CN107378594B - 一种五自由度并联机床 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种五自由度并联机床,属于数控装置制造技术领域。包括安装电主轴的动平台、基座、立柱、顶板、以及连接所述顶板和动平台之间的第一、第二、第三、第四和第五支链。所述顶板、动平台、第一、第二、第三、第四和第五支链,形成一个空间并联闭环机构,通过驱动五条支链,实现动平台三自由度移动和两自由度转动,最终完成多轴联动加工。该结构形式结构简单,灵活性好,承载能力高,容易控制,在机器人和高端数控制造装备领域具有广泛的应用前景。

Description

一种五自由度并联机床
技术领域
本发明属于机械制造技术领域,特别涉及一种五自由度并联机床。
背景技术
在现代机械制造领域,零部件结构设计和加工工艺日渐复杂,空间自由由面类零部件在很多重要的领域得到了广泛的应用,例如飞机、轿车、涡轮的叶片等。为了获得更好的转动灵活性和加工柔性,现代机床应该具有至少五轴联动的加工能力,因此,五自由度的机床在国民经济和国家安全中起着重要作用。传统机床的结构一般是串联形式的,存在运动部件质量大、误差积累等问题。并联机构是动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接,机构具有两个或两个以上自由度,且以并联方式驱动的一种闭环机构。它具有机构刚度大、惯性小、结构紧凑、单位质量承载能力强、末端部件质量轻、位置误差不积累、易于实现高速运动等特点,所以得到了广泛关注。
目前,三自由度和六自由度的并联机床在市面上相对广泛,但是五自由度的并联机床较少。与六自由度的并联机床或机器人相比,五自由度并联机床有着结构更简单、驱动部件更少、运动学简单、更易于控制、容易实现较大工作空间等优点,并且也能满足复杂曲面的加工要求。但是,具有实用价值并成功应用的五自由度并联机构案例很少,目前在工业中用于实际生产的只有德国Metrom公司的五轴并联机床产品。其他并联机床更多是三自由度并联模块与其他机构组成的混联机床。
发明内容
针对机械制造领域中多轴机床的发展情况,为了解决上述现有技术中全并联五自由度并联机构构型综合困难等问题,本发明的目的在于提供一种五自由度并联机床,能够实现五轴联动控制,实现复杂零件的曲面加工以及一次装夹完成五面加工,具有重要意义。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种五自由度并联机床,其特征在于,该机构包括电主轴、动平台、基座、立柱、顶板、第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链;所述第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链分别与顶板和动平台连接,进而形成一个空间并联闭环机构;所述的第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链均包括上铰链座、上铰链连接件、伸缩杆缸体、伸缩杆节臂、旋转连接件、下铰链连接件和下铰链座;所述的顶板和上铰链座固连,所述的上铰链座和上铰链连接件通过第一转动副连接,所述的上铰链连接件和伸缩杆缸体通过第二转动副连接,所述的第一转动副的转动轴线和第二转动副的转动轴线相互垂直,所述的伸缩杆缸体和伸缩杆节臂通过移动副连接,所述的旋转连接件和下铰链连接件通过第三转动副连接,所述的下铰链连接件和下铰链座通过第四转动副连接,所述的第三转动副的转动轴线和第四转动副的转动轴线相互垂直,所述的下铰链座和动平台固连;所述的第一支链的伸缩杆节臂和旋转连接件通过第五转动副连接,所述的第一支链的第三转动副的转动轴线、第四转动副的转动轴线和第五转动副的转动轴线相互垂直;所述的第三支链和第四支链与第一支链结构相同;所述的第二支链的伸缩杆节臂和旋转连接件固连,所述的第五支链与第二支链结构相同,所述的第二支链的第一转动副轴线和第五支链的第一转动副轴线共线,所述的第二支链的第四转动副轴线和第五支链的第四转动副轴线共线;所述的第二支链的第二转动副的转动轴线和第三转动副的转动轴线与第五支链的第二转动副的转动轴线和第三转动副的转动轴线相互平行。
所述的一种五自由度并联机床,其特征在于,所述的第一支链、第三支链和第四支链的第一转动副、第二转动副可由一个虎克铰代替;所述的第一支链、第三支链和第四支链的第三转动副、第四转动副、第五转动副可由一个球铰代替。
所述的一种五自由度并联机床,其特征在于,所述的第二支链和第五支链的第一转动副、第二转动副可由一个虎克铰代替;所述的第二支链和第五支链的第三转动副、第四转动副可由一个虎克铰代替。
所述的一种五自由度并联机床,其特征在于,所述的第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链的第一转动副的转动轴线共面,所述的第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链的第四转动副的转动轴线共面。
与现有技术相比,本发明五个支链成圆周分布,结构简单,对称,便于制造与安装;每个支链受力均匀,承载能力高,刚度大,通用性和互换性良好;工作空间大,灵活性好,容易控制;在高端数控制造及重型并联装备、航空航天模拟及探测装备、军事装备、生物医疗及仿生操作装置、多维力传感器、微纳米操作装置、人体康复装置及相应领域都有广泛应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的并联机构组成图。
图中:1-电主轴、2-动平台、3-加工台、4-立柱、5-顶板、6-基座、11-上铰链座、12-上铰链连接件、13-伸缩杆缸体、14-伸缩杆节臂、15-旋转连接件、16-下铰链连接件、17-下铰链座。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
本发明一种五自由度并联机床结合附图及实施例详细说明如下:
