CN108161490A - 一种具有大转角的冗余驱动五自由度并联机床 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有大转角的冗余驱动五自由度并联机床,其包括定平台、安装主轴头的动平台及连接定平台和动平台的第一、第二、第三、第四驱动分支,其中第一驱动分支和第二驱动分支结构相似,包括虎克铰、伺服驱动单元、转动副和复合球铰,第三驱动分支包括虎克铰、伺服驱动单元、复合球铰,第四驱动分支包括转动副、伺服驱动单元、虎克铰、转动副,该机床动平台与四条驱动分支铰接形成空间闭环并联机构,通过控制六个伺服电机驱动四条分支可实现空间三维平动和两维转动。本发明具有支链结构简单紧凑、姿态工作空间大、灵活性高、刚度大、可规避奇异位形等优点,可以用于空间复杂自由曲面的高速、高精、高效的加工。

Description

一种具有大转角的冗余驱动五自由度并联机床
技术领域
本发明属于数控机床工业制造技术领域,特别涉及一种能够满足空间复杂自由曲面零部件的高速、高精、高效加工的五自由度并联机床。
背景技术
制造业是国家综合国力和科技发展的重要标志,随着工业制造技术的持续发展,一些空间大型复杂结构件曲面的加工越来越精细化,传统的数控机床多采用开链结构,虽具有较大的作业空间,但因其结构特性决定机床具有误差累计、刚度差、加工精度低的弊端,因此,传统的数控机床很难保证尺寸大、型面复杂类零件的加工质量。而并联机床承接了并联机构刚度高、精度高、承载能力大、动态响应速度快的优点,被广泛应用于航空航天铝合金结构件的加工、汽车箱体类零件的加工以及大型模具的高速加工等作业中。但并联机床工作空间小的特点限制了空间大型复杂曲面的加工。鉴于并联机床与串联机床在拓扑构型上存在对偶关系,近年来,空间两转动一移动的少自由度并联机床串接重载高速直线导轨或两自由度回转头或配置回转工作台等构成的五轴联动混联机床已成为工业界和学术界广泛研究的热点,已逐步成为多轴联动高档数控机床的重要发展趋势,较为突出的是Tricept机床、Exechon机床、Trivariant机床等。但这类机床存在非线性、运动耦合性强,控制复杂的特点,难以满足制造领域对空间大型复杂异构自由曲面高速、高精、高效率加工的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有大转角的冗余驱动五自由度并联机床作为本体主机构,串联二至三移动自由度的重载高速直线导轨,形成七轴或八轴高速五联动高档混联数控机床,能够解决当前亟待解决的空间大型异构复杂自由曲面加工效率低的关键共性基础问题,攻克制造业发展的核心关键技术难题,为制造工业的创新发展提供技术支撑。
本发明采用如下的技术方案实现:
一种具有大转角的冗余驱动五自由度并联机床,其包括定平台、安装主轴头的动平台和连接动、定平台的第一驱动分支、第二驱动分支、第三驱动分支、第四驱动分支,其特征在于:所述定平台与四条驱动分支相连的运动副的铰点均匀分布在正六边形的顶点上,而安装主轴头的动平台与四条驱动分支相连的运动副的铰点均匀分布在正四边形的顶点上。
所述第一驱动分支为2UP(R)-S型支链,主要包括两个虎克铰U、两个伺服驱动单元P、一个转动副R、一个复合球铰S,其两个虎克铰U的第一转动副轴线共线,第二转动副轴线与第一转动副轴线正交,且第二转动副轴线与伺服驱动单元P的移动方向垂直,两条UP支链与一伺服驱动单元推杆上的一个转动副R形成一单环封闭回路,其推杆末端通过复合球铰S与动平台铰接。
所述第二驱动分支为2UP(R)-RS型支链,主要包括两个虎克铰U、两个伺服驱动单元P、两个转动副R、一个复合球铰S,其两个虎克铰U的第一转动副轴线共线,第二转动副轴线与第一转动副轴线正交,且第二转动副轴线与伺服驱动单元P的移动方向垂直,两条UP支链共用一个转动副R形成一单环封闭回路,后与一定长杆的转动副R串接,转动副R的轴线与虎克铰U的第二转动副轴线平行,定长杆另一端通过复合球铰S与动平台铰接。
