CN105666161A - 一种三自由度混联机床主轴头 - Google Patents

Abstract

一种三自由度混联机床主轴头，主要包括机架、动平台，连接机架、动平台的四条运动支链。每条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，上连杆与机架通过转动副或球副连接，上连杆、中连杆通过转动副或球副连接，中连杆、下连杆通过转动副或球副连接，下连杆与动平台通过转动副连接；四条运动支链之间通过四个耦合连杆和一个中心连杆相互连接，耦合连杆一端与运动支链中的中连杆固联，另一端与中心连杆通过转动副连接。本发明可实现机床输出轴的三自由度转动，具有转动工作空间大、极限加工能力强等优点，可广泛应用于机床主轴头中。

Description

一种三自由度混联机床主轴头

技术领域

本发明属于数控机床技术领域，特别涉及一种三自由度混联机床主轴头。

技术背景

五轴联动数控机床是一种科技含量高、精度高，专门用于加工复杂曲面的机床，而其关键部件主轴头对机床加工复杂曲面的灵活度及精确度具有重要的决定作用。相比传统的串联形式的主轴头，并联形式的主轴头具有刚度高、结构紧凑、无积累误差、运动部件质量轻，具有较高的动态响应特性等优点，成为了国内外研究的热点。例如德国DSTechnologie公司基于3-PRS机构研发的三自由度SprintZ3并联主轴头，已成功应用与于复杂空间曲面零件的加工。然而，现有的并联主轴头构型较少，且已公开的并联主轴头的工作空间普遍较小，严重限制了主轴头的极限加工能力，不利于并联主轴头在数控机床中的进一步发展。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种三自由度混联机床主轴头，可实现机床输出轴的三自由度转动，具有转动工作空间大、极限加工能力强等优点。

本发明的技术方案具体如下：

本发明主要包括机架、动平台、连接机架、动平台的四条运动支链，其有两种连接方式：

第一种连接方式：每条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，第一运动支链A中的下连杆A一端与动平台通过第一转动副A连接，下连杆A另一端与中连杆A一端通过第二转动副A连接，中连杆A另一端与上连杆A一端通过第三转动副A连接，上连杆A另一端与机架通过球副A连接；第二运动支链B中的下连杆B一端与动平台通过第一转动副B连接，下连杆B另一端与中连杆B一端通过第二转动副B连接，中连杆B另一端与上连杆B一端通过球副B连接，上连杆B另一端与机架通过第四转动副B连接；第三运动支链C中的下连杆C一端与动平台通过第一转动副C连接，下连杆C另一端与中连杆C一端通过第二转动副C连接，中连杆C另一端与上连杆C一端通过球副C连接，上连杆C另一端与机架通过第四转动副C连接；第四运动支链D中的下连杆D一端与动平台通过第一转动副D连接，下连杆D另一端与中连杆D一端通过第二转动副D连接，中连杆D另一端与上连杆D一端通过第三转动副D连接，上连杆D另一端与机架通过球副D连接。

所述四条运动支链之间通过四个耦合连杆和一个中心连杆相互连接，每条运动支链与中心连杆之间均由一个耦合连杆连接，耦合连杆一端与运动支链中的中连杆固联，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，四个耦合连杆与中心连杆连接的四个转动副的轴线相互重合形成一条轴线，设该条轴线为中心轴线L；所述第一转动副A轴线、第二转动副A轴线、第一转动副B轴线、第二转动副B轴线、第一转动副C轴线、第二转动副C轴线、第一转动副D轴线、第二转动副D轴线、中心轴线L汇交于一点G；所述第三转动副A轴线、第四转动副B轴线、第四转动副C轴线、第三转动副D轴线、中心轴线L汇交于一点K，点K与所述点G不重合。

所述中心连杆的一端通过第一万向铰与机床输出轴连接，且第一万向铰的转动中心与所述点G重合；中心连杆的另一端通过第二万向铰与主轴电机的输出轴连接，且第二万向铰的转动中心与所述点K重合。所述机床输出轴与动平台之间设有动平台轴承，动平台轴承的内环与机床输出轴固联，动平台轴承的外环与动平台固联。所述主轴电机与机架固联，主轴电机的输出轴与机架之间设有机架轴承，机架轴承的内环与主轴电机的输出轴固联，机架轴承的外环与机架固联。

