CN107876803A - 一种冗余驱动的三自由度并联主轴头机构 - Google Patents

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文家富
张彬
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

本发明公开了一种冗余驱动的三自由度并联主轴头机构，包括固定机架、铰接动平台以及布置在所述固定机架与铰接动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链；所述铰接动平台包括上动平台和下动平台两部分，所述上动平台与下动平台通过转动副连接；所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链结构相同，每条支链均包括滑块、第一连杆、活塞式阻尼器和第二连杆；所述上动平台的两端分别与所述第二支链和第四支链连接，所述下动平台的两端分别与所述第一支链和第三支链连接。该三自由度并联主轴头机构具有高刚度、低惯性、高动态性能等特点，并且机构的转动中心无伴随运动。

Description

一种冗余驱动的三自由度并联主轴头机构
技术领域
本发明属于机床制造领域，特别涉及一种具有二维转动和一维移动的三自由度并联主轴头机构。
背景技术
目前，对于航空大型结构件的加工，主要采取的是五轴联动数控加工的方式。五轴联动加工设备主要分为两类：一类是基于串联构型的传统五轴联动机床，另一类是五轴联动串并联(混联)机床。在传统的五轴联动机床中，如龙门式五轴数控铣床，机床的工作台、横梁和主轴部件可以实现X、Y、Z轴的移动，A/C轴或A/B轴的两个回转运动主要是通过摆叉式或万能摆头实现。由于摆叉式或万能摆头的两个回转运动是通过串联构型实现的，因此主轴的偏转角度较大，可实现复杂曲面零件的多角度加工。
五轴联动串并联机床通常包含一个可实现二维转动和一维移动的并联主轴头，该并联主轴头一般串联在具有X轴和Y轴移动的导轨上。显然，基于混联构型的机床将同时具有并联构型和串联构型的优势：如并联主轴头具有高刚度、低惯性、高动态性能等特性，可以实现对复杂曲面的高精度切削；串联部分具有较大移动工作空间的特性，可以在一次装夹下，完成对大型零件的切削加工。德国DS-Technologie公司推出的Ecospeed数控加工中心是该类型机床的一个典型案例。Ecospeed数控加工中心包含一个名为Sprint Z3的并联主轴头。该并联主轴头采用了3-PRS并联机构构型，三条PRS支链对称分布且结构相同，具有模块化程度高的优点，在实际应用中也取得了显著效益。但3-PRS并联机构也存在一些缺点，如存在伴随运动，运动学复杂，导致实时控制和标定困难。
迄今，可用作并联主轴头，且具有工程实用价值的并联机构构型仍是稀缺的。因此，基于串并混联构型的五轴加工设备，尤其是其中作为核心部件的并联主轴头，是机床相关行业的一个研究方向。
发明内容
本发明的目的是提出一种具有工程实用价值的三自由度并联主轴头机构。该并联主轴头机构可以实现一个移动和两个转动自由度，并且两个转动自由度的转动中心无伴随运动。由于采用了冗余驱动，该并联主轴头机构具有高刚度、低惯性、高动态性能等特性。
本发明的提供技术方案是：
一种冗余驱动的三自由度并联主轴头机构，其特征在于：包括固定机架、铰接动平台以及布置在所述固定机架与铰接动平台之间的第一、第二、第三和第四支链；所述固定机架固设有四条竖直布置的导轨；所述铰接动平台包括上动平台和下动平台两部分，所述上动平台与下动平台通过转动副连接，所述下动平台上固设有主轴；所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链结构相同，每条支链均包括滑块、第一连杆、活塞式阻尼器和第二连杆；所述滑块与所述固定机架上的导轨通过移动副连接，并且该移动副为主动驱动副；所述第一连杆通过转动副与所述滑块连接，并且该转动副轴线垂直于所述滑块的移动方向；所述活塞式阻尼器包括筒体和拉杆两部分，所述筒体和拉杆可以进行相对滑动；所述筒体通过转动副与所述滑块连接；所述拉杆通过转动副与所述第一连杆连接；所述第二连杆通过转动副与所述第一连杆连接；在所述第一支链和第三支链中，所述第二连杆通过虎克铰与所述下动平台连接；在所述第二支链和第四支链中，所述第二连杆通过虎克铰与所述上动平台连接。
本发明具有的优点和积极效果是：铰接动平台结构简单，仅包括了通过转动副连接的上、下动平台两个构件；转动中心无伴随运动，可保证动平台始终围绕一定点做二自由度转动；冗余驱动的采用使得该并联主轴头具有高刚度和大承载能力的特点；活塞阻尼器的使用不仅可以吸收该并联主轴头在加工过程中所产生的振动，还能进一步增强该并联主轴头的刚度。
附图说明
图1为本发明提出的三自由度冗余驱动并联主轴头机构的三维结构示意图；图2为图1所示并联主轴头机构的支链总体布置结构示意图；
图3为图1所示并联主轴头机构的单条支链结构示意图；
图4为图1所示并联主轴头机构的铰接动平台结构示意图；
图中各标记如下：1固定机架，2滑块，3第一连杆，4活塞式阻尼器，4-1筒体，4-2拉杆，5第二连杆，6虎克铰，7铰接动平台，7-1下动平台，7-2上动平台，8主轴，Ⅰ第一支链，Ⅱ第二支链，Ⅲ第三支链，Ⅳ第四支链。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。
