CN106736613B - 一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，包括龙门架、直线模组、第一支链组、第二支链组、第三支链组、动平台、工作台；龙门架包括第一侧柱、第二侧柱和顶座，直线模组包括导轨和滑块；龙门架和工作台下端用地脚螺栓固定，直线模组安装在顶座上，支链组一、支链组二、支链组三是由三组结构相同的伸缩杆构成，第一支链组、第三支链组的一端均安装在顶座上，另一端均与动平台相连，第二支链组的一端安装在直线模组上，另一端与动平台相连，组成空间并联闭环结构；在三个支链组的伸缩和直线模组冗余驱动的作用下，形成一种结构紧凑、运动灵活、可规避奇异位形、具备大工作空间的龙门并联机床，特别适合大型工件的加工作业。

Description

一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床

技术领域

本发明属于数控制造装备领域，特别是一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床。

背景技术

在宏大制造领域，传统的单柱式镗铣床、大型龙门铣床等一类机床由于动态性能差、精度低、机身庞大以及造价高等问题，已难以满足现今大型工件的加工要求；并联机床作为一种新概念机床，与传统数控机床相比有其独特的优势。

中国专利CN105818137A公开了一种具有三维平动的并联机构，包括动平台、定平台与三组支链，该机构使用三个伺服电机同步驱动一组可伸缩支链，但该机构工作空间小，不适合大范围作业的情形；中国专利CN103240729A公开了一种空间三平动并联机械手，包括固定机架、动平台以及对称布置在固定机架与动平台之间的三条支链组，每组支链分为近架杆和远架杆，形成空间轴对称多连杆结构，局限性在于刚度较差，工作空间较小；德国Reichenbacher公司推出的Pegasus型木材加工中心，采用三组固定杆长且两端装有万向铰链的杆系，借助铰链将杆系分别与三块移动滑板和动平台相连，作业限于狭长的工作空间且刚度低、加工精度无法满足对金属大工件加工的要求；德国斯图加特大学的S.Johannesson于2003年提出、并与澳大利亚的昆士兰大学、挪威的阿格德学院和瑞典的ABB公司联合研究一种名为Gantry-Tau的三自由度大工作空间并联机构，该机构采用定杆长加三滑座的布局，第一个滑座有一组平行杆，第二个个滑座安装三根杆组成两个平行四边形，第三个滑座上装一根杆件，三条水平导轨固定在机架上，通过数控系统控制三滑座的运动使动平台从左侧空间转换到右侧空间，从而比其他并联机构有着较大的工作空间。但该机构存在两个问题：一，想要得到更大的工作空间就必须增加导轨的长度，而且该机构的横向工作范围较小，二，动平台在左右空间倒换的控制算法异常复杂，且可通过的路径有限。清华大学与齐二机床、江东机床等公司合作研发的XNZ2430重型龙门式五轴混联机床，主要是将传统龙门机床的横向和竖向的直线模组替换为并联结构，该机床是局部并联机构与传统机床结构的结合，但这种结构并不能增大机床的工作空间，因此为了增大机床的工作空间，就必须要增加机床工作台的尺寸，这就使得机床的整体尺寸大大增加。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种运动灵活、结构紧凑、可规避奇异位形、具备大工作空间的并联机床，特别适合大型工件的加工作业。

一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，包括龙门架、直线模组、第一支链组、第二支链组、第三支链组、动平台、工作台；所述龙门架包括第一侧柱、第二侧柱和顶座；所述第一侧柱、第二侧柱安装在工作台的两端，顶座安装在第一侧柱与第二侧柱的顶端；所述直线模组包括导轨和滑块，直线模组安装在顶座上，滑块沿导轨滑动；

所述第一支链组、第三支链组的一端均安装在顶座上，另一端均与动平台相连；所述第二支链组的一端安装在直线模组上，另一端与动平台相连，组成空间并联闭环结构。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)采用封闭式龙门架的设计有利于提高并联机床的刚度和精度。

(2)少自由度并联机构结构简单紧凑，便于装配且整机重量轻，易于控制。

(3)根据并联机床的位姿描述及空间坐标变换理论，由于本机床在空间上只有三个平动的自由度，无转动自由度，故其姿态矩阵为单位矩阵，运动学正解和反解都比较容易，因此该机床数控系统的控制算法相对简单。

(4)采用附加冗余的直线模组，提高了动平台的运动范围，而龙门架和工作台采用固定方式，进而减小了机床占用空间；

(5)采取附加冗余直线滑动的设计有利于规避奇异位形，提高并联机床的运动性能与刚度，并且有利于增大并联机床的工作空间，实现工作空间的成倍放大，能够满足对大工件加工的要求。