所述第二运动支链中的上连杆B通过第六转动副B与移动导杆B的一端连接，移动导杆B的另一端通过第七转动副B与滑块B连接，滑块B与机架通过移动副B连接，且移动副B为驱动副，所述第四转动副B轴线、第六转动副B轴线、第七转动副B轴线相互平行，移动副B的运动方向与第四转动副B的轴线垂直；所述第三运动支链中的上连杆C通过第六转动副C与移动导杆C的一端连接，移动导杆C的另一端通过第七转动副C与滑块C连接，滑块C与机架通过移动副C连接，且移动副C为驱动副，所述第四转动副C轴线、第六转动副C轴线、第七转动副C轴线相互平行，移动副C的运动方向与第四转动副C的轴线垂直。

第二种连接方式：每条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，第一运动支链A中的下连杆A一端与动平台通过第一转动副A连接，下连杆A另一端与中连杆A一端通过第二球副A连接，中连杆A另一端与上连杆A一端通过第三转动副A连接，上连杆A另一端与机架通过第四球副A连接；第二运动支链B中的下连杆B一端与动平台通过第一转动副B连接，下连杆B另一端与中连杆B一端通过第二转动副B连接，中连杆B另一端与上连杆B一端通过球副B连接，上连杆B另一端与机架通过第四转动副B连接；第三运动支链C中的下连杆C一端与动平台通过第一转动副C连接，下连杆C另一端与中连杆C一端通过第二转动副C连接，中连杆C另一端与上连杆C一端通过球副C连接，上连杆C另一端与机架通过第四转动副C连接；第四运动支链D中的下连杆D一端与动平台通过第一转动副D连接，下连杆D另一端与中连杆D一端通过第二球副D连接，中连杆D另一端与上连杆D一端通过第三转动副D连接，上连杆D另一端与机架通过第四球副D连接。

所述四条运动支链之间通过四个耦合连杆和一个中心连杆相互连接，每条运动支链与中心连杆之间均由一个耦合连杆连接，耦合连杆一端与运动支链中的中连杆固联，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，四个耦合连杆与中心连杆连接的四个转动副的轴线相互重合形成一条轴线，设该条轴线为中心轴线L；所述第一转动副A轴线、第一转动副B轴线、第二转动副B轴线、第一转动副C轴线、第二转动副C轴线、第一转动副D轴线、中心轴线L汇交于一点G；所述第三转动副A轴线、第四转动副B轴线、第四转动副C轴线、第三转动副D轴线、中心轴线L汇交于一点K，点K与所述点G不重合。

所述中心连杆的一端通过第一万向铰与机床输出轴连接，且第一万向铰的转动中心与所述点G重合；中心连杆的另一端通过第二万向铰与主轴电机的输出轴连接，且第二万向铰的转动中心与所述点K重合。所述机床输出轴与动平台之间设有动平台轴承，动平台轴承的内环与机床输出轴固联，动平台轴承的外环与动平台固联。所述主轴电机与机架固联，主轴电机的输出轴与机架之间设有机架轴承，机架轴承的内环与主轴电机的输出轴固联，机架轴承的外环与机架固联。

所述第二运动支链中的上连杆B通过第六转动副B与移动导杆B的一端连接，移动导杆B的另一端通过第七转动副B与滑块B连接，滑块B与机架通过移动副B连接，且移动副B为驱动副，所述第四转动副B轴线、第六转动副B轴线、第七转动副B轴线相互平行，移动副B的运动方向与第四转动副B的轴线垂直；所述第三运动支链中的上连杆C通过第六转动副C与移动导杆C的一端连接，移动导杆C的另一端通过第七转动副C与滑块C连接，滑块C与机架通过移动副C连接，且移动副C为驱动副，所述第四转动副C轴线、第六转动副C轴线、第七转动副C轴线相互平行，移动副C的运动方向与第四转动副C的轴线垂直。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)机床输出轴相对机架的转动工作空间大，使得机床主轴头具有更高的灵活性和适应性，增强了机床的极限加工能力；(2)机床输出轴的三个自由度运动解耦，便于机床运动学控制；(3)主轴电机置于机架上，通过双万向铰传动驱动机床输出轴，减轻了运动部件的质量，提高了主轴头的响应能力；(4)主轴头中的四条运动支链之间相互耦合，提高了整体结构力学性能，可适用于高速、重型机床主轴头技术领域中。

附图说明

图1是本发明实施例1立体结构示意简图.

