CN104400446B - 一种基于四杆机构的并联主轴头机构 - Google Patents

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Abstract

一种基于四杆机构的并联主轴头机构，属于机械制造技术领域。该机构包括底座、三个机架和运动平台；三个机架呈等边三角形固定安装在所述底座上；在每个机架上分别设有一条直线导轨和一个四杆机构；每个四杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和滑块，杆件之间通过转动副相互连接；所述运动平台的侧边分别通过运动副与第一连杆相连接。本发明能够实现运动平台的两转动和一移动的运动形式，易于控制运动平台的位置和姿态，实现对复杂曲面的超精密加工，具有结构简单紧凑、刚度高、负载能力强、运动部件质量小、增大运动平台的工作空间和易于实现高速运动等特点。

Description

一种基于四杆机构的并联主轴头机构
技术领域
涉及一种基于四杆机构的并联主轴头机构，特别适用于对航空及其它领域的薄壁件且表面形状复杂、自由曲面较多、加工质量及精度要求高的复杂曲面的超精密加工，属于机械制造领域。
背景技术
并联机构具有多个闭合支链子结构，所有与传统的机构(串联机构)相比有很多优势。从结构角度明显可以看出并联机构在运动学方面具有高刚度、低惯性、高动态性能和高精度的特征。对于这样的原因，学术领域和工程领域的很多研究人员对并联机构进行了大量的研究。Gough-Stewart平台是第一个并联机构，也是最著名的六自由度并联机构。从那时起就开始大范围的研究。综上所述并联机构的优点，并联机构在机床领域有着广泛的应用前景，尤其是对自由曲面的加工和复杂零件制造。在实际工程加工硬质材料中，基于并联结构的机床的表面处理和几何精度高于串联机床。
混联机床与并联机床相比，它包含并联机构和串联机构的优势，已经在工业中有着广泛的应用，并且逐步成为高速，高精度，高灵活度机床的发展方向。在混联机构中，并联模块用来实现高速和高精度的机械性能，同时，串联模块用来实现大工作空间。并联机构可以减少关节的数量，提高移动效率，降低机械的复杂程度。这样综合了并联机构和串联机构的优点并应用获得成功的机构有Tricept机构、Verne机构、Ecospeed系列机床等。所有提到的机器都属于三移动自由度和二转动自由度的类型，都包含三自由度的并联模块和二自由度的串联模块。三自由度并联机构是少自由度并联机构中重要的组成部分，并在五轴混联机床中进行应用广泛。这是由于三自由度并联机床具有简洁的运动学性能和弱耦合特征，这些特性成为机床组成的重要因素。
在进行飞机零部件加工时，主要以薄壁或复杂的自由曲面为主，五轴机床的转动灵活性对零部件的加工有着重要的影响。因此，在机床的设计阶段就应将灵活性考虑当中。传统机床中增加A/C铰链刀具头或A/B回转台来获得高灵活性能力。然而，由于结构的原因，有时对已加工完成表面进行刮蹭。为探索更好的解决办法，一些学者对二转动自由度的少自由度机构进行研究，其中，将最受关注的两转动一移动的少自由度并联机构认为是混联机构的发展方向。德国DS-Technologie公司的Sprint Z3主轴头机构是目前世界上较好的机构，但是由于结构的原因，其工作空间较小，动刚度和动强度以及稳定性较差，加工范围受到制约。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于四杆机构的并联主轴头机构，使其具有结构简单紧凑、刚度高、负载能力强、运动部件质量小、增大运动平台的工作空间和易于实现高速运动等特点，以满足对航空及其它领域的薄壁件且自由曲面较多、加工质量及精度要求高的复杂曲面的超精密加工。
本发明的技术方案如下：
一种基于四杆机构的并联主轴头机构，其特征在于，该机构包括底座、三个机架和运动平台；三个机架呈等边三角形固定安装在所述的底座上；在每个机架上分别设有一条直线导轨和一个四杆机构；每个四杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和滑块；所述第一连杆的两端分别与第二连杆的一端和第三连杆的一端铰接形成转动副，第二连杆的另一端与滑块的一端铰接形成转动副，第三连杆的另一端与滑块的另一端铰接形成转动副；所述滑块沿所述直线导轨移动；所述运动平台的侧边分别通过运动副与第一连杆相连接。
