CN106623993A - 一种适合卧式加工的三自由度并联主轴头机构 - Google Patents

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王煜天
许金凯
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23Q1/00—Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
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Abstract

一种适合卧式加工的三自由度并联主轴头机构，属于机械制造领域。所述三自由度并联主轴头机构包括一个安装主轴的动平台、定平台，以及连接所述动平台与定平台之间的第一、第二和第三分支，三个分支空间均匀分布；第一分支安装在最下方，包括滑块导轨机构以及第一连杆和第二连杆，连杆两端通过虎克铰和球副分别与滑块和动平台连接；第二分支包括滑块导轨机构以及第三连杆，连杆两端通过转动副和球副分别与滑块和动平台连接；第三分支与第二分支结构相同。本发明中的卧式三自由度并联主轴头机构具有刚度高、负载能力强、运动部件质量小、动态性能各向同性等特点，第一分支的双连杆设计可以减弱重力对卧式机构的影响，实现机床高速高精度加工。

Description

一种适合卧式加工的三自由度并联主轴头机构
技术领域
本发明属于机械制造领域，特别涉及一种适合卧式加工三自由度并联主轴头机构。
背景技术
五轴联动数控机床是制造业中的重要加工装备，传统的五轴联动数控机床通常采用龙门式结构，工作台、横梁和主轴部件实现X、Y、Z轴的移动，再加上摆叉式或万能摆头，实现AC轴或AB轴的两个回转运动。这类五轴数控机床的主轴偏转角度较大，在单个轴线上可以达到很高的回转速度和加速度，但是在大摆角加工时存在摆角自动回转造成零件铣伤；而且五坐标联动加工设备旋转坐标的结构特点在高速加工时存在无效路径长的现象，从而造成摆角速度与线性轴速度不匹配造成零件轮廓精度低或机床报警；为了承载末端部件的重量，前端支撑部件的运动惯性大，因而不宜实现高速运动。
为了克服摆叉式主轴头摆角结构的缺点，国内外一些研究人员和公司利用并联机构刚度高、惯性低、承载能力强的优点，提出了并联构型主轴头结构。这种新型主轴头结构发挥了纯串联和纯并联拓扑结构的优点，具有结构紧凑、可重构能力强的优点，可根据用户需求搭建专机(如5坐标高速加工中心)。例如，DS Technology公司将Sprint Z3主轴头配置在可以沿X和Y方向运动的串联机构上，设计开发数控机床产品，包括Ecospeed和EcospeedF等。这类五轴联动数控机床加工过程中，所有加工运动都通过加工刀具的移动或转动完成，而工件不动，这对大型结构件加工非常有利。
目前国内外开发的并联构型主轴头主要由三个结构相同的运动学支链组成，并且在空间中均匀布置，这种配置方式在立式加工时具有各项同性好的优点。但是，现有的并联主轴头在卧式加工中，由于支链重力的影响，卧式加工中各个支链动态特性相差较大，严重影响机床加工性能。
发明内容
本发明的目的在于克服传统串联式主轴头结构的不足，以及现有具有对称结构并联主轴头的动态性能各向同性差的问题，提供一种卧式三自由度并联主轴头机构，使其该主轴头机构具有刚度高，运动惯性低，且动态性能各向同性好等特点，减弱支链重力对卧式主轴头结构的动态特性的影响，应用于五轴混联机床中可以实现高速高精度的加工。
本发明技术方案是：
一种特别适合卧式加工三自由度并联主轴头机构，该结构包括定平台、动平台、主轴，以及设置在所述定平台和动平台的第一分支、第二分支和第三分支，所述定平台包括第一机架、第二机架、第三机架和底座，第一机架、第二机架和第三机架固定在底座上且空间均匀分布，其特征在于：第一机架位于底座的最下方，第一分支包括第一滑块导轨机构、第一连杆和第二连杆，其中第一滑块导轨机构的导轨固连在第一机架上，第一滑块分别通过第一虎克铰、第二虎克铰与第一连杆、第二连杆的一端连接，动平台分别通过第一球副、第二球副和第一连杆、第二连杆的另一端连接；第二分支包括第二滑块导轨机构以及第三连杆，其中第二滑块导轨机构的导轨固连在第二机架上，第二滑块通过转动副和第三连接杆的一端连接，动平台通过第三球副和第三连杆的另一端连接；第三分支与第二分支结构相同。
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：由于本发明的第一分支采用了两个连接连杆，并且第一机架上的第一分支安装在动平台的最下方，该机构具有刚度高、负载能力强、运动部件质量小、动态性能各向同性好的特点。此外，该机构是卧式主轴头机构，易于配置在可以沿X和Y方向运动的串联机构上组成五轴联动数控机床。
附图说明
图1为本发明提供的卧式三自由度并联主轴头机构实施例的三维结构示意图。
图2为本发明的第一分支实施例结构示意图。
图3为本发明的第二分支实施例结构示意图。
图中：1-定平台；2-动平台；3-第一分支、4-第二分支、5-第三分支、6-主轴、101-第一机架、102-第二机架、103-第三机架、104-底座、301-第一连杆、302-第二连杆、303-第一滑块、311-第一虎克铰、312-第二虎克铰、321-第一球副、322-第二球副、401-第三连杆、402-第二滑块、411-转动副、421-第三球副。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、原理和具体实施方式进一步说明。
图1为本发明提供的卧式三自由度并联主轴头机构实施例的三维结构示意图，所述的卧式三自由度并联主轴头机构结构包括定平台1、动平台2、主轴6，以及设置在所述定平台1和动平台2的第一分支3、第二分支4和第三分支5，组成了空间三自由度并联主轴头机构。所述定平台1包括第一机架101、第二机架102、第三机架103和底座104，第一机架101、第二机架102和第三机架103固定在底座104上且空间均匀分布，第一分支3、第二分支4和第三分支5分别安装在第一机架101、第二机架102和第三机架103，其中第一机架101及安装于第一机架101上的第一分支3位于底座最下方。主轴6固接在动平台2上，通过第一分支3、第二分支4和第三分支5的协同运动实现主轴6的位姿改变。
图2为本发明的第一分支3实施例结构示意图，所述的第一分支3包括第一滑块导轨机构、第一连杆301和第二连杆302，其中第一滑块导轨机构的导轨固连在第一机架101上，第一滑块303分别通过第一虎克铰311、第二虎克铰312与第一连杆301、第二连杆302的一端连接，动平台2分别通过第一球副321、第二球副322和第一连杆301、第二连杆302的另一端连接；所述的第一连杆301和第二连杆302上下布置，且不必位于同一平面内，为了提高机构动态性能优先采用非平行的布置方式。
图3为本发明的第二分支4实施例结构示意图，所述的第二分支4包括第二滑块导轨机构以及第三连杆401，其中第二滑块导轨机构的导轨固连在第二机架102上，第二滑块402通过转动副411和第三连接杆401的一端连接，动平台2通过第三球副421和第三连杆401的另一端连接。
第三分支5与第二分支4结构相同，不再赘述。
本发明的工作原理如下：
第一分支3的第一滑块303可以在驱动电机的驱动下沿着第一机架101的导轨作往复直线运动，第二分支4的第二滑块402可以在驱动电机的驱动下沿着第二机架102的导轨作往复直线运动，第三分支5同理，不再赘述。
为了方便描述运动设定坐标系如图1所示：Z轴方向与第一机架101、第二机架102、第三机架103平行，Y轴方向竖直向上，X方向符合右手笛卡尔坐标系。第一分支3、第二分支4和第三分支5的滑块沿着各自的机架同步移动，可以带动动平台2沿着Z轴方向运动，实现一个移动自由度；第一分支3、第二分支4和第三分支5的滑块沿着各自的机架不同步移动，可以实现动平台2绕着X和Y轴方向转动，实现两个转动自由度。上述第一分支3、第二分支4和第三分支5的滑块在各自机架上协同运动，控制动平台2实现三自由度运动。
特别地，第一分支3的第一连杆301、第二连杆302优先采用非平行布置，在运动过程中可以减弱支链重力导致的卧式主轴头各支链动态特性相差较大的问题，应用于五轴混联机床中可以实现高速高精度的加工。

