CN109128872B - 一种能够实现多方向定点转动的对称三轴并联主轴头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种能够实现多方向定点转动的对称三轴并联主轴头，包括三条支链、运动基座和固定基座，加工主轴固连在运动基座上；支链包括伺服电动机、支链杆、丝杠和导向螺母，支链杆的一端的内腔中设置丝杠和直线导轨，丝杠的一端与伺服电动机连接，丝杠穿过导向螺母，丝杠的另一端通过转动副与支链杆相连，导向螺母安装在直线导轨上且通过第一支撑圆盘与固定基座转动连接，支链杆的另一端通过第二支撑圆盘与运动基座转动连接。该主轴头不仅能够仅靠并联主轴头结构本身使得刀具实现绕动平台和定平台内部空间一定范围内任意一点多方向定点转动，还可以实现绕刀尖点多方向定点转动；且该主轴头结构对称，运动特性也具备对称性。

Description

一种能够实现多方向定点转动的对称三轴并联主轴头

技术领域

本发明涉及数控机床设备技术领域，特别是涉及一种能够实现多方向定点转动的对称三轴并联主轴头。

背景技术

为了获得性能优越的整体结构件，理想的加工方式是从一块整体毛坯上将金属切除。但是对于形状结构复杂、材料去除率大、薄壁易变形的结构件，例如大型航空结构件等，传统的串联主轴头难以同时满足对零件加工精度、质量及加工效率等方面的要求。

并联主轴头相较于串联主轴头具有高刚度质量比，高动态性能和高精度的优势，在先进装备制造中的应用越来越广泛。这其中，具有两个转动自由度和一个移动自由度的三轴并联主轴头在高速数控机床设备领域有着良好的应用前景，三轴并联主轴头可以方便的搭配两轴移动平台实现五轴联动加工，在保证加工精度和质量的同时大大提高了加工效率。

但是典型的并联主轴头结构，如专利CN1843709A、专利101049699A、专利CN101691013A以及专利CN102626870A均无法仅靠并联主轴头结构本身实现刀具的多方向定点转动，需要通过控制手段以及附加轴的运动加以实时补偿，给刀头的位置标定和轨迹规划带来困难。一定程度上制约了这类主轴头的精度和动态响应速度。专利CN101497167A能够仅靠并联主轴头结构本身实现刀具的定点转动，但由于结构并不对称，其运动特性也不具备对称性。且现有的并联主轴头动平台的转动中心无法与刀尖点重合，不能实现绕刀尖点的多方向定点转动，增加了实现多轴联动加工的难度。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够实现多方向定点转动的对称三轴并联主轴头，以解决上述现有技术存在的问题，不仅能够仅靠并联主轴头结构本身使得刀具实现绕动平台和定平台内部空间一定范围内任意一点多方向定点转动，还可以实现绕刀尖点多方向定点转动；且该主轴头结构对称，运动特性也具备对称性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种能够实现多方向定点转动的对称三轴并联主轴头，包括三个呈空间120°轴对称布置的三条结构相同的支链、连接三个所述支链一端的运动基座和连接三个所述支链的主体的固定基座，加工主轴固连在所述运动基座上；所述支链包括伺服电动机、支链杆、丝杠和导向螺母，所述支链杆的一端的内腔中设置所述丝杠和直线导轨，所述丝杠的一端与所述伺服电动机连接，所述丝杠穿过所述导向螺母，所述丝杠的另一端通过转动副与所述支链杆相连，所述伺服电动机和丝杠，为支链杆和导向螺母之间提供一个移动自由度，所述导向螺母安装在所述直线导轨上且通过第一支撑圆盘与所述固定基座转动连接，所述支链杆的另一端通过第二支撑圆盘与所述运动基座转动连接。

优选的，所述支链上与所述运动基座和固定基座连接的位置分别设置有运动基座轴承和固定基座轴承；所述第一支撑圆盘与所述固定基座轴承的内圈连接，所述固定基座轴承的外圈与所述固定基座固连；所述第二支撑圆盘与所述运动基座轴承的内圈连接，所述运动基座轴承的外圈与所述运动基座固连。

