CN105643295A

CN105643295A - 一种大摆角五轴联动混联机床

Info

Publication number: CN105643295A
Application number: CN201610169810.9A
Authority: CN
Inventors: 薄瑞峰; 鲁岩; 王书森; 董亚峰; 马长安; 王俊彦
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2016-06-08

Abstract

本发明属于机械制造技术领域，具体是一种大摆角五轴联动混联机床，解决了现有并/混联机床在保证刚度前提下刀具摆角受限的弊端。其包括机床底座、并联模块、动平台、底座导轨、移动导轨平台及转动工作台；并联模块包括第一分支和第二分支，第一分支连接两个沿Z轴的主动驱动，第二分支连接一个沿Z轴的主动驱动，并联模块与动平台转动连接形成空间并联闭环机构，可实现XOZ平面内的两维移动和沿X轴的一维转动。移动导轨平台连接一个沿底座导轨方向的主动驱动，转动工作台连接一个转动工作台轴线方向的主动驱动，可实现工件沿Y轴移动和沿Z轴的转动。本发明结构简单、刀具摆角大、刚度精度高、工作空间大，可实现复杂工件的五面精密加工。

Description

一种大摆角五轴联动混联机床

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种大摆角五轴联动混联机床，是一种能够应用于数控加工领域的可实现大摆角精密加工的多轴联动装置。

背景技术

并联机构是由多个支链构成的闭环机构，相对于传统的串联机构具有以下优点：并联机床作为一种以并联机构为机械本体的制造装备，出现于上世纪90年代末。随着并联机构理论研究的不断深入及数控技术、自动化技术和计算机技术的不断发展，并联机床逐渐成为一种重要的新型制造装备而应用于现代制造业中。并联机床与传统串联机床相比，具有更高的刚度重量比、更快的响应速度、更高的加工精度。从而更适用于高速、精密、重载情况下的加工。并且其模块化程度高、易重构、柔性好，从而更易于降低加工成本。但是并联机床存在着相对工作空间小、加工范围有限等这样的缺点，从而限制了其应用领域。鉴于并联机构与串联机构在构型上面的对偶关系，人们想到了将并联机构和串联机构进行组合，从而提出了混联机构的构型，并将混联机构作为数控机床的机械本体生产新型混联机床。混联机床集并、串联机床的优势于一身，同时又避免了并、串联构型各自的缺点，在现代制造业中更具实用性。正因如此，这类基于并联机构或含有并联模块的五轴联动混联加工中心得到了广泛关注和研究，并逐步成为高速、高精度、高灵活度数控机床的发展趋势。

在2009年初开始实施的“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项中，将三自由度并联机构功能附件以及装备有此类功能部件的五轴联动加工中心作为其中的课题之一。可见，并联模块是此类装备研发的关键。从加工灵活度和加工效率的角度讲，并联模块应具备很高的转动灵活度，以动平台转动能力达到90°为最佳(以期实现立卧转换、五面加工)，而这恰恰是传统并联机构的局限性所在，最具影响力的SprintZ3并联主轴头的转动能力也仅为40°(不能实现严格意义上的五面加工)。可见，在保证高刚度的前提下突破传统并联机构摆角受限是在此类装备的研发过程中亟待突破的瓶颈性问题。例如：清华大学的驱动冗余3自由度并联机构虽然在摆角的范围得以提升达到-25°~90°，但是采用冗余驱动，这对机构的动力学控制带来了很大麻烦，且刚度的提升有限。

本发明提出的大摆角五轴联动混联机床的并联模块也同属于少自由度并联机构中的三自由度并联机构，能实现两维移动和一维转动，但其动平台可以实现更大的转动角度。将此并联模块与两自由度运动平台组合形成大摆角的五轴联动混联机床，解决了现有并/混联机床刀具摆角受限方面存在的弊端。

发明内容

本发明为了解决现有并/混联机床在保证刚度前提下刀具摆角受限方面存在的弊端，提供了一种大摆角五轴联动混联机床，具有刚度高、精度高、动态性能好、可重构性强和模块化程度高、刀具摆动角度大等优点，能够实现对复杂工件的大摆角五轴联动立卧加工。

