡槽中；x轴转动y轴移动双副构件5左端设有y轴转动蜗杆25安装的前后轴承座孔5H、5I和轴向定位凹槽5J，该轴承座为剖分式结构，前后轴承座孔5H、5I通过前支承导向轴承盖8和后支承定位轴承盖9盖合（见图3），在该后支承定位轴承盖9上设有轴向定位凹槽9A，装配时，凸起的轴向定位结构25B落在轴向定位凹槽5J与轴向定位凹槽9A构成的完整圆柱形定位卡槽中；蜗轮4G与蜗杆轮齿25A构成蜗杆传动，当y轴转动蜗杆25转动时，通过蜗杆传动实现x轴移转动双副构件4绕x轴的转动，进而实现工件工作台1绕x轴方向的转动，见图7，图8。

驱动x轴转动y轴移动双副构件5移动的螺旋传动机构中的y轴方向螺杆11表面设有y轴方向外螺纹11A，y轴方向螺杆11的端部设有凸起的在y轴方向上进行定位的轴向定位结构11B(见图2)，y轴方向外螺纹11A与x轴转动y轴移动双副构件5上的内螺纹通孔5B形成螺旋传动，通过y轴方向螺杆11的转动可实现x轴转动y轴移动双副构件5沿y轴的移动，进而实现工件工作台1沿y轴方向的移动，见图9，图11。

支承定位轴承盖12上开有内凹的圆柱形定位槽12A，通过螺钉固定在y轴移转动双副构件10的凸起结构10H上，见图3，图9，图11。

y轴移转动双副构件10，其上部设有沿y轴方向的凹形燕尾导轨10A，凹形燕尾导轨10A与x轴转动y轴移动双副构件5上的凸形燕尾导轨5A构成y轴方向的移动副；y轴移转动双副构件10的上部左端设有凸起结构10H并在中间部位开有装配y轴方向螺杆11的轴承座孔10B，该轴承座孔上设有内凹的圆柱形轴向定位槽10C，y轴方向螺杆11通过轴向定位装置11B在前述轴承座孔10B处支承，支承定位轴承盖12盖合后，轴向定位槽10C与圆柱形定位槽12A形成完整的内凹圆柱定位卡槽且外凸的轴向定位结构11B落在该定位卡槽中；其左端和右端分别设有圆柱形轴10D、10E和设在圆柱形轴10D上的凸起的轴向定位结构10F，沿圆柱形轴10D轴线方向端部装配有轴向和周向相对于该轴固定的蜗轮10G，蜗轮10G固定在圆柱形轴10D 上，见图9，图11。

x轴转动蜗杆14，其中间为蜗杆轮齿14A，其一端设有外凸的轴向定位结构14B，见图6，图11。

y轴转动z轴移动双副构13与z轴移转动双副构件19通过燕尾槽滑动配合，z轴移转动双副构件19上还设有驱动y轴转动z轴移动双副构件13沿z轴移动的螺旋传动机构。y轴转动z轴移动双副构件13，其右侧设有z轴方向凸形燕尾导轨13A，中间开有内螺纹通孔13B；其上部中间和右端分别设有支承凸块13C和13D，在支承凸块13C和13D的中部设有安装y轴移转动双副构件10的轴承座13E、13F和轴向定位结构13G，轴承座13E、13F分别用于安装圆柱形轴10D和10E，并通过轴向定位结构10F约束y轴移转动双副构件10的轴向运动，该轴承座为剖分式结构——其左支承定位轴承盖15上开有内凹的圆柱形定位槽15A（见图3），其右支承导向轴承盖16（见图5）、左支承定位轴承盖15与支承凸块13C和13D盖合时，凸起的轴向定位结构10F落在轴向定位结构13G与圆柱形定位槽15A形成的圆柱形定位卡槽中；y轴转动z轴移动双副构件13的左端设有用于x轴转动蜗杆14安装的两个轴承座孔13H和设在其中一个轴承座孔13H上的进行轴向定位的轴向定位凹槽13J，该轴承座为剖分式结构，两个轴承座孔13H分别通过前支承定位轴承盖17盖合和后支承导向轴承盖26盖合，在该前支承定位轴承盖17上设有轴向定位凹槽17A，装配时，凸起的轴向定位结构14B落在轴向定位凹槽13J与轴向定位凹槽17A构成的完整圆柱形定位卡槽中；蜗轮10G与蜗杆轮齿14A构成蜗杆传动，当蜗杆14转动时，通过蜗杆传动实现y轴移转动双副构件10绕y轴的转动，进而实现工件工作台1绕y轴方向的转动，见图10，图11。