优选的，所述固定基座轴承的转动轴线和所述固定基座的端面存在夹角，且同一支链上的所述运动基座轴承的转动轴线和所述运动基座的端面之间的夹角与之相同。

优选的，所述固定基座轴承的转动轴线与所述运动基座轴承的转动轴线相交于空间一点；三个支链的基座轴承转动轴线的三个交点确定一个平面。

优选的，所述丝杠的另一端通过转动副与所述支链杆的内腔壁相连。

优选的，所述直线导轨有四条且分别固定于所述支链杆内腔的四个角，所述导向螺母安装在所述直线导轨上，所述导向螺母与所述直线导轨构成移动副。

优选的，所述导向螺母通过销轴和轴承构成的转动副与所述第一支撑圆盘连接，所述支链杆的另一端通过转动铰链与所述第二支撑圆盘连接。

优选的，所述导向螺母和第一支撑圆盘构成的转动副的轴线与所述支链杆和第二支撑圆盘构成的转动副的轴线相互平行。

优选的，所述支链中的伺服电动机可采用直线电动机替换，所述直线电动机为支链杆和导向螺母之间提供一个移动自由度。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明中的能够实现多方向定点转动的对称三轴并联主轴头，能够仅靠并联主轴头结构本身实现使得刀具实现绕空间一定范围内任意一点多方向定点转动，还能够实现绕刀尖点的定点转动功能；标定容易和控制简单，有利于轨迹规划以及精度的提高；结构对称，运动特性也具备对称性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体结构的轴侧示意图；

图2为本发明的支链结构示意图；

图3为本发明的整体结构的侧视示意图；

图4为本发明的运动示意图；

图5为本发明绕刀尖点转动示意图；

其中，1-固定基座；2-支链；3-固定基座轴承；4-运动基座轴承；5-运动基座；6-加工主轴；21-支链杆；22-伺服电动机；23-丝杠；24-直线导轨；25-导向螺母；26-第一支撑圆盘；27-转动铰链；28-第二支撑圆盘。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种能够实现多方向定点转动的对称三轴并联主轴头，以解决上述现有技术存在的问题，不仅能够仅靠并联主轴头结构本身使得刀具实现绕动平台和定平台内部空间一定范围内任意一点多方向定点转动，还可以实现绕刀尖点多方向定点转动；且该主轴头结构对称，运动特性也具备对称性。

本发明提供的能够实现多方向定点转动的对称三轴并联主轴头，包括三个呈空间120°轴对称布置的三条结构相同的支链、连接三个支链一端的运动基座和连接三个支链的主体的固定基座，加工主轴固连在运动基座上；支链包括伺服电动机、支链杆、丝杠和导向螺母，支链杆的一端的内腔中设置丝杠和直线导轨，丝杠的一端与伺服电动机连接，丝杠穿过导向螺母，丝杠的另一端通过转动副与支链杆相连，导向螺母安装在直线导轨上且通过第一支撑圆盘与固定基座转动连接，支链杆的另一端通过第二支撑圆盘与运动基座转动连接。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-4，其中，图1为本发明整体结构的轴侧示意图；图2为本发明的支链结构示意图；图3为本发明的整体结构的侧视示意图；图4为本发明的运动示意图。

如图1-4所示，本发明提供一种能够实现多方向定点转动的对称三轴并联主轴头，包括固定基座1、运动基座5、固连在运动基座5上的加工主轴6、呈空间120°轴对称布置的在固定基座1和运动基座5之间的三条结构相同的支链2以及支链2分别连接固定基座1和运动基座5的固定基座轴承3和运动基座轴承4。

如图2所示，支链2由支链杆21、伺服电动机22、丝杠23、直线导轨24、导向螺母25、第一支撑圆盘26、转动铰链27、第二支撑圆盘28构成，伺服电动机22固连在支链杆21的一端，丝杠23的一端与伺服电动机22连接，依靠伺服电动机22驱动，伺服电动机22和丝杠23为支链杆21和导向螺母25之间提供一个移动自由度，丝杠23穿过导向螺母25，另一端通过转动副与支链杆21的另一端相连；直线导轨24有四条，分别固定于支链杆21方形内腔的四个角，导向螺母25安装在支链杆21方形内腔的直线导轨24上，导向螺母25与直线导轨24构成移动副，导向螺母25通过销轴和轴承构成的转动副或其他形式的等价结构与第一支撑圆盘26连接且该转动副的轴线为2a，支链杆21与第二支撑圆盘28通过转动铰链27连接，支链杆21与第二支撑圆盘28构成转动副且该转动副的轴线为2b，转动副的轴线2a与转动副轴线2b相互平行。

