CN107717499B - 一种六自由度自重构变胞式并联机床 - Google Patents

Abstract

一种六自由度自重构变胞式并联机床，该机床有机架、支链部分和动平台组成，支链部分由三条支链组成，三条支链的组成结构和连接方式完全相同，每一条支链均由一个连接机架的复合铰链、丝杠、丝杠滑块、连杆和一个连接动平台的复合铰链组成。该并联机床可在多个构态之间灵活转换，根据不同的加工情况来选择不同的构态进行加工，这就使得并联机床的适用范围变得更大。该并联机床工作空间大，能够迅速地自主变胞，灵活性好，转动惯量小，稳定性高，能加工形状复杂的工件，实现复杂走刀轨迹，适应性强。

Description

一种六自由度自重构变胞式并联机床

技术领域

本发明涉及一种并联机床领域，特别是一种六自由度自重构变胞式并联机床。

背景技术

制造业是国家的支柱产业，直接体现了一个国家的生产力水平。机床产业是国家制造业的基石，也是国家制造业中的主要竞争手段。目前，市场上的机床主要以串联机构为基础的多轴联动机床，串联机床只能沿固定轨道进给，自由度偏低，灵活性差，加工精度不高，刚度一般较低，不能加工走刀轨迹复杂，形状复杂的工件，串联机床所存在的这些缺陷需要并联机床来弥补。而市面上的并联机床的工作空间相对较小，灵活性并不高，工作模式单一，仍旧无法满足市场的需求。如中国专利201510735085.2公布了一种基于3RRRS机构的并联机床构型，将3RRRS机构运用于并联机床中，虽然工作空间加大了，但是该并联机构的加工和布局给生产加工带来难度，控制复杂；中国专利201410190330.1公布了一种能实现五轴加工的并联机床，该机床通过五轴联动，能实现复杂零部件的紧密加工，但是其工作空间小，无法实现构态的变化以适应不同的市场需求，现在迫切需要一种工作空间大，灵活性好，稳定性高，并且能够在不同构态下加工完成工件形状和走刀轨迹复杂程度不一的并联机床。

目前，尚未见到一种具有六个自由度，能够自重构且变胞并联机构式，工作空间大，灵活性好，稳定性高，并且能够在不同构态下加工完成工件形状和走刀轨迹复杂程度不一的并联机床发明设计。

发明内容

本发明的目的是设计一种六自由度自重构变胞式并联机床，该机床具有六个自由度，能够自重构且为变胞并联机构式的，工作空间大，灵活性好，稳定性高，可完成复杂形状和复杂轨迹的加工。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：一种六自由度自重构变胞式并联机床，由机架、支链部分以及动平台组成，具体结构和连接关系为:

所述机架的底部和顶部由六根竖杆连接，可调支链部分位于底部和顶部之间，支链部分的上端通过转动副与机架的顶部连接；

所述支链部分由三条支链组成，分别是第一支链、第二支链和第三支链；第一支链包含第一复合铰链、第一丝杠、第一丝杠滑块、第一连杆和第一动复合铰链，第一复合铰链和第一丝杠以转动副连接，第一连杆的一端与第一丝杠滑块以转动副连接，另一端与第一动复合铰链相连，连接方式为转动副；第二支链由第二复合铰链、第二丝杠、第二丝杠滑块、第二连杆和第二动复合铰链组成，第二复合铰链和第二丝杠以转动副连接，第二连杆的一端与第二丝杠滑块以转动副连接，另一端与第二动复合铰链以转动副连接；第三支链由第三复合铰链、第三丝杠、第三丝杠滑块、第三连杆和第三动复合铰链，第三复合铰链与第三丝杠以转动副连接，第三连杆的一端与第三丝杠滑块以转动副连接，另一端与第三动复合铰链以转动副连接；所述第一复合铰链、第二复合铰链和第三复合铰链的组成和连接方式完全相同，均是由第一转体和第二转体组成，第一转体和第二转体之间以转动副连接，第一复合铰、第二复合铰链和第三复合铰链均与机架以转动副连接，第一复合铰链、第二复合铰链和第三复合铰链的连接方式可实现类似球铰的功能；所述第一丝杠滑块、第二丝杠滑块和第三丝杠滑块结构完全相同，两侧均连接着限位销，第一丝杠、第二丝杠和第三丝杠的结构完全相同，第一丝杠和第一丝杠滑块之间、第二丝杠和第二丝杠滑块之间、第三丝杠和第三丝杠滑块之间均以移动副连接；所述第一动复合铰链、第二动复合铰链和第三动复合铰链的组成和连接方式完全相同，均是由第一旋体和第二旋体以转动副连接而成，各个第一旋体分别与对应的连杆以转动副的方式相连，各个第二旋体均与动平台连接，连接方式仍为转动副，第一动复合铰链、第二动复合铰链和第三动复合铰链的连接方式可实现类似球铰的功能；