附图说明

图1为本发明机床立体结构示意图。

图2为本发明的机床总体结构的爆炸结构示意图。

图3为本发明机床机构简图。

图4为本发明动平台立体结构示意图。

图5为本发明虎克铰附加转动副式球铰结构示意图。

图6为本发明虎克铰附加转动副式球铰机构简图。

1.龙门架，2.直线模组，3.第一支链组，4.第二支链组，5.第三支链组，6.动平台

1-1.第一侧柱，1-2.顶座，1-3.第二侧柱，1-4.工作台，2-1.导轨，2-2.滑块

6-1.第一铰链孔，6-2.第二铰链孔，6-3.第三铰链孔，6-4.第四铰链孔，6-5.第五铰链孔，6-6.第六铰链孔

具体实施方式

下面结合图1至图6对本发明做进一步说明：

结合图1，本发明中的一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，包括龙门架1、直线模组2、第一支链组3、第二支链组4、第三支链组5、动平台6、工作台1-4；

结合图2，所述龙门架1包括第一侧柱1-1、第二侧柱1-3和顶座1-2；所述第一侧柱、第二侧柱安装在工作台的两端，顶座安装在第一侧柱与第二侧柱的顶端；

作为优选的实施方案，所述第一侧柱1-1与第二侧柱1-3结构相同，所述第一侧柱1-1为立方体框架结构，中间设有槽孔，以减轻整体重量，底端设有固定的安装座；所述顶座1-2为C形圆弧框架结构，与第一侧柱1-1、第二侧柱1-3和顶座1-2整体构成拱形结构；

所述工作台与第一侧柱1-1与第二侧柱1-3下端均固连；

所述直线模组2为单自由度的移动副，包括导轨2-1和滑块2-2；所述直线模组2安装在顶座1-2内圆弧顶端中部；滑块2-2由伺服电机驱动沿着导轨2-1平行于工作台1-4水平滑动；所述滑块2-2上设有两个连接第一支链组3的铰链孔；直线模组2使用伺服电机驱动，从而提供冗余直线滑动，该冗余直线滑动起规避奇异位形，增大机床工作空间的作用；

作为优选的实施方式，结合图3，图5，图6，所述第一支链组3、第二支链组4、第三支链组5结构相同，每组支链组均由两个结构相同的伸缩杆组成；伸缩杆的两端均为球铰；伸缩杆的内部采用的滚珠丝杠传动，每组支链的两个伸缩杆在机床中始终保持平行且等长，每组支链采用一个伺服电机同步驱动两根伸缩杆；

作为对上述实施方式的进一步改进，所述球铰是一种经过改进的虎克铰，通过在传统虎克铰的底座上增加一个转动副来代替普通球铰，转动范围可达-70°—70°。

在一些实施方式中，每组支链采用两个伺服电机同步驱动两根伸缩杆。

所述第一支链组3的两个伸缩杆的一端均通过铰连接与顶座1-2相连，另一端均通过铰连接与动平台6相连；所述第二支链组4的两个伸缩杆的一端均通过铰连接与直线模组2的滑块2-2相连，另一端均通过铰连接与动平台6相连；所述第三支链组5的两个伸缩杆的一端均通过铰连接与顶座1-2相连，另一端均通过铰连接与动平台6相连，从而组成空间并联闭环结构；所述第一支链组3与第三支链组5对称的安装在顶座1-2内圆弧底部两端；

作为优选的实施方式，结合图4，所述动平台6为五面体腔体结构，动平台6与第一支链组3和第三支链组5相连接端均为四边形结构；动平台6与第一支链组3相连上设有用于连接第一支链组3两根伸缩杆的第一铰链孔6-1和第二铰链孔6-2，两孔的孔心连线与顶座1-2上连接第一支链组3的两铰链孔的孔心连线平行且孔距相等；

动平台6与第三支链组5相连端上设有用于连接第三支链组5两根伸缩杆的第五铰链孔6-5和第六铰链孔6-6，两孔的孔心连线与顶座1-2上连接第三支链组5的两铰链孔的孔心连线平行且孔距相等；

动平台6与第一支链组和第三支链组5相连的两个端面相交，且在两个端面上分别设有一个与第二支链组4相连的凸台面，两个凸台面在同一平面，且分别设有第三铰链孔6-3和第四铰链孔6-4，两孔的孔心连线与滑块2-2上的两个铰链孔的孔心连线平行且孔距相等；与凸台面平行相对的另一端为长方形平面结构，且中间设有用于安装电主轴的安装孔；动平台6另外两个端面为等腰梯形结构，均分别与凸台面和长方形结构相交；

