CN108621134B - 一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置，包括：桁架式基座；主轴；转台，转台安装在桁架式基座上，相对于主轴可以转动；第一至第五支链，用于连接桁架式基座和主轴。该装置能够控制主轴实现五自由度运动和进行立卧转换，实现一次装卡五面加工，具有轻量化、高刚度、高灵活度的优点。

Description

一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置

技术领域

本发明涉及先进制造技术领域，特别涉及一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置。

背景技术

在航空航天等领域，一些零部件的结构非常复杂，具有异形孔、筋、肋、梁等难加工特征，如果使用普通三轴机床进行这些零部件的加工，则需要多次装卡和拆卸零部件，每次装卡后需要重新找加工基准，耗时耗力也会引入误差，难以满足加工需求。随着制造和控制技术的发展，五轴数控机床可以实现五轴联动加工功能，即一次装卡工件即可完成五面加工，实现对异形孔、筋、肋、梁等难加工特征的加工。因此，五轴数控机床在航空航天先进制造领域有着广泛的应用。

现有技术中，五轴数控机床主要是串联结构，有XYZCA或XYZAB等结构形式，通过各轴的配合实现末端刀具对工件的五自由度加工，但刀具的姿态调整过程较慢，并具有串联累计误差。相比于串联机床，并联机床和混联机床使用并联模块调整刀具姿态，更加灵活和高效，没有串联模块的累积误差。而且，并联机床和混联机床具有更高的刚度/质量比，即如果机床具有相同的重量，并联机床和混联机床的刚度一般要高于串联机床，具有更好的加工特性。现有技术中，有采用Sprint Z3并联主轴头，配合XY轴实现五轴加工功能，可以高效高精度地完成复杂零部件的加工。然而，其整机质量很大，不便移动，并且通过XY轴与并联主轴头的配合实现末端刀具对工件的加工，也会产生一定的累计误差。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题。

为此，本发明的目的在于提出一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置，具有轻量化、高刚度、高灵活度的优点。

为达到上述目的，本发明的实施例提出了一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置，包括桁架式基座；主轴；转台，所述转台安装在所述桁架式基座上，相对于主轴可以转动；第一至第五支链，用于连接所述桁架式基座和所述主轴；其中，第一至第五支链包括第一支链，所述第一支链通过两个轴线相交的转动副与所述桁架式基座相连，所述第一支链通过转动副与所述主轴相连；第二支链，所述第二支链通过两个轴线相交的转动副与所述桁架式基座相连，所述第二支链通过至少两个轴线相交的转动副与所述主轴相连；第三支链，所述第三支链与所述第二支链结构相同；第四支链，所述第四支链与所述第二支链结构相同；第五支链，所述第五支链与所述第二支链结构相同；所述第一至第五支链均包含一个主动驱动的移动副；其中，所述第一支链包括：第一杆和第一电机，所述第一杆与所述第一电机相连，所述第一电机可以驱动所述第一杆移动，所述第一杆相对于所述第一电机可以绕所述第一杆的轴线转动；第一U形件，所述第一U形件与所述第一杆固定连接，所述第一U形件与所述主轴通过转动副连接；第一套环，所述第一套环与所述第一电机固定连接；第二套环，所述第二套环与所述第一套环通过转动副连接；第一固定环，所述第一固定环与所述桁架式基座固定连接，所述第二套环与所述第一固定环通过转动副连接；所述桁架式基座采用空间桁架的结构形式进行设计，由三角形单元和其他多边形单元构成，杆件间的结合点为节点，其中有五个节点为连接所述五条支链的圆环节点；根据所述圆环节点所在位置，使用圆周对称的方法设置其他节点的位置。

本发明实施例的一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置，通过桁架式基座配合主轴、转台和第一至第五支链共同实现桁架式六自由度混联机器人化加工，可以控制主轴实现五自由度运动和进行立卧转换，实现一次装卡五面加工，具有轻量化、高刚度、高灵活度的优点。

另外，根据本发明上述实施例的桁架式六自由度混联机器人化加工装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，第二支链至第五支链包括：第二杆和第二电机，所述第二杆与所述第二电机相连，所述第二电机可以驱动所述第二杆移动，所述第二杆相对于所述第二电机可以绕所述第二杆的轴线转动；第二U形件，所述第二U形件与第二杆固定连接；第一铰链座，所述第一铰链座与所述第二U形件通过转动副连接，所述第一铰链座与主轴通过转动副连接；第三套环，所述第三套环与所述第二电机固定连接；第四套环，所述第四套环与所述第三套环通过转动副连接；第二固定环，所述第二固定环与所述桁架式基座固定连接，所述第四套环与所述第二固定环通过转动副连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述主轴包括：第二铰链座，所述第二铰链座与所述第一支链的第一U形件通过转动副连接；第三铰链座，所述第三铰链座与所述第二支链的第一铰链座通过转动副连接；第四铰链座，所述第四铰链座与所述第三支链的第一铰链座通过转动副连接；第五铰链座，所述第五铰链座与所述第四支链的第一铰链座通过转动副连接；第六铰链座，所述第六铰链座与所述第五支链的第一铰链座通过转动副连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述转台包括：转动平台，所述转动平台安装在所述桁架式基座上，可以相对所述主轴转动；转台驱动电机，所述转台驱动电机驱动所述转动平台转动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述桁架式基座包括：上半部分设置15个节点，分布在三层；第一层有6个节点，其中，3个节点为连接所述第一支链、所述第二支链和所述第三支链的圆环节点；第二层6个节点，其中，2个节点为连接所述第四支链和所述第五支链的圆环节点；第三层3个节点。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述桁架式基座还包括：所述桁架式基座下半部分由三角形单元及其他多边形单元构成，以支撑所述主轴和和五条支链，且设置有安装所述转台的转台安装平台。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置的桁架上半部分、五条支链和主轴的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置的主轴结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置的桁架式基座结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置的桁架式基座另一个视角的结构示意图；