本发明采用如下的技术方案实现：

一种大摆角五轴联动混联机床，包括机床底座、并联模块以及安装刀具的动平台，机床底座上有底座导轨、底座导轨通过移动副连接移动导轨平台，移动导轨平台上有固定工件的转动工作台；所述的并联模块包括第一分支和第二分支，第一分支连接两个沿Z轴的主动驱动，第二分支连接一个沿Z轴的主动驱动，并联模块与动平台转动连接形成空间并联闭环机构，并联模块和动平台实现在XOZ平面内的两维移动和沿X轴的一维转动，移动导轨平台连接一个沿底座导轨方向的主动驱动，转动工作台连接一个转动工作台轴线方向的主动驱动，移动导轨平台及转动工作台实现工件沿Y轴的移动和沿Z轴的转动。

所述的并联模块的第一分支为2-PRR&2-PRR+R型混联运动支链（P代表移动副，R代表转动副），其包括2-PRR&2-PRR型平面并联闭环机构以及平面并联闭环机构连接动平台的转动副R；平面并联闭环机构包括：立柱Ⅱ、连杆Ⅰ、连杆Ⅱ、滑块Ⅰ、立柱Ⅲ、连杆Ⅲ、连杆Ⅳ、滑块Ⅱ以及连接块，其中连杆Ⅰ、连杆Ⅱ两端分别通过转动副R分别与滑块Ⅰ、连接块连接，连杆Ⅲ、连杆Ⅳ两端分别通过转动副R分别与滑块Ⅱ、连接块连接，滑块Ⅰ、滑块Ⅱ分别通过移动副P与立柱、立柱连接，且此处移动副P都为主动驱动；连杆Ⅰ、连杆Ⅱ、连杆Ⅲ以及连杆Ⅳ结构相同，平面并联闭环机构所有转动副R轴线相互平行，连杆Ⅰ12、连杆Ⅱ13、连杆Ⅲ18以及连杆Ⅳ19上下两端铰接点间距离都相等，平面并联闭环机构所有转动副R的轴线与平面并联闭环机构连接动平台的转动副R的轴线相互垂直，此平面并联闭环机构可以实现连接块在XOZ平面的两维移动。

所述并联模块的第二分支为PUU型运动支链（U代表虎克铰），包括：连杆Ⅴ、滑块Ⅲ、虎克铰Ⅰ、虎克铰Ⅱ以及连接滑块Ⅲ与立柱的移动副P，连杆Ⅴ两端分别通过虎克铰Ⅰ、虎克铰Ⅱ连接动平台和滑块Ⅲ，连接滑块Ⅲ与立柱的移动副P是主动驱动；与连杆Ⅴ两端连接的虎克铰两条轴线平行、且分别垂直于各自虎克铰的另一条轴线。

所述的移动导轨平台通过与底座导轨之间的沿Y轴方向的移动副P实现沿Y轴运动且其移动输入是主动驱动；转动平台转轴沿Z轴方向，通过转动副R与移动导轨平台连接且其转动输入是主动驱动。

动平台一端通过转动副R与并联模块的连接块连接、动平台另一端通过虎克铰Ⅰ的一轴与第二分支连接，两端连接的转动轴线相互平行；并联模块的立柱Ⅰ、立柱Ⅱ、立柱Ⅲ垂直于机床底座设置。

本发明是一种能够应用于零部件五面加工及实现较大摆角的装置。本发明混联机床并联模块中的第一分支为混联支链，通过滑块、滑块上的伺服电机驱动滑块沿立柱、立柱运动，实现第一分支沿Z轴方向的移动，第一分支上连接块、转动副Ⅰ、连杆、连杆、连杆、连杆及连杆两端运动副可实现X轴的移动，第二分支为单一连杆，滑块上的伺服电机控制连杆沿Z轴的移动，通过虎克铰和虎克铰两个万向铰运动副实现绕X转动。自此，在第一分支、第二分支共同作用下，以伺服电机作为动力源驱动立柱上的各个滑块，实现该混联机床刀具沿X、Z轴的移动及X轴的转动。移动导轨平台及转动工作台通过导轨方向的伺服电机驱动和转动工作台轴线方向的伺服电动机驱动；实现工件沿Y轴移动和沿Z轴的转动，从而实现大摆角的五面加工工作。现有清华大学发明的驱动冗余3自由度并联机构转角范围为-25°~90°，本发明的可达负角相较于此提升了，达到了，进一步将摆角范围提升，可以应用于具有复杂曲面及需要大摆角加工的零件。