所述第三驱动分支为UPS型支链,主要包括虎克铰U、伺服驱动单元P、复合球铰S,其虎克铰U的第一转动副轴线与其第二转动副轴线正交,伺服驱动单元P的导路方向与虎克铰U的第二转动副轴线垂直,伺服驱动单元P的推杆末端通过复合球铰S与动平台铰接。
所述第四驱动分支为RPU-R型支链,主要包括转动副R、伺服驱动单元P、虎克铰U、转动副R,其与定平台相连的转动副R的轴线与伺服驱动单元P移动方向垂直,与之相连的虎克铰U的第一转动副轴线与伺服驱动单元P的移动方向垂直,且与定平台相连的转动副R平行,虎克铰U的第二转动副轴线与动平台相连的转动副R平行。
所述伺服驱动单元由伺服电机、伺服驱动器、同步带、同步带轮、高精密滚珠丝杆、摇摆杆和推杆等组成,所述虎克铰由空间两相互垂直的转动副组成,所述复合球铰由空间三个两两相交的转动副组成。
第一驱动分支和第二驱动分支的不同之处在于,第一驱动分支两个UP支链与固接在一伺服驱动单元推杆上的转动副R形成单闭环回路,复合球铰S连接推杆和动平台,而第二驱动分支的单闭环回路通过一转动副R与另一定长杆连接,通过复合球铰S与定长杆和动平台相连。
第一驱动分支与第二驱动分支的虎克铰的第一转动副轴线相互重合,第三驱动分支虎克铰的第一转动副轴线与第四驱动分支与定平台相连的转动副轴线相互重合,且第一、第二驱动分支虎克铰第一转动副轴线与第三驱动分支虎克铰的第一轴线垂直。
第一驱动分支与动平台铰接的转动副与第二驱动分支与动平台铰接的转动副始终共轴;第三驱动分支与动平台铰接的转动副与第四驱动分支与动平台铰接的转动副始终共轴,两组共轴线构成动平台坐标系的正交轴。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:(1)支链拓扑构型简单紧凑,易于实现模块化加工制造;(2)转角大,灵活性高,调姿能力强,可规避奇异位形,优质姿态工作空间大;(3)多联动,五轴联动加工能够解决复杂结构件和型面复杂类零件的加工问题,如复杂型腔、泵体、多面体、叶片等的加工,同时联动加工能够提高机床的加工效率;(4)刚度高,并联机床具有较好的静态刚度和动态刚度,能够抵抗零部件加工时切削力引起的机床变形,以保证加工表面的质量和切削效率;(5)精度高,高精密滚珠丝杠使得直线轴具有较高的定位精度,进而提高动平台的位置精度,以保证机床坐标轴的运动平稳性和运动精度;(6)动态系统响应快,并联机床采用伺服电机驱动直线轴运动,抑制加工过程中的谐振,能够获取较高的动态响应特性,实现空间复杂型面频繁、高效的进给加工。
附图说明
图1是本发明的具有大转角的冗余驱动五自由度并联机床的整体结构示意图;
图2是本发明的冗余驱动五自由度并联机床第一驱动分支的结构示意图;
图3是本发明的冗余驱动五自由度并联机床第二驱动分支的结构示意图;
图4是本发明的冗余驱动五自由度并联机床第三驱动分支的结构示意图;;
图5是本发明的冗余驱动五自由度并联机床第四驱动分支的结构示意图;;
图6是本发明的冗余驱动五自由度并联机床虎克铰的结构简图;
图7是本发明的冗余驱动五自由度并联机床复合球铰的结构简图;
其中:
图1中:1.第一驱动分支;2.第二驱动分支;3.第三驱动分支;4.第四驱动分支;5.定平台;6.动平台;
图2中:101、102.虎克铰;103、104.伺服电机;105、106.摇摆杆;107、108.推杆;109.转动副;110.复合球铰;
图3中:201、202.虎克铰;203、204.伺服电机;205、206.摇摆杆;207、208.推杆;209.转动副;210.定长杆;211.复合球铰;
图4中:301.虎克铰;302.伺服电机;303.摇摆杆;304.推杆;305.复合球铰;