附图标记说明：

第一支链I；第一杆11；第一电机12；第一U形件13；第一套环14；第二套环15；第一固定环16；

第二支链II；第二杆21；第二电机22；第二U形件23；第一铰链座24；第三套环25，第四套环26，第二固定环27；

第三支链III；第四支链IV；第五支链V；

桁架式基座60；第一圆环节点61；第二圆环节点62；第三圆环节点63；第四圆环节点64；第五圆环节点65；第一节点66；第二节点67；第三节点68；第四节点69；第五节点610；第六节点611；第七节点612；第八节点613；第九节点614；第十节点615；转台安装平台616；

主轴70；第二铰链座71；第三铰链座72；第四铰链座73；第五铰链座74；第六铰链座75；

转台80；转动平台81；转台驱动电机82。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置。

如图1结合图2所示，该桁架式六自由度混联机器人化加工装置包括：主轴70、转台80、第一支链I、第二支链II、第三支链III、第四支链IV、第五支链V和桁架式基座60。

其中，转台80安装在桁架式基座60上，相对于主轴70可以转动；第一至第五支链，用于连接桁架式基座60和主轴70；其中，第一至第五支链包括第一支链I，第一支链I通过两个轴线相交的转动副与桁架式基座60相连，第一支链I通过转动副与主轴70相连；第二支链II，第二支链II通过两个轴线相交的转动副与桁架式基座60相连，第二支链II通过至少两个轴线相交的转动副与主轴70相连；第三支链III，第三支链III与第二支链II结构相同；第四支链IV，第四支链IV与第二支链II结构相同；第五支链V，第五支链V与第二支链II结构相同；第一至第五支链均包含一个主动驱动的移动副；其中，第一支链I包括：第一杆11和第一电机12，第一杆11与第一电机12相连，第一电机12可以驱动第一杆11移动，第一杆11相对于第一电机12可以绕第一杆11的轴线转动；第一U形件13，第一U形件13与第一杆11固定连接，第一U形件13与主轴70通过转动副连接；第一套环14，第一套环14与第一电机12固定连接；第二套环15，第二套环15与第一套环14通过转动副连接；第一固定环16，第一固定环16与桁架式基座60固定连接，第二套环15与第一固定环16通过转动副连接。该装置且具有轻量化、高刚度、高灵活度的优点。

在本发明的一个实施例中，第二支链II、第三支链III、第四支链IV和第五支链V均包括：第二杆21；第二电机22，第二杆21与第二电机22相连，第二电机22可以驱动第二杆移动，第二杆21相对于第二电机22可以绕第二杆的轴线转动；第二U形件23，第二U形件23与第二杆21固定连接；第一铰链座24，第一铰链座24与第二U形件23通过转动副连接，第一铰链座24与主轴70通过转动副连接；第三套环25，第三套环25与第二电机22固定连接；第四套环26，第四套环26与第三套环25通过转动副连接；第二固定环27，第二固定环27与桁架式基座60固定连接，第四套环26与第二固定环27通过转动副连接。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，主轴70包括：第二铰链座71，第二铰链座71与第一支链I的第一U形件13通过转动副连接；第三铰链座72，第三铰链座72与第二支链II的第一铰链座24通过转动副连接；第四铰链座73，第四铰链座73与第三支链III的第一铰链座24通过转动副连接；第五铰链座74，第五铰链座74与第四支链IV的第一铰链座24通过转动副连接；第六铰链座75，第六铰链座75与第五支链V的第一铰链座24通过转动副连接。

