CN106736634A - 一种附加冗余圆弧滑动的大工作空间三平动并联机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种附加冗余圆弧滑动的大工作空间三平动并联机床，包括机架、圆弧模组、第一支链组、第二支链组、第三支链组、动平台、工作台；其中机架下端用地脚螺栓与地基固定；第一支链组、第二支链组、第三支链组均由三组结构相同的伸缩杆构成，圆弧模组固定于机架的主立柱中部，第一支链组、第三支链组一端分别与机架上支座、下支座相连，另一端均与动平台相连，第二支链组一端与圆弧模组相连，另一端与动平台相连，各支链组均通过两端的球铰与机架、圆弧模组或者动平台相连，从而组成空间并联闭环结构；本发明提供一种结构紧凑、运动灵活、可规避奇异位形、高刚度、快速动态响应的大工作空间三平动并联机床，适合大型工件的加工作业。

Description

一种附加冗余圆弧滑动的大工作空间三平动并联机床

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圆弧滑动的大工作空间三平动并联机床。

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，使得大型工件的加工成本高昂。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，而大工作空间并联机床案例并不多见。

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，缺点在于该机构工作空间小，不适合大范围工作的情形。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的大工作空间并联机构，该机构采用定长杆加三滑座的布局，在一个滑座有一组平行杆、一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，通过规划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轨迹规划异常复杂，且可通过的路径有限。张传旭.C形龙门并联机床总体技术研究[D].南京：南京理工大学，2013，沈晓健.并联式C形龙门铣床机架结构设计与优化[D].南京：南京理工大学，2015，果金龙.C形龙门机架并联铣床刚度与动态特性研究[D].南京：南京理工大学，2015中分别公开的C形龙门并联机床，是在非对称三平动并联机构上附加冗余直线滑动形成大空间并联机床，虽然该机床的可加工的范围较常规并联机床增大，但由于冗余滑块处于两端位置时离工作台核心区域较远，使得工作空间很不规整，造成了工作空间的浪费，性能优化受到限制。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种附加圆弧滑动的大工作空间三平动并联机床。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种附加冗余圆弧滑动的大工作空间三平动并联机床，包括机架、圆弧模组、第一支链组、第二支链组、第三支链组、动平台、工作台；所述机架包括上支座、主立柱、下支座；所述圆弧模组包括第一导轨、第二导轨、滑台、滑块和支座；

所述主立柱上端安装上支座，主立柱的安装板下端安装有下支座，下支座的另一端与工作台连接；所述圆弧模组通过支座安装在主立柱上；第一导轨和第二导轨安装在支座上，滑块在第一导轨、第二导轨上做圆弧滑动，滑块通过连杆与滑台连接；

所述第一支链组、第二支链组、第三支链组的一端分别与上支座、圆弧模组的滑台、下支座相连，另一端均与动平台相连。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)采用开式机架的设计有利于并联机床实现较大的工作空间；

(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)机床动平台进行三个方向的平动，不含转动，解耦简单，便于正解。

(4)采取附加冗余圆弧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；

(5)采用附加冗余的圆弧模组，扩大动平台的运动范围，而机架与工作台采用固定方式，进而减小了机床占用空间；

(6)本发明在三平动并联机构上附加的圆弧滑动，在圆弧导轨的作用下，装有滑块的滑台在向导轨两端运动的同时也向工作台靠近，使机床的工作空间得到规整，因此较之附加冗余直线滑动的并联机床具有更大工作空间和更好的刚度。

附图说明

图1为本发明机床立体结构示意图。

图2为本发明机架结构示意图。

图3为本发明圆弧模组结构示意图。

图4为本发明圆弧模组机构简图。

图5为本发明机床机构简图。

图6为本发明动平台立体结构示意图。

图7为本发明虎克铰附加转动副式球铰结构示意图。

图8为本发明虎克铰附加转动副式球铰机构简图。

1.机架，2.圆弧模组，3.第一支链组，4.第二支链组，5.第三支链组，6.动平台，7.工作台，1-1.上支座，1-2.主立柱，1-3.下支座，2-1.第一导轨，2-2.第二导轨，2-3.滑台，2-4.滑块，2-5.支座，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8对本发明实施方式做进一步说明：