图5中:401.转动副;402.伺服电机;403.摇摆杆;404.推杆;405.虎克铰;406.定长杆;407.转动副;
具体实施方式
为进一步了解本发明提供的一种具有大转角的冗余驱动五自由度并联机床,下面结合附图和详细实施例对本发明进行具体阐述,本发明的内容不局限于实施例。
图1为本发明提供的一种具有大转角的冗余驱动五自由度并联机床整体结构示意图,其包括定平台5、安装主轴头的动平台6和连接动、定平台的第一驱动分支1、第二驱动分支2、第三驱动分支3、第四驱动分支4,定平台5通过第一驱动分支1、第二驱动分支2、第三驱动分支3、第四驱动分支4协调联动可以实现动平台6三维移动和两维转动,定平台5与四条驱动分支相连的运动副的铰点均匀分布在正六边形的顶点上,而安装主轴头的动平台6与四条驱动分支相连的运动副的铰点均匀分布在正四边形的顶点上。
图2是本发明的冗余驱动五自由度并联机床第一驱动分支1的结构示意图,所述的第一驱动分支1为2UP(R)-S型支链,主要包括两个虎克铰U 101和102、两个伺服驱动单元P(其中,伺服驱动单元包括伺服电机103和104、摇摆杆105和106、推杆107和108以及伺服驱动器、同步带、带轮、高精密滚珠丝杠等)、一个转动副R 109、一个复合球铰S 110,其两个虎克铰U 101和102的第一转动副轴线共线,第二转动副轴线与第一转动副轴线正交,且第二转动副轴线与伺服驱动单元P的移动方向垂直,两条UP支链与一伺服驱动单元推杆107上的一个转动副R 109形成一单环封闭回路,其推杆107末端通过复合球铰S 110与动平台6铰接;
图3是本发明的冗余驱动五自由度并联机床第二驱动分支2的结构示意图,所述的第二驱动分支2为2UP(R)-RS型支链,主要包括两个虎克铰U 201和202、两个伺服驱动单元P(其中,伺服驱动单元包括伺服电机203和204、摇摆杆205和206、推杆207和208以及伺服驱动器、同步带、带轮、高精密滚珠丝杠等)、两个重合的转动副R 209、一个复合球铰S 211,其两个虎克铰U 201和202的第一转动副轴线共线,第二转动副轴线与第一转动副轴线正交,且第二转动副轴线与伺服驱动单元P的移动方向垂直,两条UP支链共用一个转动副R形成一单环封闭回路,后与一定长杆210的转动副R 209串接,转动副R 209的轴线与虎克铰U 201和202的第二转动副轴线平行,定长杆210另一端通过复合球铰S 211与动平台6铰接;
图4是本发明的冗余驱动五自由度并联机床第三驱动分支3的结构示意图,所述的第三驱动分支3为UPS型支链,主要包括虎克铰U 301、伺服驱动单元P(其中,伺服驱动单元包括伺服电机302、摇摆杆303、推杆304以及伺服驱动器、同步带、带轮、高精密滚珠丝杠等)、复合球铰S 305,其虎克铰U 301的第一转动副轴线与其第二转动副轴线正交,伺服驱动单元P的导路方向与虎克铰U 301的第二转动副轴线垂直,伺服驱动单元P的推杆304末端通过复合球铰S 305与动平台6铰接;
图5是本发明的冗余驱动五自由度并联机床第四驱动分支4的结构示意图,所述的第四驱动分支4为RPU-R型支链,主要包括转动副R 401、伺服驱动单元P(其中,伺服驱动单元包括伺服电机402、摇摆杆403、推杆404以及伺服驱动器、同步带、带轮、高精密滚珠丝杠等)、虎克铰U 405、转动副R 407,其与定平台相连的转动副R 407的轴线与伺服驱动单元P移动方向垂直,与之相连的虎克铰U 405的第一转动副轴线与伺服驱动单元P的移动方向垂直,且与定平台相连的转动副R 401平行,虎克铰U 405的第二转动副轴线与动平台相连的转动副R 407平行。
第一驱动分支1与第二驱动分支2的虎克铰101、102和201、202的第一转动副轴线相互重合,第三驱动分支3虎克铰301的第一转动副轴线与第四驱动分支4与定平台5相连的转动副401轴线相互重合,且第一、第二驱动分支虎克铰101、102和201、202第一转动副轴线与第三驱动分支虎克铰301的第一轴线垂直。