上述技术方案中，所述运动平台的侧边与第一连杆之间的运动副采用球铰或带有转动功能的万向节。
本发明所述的直线导轨优选采用T形槽或燕尾槽。
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：①本发明利用四连杆机构开发了三自由度的并联主轴头机构，即能够实现运动平台的两转动和一移动的运动形式，易于控制运动平台的位置和姿态，因此，特别适用于对航空及其它领域的薄壁件表面形状复杂、自由曲面较多、加工质量及精度要求高的复杂曲面的超精密加工。②本发明基于四杆机构的特点，具有结构简单紧凑、刚度高、负载能力强、运动部件质量小、增大运动平台的工作空间和易于实现高速运动等特点。③本发明引入了四杆机构，同时引入并联机构，从而提高了结构的动刚度、动强度和稳定性，能够保证混联机床具有的高精度和高动态性能。此外，由于并联机构的结构对称布置，易于制造，方便控制。
附图说明
图1为本发明提供的基于四杆机构的并联主轴头机构实施例的三维结构示意图。
图2为本发明中的四杆机构实施例的结构示意图。
图中：1-底座；2-四杆机构；3-运动平台；4-机架；5-运动副；6-直线导轨；201-第一连杆；202-第二连杆；203-第三连杆；204-滑块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理、结构和实施方式做进一步的说明。
图1为本发明提供的基于四杆机构的并联主轴头机构实施例的三维结构示意图，该机构包括底座1、三个机架4和一个运动平台3；三个机架呈等边三角形固定安装在底座1上；在每个机架上分别设有一条直线导轨6和一个四杆机构2；每个四杆机构包括第一连杆201、第二连杆202、第三连杆203和滑块204；所述第一连杆201的两端分别与第二连杆202的一端和第三连杆203的一端铰接形成转动副，第二连杆202的另一端与滑块204的一端铰接形成转动副，第三连杆203的另一端与滑块204的另一端铰接形成转动副(参见图2)。所述滑块204沿所述直线导轨6移动，所述的直线导轨采用T形槽或燕尾槽。所述运动平台3的侧边分别通过运动副5与第一连杆相连接。运动副5一般可采用采用球铰或带有转动功能的万向节。
本发明的工作过程如下：本发明中，当三个滑块204同时移动时，可以实现运动平台3的直线移动；当三个滑块204在各自导轨上处于不同相对位置时，可以实现运动平台3的两个方向的转动。因此，运动平台通过三个滑块204在基架4上的协同运动实现三自由度运动。此外，运动平台的转动过程中，由于第一连杆也随之转动，从而增加了运动平台的摆角范围，使得运动平台的工作空间增大。另外，对四杆机构的尺寸可按照实际要求进行的适当调整。

Claims (3)

1.一种基于四杆机构的并联主轴头机构，其特征在于，该机构包括底座(1)、三个机架(4)和运动平台(3)；三个机架(4)呈等边三角形固定安装在所述的底座(1)上；在每个机架上分别设有一条直线导轨(6)和一个四杆机构(2)；每个四杆机构(2)包括第一连杆(201)、第二连杆(202)、第三连杆(203)和滑块(204)；所述第一连杆(201)的两端分别与第二连杆(202)的一端和第三连杆(203)的一端铰接形成转动副，第二连杆(202)的另一端与滑块(204)的一端铰接形成转动副，第三连杆(203)的另一端与滑块(204)的另一端铰接形成转动副，第二连杆(202)与第三连杆(203)交叉布置，形成非平行四边形机构；所述滑块(204)沿所述直线导轨移动；所述运动平台(3)的侧边分别通过运动副与第一连杆相连接。
2.按照权利要求1所述的一种基于四杆机构的并联主轴头机构，其特征在于，所述运动平台(3)的侧边与第一连杆之间的运动副采用球铰或带有转动功能的万向节。
3.按照权利要求1或2所述的一种基于四杆机构的并联主轴头机构，其特征在于，所述的直线导轨采用T形槽或燕尾槽。
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