Claims (3)

1.一种适合卧式加工的三自由度并联主轴头机构，该机构包括定平台(1)、动平台(2)、主轴(6)，以及设置在所述定平台(1)和动平台(2)之间的第一分支(3)、第二分支(4)和第三分支(5)，所述定平台(1)包括第一机架(101)、第二机架(102)、第三机架(103)和底座(104)，第一机架(101)、第二机架(102)和第三机架(103)固定在底座(104)上且空间均匀分布，其特征在于：第一机架(101)位于底座(104)的最下方，第一分支(3)包括第一滑块导轨机构、第一连杆(301)和第二连杆(302)，其中第一滑块导轨机构的导轨固连在第一机架(101)上，第一滑块(303)分别通过第一虎克铰(311)和第二虎克铰(312)与第一连杆(301)和第二连杆(302)的一端连接，第一连杆(301)和第二连杆(302)的另一端分别通过第一球副(321)和第二球副(322)与动平台(2)连接；第二分支(4)包括第二滑块导轨机构以及第三连杆(401)，其中第二滑块导轨机构的导轨固连在第二机架(102)上，第二滑块(402)通过转动副(411)和第三连接杆(401)的一端连接，第三连杆(401)的另一端通过第三球副(421)与动平台(2)连接；第三分支(5)与第二分支(4)结构相同。
2.按照权利要求1所述的一种适合卧式加工的三自由度并联主轴头机构，其特征在于，所述第一连杆(301)和第二连杆(302)上下布置。
3.按照权利要求2所述的一种适合卧式加工的三自由度并联主轴头机构，其特征在于，第一连杆(301)和第二连杆(302)采用非平行的方式布置。
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