第一驱动分支1与动平台6铰接的转动副与第二驱动分支2与动平台6铰接的转动副始终共轴;第三驱动分支3与动平台6铰接的转动副与第四驱动分支4与动平台6铰接的转动副R 407始终共轴,两组共轴线构成动平台6坐标系的正交轴。
本发明专利所述的具有大转角的冗余驱动五自由度并联机床的实施方式不局限于以上实施例所描述的实施例形式,根据本发明公开的内容,所属技术领域的技术人员还可以采取其他的具体方式进行实施,因此,实施例不能理解为本发明仅可以实施的具体实施方式。

Claims (4)

1.一种具有大转角的冗余驱动五自由度并联机床,其包括定平台、安装主轴头的动平台和连接动、定平台的第一驱动分支、第二驱动分支、第三驱动分支、第四驱动分支,其特征在于:所述定平台与四条驱动分支相连的运动副的铰点均匀分布在正六边形的顶点上,而安装主轴头的动平台与四条驱动分支相连的运动副的铰点均匀分布在正四边形的顶点上;
所述第一驱动分支为2UP(R)-S型支链,主要包括两个虎克铰U、两个伺服驱动单元P、一个转动副R、一个复合球铰S,其两个虎克铰U的第一转动副轴线共线,第二转动副轴线与第一转动副轴线正交,且第二转动副轴线与伺服驱动单元P的移动方向垂直,两条UP支链与一伺服驱动单元推杆上的一个转动副R形成一单环封闭回路,其推杆末端通过复合球铰S与动平台铰接;
所述第二驱动分支为2UP(R)-RS型支链,主要包括两个虎克铰U、两个伺服驱动单元P、两个转动副R、一个复合球铰S,其两个虎克铰U的第一转动副轴线共线,第二转动副轴线与第一转动副轴线正交,且第二转动副轴线与伺服驱动单元P的移动方向垂直,两条UP支链共用一个转动副R形成一单环封闭回路,后与一定长杆的转动副R串接,转动副R的轴线与虎克铰U的第二转动副轴线平行,定长杆另一端通过复合球铰S与动平台铰接;
所述第三驱动分支为UPS型支链,主要包括虎克铰U、伺服驱动单元P、复合球铰S,其虎克铰U的第一转动副轴线与其第二转动副轴线正交,伺服驱动单元P的导路方向与虎克铰U的第二转动副轴线垂直,伺服驱动单元P的推杆末端通过复合球铰S与动平台铰接;
所述第四驱动分支为RPU-R型支链,主要包括转动副R、伺服驱动单元P、虎克铰U、转动副R,其与定平台相连的转动副R的轴线与伺服驱动单元P移动方向垂直,与之相连的虎克铰U的第一转动副轴线与伺服驱动单元P的移动方向垂直,且与定平台相连的转动副R平行,虎克铰U的第二转动副轴线与动平台相连的转动副R平行;
所述伺服驱动单元由伺服电机、伺服驱动器、同步带、同步带轮、高精密滚珠丝杆、摇摆杆和推杆等组成,所述虎克铰由空间两相互垂直的转动副组成,所述复合球铰由空间三个两两相交的转动副组成。
2.根据权利要求1所述的具有大转角的冗余驱动五自由度并联机床,其特征在于:第一驱动分支两个UP支链与固接在一伺服驱动单元推杆上的转动副R形成单闭环回路,复合球铰S连接推杆和动平台,而第二驱动分支的单闭环回路通过一转动副R与另一定长杆连接,通过复合球铰S与定长杆和动平台相连。
3.根据权利要求1所述的具有大转角的冗余驱动五自由度并联机床,其特征在于:第一驱动分支与第二驱动分支的虎克铰的第一转动副轴线相互重合,第三驱动分支虎克铰的第一转动副轴线与第四驱动分支与定平台相连的转动副轴线相互重合,且第一、第二驱动分支虎克铰第一转动副轴线与第三驱动分支虎克铰的第一轴线垂直。
4.根据权利要求1所述的具有大转角的冗余驱动五自由度并联机床,其特征在于:第一驱动分支与动平台铰接的转动副与第二驱动分支与动平台铰接的转动副始终共轴;第三驱动分支与动平台铰接的转动副与第四驱动分支与动平台铰接的转动副始终共轴,两组共轴线构成动平台坐标系的正交轴。
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