图2是本发明实施例1立体结构示意简图.

图3是本发明实施例2立体结构示意简图.

图4是本发明实施例2立体结构示意简图.

图5是本发明实施例局部结构示意简图.

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，在所有实施例中，所述Rij表示一个转动副，Sij表示一个球副，其中i，j为自然数。

实施例1

如图1、图2及图5所示，是本发明公开的第1个实施例，一种三自由度混联机床主轴头，主要包括动平台1、机架2、连接动平台1、机架2的四条运动支链，四条运动支链的具体连接方式如下：

第一运动支链由下连杆A5、中连杆A6和上连杆A7组成，下连杆A5一端与动平台1之间通过转动副R11连接，下连杆A5另一端与中连杆A6通过转动副R12连接；上连杆A7一端与机架2之间通过球副S14连接，上连杆A7另一端与中连杆A6通过转动副R13连接；第二运动支链由下连杆B5、中连杆B6和上连杆B7组成，下连杆B5一端与动平台1之间通过转动副R21连接，下连杆B5另一端与中连杆B6通过转动副R22连接；上连杆B7一端与机架2之间通过转动副R24连接，上连杆B7另一端与中连杆B6通过球副S23连接；第三运动支链由下连杆C5、中连杆C6和上连杆C7组成，下连杆C5一端与动平台1之间通过转动副R31连接，下连杆C5另一端与中连杆C6通过转动副R32连接；上连杆C7一端与机架2之间通过转动副R34连接，上连杆C7另一端与中连杆C6通过球副S33连接；第四运动支链由下连杆D5、中连杆D6和上连杆D7组成，下连杆D5一端与动平台1之间通过转动副R41连接，下连杆D5另一端与中连杆D6通过转动副R42连接；上连杆D7一端与机架2之间通过球副S44连接，上连杆D7另一端与中连杆D6通过转动副R43连接。

四条运动支链之间通过四个耦合连杆和一个中心连杆3相互连接，每条运动支链与中心连杆3之间均由一个耦合连杆连接，其中第一耦合连杆A8一端与第一运动支链中的中连杆A6固联，耦合连杆A8另一端与中心连杆3通过转动副R15连接；第二耦合连杆B8一端与第二运动支链中的中连杆B6固联，耦合连杆B8另一端与中心连杆3通过转动副R25连接；第三耦合连杆C8一端与第三运动支链中的中连杆C6固联，耦合连杆C8另一端与中心连杆3通过转动副R35连接；第四耦合连杆D8一端与第四运动支链中的中连杆D6固联，耦合连杆D8另一端与中心连杆3通过转动副R45连接。所述转动副R15轴线、转动副R25轴线、转动副R35轴线、转动副R45轴线相互重合形成一条轴线，设该条轴线为中心轴线L。所述转动副R11轴线、转动副R12轴线、转动副R21轴线、转动副R22轴线、转动副R31轴线、转动副R32轴线、转动副R41轴线、转动副R42轴线、中心轴线L汇交于一点G；所述转动副R13轴线、转动副R24轴线、转动副R34轴线、转动副R43轴线、中心轴线L汇交于一点K，点K与所述点G不重合。

所述中心连杆3的一端通过万向铰U1与机床输出轴4连接，且万向铰U1的转动中心与所述点G重合；中心连杆3的另一端通过万向铰U2与主轴电机19的输出轴连接，且万向铰U2的转动中心与所述点K重合。所述机床输出轴4与动平台1之间设有动平台轴承18，动平台轴承18的外环与动平台1固联，动平台轴承18的内环与机床输出轴4固联。所述主轴电机19与机架2固联，主轴电机19的输出轴与机架2之间设有机架轴承17，机架轴承17的内环与主轴电机19的输出轴固联，机架轴承17的外环与机架2固联。