所述动平台为机床夹具，与支链部分的下端通过转动副连接。

所述丝杠的丝杠底板靠近动平台一端的两侧有一个销槽。

本发明中，第一复合铰链、第二复合铰链和第三复合铰链均可视为球副，第一连杆和第一丝杠滑块、第二连杆和第二丝杠滑块、第三连杆和第三丝杠滑块均保持相对静止，第一丝杠滑块和第一丝杠、第二丝杠滑块和第二丝杠、第三丝杠滑块和第三丝杠之间即为移动副连接，第一动复合铰链、第二动复合铰链和第三动复合铰链可视为球副，每条支链是球副到移动副到球副的连接方式(即3-SPS)，此时并联机床处于第一构态；当并联机床支链部分的其中两条支链保持球副到移动副到球副的运动副连接方式，余下的一条支链中，连接机架的复合铰链和连接动平台的复合铰链仍视为球副，其丝杠滑块上的限位销工作，将丝杠滑块卡在销槽处，丝杠滑块和丝杠保持相对静止，连杆绕着与丝杠滑块的连接轴线转动，即为转动副连接，此支链为球副到转动副到球副连接，(即2-SPS-SRS)，此时并联机床处于第二构态。以此类推，当并联机床支链部分的其中两条支链是球副到转动副到球副的连接方式，另一条支链是球副到移动副到球副的连接方式(即2-SRS-SPS)，此时并联机床处于第三构态；当并联机床支链部分的三条支链均是球副到转动副到球副的连接方式(即3-SRS)，此时机床处于第四构态。

本发明的突出优点为：

1、该六自由度自重构变胞式并联机床相对于传统的串联机床，承载能力更为突出，转动惯量小；与现有的并联机床相比，该并联机床具有六个自由度，灵活性更好，工作空间更大，并且，该并联机床为变胞并联机构式，稳定性更强，能完成更为复杂的走刀轨迹和对复杂工件的加工。

2、能够灵活地在四个构态之间自重构变胞，通过改变构态获得不同的工作空间，来适应对不同工件的不同加工需求，更能满足市场的需求。

3、使用的三自由度复合铰链是由三个轴线相交的转动副组合而成，与球副具有同样的作用，但便于制造加工，结构简单，在使用的时候方便控制，可靠性强，可避免动平台受到扭矩或弯矩等，动平台受力简单。

附图说明

图1为本发明所述的六自由度自重构变胞式并联机床的总体结构示意图。

图2为本发明所述的六自由度自重构变胞式并联机床的第一复合铰链结构示意图。

图3为本发明所述的六自由度自重构变胞式并联机床的第一动复合铰链结构示意图。

图4为本发明所述的六自由度自重构变胞式并联机床的丝杠连杆连接结构示意图。

图5为本发明所述的六自由度自重构变胞式并联机床处于第一构态时的结构示意图。

图6为本发明所述的六自由度自重构变胞式并联机床处于第二构态时的结构示意图。

图7为本发明所述的六自由度自重构变胞式并联机床处于第三构态时的结构示意图。

图8为本发明所述的六自由度自重构变胞式并联机床处于第四构态时的结构示意图。

图中所示：1.机架；2.第一复合铰链；3.第二复合铰链；4.第一丝杠；5.第二丝杠；6.第一丝杠滑块；7.第二丝杠滑块；8.第一连杆；9.第一动复合铰链；10.第二动复合铰链；11.动平台；12.第三动复合铰链；13.第二连杆；14.第三连杆；15.第三丝杠滑块；16.第三丝杠；17.第三复合铰链；21.第一转体；22.第二转体；41.销槽；61.限位销；91.第一旋体；92.第二旋体。