驱动y轴转动z轴移动双副构件13移动的螺旋传动机构的z轴方向螺杆18表面设有z轴方向外螺纹18A；z轴方向螺杆18的端部设有凸起的z轴方向轴向定位结构18B(见图2)，轴向定位结构18A与y轴转动z轴移动双副构件13上的内螺纹通孔13B形成螺旋传动，通过z轴方向螺杆18的转动可实现y轴转动z轴移动双副构件13沿z轴的移动，进而实现工件工作台1沿z轴方向的移动，见图12，图14，图15。

支承定位轴承盖20上开有内凹的圆柱形定位槽20A，通过螺钉固定在z轴移转动双副构件19的凸起结构19H上，见图3，图14。

z轴移转动双副构件19，其一侧设有z轴方向凹形燕尾导轨19A并与y轴转动z轴移动双副构件13上的凸形燕尾导轨13A构成z轴方向的移动副；z轴移转动双副构件19的上部设有凸起结构19H并在中间部位开有装配z轴方向螺杆18的轴承座孔19B，该轴承座孔上设有内凹的圆柱形轴向定位槽19C，z轴方向螺杆18通过轴向定位结构18B在前述轴承座孔19B处支承，支承定位轴承盖20盖合后，轴向定位槽19C与圆柱形定位槽20A形成完整的内凹圆柱定位卡槽且外凸的轴向定位结构18B落在该定位卡槽中；z轴移转动双副构件19的下部设有圆柱形轴19D，圆柱形轴19D上装配有轴向和周向相对于该轴固定的蜗轮19E，圆柱形轴19D的下端部附近设有细台阶轴结构19F，见图12，图14。

机座转动蜗杆21，其中间为蜗杆轮齿21A；其一端设有外凸的轴向定位结构21B，见图6，图14。

圆柱形的机座22中间设有沉孔22A，沉孔22A与z轴移转动双副构件19上的细台阶轴结构19F形成间隙配合；机座22的上表面设有凸块结构22B、22C，凸块结构22B和22C的中部设有安装机座转动蜗杆21的轴承座22D、22E和轴向定位结构22F，该轴承座为剖分式结构，前后轴承座孔通过前支承导向轴承盖23和后支承定位轴承盖24盖合，在该后支承定位轴承盖24上设有轴向定位凹槽24A，装配时，机座转动蜗杆21上凸起的轴向定位结构21B落在轴向定位结构22F与轴向定位凹槽24A构成的完整圆柱形定位卡槽中；蜗轮19E与蜗杆轮齿21A构成蜗杆传动，当机座转动蜗杆21转动时，通过蜗杆传动实现z轴移转动双副构件19绕z轴的转动，进而实现工件工作台1绕z轴方向的转动。见图13，图14，图15。

本发明之六自由度位置姿态可调夹具装置驱动方式可采用6个伺服电机分别与x轴方向螺杆2、y轴方向螺杆11、z轴方向螺杆18、y轴转动蜗杆25、x轴转动蜗杆14和机座转动蜗杆21相联，基于现场总线技术，采用软硬件相配套，相互补充的格局。硬件平台主要由控制模块、伺服模块、机械执行器以及信号检测系统等四部分组成；软件平台主要依据Windows系统，在C++的编程模块中编程实现六自由度位置姿态可调夹具装置沿x，y，z三轴的移动和绕x，y，z三轴的转动，不赘述。

本发明之六自由度位置姿态可调夹具装置驱动方式亦可若采用手动调整，在x轴方向螺杆2、y轴方向螺杆11、z轴方向螺杆18、y轴转动蜗杆25、x轴转动蜗杆14和机座转动蜗杆21各处设置手摇柄，并设置分度（表盘指针）装置。

本发明装置所述的三组螺旋传动即x轴方向螺杆2与工件工作台1之内螺纹通孔1B、y轴方向螺杆11与x轴转动y轴移动双副构件5之内螺纹通孔5B以及z轴方向螺杆18与y轴转动z轴移动双副构件13之内螺纹通孔13B，须满足逆行程自锁条件：螺纹升角不超过接触材料的当量摩擦角。

本发明装置所述的三组蜗杆传动即y轴转动蜗杆25与x轴移转动双副构件4之蜗轮4G、x轴转动蜗杆14与y轴移转动双副构件10之蜗轮10G以及机座转动蜗杆21与z轴移转动双副构件19之蜗轮19E，须满足逆行程自锁条件：导程角不超过接触材料的当量摩擦角。

针对并联机床、刀具、夹具和工件构成的机械加工工艺系统，以并联机床切削空间曲面的加工过程为例，考虑到并联机床在空间曲面加工时，动平台姿态参数必随被加工曲面各位置点切平面法向量的三个方向角变化，将并联机床坐标系中工件的位置姿态调整及其对并联机床动平台的姿态补偿问题在数学上描述如下。