所述第二运动支链中的上连杆B7通过转动副R26与移动导杆13的一端连接，移动导杆13的另一端通过转动副R27与滑块14连接，滑块14与机架2通过移动副连接，该移动副的运动方向与转动副R24的轴线垂直，滑块14由滚珠丝杠15驱动，滚珠丝杠15的一端与驱动电机16的输出轴固联，驱动电机16与机架2固联。所述转动副R24轴线、转动副R26轴线、转动副R27轴线相互平行。所述第三运动支链中的上连杆C7通过转动副R36与移动导杆9的一端连接，移动导杆9的另一端通过转动副R37与滑块10连接，滑块10与机架2通过移动副连接，该移动副的运动方向与转动副R34的轴线垂直，滑块10由滚珠丝杠11驱动，滚珠丝杠11的一端与驱动电机12的输出轴固联，驱动电机12与机架2固联。所述转动副R34轴线、转动副R36轴线、转动副R37轴线相互平行。

实施例2

如图3、图4及图5所示，是本发明公开的第2个实施例，一种三自由度混联机床主轴头，主要包括动平台1、机架2、连接动平台1、机架2的四条运动支链，四条运动支链的具体连接方式如下：

第一运动支链由下连杆A5、中连杆A6和上连杆A7组成，下连杆A5一端与动平台1之间通过转动副R11连接，下连杆A5另一端与中连杆A6通过球副S12连接；上连杆A7一端与机架2之间通过球副S14连接，上连杆A7另一端与中连杆A6通过转动副R13连接；第二运动支链由下连杆B5、中连杆B6和上连杆B7组成，下连杆B5一端与动平台1之间通过转动副R21连接，下连杆B5另一端与中连杆B6通过转动副R22连接；上连杆B7一端与机架2之间通过转动副R24连接，上连杆B7另一端与中连杆B6通过球副S23连接；第三运动支链由下连杆C5、中连杆C6和上连杆C7组成，下连杆C5一端与动平台1之间通过转动副R31连接，下连杆C5另一端与中连杆C6通过转动副R32连接；上连杆C7一端与机架2之间通过转动副R34连接，上连杆C7另一端与中连杆C6通过球副S33连接；第四运动支链由下连杆D5、中连杆D6和上连杆D7组成，下连杆D5一端与动平台1之间通过转动副R41连接，下连杆D5另一端与中连杆D6通过球副S42连接；上连杆D7一端与机架2之间通过球副S44连接，上连杆D7另一端与中连杆D6通过转动副R43连接。

四条运动支链之间通过四个耦合连杆和一个中心连杆3相互连接，每条运动支链与中心连杆3之间均由一个耦合连杆连接，其中第一耦合连杆A8一端与第一运动支链中的中连杆A6固联，耦合连杆A8另一端与中心连杆3通过转动副R15连接；第二耦合连杆B8一端与第二运动支链中的中连杆B6固联，耦合连杆B8另一端与中心连杆3通过转动副R25连接；第三耦合连杆C8一端与第三运动支链中的中连杆C6固联，耦合连杆C8另一端与中心连杆3通过转动副R35连接；第四耦合连杆D8一端与第四运动支链中的中连杆D6固联，耦合连杆D8另一端与中心连杆3通过转动副R45连接。所述转动副R15轴线、转动副R25轴线、转动副R35轴线、转动副R45轴线相互重合形成一条轴线，设该条轴线为中心轴线L。所述转动副R11轴线、转动副R21轴线、转动副R22轴线、转动副R31轴线、转动副R32轴线、转动副R41轴线、中心轴线L汇交于一点G；所述转动副R13轴线、转动副R24轴线、转动副R34轴线、转动副R43轴线、中心轴线L汇交于一点K，点K与所述点G不重合。

所述中心连杆3的一端通过万向铰U1与机床输出轴4连接，且万向铰U1的转动中心与所述点G重合；中心连杆3的另一端通过万向铰U2与主轴电机19的输出轴连接，且万向铰U2的转动中心与所述点K重合。所述机床输出轴4与动平台1之间设有动平台轴承18，动平台轴承18的外环与动平台1固联，动平台轴承18的内环与机床输出轴4固联。所述主轴电机19与机架2固联，主轴电机19的输出轴与机架2之间设有机架轴承17，机架轴承17的内环与主轴电机19的输出轴固联，机架轴承17的外环与机架2固联。