具体实施方式

下面为结合附图和实施案例对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图1-4所示，本发明所述的一种六自由度自重构变胞式并联机床，由机架1、支链部分和动平台11组成，具体结构和连接关系为：

所述机架1的底部和顶部由六根竖杆连接，可调支链部分位于底部和顶部之间，支链部分的上端通过转动副与机架1的顶部连接；

所述支链部分由三条支链组成，具体结构和连接方式为：三条支链分别是第一支链、第二支链和第三支链；第一支链包含第一复合铰链2、第一丝杠4、第一丝杠滑块6、第一连杆8和第四复合铰链9，第一复合铰链2和第一丝杠4以转动副连接，第一连杆8的一端与第一丝杠滑块6以转动副连接，另一端与第四复合铰链9相连,连接方式为转动副；第二支链由第二复合铰链3、第二丝杠5、第二丝杠滑块7、第二连杆13和第五复合铰链10组成，第二复合铰链3和第二丝杠5以转动副连接，第二连杆13的一端与第二丝杠滑块7以转动副连接，另一端与第五复合铰链10以转动副连接；第三支链由第三复合铰链17、第三丝杠16、第三丝杠滑块15、第三连杆14和第六复合铰链12，第三复合铰链17与第三丝杠16以转动副连接，第三连杆14的一端与第三丝杠滑块15以转动副连接，另一端与第六复合铰链12以转动副连接。

所述第一复合铰2、第二复合铰链3和第三复合铰链17的组成和连接方式完全相同。

均是由第一转体21和第二转体22组成，第一转体21和第二转体22之间以转动副连接，第一复合铰2、第二复合铰链3和第三复合铰链17均与机架1以转动副连接，每个复合铰链相关的三个转动副的轴线相交，第一复合铰链2、第二复合铰链3和第三复合铰链17均为三自由度复合铰链。

所述第一丝杠滑块6、第二丝杠滑块7和第三丝杠滑块15结构完全相同，两侧均连接着限位销61，第一丝杠4、第二丝杠5和第三丝杠16的结构完全相同，第一丝杠4和第一丝杠滑块6之间、第二丝杠5和第二丝杠滑块7之间、第三丝杠16和第三丝杠滑块15之间均以移动副连接。

所述第一动复合铰链9、第二动复合铰链10和第三动复合铰链12的组成和连接方式完全相同，均是由第一旋体91和第二旋体92以转动副连接而成，各个第一旋体91分别与对应的连杆以转动副的方式相连，各个第二旋体92均与动平台11连接，连接方式仍为转动副，第一动复合铰链9、第二动复合铰链10和第三动复合铰链12的三个转动副的轴线相交。

所述丝杠的丝杠底板靠近动平台11一端的两侧有一个销槽41。

工作原理及过程：

所述六自由度自重构变胞式并联机床能在各个构态之间灵活转换，该六自由度自重构变胞式并联机床可根据加工工件的形状和走刀轨迹的复杂程度来改变自身的构态，以完成对不同工件的加工，适用度极高。

如图5所示，当联机床处于第一构态时，并联机床支链部分的三条支链的连接方式相同，第一复合铰链2、第二复合铰链3和第三复合铰链17均可视为球副，第一连杆8和第一丝杠滑块6、第二连杆13和第二丝杠滑块7、第三连杆14和第三丝杠滑块15均保持相对静止，第一丝杠滑块6和第一丝杠4、第二丝杠滑块7和第二丝杠5、第三丝杠滑块15和第三丝杠16之间相对滑动，即为移动副连接，第一动复合铰链9、第二动复合铰链10和第三动复合铰链12可视为球副，每条支链是球副到移动副到球副连接方式。该构态下，并联机床的工作空间和灵活性能最小，适用于加工形状简单、所需走刀轨迹简单的工件。