采用卡尔丹角坐标定义动平台姿态角和本发明之六自由度位置姿态全解耦可调夹具装置的姿态角。记动平台姿态角为(α,β,γ)，六自由度位置姿态全解耦可调夹具装置（即夹具工件子系统）相对于静平台位置姿态角为(α′,β′,γ′)。设并联机床欲加工的空间曲面S之方程为：r=r(u，v)，曲面上点的切平面的法向量所对应的三个姿态角为α_r,β_r, γ_r，作旋转变换后该曲面上点的切平面法向量所对应的三个姿态角为α_r′,β_r′，γ_r′，不失一般性，在该曲面加工中可能出现的情况有三类，对应的曲面区域分别记为：（ⅰ）u₁₀≤u≤u₁₁，v₁₀≤v≤v₁₁；该曲面区域中，点的切平面的法向量所对应的三个姿态角α_r,β_r,γ_r满足条件:α_r≤α, β_r≤β,γ_r≤γ；（ⅱ）u₂₀≤u≤u₂₁，v₂₀≤v≤v₂₁；该曲面区域中，点的切平面的法向量所对应的三个姿态角α_r,β_r,γ_r不满足条件:α_r≤α,β_r≤β,γ_r≤γ；但将该曲面作旋转变换后，亦即夹具工件子系统相对于静平台位置姿态角调整为α′,β′,γ′后，点的切平面的法向量所对应的三个姿态角α_r′,β_r′, γ_r′满足条件:α_r′≤α,β_r′≤β,γ_r′≤γ；（ⅲ）u₃₀≤u≤u₃₁，v₃₀≤v≤v₃₁；该曲面区域中，点的切平面的法向量所对应的三个姿态角α_r,β_r,γ_r不满足条件: α_r≤α,β_r≤β,γ_r≤γ；且在夹具可调姿态角范围内调整α′,β′,γ′后，点的切平面的法向量所对应的三个姿态角仍无法满足条件:α_r′≤ α,β_r′≤β,γ_r′≤γ。

第一类曲面区域，加工时保持夹具（亦即本发明之六自由度位置姿态全解耦可调夹具）对于静平台位置姿态角α′=β′=γ′=0即可，亦即此时不需要进行姿态补偿；第二类曲面区域，加工时在姿态角可调范围内调整夹具（亦即本发明之六自由度位置姿态全解耦可调夹具）对于静平台姿态角α′，β′，γ′，并按照作旋转变换后该曲面区域上各点的切平面法向量所对应的三个姿态角αr′,βr′,γr′确定动平台姿态参数即可实现该类区域的加工——显然通过工艺系统中夹具工件子系统相对于静平台位置姿态角调整可使并联机床姿态得以补偿，扩大了其使用功能，所谓姿态补偿指这类曲面区域；第三类曲面区域，则无法通过夹具姿态角在可调范围内的调整使其具有可加工性。

现将上述在工艺系统中可实现姿态补偿的第二类曲面区域讨论如下。

对空间一般曲面

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}x(u,v)+x_0\\ y(u,v)+y_0\\ z(u,v)+z_0\end{array}\right]---\left(1\right)$

将式(1)所对应的空间曲面先分别沿x，y，z轴移动x₀,y₀,z₀;然后再分别绕x轴逆时针旋转ξ角,绕y轴逆时针旋转ζ角,绕z轴逆时针旋转χ角,基于计算机图形学理论，经过平移和旋转变换的新曲面为：

$\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\χ}& -\sin \mathrm{\χ}& 0\\ \sin \mathrm{\χ}& \cos \mathrm{\χ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ζ}& 0& \sin \mathrm{\ζ}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\ζ}& 0& \cos \mathrm{\ζ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\ξ}& -\sin \mathrm{\ξ}\\ 0& \sin \mathrm{\ξ}& \cos \mathrm{\ξ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x(u,v)+x_0\\ y(u,v)+y_0\\ z(u,v)+z_0\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，u₂₀≤u≤u₂₁，v₂₀≤v≤v₂₁，由式（2）不难生成该区域内各点的切平面法向量，进而求出法向量所对应的三个姿态角α_r′，β_r′，γ_r′，此即动平台相应的姿态角，亦即，在六自由度位置姿态全解耦可调夹具装置（即夹具工件子系统）绕x轴逆时针旋转ξ角,绕y轴逆时针旋转ζ角,绕z轴逆时针旋转χ角后，动平台在加工第二类曲面区域时应取的姿态角。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.六自由度位置姿态全解耦可调夹具，其特征在于：所述夹具具有六个自由度，被加工工件固定在夹具上，夹具包括相连接的实现沿x、y、z三轴移动和绕x、y、z三轴转动的三个分总成，分别为x轴移转动总成、y轴移转动总成和z轴移转动总成。