结合图1，本发明中的一种附加冗余圆弧滑动的大工作空间三平动并联机床，包括机架1、圆弧模组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7；

所述机架1包括上支座1-1、主立柱1-2、下支座1-3；所述圆弧模组2包括第一导轨2-1、第二导轨2-2、滑台2-3、滑块2-4和支座2-5，所述圆弧模组2通过支座2-5安装在主立柱1-2上；第一导轨2-1和第二导轨2-2安装在支座2-5上，滑块2-4在第一导轨2-1、第二导轨2-2上做圆弧滑动，滑块2-4通过连杆与滑台2-3连接；

所述第一支链组3、第二支链组4、第三支链组5的一端分别与上支座1-1、圆弧模组2的滑台2-3、下支座1-3相连，另一端均与动平台6相连。

作为优选的实施方式，结合图2，所述主立柱1-2为长方体腔体结构；上端安装上支座1-1，主立柱1-2正对工作台7一端为安装圆弧模组2和下支座1-3的安装板，安装板下端安装有下支座1-3，下支座1-3的另一端与工作台7连接；上支座1-1、主立柱1-2和下支座1-3一起构成C形结构；上支座1-1为六面体腔体结构，下端与主立柱1-2的上端相连，与主立柱1-2安装板形成夹角的一端设有安装第一支链组3的两个铰链孔；下支座1-3为六面体腔体结构，且相对主立柱1-2中间对称，对称的两端为直角梯形结构；与主立柱1-2安装板连接的为较大的矩形结构，与工作台7安装为较小的矩形结构；下支座1-3与主立柱1-2安装板形成夹角的顶端设有安装第三支链组5的两个铰链孔。

作为优选的实施方式，所述上支座1-1、下支座1-3与主立柱1-2在工作空间的夹角均为120°。

结合图3，所述圆弧模组2为单自由度的移动副，包括第一导轨2-1、第二导轨2-2、滑台2-3、滑块2-4和支座2-5，所述支座2-5安装在主立柱1-2的安装板中间，所述支座2-5包括与主立柱1-2安装板平行固接的连接板和连接两个第一导轨2-1和第二导轨2-2的安装板，且连接第一导轨2-1、第二导轨2-2的三个安装板均垂直于上述连接板；第一导轨2-1和第二导轨2-2为结构相同的圆弧导轨，第二导轨2-2位于两个第一导轨2-1的中部，且与第一导轨错开安装；三个圆弧结构的导轨均相对支座2-5的安装板外切，上下两个第一导轨2-1的圆弧同心；三个导轨上的滑块2-4均通过连杆与滑台2-3连接，滑块2-4通过转动副与连杆相连，连接第一导轨2-1的上下两个滑块2-4的转动轴线共轴，且均与连接第二导轨2-2中间滑块2-4的转动轴线平行；所述滑台2-3为平板结构，三个连杆均垂直于滑台2-3连接，在平行于工作台7方向上，上下两个连杆与中间连杆错开安装，错开的距离与第一导轨2-1相对第二导轨2-2错开的距离相同；在垂直于工作台7方向上，上下两个连杆安装位置相同；所述滑台2-3上设有两个连接第一支链组3的铰链孔；