所述第一侧柱1-1、第二侧柱1-3、工作台1-4均设有地脚螺栓安装孔，安装机床时，通过地脚螺栓固定机床，以增加机床的整体稳定性；且龙门架1与工作台1-4不会像传统机床那样有大范围的相对运动，节约了机床的占地空间，也减轻了机床的整体重量。

作为优选的实施方式，顶座1-2内圆弧底部连接第一支链组3与第三支链组5的两端均为平面，两平面与导轨所在平面的夹角均为120°；动平台6与第一支链组3和第三支链组5相连接的两个端面相交且夹角为60°；上述角度在满足三个支链组自由转动的前提下，均可做适当的调整；

由于本发明中并联机床动平台6无姿态变化，机床在空间上只有三个平动的自由度，无转动自由度，故其姿态矩阵为单位矩阵，运动学正解和反解都比较容易，因此该机床数控系统的控制算法相对简单。

Claims (7)

1.一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，其特征在于包括龙门架(1)、直线模组(2)、第一支链组(3)、第二支链组(4)、第三支链组(5)、动平台(6)和工作台(1-4)；所述龙门架(1)包括第一侧柱(1-1)、第二侧柱(1-3)和顶座(1-2)；所述第一侧柱(1-1)、第二侧柱(1-3)安装在工作台(1-4)的两端，顶座(1-2)安装在第一侧柱(1-1)与第二侧柱(1-3)的顶端；所述直线模组(2)包括导轨(2-1)和滑块(2-2)，直线模组(2)安装在顶座(1-2)上，滑块(2-2)沿导轨(2-1)滑动；

所述第一支链组(3)、第三支链组(5)的一端均安装在顶座(1-2)上，另一端均与动平台(6)相连；所述第二支链组(4)的一端安装在直线模组(2)上，另一端与动平台(6)相连，组成空间并联闭环结构；

所述动平台(6)为五面体腔体结构，动平台(6)上，与第一支链组(3)和第三支链组(5)相连接的两个端面相交，且在两个端面上分别设有一个与第二支链组(4)相连的凸台面，两个凸台面在同平面上；与凸台面平行的另一端端面设有安装工作装置的安装孔；

所述顶座(1-2)内圆弧底部连接第一支链组(3)与第三支链组(5)的两端均为平面，两平面与导轨所在平面的夹角均为120°；动平台(6)与第一支链组(3)和第三支链组(5)相连接的两个端面相交且夹角为60°。

2.如权利要求1所述的一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，其特征在于所述第一侧柱(1-1)与第二侧柱(1-3)结构相同，所述第一侧柱(1-1)为立方体框架结构；所述顶座(1-2)为C形圆弧框架结构，第一侧柱(1-1)、第二侧柱(1-3)和顶座(1-2)整体构成拱形结构。

3.如权利要求1所述的一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，其特征在于所述直线模组(2)为单自由度的移动副，滑块(2-2)由伺服电机驱动沿着导轨(2-1)平行于工作台(1-4)水平滑动。

4.如权利要求1所述的一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，其特征在于所述第一支链组(3)、第二支链组(4)、第三支链组(5)结构相同，每组支链组均由两个结构相同的伸缩杆组成；伸缩杆的两端均与球铰连接，伸缩杆的内部采用滚珠丝杠传动，每组支链的两个伸缩杆在机床中始终保持平行且等长，每组支链采用一个伺服电机同步驱动两根伸缩杆。

5.如权利要求4所述的一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，其特征在于，所述球铰是一种经过改进的虎克铰，通过在传统虎克铰的底座上增加一个转动副来代替普通球铰，转动范围可达-70°—70°。

6.如权利要求1或4所述的一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，其特征在于每组支链采用两个伺服电机同步驱动两根伸缩杆。

7.如权利要求1所述的一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，其特征在于所述动平台(6)与第一支链组(3)相连端上设有用于连接第一支链组(3)两根伸缩杆的第一铰链孔(6-1)和第二铰链孔(6-2)，两孔的孔心连线与顶座(1-2)上的铰链孔的孔心连线平行且孔距相等；动平台(6)与第三支链组(5)相连端上设有用于连接第三支链组(5)两根伸缩杆的第五铰链孔(6-5)和第六铰链孔(6-6)，两孔的孔心连线与顶座(1-2)上连接第三支链组(5)的两铰链孔的孔心连线平行且孔距相等；与第二支链组(4)两根伸缩杆相连的两个凸台面分别设有第三铰链孔(6-3)和第四铰链孔(6-4)，两孔的孔心连线与滑块(2-2)上的两个铰链孔的两孔孔心连线平行且孔距相等。