所述第二运动支链中的上连杆B7通过转动副R26与移动导杆13的一端连接，移动导杆13的另一端通过转动副R27与滑块14连接，滑块14与机架2通过移动副连接，该移动副的运动方向与转动副R24的轴线垂直，滑块14由滚珠丝杠15驱动，滚珠丝杠15的一端与驱动电机16的输出轴固联，驱动电机16与机架2固联。所述转动副R24轴线、转动副R26轴线、转动副R27轴线相互平行。所述第三运动支链中的上连杆C7通过转动副R36与移动导杆9的一端连接，移动导杆9的另一端通过转动副R37与滑块10连接，滑块10与机架2通过移动副连接，该移动副的运动方向与转动副R34的轴线垂直，滑块10由滚珠丝杠11驱动，滚珠丝杠11的一端与驱动电机12的输出轴固联，驱动电机12与机架2固联。所述转动副R34轴线、转动副R36轴线、转动副R37轴线相互平行。

Claims (10)

1.一种三自由度混联机床主轴头，主要包括机架、动平台、连接机架、动平台的四条运动支链，其特征是：每条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，第一运动支链A中的下连杆A一端与动平台通过第一转动副A连接，下连杆A另一端与中连杆A一端通过第二转动副A连接，中连杆A另一端与上连杆A一端通过第三转动副A连接，上连杆A另一端与机架通过球副A连接；第二运动支链B中的下连杆B一端与动平台通过第一转动副B连接，下连杆B另一端与中连杆B一端通过第二转动副B连接，中连杆B另一端与上连杆B一端通过球副B连接，上连杆B另一端与机架通过第四转动副B连接；第三运动支链C中的下连杆C一端与动平台通过第一转动副C连接，下连杆C另一端与中连杆C一端通过第二转动副C连接，中连杆C另一端与上连杆C一端通过球副C连接，上连杆C另一端与机架通过第四转动副C连接；第四运动支链D中的下连杆D一端与动平台通过第一转动副D连接，下连杆D另一端与中连杆D一端通过第二转动副D连接，中连杆D另一端与上连杆D一端通过第三转动副D连接，上连杆D另一端与机架通过球副D连接；

所述四条运动支链之间通过四个耦合连杆和一个中心连杆相互连接，每条运动支链与中心连杆之间均由一个耦合连杆连接，耦合连杆一端与运动支链中的中连杆固联，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，四个耦合连杆与中心连杆连接的四个转动副的轴线相互重合形成一条轴线，设该条轴线为中心轴线L；所述第一转动副A轴线、第二转动副A轴线、第一转动副B轴线、第二转动副B轴线、第一转动副C轴线、第二转动副C轴线、第一转动副D轴线、第二转动副D轴线、中心轴线L汇交于一点G；所述第三转动副A轴线、第四转动副B轴线、第四转动副C轴线、第三转动副D轴线、中心轴线L汇交于一点K，点K与所述点G不重合。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度混联机床主轴头，其特征是：所述中心连杆的一端通过第一万向铰与机床输出轴连接，且第一万向铰的转动中心与所述点G重合；中心连杆的另一端通过第二万向铰与主轴电机的输出轴连接，且第二万向铰的转动中心与所述点K重合。

3.根据权利要求2所述的一种三自由度混联机床主轴头，其特征是：所述机床输出轴与动平台之间设有动平台轴承，动平台轴承的内环与机床输出轴固联，动平台轴承的外环与动平台固联。

4.根据权利要求2所述的一种三自由度混联机床主轴头，其特征是：所述主轴电机与机架固联，主轴电机的输出轴与机架之间设有机架轴承，机架轴承的内环与主轴电机的输出轴固联，机架轴承的外环与机架固联。