结合图4，所述圆弧模组2的滑块2-4沿着第一导轨2-1，第二导轨2-2平行于工作台7水平滑动，圆弧模组2使用伺服电机驱动，运动过程中，连接第一导轨2-1的滑块2-4的转动副中心、连接第二导轨2-2的滑块2-4的转动副中心、第一导轨2-1圆心、第二导轨2-2圆心，四点始终构成平行四边形，则滑台2-3保持固定姿态沿圆弧移动，该移动不影响动平台6的自由度，构成冗余圆弧滑动。冗余圆弧滑动起规避奇异位形，装有滑块2-4的滑台2-3在向导轨两端运动的同时也向工作台7靠近，使机床的工作空间得到规整，具有更大工作空间且和更好刚度。

作为优选的实施方式，结合图5、图7、图8，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；伸缩杆的中间采用的滚珠丝杠传动，每组支链的两组伸缩杆在机床工作状态下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。

第一支链组3的两个伸缩杆的一端均通过铰链与上支座1-1相连，另一端均通过铰链与动平台6相连；所述第二支链组4的两个伸缩杆的一端均通过铰链与圆弧模组2的滑台2-3相连，另一端均通过铰链与动平台6相连；所述第三支链组5的两个伸缩杆的一端均通过铰链与下支座1-3相连，另一端均通过铰链与动平台6相连，从而组成空间并联闭环结构；

作为优选的实施方式，结合图6，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相连端均为四边形结构，两端面相交且夹角为60°；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上支座1-1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下支座1-3上的铰链孔的两孔孔心连线平行且孔距相等；

动平台6与第一支链组3和第三支链组5相连接处两端均设有与第二支链组4相连的凸台面，两个凸台面同平面，且分别设有第三铰链孔6-3和第四铰链孔6-4，两孔的两孔孔心连线与滑台2-3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，且中间设有安装工作装置电主轴的安装孔；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；

所述主立柱1-2、下支座1-3、工作台7均设有地脚螺栓安装孔，安装机床时，通过地脚螺栓固定，以增加机床的整体稳定性；且机架1与工作台7不会像传统机床做大范围的相对运动，节约了机床的占用空间，也减轻了机床的整体重量。

因此动平台6安装第一支链组3的端面与上支座1-1安装第一支链组3的端面保持平行，动平台6安装第三支链组5的端面与下支座1-3安装第三支链组5的端面保持平行，动平台6安装第二支链组4的端面与主立柱1-2安装第二支链组4的端面保持平行。

在本发明中，上述上支座1-1、下支座1-3与主立柱1-2在工作空间的夹角可做适当调整；动平台6与第一支链组3和第三支链组5相连接的两个端面的夹角，在保证：动平台6安装第一支链组3的端面与上支座1-1安装第一支链组3的端面保持平行，动平台6安装第三支链组5的端面与下支座1-3安装第三支链组5的端面保持平行，动平台6安装第二支链组4的端面与主立柱1-2安装第二支链组4的端面保持平行的情况下，可做角度的调整；

由于本发明中并联机床动平台6无姿态变化，机床进行三个方向的平动，不含转动，解耦简单，故便于正解。

本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。在不脱离本发明宗旨的情况下，做出的相关变形，均属于发明保护范围。

Claims (10)

1.一种附加冗余圆弧滑动的大工作空间三平动并联机床，其特征在于包括机架(1)、圆弧模组(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(7)；所述机架(1)包括上支座(1-1)、主立柱(1-2)、下支座(1-3)；所述圆弧模组(2)包括第一导轨(2-1)、第二导轨(2-2)、滑台(2-3)、滑块(2-4)和支座(2-5)；

所述主立柱(1-2)上端安装上支座(1-1)，主立柱(1-2)的安装板下端安装有下支座(1-3)，下支座(1-3)的另一端与工作台(7)连接；所述圆弧模组(2)通过支座(2-5)安装在主立柱(1-2)上；第一导轨(2-1)和第二导轨(2-2)安装在支座(2-5)上，滑块(2-4)在第一导轨滑块(2-4)、第二导轨(2-2)上做圆弧滑动，滑块(2-4)通过连杆与滑台(2-3)连接；