本发明相对现有技术具有如下有益效果：所述的并联模块动平台能实现XOZ平面内的两维移动和沿X轴的一维转动，机床刀具可实现较大摆角的加工工作，刀具的摆角可达（-40°~90°）。相较于现有清华大学发明的驱动冗余3自由度并联机构摆角-25°~90°提升了，由于机床采用的并联模块第一分支为四杆混联复合型运动支链，在实现应有的运动前提下，刚度性能得到很大提升。且机床未采用冗余结构，在机床的驱动控制方面相比于冗余驱动更加的容易和灵便。机床的结构比较简单，而且可重构性强、精度高、动态性能好、工作空间大，能够通过五轴联动和刀具的大摆角转动，实现对空间复杂工件的立卧转换、五面精密加工。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为图1所示的机床结构中的并联模块的结构示意图。

图3为图2所示的并联模块中第一分支的结构示意图。

图4为图2所示的并联模块中第二分支的结构示意图。

图5为图1所示的机床结构中的两自由度工作台结构示意图。

图中：1、并联模块，2、机床底座，3、动平台，4、刀具，5、转动工作台，6、底座导轨，7、立柱，8、立柱，9、立柱，10、转动副Ⅰ，11、转动副，12、连杆，13、连杆，14、转动副，15、滑块，16、转动副，17、转动副，18、连杆，19、连杆，20、转动副，21、滑块，22、转动副,23、转动副,24、转动副,25、连接块，26、虎克铰，27、连杆,28、虎克铰,29、滑块,30、移动导轨平台，31、工件，32、夹具。

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

一种大摆角五轴联动混联机床，包括机床底座2、并联模块1以及安装刀具的动平台3，机床底座2上有底座导轨6、底座导轨6通过移动副连接移动导轨平台30，移动导轨平台30上有固定工件31的转动工作台5；所述的并联模块1包括第一分支和第二分支，第一分支连接两个沿Z轴的主动驱动，第二分支连接一个沿Z轴的主动驱动，并联模块1与动平台3转动连接形成空间并联闭环机构，并联模块和动平台实现在XOZ平面内的两维移动和沿X轴的一维转动，移动导轨平台30连接一个沿底座导轨方向的主动驱动，转动工作台5连接一个转动工作台5轴线方向的主动驱动，移动导轨平台30及转动工作台5实现工件31沿Y轴的移动和沿Z轴的转动。

所述的并联模块1的第一分支为2-PRR&2-PRR+R型混联运动支链，其包括2-PRR&2-PRR型平面并联闭环机构以及平面并联闭环机构连接动平台的转动副R10；平面并联闭环机构包括：立柱Ⅱ8、连杆Ⅰ12、连杆Ⅱ13、滑块Ⅰ15、立柱Ⅲ9、连杆Ⅲ18、连杆Ⅳ19、滑块Ⅱ21以及连接块25，其中连杆Ⅰ12、连杆Ⅱ13两端分别通过转动副R分别与滑块Ⅰ15、连接块25连接，连杆Ⅲ18、连杆Ⅳ19两端分别通过转动副R分别与滑块Ⅱ21、连接块25连接，滑块Ⅰ15、滑块Ⅱ21分别通过移动副P与立柱8、立柱9连接，且此处移动副P都为主动驱动；连杆Ⅰ12、连杆Ⅱ13、连杆Ⅲ18以及连杆Ⅳ19结构相同，平面并联闭环机构所有转动副R轴线相互平行，连杆Ⅰ12、连杆Ⅱ13、连杆Ⅲ18以及连杆Ⅳ19上下两端铰接点间距离都相等，平面并联闭环机构所有转动副R的轴线与平面并联闭环机构连接动平台3的转动副R的轴线相互垂直，此平面并联闭环机构可以实现连接块25在XOZ平面的两维移动。

所述并联模块1的第二分支为PUU型运动支链，包括：连杆Ⅴ27、滑块Ⅲ29、虎克铰Ⅰ26、虎克铰Ⅱ28以及连接滑块Ⅲ29与立柱7的移动副P，连杆Ⅴ27两端分别通过虎克铰Ⅰ26、虎克铰Ⅱ28连接动平台3和滑块Ⅲ29，连接滑块Ⅲ29与立柱7的移动副P是主动驱动；与连杆Ⅴ27两端连接的虎克铰两条轴线平行、且分别垂直于各自虎克铰的另一条轴线。

所述的移动导轨平台30通过与底座导轨6之间的沿Y轴方向的移动副P实现沿Y轴运动且其移动输入是主动驱动；转动平台5转轴沿Z轴方向，通过转动副R与移动导轨平台30连接且其转动输入是主动驱动。