5.根据权利要求1所述的一种三自由度混联机床主轴头，其特征是：所述第二运动支链中的上连杆B通过第六转动副B与移动导杆B的一端连接，移动导杆B的另一端通过第七转动副B与滑块B连接，滑块B与机架通过移动副B连接，且移动副B为驱动副，所述第四转动副B轴线、第六转动副B轴线、第七转动副B轴线相互平行，移动副B的运动方向与第四转动副B的轴线垂直；所述第三运动支链中的上连杆C通过第六转动副C与移动导杆C的一端连接，移动导杆C的另一端通过第七转动副C与滑块C连接，滑块C与机架通过移动副C连接，且移动副C为驱动副，所述第四转动副C轴线、第六转动副C轴线、第七转动副C轴线相互平行，移动副C的运动方向与第四转动副C的轴线垂直。

6.一种三自由度混联机床主轴头，主要包括机架、动平台、连接机架、动平台的四条运动支链，其特征是：每条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，第一运动支链A中的下连杆A一端与动平台通过第一转动副A连接，下连杆A另一端与中连杆A一端通过第二球副A连接，中连杆A另一端与上连杆A一端通过第三转动副A连接，上连杆A另一端与机架通过第四球副A连接；第二运动支链B中的下连杆B一端与动平台通过第一转动副B连接，下连杆B另一端与中连杆B一端通过第二转动副B连接，中连杆B另一端与上连杆B一端通过球副B连接，上连杆B另一端与机架通过第四转动副B连接；第三运动支链C中的下连杆C一端与动平台通过第一转动副C连接，下连杆C另一端与中连杆C一端通过第二转动副C连接，中连杆C另一端与上连杆C一端通过球副C连接，上连杆C另一端与机架通过第四转动副C连接；第四运动支链D中的下连杆D一端与动平台通过第一转动副D连接，下连杆D另一端与中连杆D一端通过第二球副D连接，中连杆D另一端与上连杆D一端通过第三转动副D连接，上连杆D另一端与机架通过第四球副D连接；

所述四条运动支链之间通过四个耦合连杆和一个中心连杆相互连接，每条运动支链与中心连杆之间均由一个耦合连杆连接，耦合连杆一端与运动支链中的中连杆固联，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，四个耦合连杆与中心连杆连接的四个转动副的轴线相互重合形成一条轴线，设该条轴线为中心轴线L；所述第一转动副A轴线、第一转动副B轴线、第二转动副B轴线、第一转动副C轴线、第二转动副C轴线、第一转动副D轴线、中心轴线L汇交于一点G；所述第三转动副A轴线、第四转动副B轴线、第四转动副C轴线、第三转动副D轴线、中心轴线L汇交于一点K，点K与所述点G不重合。

7.根据权利要求6所述的一种三自由度混联机床主轴头，其特征是：所述中心连杆的一端通过第一万向铰与机床输出轴连接，且第一万向铰的转动中心与所述点G重合；中心连杆的另一端通过第二万向铰与主轴电机的输出轴连接，且第二万向铰的转动中心与所述点K重合。

8.根据权利要求7所述的一种三自由度混联机床主轴头，其特征是：所述机床输出轴与动平台之间设有动平台轴承，动平台轴承的内环与机床输出轴固联，动平台轴承的外环与动平台固联。

9.根据权利要求7所述的一种三自由度混联机床主轴头，其特征是：所述主轴电机与机架固联，主轴电机的输出轴与机架之间设有机架轴承，机架轴承的内环与主轴电机的输出轴固联，机架轴承的外环与机架固联。

10.根据权利要求6所述的一种三自由度混联机床主轴头，其特征是：所述第二运动支链中的上连杆B通过第六转动副B与移动导杆B的一端连接，移动导杆B的另一端通过第七转动副B与滑块B连接，滑块B与机架通过移动副B连接，且移动副B为驱动副，所述第四转动副B轴线、第六转动副B轴线、第七转动副B轴线相互平行，移动副B的运动方向与第四转动副B的轴线垂直；所述第三运动支链中的上连杆C通过第六转动副C与移动导杆C的一端连接，移动导杆C的另一端通过第七转动副C与滑块C连接，滑块C与机架通过移动副C连接，且移动副C为驱动副，所述第四转动副C轴线、第六转动副C轴线、第七转动副C轴线相互平行，移动副C的运动方向与第四转动副C的轴线垂直。