所述第一支链组(3)、第二支链组(4)、第三支链组(5)的一端分别与上支座(1-1)、圆弧模组(2)的滑台(2-3)、下支座(1-3)相连，另一端均与动平台(6)相连。

2.如权利要求1所述的一种附加冗余圆弧滑动的大工作空间三平动并联机床，其特征在于所述圆弧模组(2)为单自由度的移动副，所述支座(2-5)包括与主立柱(1-2)安装板平行固接的连接板和连接两个第一导轨(2-1)和第二导轨(2-2)的安装板，第一导轨(2-1)和第二导轨(2-2)为结构相同的圆弧导轨，第二导轨(2-2)位于两个第一导轨(2-1)的中部，且与第一导轨(2-1)错开安装；三个圆弧结构的导轨均相对支座(2-5)的安装板外切，上下两个第一导轨(2-1)的圆弧同心；滑块(2-4)通过转动副与连杆相连，连接第一导轨(2-1)的上下两个滑块(2-4)的转动轴线共轴，且均与连接第二导轨(2-2)的中间滑块(2-4)的转动轴线平行；三个连杆均垂直于滑台(2-5)连接，在平行于工作台(7)方向上，上下两个连杆与中间连杆错开安装，错开的距离与第一导轨(2-1)相对第二导轨(2-2)错开的距离相同；在垂直于工作台(7)方向上，上下两个连杆安装位置相同。

3.如权利要求1或2所述的一种附加冗余圆弧滑动的大工作空间三平动并联机床，其特征在于所述圆弧模组(2)的滑块(2-4)沿着第一导轨(2-1)，第二导轨(2-2)平行于工作台(7)水平滑动，连接第一导轨(2-1)的滑块(2-4)的转动副中心、连接第二导轨(2-2)的滑块(2-4)的转动副中心、第一导轨(2-1)圆心、第二导轨(2-2)圆心，四点始终构成平行四边形。

4.如权利要求1所述的一种附加冗余圆弧滑动的大工作空间并联机床，其特征在于所述上支座(1-1)、下支座(1-3)与主立柱(1-2)，一起构成C形结构，所述上支座(1-1)、下支座(1-3)与主立柱(1-2)在工作空间的夹角均为120°。

5.如权利要求1所述的一种附加冗余圆弧滑动的大工作空间三平动并联机床，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，伸缩杆的中间采用滚珠丝杠传动，每组支链的两组伸缩杆在机床工作状态下始终保证平行且等长，每组支链采用一个伺服电机同步驱动两根伸缩杆。

6.如权利要求5所述的一种附加冗余圆弧滑动的大工作空间三平动并联机床，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°。

7.如权利要求1或5所述的一种附加冗余圆弧滑动的大工作空间三平动并联机床，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。

8.如权利要求1所述的一种附加冗余圆弧滑动的大工作空间三平动并联机床，其特征在于所述动平台(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)相连接的两端面相交；动平台(6)与第一支链组(3)和第三支链组(5)相连接处两端均设有与第二支链组(4)相连的凸台面，两个凸台面同平面；与凸台面平行相对的另一端中间设有安装工作装置的安装孔。

9.如权利要求1或8所述的一种附加冗余圆弧滑动的大工作空间三平动并联机床，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)，两孔的孔心连线与上支座(1-1)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)，两孔的孔心连线与下支座(1-3)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)与第二支链组(4)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台(2-3)上的两个铰链孔的两孔孔心连线平行且孔距相等。

10.如权利要求1所述的一种附加冗余圆弧滑动的大工作空间三平动并联机床，其特征在于所述动平台(6)安装第一支链组(3)的端面与上支座(1-1)安装第一支链组(3)的端面保持平行，动平台(6)安装第三支链组(5)的端面与下支座(1-3)安装第三支链组(5)的端面保持平行，动平台(6)安装第二支链组(4)的端面与主立柱(1-2)安装第二支链组(4)的端面保持平行。