所述的动平台3一端通过转动副R与并联模块1的连接块25连接、动平台3另一端通过虎克铰Ⅰ26的一轴与第二分支连接，两端连接的转动轴线相互平行；并联模块1的立柱Ⅰ7、立柱Ⅱ8、立柱Ⅲ9垂直于机床底座2设置。

Claims

1.一种大摆角五轴联动混联机床，其特征在于包括机床底座（2）、并联模块（1）以及安装刀具的动平台（3），机床底座（2）上有底座导轨（6）、底座导轨（6）通过移动副连接移动导轨平台（30），移动导轨平台（30）上有固定工件（31）的转动工作台（5）；所述的并联模块（1）包括第一分支和第二分支，第一分支连接两个沿Z轴的主动驱动，第二分支连接一个沿Z轴的主动驱动，并联模块（1）与动平台（3）转动连接形成空间并联闭环机构，并联模块和动平台实现在XOZ平面内的两维移动和沿X轴的一维转动，移动导轨平台（30）连接一个沿底座导轨方向的主动驱动，转动工作台（5）连接一个转动工作台（5）轴线方向的主动驱动，移动导轨平台（30）及转动工作台（5）实现工件（31）沿Y轴的移动和沿Z轴的转动。

2.根据权利要求1所述的大摆角五轴联动混联机床，其特征在于：所述的并联模块（1）的第一分支为2-PRR&2-PRR+R型混联运动支链，其包括2-PRR&2-PRR型平面并联闭环机构以及平面并联闭环机构连接动平台的转动副R（10）；平面并联闭环机构包括：立柱Ⅱ（8）、连杆Ⅰ（12）、连杆Ⅱ（13）、滑块Ⅰ（15）、立柱Ⅲ（9）、连杆Ⅲ（18）、连杆Ⅳ（19）、滑块Ⅱ（21）以及连接块（25），其中连杆Ⅰ（12）、连杆Ⅱ（13）两端分别通过转动副R分别与滑块Ⅰ（15）、连接块（25）连接，连杆Ⅲ（18）、连杆Ⅳ（19）两端分别通过转动副R分别与滑块Ⅱ（21）、连接块（25）连接，滑块Ⅰ（15）、滑块Ⅱ（21）分别通过移动副P与立柱（8）、立柱（9）连接，且此处移动副P都为主动驱动；连杆Ⅰ（12）、连杆Ⅱ（13）、连杆Ⅲ（18）以及连杆Ⅳ（19）结构相同，平面并联闭环机构所有转动副R轴线相互平行，连杆Ⅰ（12）、连杆Ⅱ（13）、连杆Ⅲ（18）以及连杆Ⅳ（19）上下两端铰接点间距离都相等，平面并联闭环机构所有转动副R的轴线与平面并联闭环机构连接动平台（3）的转动副R的轴线相互垂直，此平面并联闭环机构可以实现连接块（25）在XOZ平面的两维移动。

3.如权利要求1或2所述的大摆角五轴联动混联机床，其特征在于：所述并联模块（1）的第二分支为PUU型运动支链，包括：连杆Ⅴ（27）、滑块Ⅲ（29）、虎克铰Ⅰ（26）、虎克铰Ⅱ（28）以及连接滑块Ⅲ（29）与立柱（7）的移动副P，连杆Ⅴ（27）两端分别通过虎克铰Ⅰ（26）、虎克铰Ⅱ（28）连接动平台（3）和滑块Ⅲ（29），连接滑块Ⅲ（29）与立柱（7）的移动副P是主动驱动；与连杆Ⅴ（27）两端连接的虎克铰两条轴线平行、且分别垂直于各自虎克铰的另一条轴线。

4.根据权利要求3所述的大摆角五轴联动混联机床，其特征在于：所述的移动导轨平台（30）通过与底座导轨（6）之间的沿Y轴方向的移动副P实现沿Y轴运动且其移动输入是主动驱动；转动平台（5）转轴沿Z轴方向，通过转动副R与移动导轨平台（30）连接且其转动输入是主动驱动。

5.根据权利要求4所述的大摆角五轴联动混联机床，其特征在于：动平台（3）一端通过转动副R与并联模块（1）的连接块（25）连接、动平台（3）另一端通过虎克铰Ⅰ（26）的一轴与第二分支连接，两端连接的转动轴线相互平行；并联模块（1）的立柱Ⅰ（7）、立柱Ⅱ（8）、立柱Ⅲ（9）垂直于机床底座（2）设置。