本发明提出的一种冗余驱动的三自由度并联主轴头机构如图1、图2、图3和图4所示，包括固定机架1、铰接动平台7，以及布置在所述固定机架1与铰接动平台7之间的第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ。
所述固定机架1固设有四条竖直布置的导轨。
如图4所示，所述铰接动平台7包括下动平台7-1和上动平台7-2；所述下动平台7-1上固设有主轴8；所述下动平台7-1和上动平台7-2通过转动副连接，且该转动副的转动轴线与所述主轴8的转动轴线重合。
如图2和图3所示，所述第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ结构相同，每条支链均包括滑块2、第一连杆3、活塞式阻尼器4和第二连杆5；所述滑块2与所述固定机架1上的导轨通过移动副连接，并且该移动副为主动驱动副；所述第一连杆3通过转动副与所述滑块2连接，并且该转动副轴线垂直于所述滑块2的移动方向；所述活塞式阻尼器4包括筒体4-1和拉杆4-2，所述筒体4-1和拉杆4-2可以进行相对滑动；所述筒体4-1通过转动副与所述滑块2连接；所述拉杆4-2通过转动副与所述第一连杆3连接；所述第二连杆5通过转动副与所述第一连杆3连接；在所述第一支链Ⅰ和第三支链Ⅲ中，所述第二连杆5通过虎克铰6与所述下动平台7-1连接；在所述第二支链Ⅱ和第四支链Ⅳ中，所述第二连杆5通过虎克铰6与所述上动平台7-2连接。
所述第一支链Ⅰ中连接所述滑块2与第一连杆3的转动副的转动轴线平行于所述第三支链Ⅲ中连接所述滑块2与第一连杆3的转动副的转动轴线；所述第二支链Ⅱ中连接所述滑块2与第一连杆3的转动副的转动轴线平行于所述第四支链Ⅳ中连接所述滑块2与第一连杆3的转动副的转动轴线；所述第一支链Ⅰ中连接所述滑块2与第一连杆3的转动副的转动轴线垂直于所述第二支链Ⅱ中连接所述滑块2与第一连杆3的转动副的转动轴线。
连接所述筒体4-1与滑块2的转动副的转动轴线平行于连接所述拉杆4-2与第一连杆3的转动副的转动轴线；连接所述拉杆4-2与第一连杆3的转动副的转动轴线平行于连接所述第一连杆3与滑块2的转动副的转动轴线。
本发明的工作原理是所述的第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ中的滑块2在驱动电机的驱动下，可以沿所述固定机架1上的导轨进行平移运动；通过所述第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ中滑块2的平移运动，实现第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ和第四支链Ⅳ的协同运动，进而控制所述下动平台7-1的三自由度运动。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种冗余驱动的三自由度并联主轴头机构，其特征在于：包括固定机架(1)、铰接动平台(7)，以及布置在所述固定机架(1)与铰接动平台(7)之间的第一支链(Ⅰ)、第二支链(Ⅱ)、第三支链(Ⅲ)和第四支链(Ⅳ)；
所述固定机架(1)固设有四条竖直布置的导轨；所述铰接动平台(7)包括下动平台(7-1)和上动平台(7-2)；所述下动平台(7-1)上固设有主轴(8)；所述下动平台(7-1)和上动平台(7-2)通过转动副连接，且该转动副的转动轴线与所述主轴(8)的转动轴线重合；
所述第一支链(Ⅰ)、第二支链(Ⅱ)、第三支链(Ⅲ)和第四支链(Ⅳ)结构相同，每条支链均包括滑块(2)、第一连杆(3)、活塞式阻尼器(4)和第二连杆(5)；所述滑块(2)与所述固定机架(1)上的导轨通过移动副连接，并且该移动副为主动驱动副；所述第一连杆(3)通过转动副与所述滑块(2)连接，并且该转动副轴线垂直于所述滑块(2)的移动方向；所述活塞式阻尼器(4)包括筒体(4-1)和拉杆(4-2)，所述筒体(4-1)和拉杆(4-2)可以进行相对滑动；所述筒体(4-1)通过转动副与所述滑块(2)连接；所述拉杆(4-2)通过转动副与所述第一连杆(3)连接；所述第二连杆(5)通过转动副与所述第一连杆(3)连接；在所述第一支链(Ⅰ)和第三支链(Ⅲ)中，所述第二连杆(5)通过虎克铰(6)与所述下动平台(7-1)连接；在所述第二支链(Ⅱ)和第四支链(Ⅳ)中，所述第二连杆(5)通过虎克铰(6)与所述上动平台(7-2)连接。
2.根据权利要求1所述的机构，其特征在于：连接所述筒体(4-1)与滑块(2)的转动副的转动轴线平行于连接所述拉杆(4-2)与第一连杆(3)的转动副的转动轴线；连接所述拉杆(4-2)与第一连杆(3)的转动副的转动轴线平行于连接所述第一连杆(3)与滑块(2)的转动副的转动轴线。
3.根据权利要求2所述的机构，其特征在于：所述第一支链(Ⅰ)中连接所述滑块(2)与第一连杆(3)的转动副的转动轴线平行于所述第三支链(Ⅲ)中连接所述滑块(2)与第一连杆(3)的转动副的转动轴线；所述第二支链(Ⅱ)中连接所述滑块(2)与第一连杆(3)的转动副的转动轴线平行于所述第四支链(Ⅳ)中连接所述滑块(2)与第一连杆(3)的转动副的转动轴线；所述第一支链(Ⅰ)中连接所述滑块(2)与第一连杆(3)的转动副的转动轴线垂直于所述第二支链(Ⅱ)中连接所述滑块(2)与第一连杆(3)的转动副的转动轴线。
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