在本发明如图1所示的实施例中,本发明所述的一种五自由度并联机床,包括一个安装电主轴1的动平台2、基座6、立柱4、顶板5、以及连接所述顶板5和动平台2之间的第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链,分别标记为I、II、III、IV、V。所述的第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链分别与顶板5和动平台2连接,进而形成一个空间并联闭环机构。该空间并联闭环机构通过驱动五条支链的运动,进而实现动平台2三个移动自由度和两个转动自由度的运动。
如图2的并联机构组成图所示,所述的第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链均包括上铰链座11、上铰链连接件12、伸缩杆缸体13、伸缩杆节臂14、旋转连接件15、下铰链连接件16和下铰链座17;所述的顶板5和上铰链座11固连,所述的上铰链座11和上铰链连接件12通过第一转动副连接,所述的上铰链连接件12和伸缩杆缸体13通过第二转动副连接,所述的伸缩杆缸体13和伸缩杆节臂14通过移动副连接,所述的伸缩杆节臂14和旋转连接件15连接,所述的旋转连接件15和下铰链连接件16通过第三转动副连接,所述的下铰链连接件16和下铰链座17通过第四转动副连接,所述的下铰链座17和动平台2固连;所述的第一转动副的转动轴线和第二转动副的转动轴线相互垂直,所述的第三转动副的转动轴线和第四转动副的转动轴线相互垂直。
所述的第一支链的伸缩杆节臂14和旋转连接件15通过第五转动副连接,所述的第一支链的第三转动副的转动轴线、第四转动副的转动轴线和第五转动副的转动轴线相互垂直。所述的第三支链和第四支链与第一支链结构相同。所述的第一支链、第三支链和第四支链的第一转动副、第二转动副可由一个虎克铰代替。所述的第一支链、第三支链和第四支链的第三转动副、第四转动副、第五转动副可由一个球铰代替。
所述的第二支链的伸缩杆节臂14和旋转连接件15固连。所述的第五支链与第二支链结构相同。所述的第二支链的第一转动副轴线和第五支链的第一转动副轴线共线,所述的第二支链的第四转动副轴线和第五支链的第四转动副轴线共线。所述的第二支链的第二转动副的转动轴线和第三转动副的转动轴线与第五支链的第二转动副的转动轴线和第三转动副的转动轴线相互平行。所述的第二支链和第五支链的第一转动副、第二转动副可由一个虎克铰代替。所述的第二支链和第五支链的第三转动副、第四转动副可由一个虎克铰代替。
所述的第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链的第一转动副的转动轴线共面,所述的第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链的第四转动副的转动轴线共面。
所述的第二支链、第五支链和动平台2构成的闭环机构约束了动平台2沿竖直轴转动的自由度,即动平台2具有三移动和两转动的自由度。所述的第一支链、第三支链和第四支链均具有六自由度,不会对机构的自由度进行限制。因此,可采用丝杠滑块机构驱动五个移动副来实现五根伸缩杆的伸缩运动,进而带动动平台2上的电主轴1实现三个移动和两个转动自由度的运动,实现五轴联动加工。
本发明以一种五自由度的并联机床为例进行了说明,但是可以理解,在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种五自由度并联机床,其特征在于,包括电主轴(1)、动平台(2)、基座(6)、立柱(4)、顶板(5)、第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链;所述第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链分别与顶板(5)和动平台(2)连接,进而形成一个空间并联闭环机构;所述的第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链均包括上铰链座(11)、上铰链连接件(12)、伸缩杆缸体(13)、伸缩杆节臂(14)、旋转连接件(15)、下铰链连接件(16)和下铰链座(17);所述的顶板(5)和上铰链座(11)固连,所述的上铰链座(11)和上铰链连接件(12)通过第一转动副连接,所述的上铰链连接件(12)和伸缩杆缸体(13)通过第二转动副连接,所述的第一转动副的转动轴线和第二转动副的转动轴线相互垂直,所述的伸缩杆缸体(13)和伸缩杆节臂(14)通过移动副连接,所述的旋转连接件(15)和下铰链连接件(16)通过第三转动副连接,所述的下铰链连接件(16)和下铰链座(17)通过第四转动副连接,所述的第三转动副的转动轴线和第四转动副的转动轴线相互垂直,所述的下铰链座(17)和动平台(2)固连;所述的第一支链的伸缩杆节臂(14)和旋转连接件(15)通过第五转动副连接,所述的第一支链的第三转动副的转动轴线、第四转动副的转动轴线和第五转动副的转动轴线相互垂直;所述的第三支链和第四支链与第一支链结构相同;所述的第二支链的伸缩杆节臂(14)和旋转连接件(15)固连,所述的第五支链与第二支链结构相同,所述的第二支链的第一转动副轴线和第五支链的第一转动副轴线共线,所述的第二支链的第四转动副轴线和第五支链的第四转动副轴线共线;所述的第二支链的第二转动副的转动轴线和第三转动副的转动轴线与第五支链的第二转动副的转动轴线和第三转动副的转动轴线相互平行。
2.根据权利要求1所述的一种五自由度并联机床,其特征在于,所述的第一支链、第三支链和第四支链的第一转动副、第二转动副由一个虎克铰代替;所述的第一支链、第三支链和第四支链的第三转动副、第四转动副、第五转动副由一个球铰代替。
3.根据权利要求1所述的一种五自由度并联机床,其特征在于,所述的第二支链和第五支链的第一转动副、第二转动副由一个虎克铰代替;所述的第二支链和第五支链的第三转动副、第四转动副由一个虎克铰代替。
4.根据权利要求1所述的一种五自由度并联机床,其特征在于,所述的第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链的第一转动副的转动轴线共面,所述的第一支链、第二支链、第三支链、第四支链和第五支链的第四转动副的转动轴线共面。
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