如图3所示，支链2的一端通过第一支撑圆盘26与固定基座轴承3的内圈连接，固定基座轴承3的外圈与固定基座1固连，固定基座轴承3的转动轴线为3a，上述支链2的另一端通过第二支撑圆盘28与运动基座轴承4的内圈连接，运动基座轴承4的外圈与运动基座5固连，运动基座轴承4的转动轴线为4a，上述固定基座轴承3的转动轴线3a与固定基座1端面存在一个夹角为θ，上述运动基座轴承4的转动轴线4a与运动基座5端面的夹角也为θ，且固定基座轴承3的转动轴线3a与运动基座轴承4的转动轴线4a相交于空间一点A。

如图4所示，另外两个支链2分别与固定基座1和运动基座5连接的方式与上述支链2分别与固定基座1和运动基座5的连接方式相同，同样可以得到另外两个轴承转动轴线的交点B和C。轴承转动轴线的三个交点A，B，C确定一个平面S。当各支链2在伺服电动机22的驱动下运动时，运动基座5和与之固连的加工主轴6能够实现绕平面S内任意一点多方向定点转动，属于两个转动自由度，还可以实现垂直于该平面的移动，属于一个移动自由度。

如图5所示，在不改变上述各构件连接关系和几何关系的前提下，仅改变机构的尺寸，控制三个支链2中移动副的长度，能够控制轴承转动轴线的三个交点A，B，C所确定的平面S的位置和姿态，当加工主轴6上的刀头点恰好位于上述平面S上时，能够仅依靠并联主轴头本身实现绕刀尖点多方向定点转动的功能。

本实施例中的驱动装置采用了伺服电动机22驱动丝杠23的结构形式，为支链杆21和导向螺母25之间提供一个移动自由度。为了达到同样的目的，还可以采用直线电机的驱动方式，为支链杆21和导向螺母25之间提供一个移动自由度，在具体实施时，采用其他任意一种可实现相同运动功能的结构形式作为驱动方式都是可以的。同时，本发明可使得固定基座1与两个正交的移动平台连接，进而构成五轴数控机床加工单元。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种能够实现多方向定点转动的对称三轴并联主轴头，其特征在于：包括三个呈空间120°轴对称布置的三条结构相同的支链、连接三个所述支链一端的运动基座和连接三个所述支链的主体的固定基座，加工主轴固连在所述运动基座上；所述支链包括伺服电动机、支链杆、丝杠和导向螺母，所述支链杆的一端的内腔中设置所述丝杠和直线导轨，所述丝杠的一端与所述伺服电动机连接，所述丝杠穿过所述导向螺母，所述丝杠的另一端通过转动副与所述支链杆相连，所述伺服电动机和丝杠，为所述支链杆和导向螺母之间提供一个移动自由度,所述导向螺母安装在所述直线导轨上且通过第一支撑圆盘与所述固定基座转动连接，所述支链杆的另一端通过第二支撑圆盘与所述运动基座转动连接；

所述支链上与所述运动基座和固定基座连接的位置分别设置有运动基座轴承和固定基座轴承；所述第一支撑圆盘与所述固定基座轴承的内圈连接，所述固定基座轴承的外圈与所述固定基座固连；所述第二支撑圆盘与所述运动基座轴承的内圈连接，所述运动基座轴承的外圈与所述运动基座固连；所述固定基座轴承的转动轴线和所述固定基座的端面存在夹角，且同一支链上的所述运动基座轴承的转动轴线和所述运动基座的端面之间的夹角与之相同；所述固定基座轴承的转动轴线与所述运动基座轴承的转动轴线相交于空间一点；三个支链的基座轴承转动轴线的三个交点确定一个平面；

所述导向螺母和第一支撑圆盘构成的转动副的轴线与所述支链杆和第二支撑圆盘构成的转动副的轴线相互平行。

2.根据权利要求1所述的能够实现多方向定点转动的对称三轴并联主轴头，其特征在于：所述丝杠的另一端通过转动副与所述支链杆的内腔壁相连。

3.根据权利要求1所述的能够实现多方向定点转动的对称三轴并联主轴头，其特征在于：所述直线导轨有四条且分别固定于所述支链杆内腔的四个角，所述导向螺母安装在所述直线导轨上，所述导向螺母与所述直线导轨构成移动副。

4.根据权利要求3所述的能够实现多方向定点转动的对称三轴并联主轴头，其特征在于：所述导向螺母通过销轴和轴承构成的转动副与所述第一支撑圆盘连接，所述支链杆的另一端通过转动铰链与所述第二支撑圆盘连接。

5.根据权利要求1所述的能够实现多方向定点转动的对称三轴并联主轴头，其特征在于：所述支链中的伺服电动机可采用直线电动机替换，所述直线电动机为支链杆和导向螺母之间提供一个移动自由度。