在本发明的一个实施例中，转台80包括：转动平台81，转动平台81可以相对于主轴70转动；转台驱动电机82，转台驱动电机82可以驱动转动平台81转动。

如图4结合图5所示，在本发明的一个实施例中，桁架式基座60上半部分设置有15个节点：第一圆环节点61；第二圆环节点62；第三圆环节点63；第四圆环节点64；第五圆环节点65；第一节点66；第二节点67；第三节点68；第四节点69；第五节点610；第六节点611；第七节点612；第八节点613；第九节点614；第十节点615。节点分布在三层，第一层有6个节点，第一圆环节点61连接第一支链I的第一固定环16，第二圆环节点62连接第二支链II的第二固定环27，第三圆环节点63连接第三支链III的第二固定环27，第一节点66、第二节点67、第三节点68根据第一圆环节点61、第二圆环节点62、第三圆环节点63的位置，在第一层对称分布。第二层有6个节点，第四圆环节点64连接第四支链IV的第二固定环27，第五圆环节点65连接第五支链V的第二固定环27，第四节点69、第五节点610、第六节点611、第七节点612根据第四圆环节点64、第五圆环节点65的位置，在第二层对称分布。第三层有3个节点，第八节点613、第九节点614、第十节点615形成等边三角形。桁架式基座60下半部分由三角形单元和其他多边形构成，起到支撑作用，设置有转台安装平台616，用于安装转台80。

本发明实施例的一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置，通过桁架式基座配合主轴、转台和第一至第五支链共同实现桁架式六自由度混联机器人化加工，可以控制主轴实现五自由度运动和进行立卧转换，实现一次装卡五面加工，具有轻量化、高刚度、高灵活度的优点。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置，其特征在于，包括：

桁架式基座；

主轴；

转台，所述转台安装在所述桁架式基座上，相对于所述主轴可以转动；

第一至第五支链，用于连接所述桁架式基座和所述主轴；

其中，第一至第五支链包括第一支链，所述第一支链通过两个轴线相交的转动副与所述桁架式基座相连，所述第一支链通过转动副与所述主轴相连；

第二支链，所述第二支链通过两个轴线相交的转动副与所述桁架式基座相连，所述第二支链通过至少两个轴线相交的转动副与所述主轴相连；第三支链，所述第三支链与所述第二支链结构相同；第四支链，所述第四支链与所述第二支链结构相同；第五支链，所述第五支链与所述第二支链结构相同；所述第一至第五支链均包含一个主动驱动的移动副；

其中，所述第一支链包括：第一杆和第一电机，所述第一杆与所述第一电机相连，所述第一电机可以驱动所述第一杆移动，所述第一杆相对于所述第一电机可以绕所述第一杆的轴线转动；第一U形件，所述第一U形件与所述第一杆固定连接，所述第一U形件与所述主轴通过转动副连接；第一套环，所述第一套环与所述第一电机固定连接；第二套环，所述第二套环与所述第一套环通过转动副连接；第一固定环，所述第一固定环与所述桁架式基座固定连接，所述第二套环与所述第一固定环通过转动副连接；

所述桁架式基座采用空间桁架的结构形式进行设计，由三角形单元和其他多边形单元构成，杆件间的结合点为节点，其中有五个节点为连接所述五条支链的圆环节点；根据所述圆环节点所在位置，使用圆周对称的方法设置其他节点的位置；

其中，所述桁架式基座包括：

上半部分设置15个节点，分布在三层；

第一层有6个节点，其中，3个节点为连接所述第一支链、所述第二支链和所述第三支链的圆环节点；

第二层6个节点，其中，2个节点为连接所述第四支链和所述第五支链的圆环节点；

第三层3个节点。

2.根据权利要求1所述的一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置，其特征在于，第二支链至第五支链包括：

第二杆和第二电机，所述第二杆与所述第二电机相连，所述第二电机可以驱动所述第二杆移动，所述第二杆相对于所述第二电机可以绕所述第二杆的轴线转动；第二U形件，所述第二U形件与第二杆固定连接；

第一铰链座，所述第一铰链座与所述第二U形件通过转动副连接，所述第一铰链座与主轴通过转动副连接；

第三套环，所述第三套环与所述第二电机固定连接；第四套环，所述第四套环与所述第三套环通过转动副连接；

第二固定环，所述第二固定环与所述桁架式基座固定连接，所述第四套环与所述第二固定环通过转动副连接。

3.根据权利要求1所述的一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置，其特征在于，所述主轴包括：

第二铰链座，所述第二铰链座与所述第一支链的第一U形件通过转动副连接；

第三铰链座，所述第三铰链座与所述第二支链的第一铰链座通过转动副连接；

第四铰链座，所述第四铰链座与所述第三支链的第一铰链座通过转动副连接；

第五铰链座，所述第五铰链座与所述第四支链的第一铰链座通过转动副连接；

第六铰链座，所述第六铰链座与所述第五支链的第一铰链座通过转动副连接。

4.根据权利要求1所述的一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置，其特征在于，所述转台包括：

转动平台，所述转动平台安装在桁架式基座上，可以相对所述主轴转动；

转台驱动电机，所述转台驱动电机驱动所述转动平台转动。

5.根据权利要求1所述的一种桁架式六自由度混联机器人化加工装置，其特征在于，所述桁架式基座还包括：

所述桁架式基座下半部分由三角形单元及其他多边形单元构成，以支撑所述主轴和五条支链，且设置有安装所述转台的转台安装平台。

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