2.根据权利要求1所述的六自由度位置姿态全解耦可调夹具，其特征在于：所述夹具与并联机床配套使用，构成并联机床工艺系统，夹具的三个分总成依次相连接，所述x轴移转动总成支撑连接在所述y轴移转动总成上，所述y轴移转动总成支撑连接在所述z轴移转动总成上。

3.根据权利要求1或2所述的六自由度位置姿态全解耦可调夹具，其特征在于：所述x轴移转动总成包括用于放置所述被加工工件的且能沿x轴移动的工件工作台（1）、与该工件工作台（1）连接的且能绕x轴转动的x轴移转动双副构件（4）和与所述y轴移转动总成连接的且能沿y轴移动的x轴转动y轴移动双副构件（5），x轴移转动双副构件（4）支撑在x轴转动y轴移动双副构件（5）上。

4.根据权利要求3所述的六自由度位置姿态全解耦可调夹具，其特征在于：所述x轴移转动双副构件（4）上设有驱动所述工件工作台（1）沿x轴移动的螺旋传动机构，该螺旋传动机构的螺杆沿x轴方向支撑在x轴移转动双副构件（4）上，在工件工作台（1）的内部设有与该螺杆配合的内螺纹，工件工作台（1）且与x轴移转动双副构件（4）通过燕尾槽滑动配合。

5.根据权利要求4所述的六自由度位置姿态全解耦可调夹具，其特征在于：所述x轴移转动双副构件（4）通过其上设置的两根圆柱形轴（4D、4E）支撑在固定设在所述x轴转动y轴移动双副构件（5）上的两个支承凸块（5C、5D）上，x轴移转动双副构件（4）由蜗杆传动机构驱动绕x轴转动，该蜗杆传动机构的蜗杆沿y轴方向支撑在x轴转动y轴移动双副构件（5）上，该蜗杆传动机构的蜗轮连接在其中一根圆柱形轴（4D）的端部。

6.根据权利要求5所述的六自由度位置姿态全解耦可调夹具，其特征在于：所述y轴移转动总成包括绕y轴转动的y轴移转动双副构件（10）和与所述z轴移转动总成连接的且能沿z轴移动的y轴转动z轴移动双副构件（13），y轴移转动双副构件（10）支撑在y轴转动z轴移动双副构件（13）上。

7.根据权利要求6所述的六自由度位置姿态全解耦可调夹具，其特征在于：所述y轴移转动双副构件（10）上设有驱动所述x轴转动y轴移动双副构件（5）沿y轴移动的螺旋传动机构，该螺旋传动机构的螺杆沿y轴方向支撑在y轴移转动双副构件（10）上，在x轴转动y轴移动双副构件（5）的内部设有与该螺杆配合的内螺纹，x轴转动y轴移动双副构件（5）且与y轴移转动双副构件（10）通过燕尾槽滑动配合。

8.根据权利要求7所述的六自由度位置姿态全解耦可调夹具，其特征在于：所述y轴移转动双副构件（10）通过其上设置的两根圆柱形轴（10D、10E）支撑在固定设在所述y轴转动z轴移动双副构件（13）上的两个支承凸块（13C、13D）上，y轴移转动双副构件（10）由蜗杆传动机构驱动绕y轴转动，该蜗杆传动机构的蜗杆沿x轴方向支撑在y轴转动z轴移动双副构件（13）上，该蜗杆传动机构的蜗轮连接在其中一根圆柱形轴（10D）的端部。

9.根据权利要求8所述的六自由度位置姿态全解耦可调夹具，其特征在于：所述z轴移转动总成包括机座（22）和竖直设置在机座（22）上的且绕z轴转动的z轴移转动双副构件（19），z轴移转动双副构件（19）上设有驱动所述y轴转动z轴移动双副构件（13）沿z轴移动的螺旋传动机构，该螺旋传动机构的螺杆沿z轴方向支撑在在z轴移转动双副构件（19）上，在y轴转动z轴移动双副构件（13）的内部设有与该螺杆配合的内螺纹，y轴转动z轴移动双副构件（13）且与z轴移转动双副构件（19）通过燕尾槽滑动配合。

10.根据权利要求9所述的六自由度位置姿态全解耦可调夹具，其特征在于：所述z轴移转动双副构件（19）由蜗杆传动机构驱动绕z轴转动，该蜗杆传动机构的蜗杆沿水平方向支撑在所述机座（22）上，该蜗杆传动机构的蜗轮与z轴移转动双副构件（19）固定连接。

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