如图6所示，当并联机床处于第二构态时，并联机床支链部分的其中两条支链保持球副到移动副到球副的运动副连接方式，余下的一条支链中，连接机架的复合铰链和连接动平台11的复合铰链均为三自由度复合铰链，仍视为球副，其丝杠滑块上的限位销61工作，将丝杠滑块卡在销槽41处，其丝杠滑块和丝杠之间保持相对静止，连杆绕着与丝杠滑块的连接轴线转动，即为转动副连接，此支链为球副到转动副到球副连接。该构态下，并联机床在各姿态的工作空间比第一构态要大一些，灵活性适中，适用于加工形状稍微复杂，走刀轨迹也略微复杂的工件。

以此类推，如图7所示，当并联机床处于第三构态时，并联机床支链部分的其中两条支链是球副到转动副到球副的连接方式，另一条支链是球副到移动副到球副的连接方式。该构态下，并联机床的工作空间比第一构态和第二构态时都要大，灵活性也较高，适用于加工复杂程度较高、走刀轨迹也较为复杂的工件，甚至可以加工曲面。

如图8所示，当并联机床处于第四构态时，并联机床支链部分的三条支链均是球副到转动副到球副的连接方式。该构态下，并联机床的工作空间最大，灵活性最高，适用于对工件进行复杂空间曲面的加工。

Claims (2)

1.一种六自由度自重构变胞式并联机床，其特征在于，由机架、支链部分以及动平台组成，具体结构和连接关系为:

所述机架的底部和顶部由六根竖杆连接，可调支链部分位于底部和顶部之间，支链部分的上端通过转动副与机架的顶部连接，

所述支链部分由三条支链组成，分别是第一支链、第二支链和第三支链；第一支链包含第一复合铰链、第一丝杠、第一丝杠滑块、第一连杆和第一动复合铰链，第一复合铰链和第一丝杠以转动副连接，第一连杆的一端与第一丝杠滑块以转动副连接，另一端与第一动复合铰链相连，连接方式为转动副；第二支链由第二复合铰链、第二丝杠、第二丝杠滑块、第二连杆和第二动复合铰链组成，第二复合铰链和第二丝杠以转动副连接，第二连杆的一端与第二丝杠滑块以转动副连接，另一端与第二动复合铰链以转动副连接；第三支链由第三复合铰链、第三丝杠、第三丝杠滑块、第三连杆和第三动复合铰链，第三复合铰链与第三丝杠以转动副连接，第三连杆的一端与第三丝杠滑块以转动副连接，另一端与第三动复合铰链以转动副连接，所述第一复合铰链、第二复合铰链和第三复合铰链的组成和连接方式完全相同，均是由第一转体和第二转体组成，第一转体和第二转体之间以转动副连接，第一复合铰、第二复合铰链和第三复合铰链均与机架以转动副连接，第一复合铰链、第二复合铰链和第三复合铰链的连接方式可实现类似球铰的功能，所述第一丝杠滑块、第二丝杠滑块和第三丝杠滑块结构完全相同，两侧均连接着限位销，第一丝杠、第二丝杠和第三丝杠的结构完全相同，第一丝杠和第一丝杠滑块之间、第二丝杠和第二丝杠滑块之间、第三丝杠和第三丝杠滑块之间均以移动副连接，所述第一动复合铰链、第二动复合铰链和第三动复合铰链的组成和连接方式完全相同，均是由第一旋体和第二旋体以转动副连接而成，各个第一旋体分别与对应的连杆以转动副的方式相连，各个第二旋体均与动平台连接，连接方式仍为转动副，第一动复合铰链、第二动复合铰链和第三动复合铰链的连接方式可实现类似球铰的功能，

所述动平台为机床夹具，机床夹具与支链部分的下端通过转动副连接。

2.根据权利要求1所述的六自由度自重构变胞式并联机床，其特征在于，所述丝杠的丝杠底板靠近动平台一端的两侧有一个销槽。