CN1093026C - 四自由度四轴并联虚拟轴机床 - Google Patents

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四自由度四轴并联虚拟轴机床，其结构是运动台通过四支连杆与固定台连接，四支连杆与运动台的连接是分布在运动台三个互相垂直平面上的铰链，四支连杆与固定台的连接是分布在固定台三个互相垂直平面上的运动副，运动台上装着电主轴和刀具。本发明机床具有高刚度、高精度、低运动质量、高动态性能、结构简单、成本低、易制造的优点。本发明可广泛用于对空间曲面(如模具、叶轮、螺旋齿轮等)的加工上。

Description

四自由度四轴并联虚拟轴机床
本发明属于机械制造领域，特别涉及一种四自由度四轴并联虚拟轴机床。
数控机床是机械制造的重要设备，其性能的好坏标志着一个国家制造业的水平。近十年来，国际上出现了一种新概念机床——虚拟轴机床(Virtual Axis Machine Tool)，也称之为六条脚机床(6-Leg MachineTool)或并联机床(Parallel Machine Tool)。虚拟轴机床是国际上数控研究领域非常关注的热点课题，国内外学者作大量的研究工作。虚拟轴数控机床是知识密集、智力密集、技术密集的机电一体化高技术产品，是并联机器人、数控机械、计算机控制、精密测量、数控加工等多学科应用技术的交叉。虚拟轴机床采用并联结构，具有模块化程度高、运动部件质量轻、制造成本低等优点。与传统机床相比，虚拟轴机床因采用了刀具运动的形式，从而改善了其速度、加速度、精度和刚度等性能。
在《机电信息》1998(1)：23-24中报道，1994年，在芝加哥国际制造技术展览会(IMTS’94)上，美国积仃斯与莱威斯(Giddings &Lewis)公司和因阁塞耳(Ingersoll)公司第一次在世界上展出了VARIAX和HOH600虚拟轴机床。在这之后国内外许多学者和著名的机床制造厂都非常关注虚拟轴机床的设计理论研究和样机的研制。《世界制造技术与装备市场》1998(1)：17-21中报道，在97年的欧洲国际机床展览会(EMO’97)上，美国、日本、德国、瑞士、俄罗斯等大学和机床制造商展出了10余台虚拟轴机床样机。
《制造技术与机床》1998(2)：42-43中报道，清华大学研制了VAMTIY型，哈尔滨工业大学研制了六自由度虚拟轴机床样机，天津大学研制了三自由度虚拟轴机床样机。这些虚拟轴机床强烈地冲击了近代机床200余年一直不变按笛卡儿坐标体系设计机床的传统，人们认为虚拟轴机床将是21世纪新概念机床的形式。
尽管国内外有许多学者、学校和机床制造商研制出了多种虚拟轴机床样机，但是这些虚拟轴机床样机都是采用六自由度并联机构来实现五轴运动，不仅浪费了一个轴的驱动与传动装置，而且使机床造价相对提高，并增加了控制与制造难度。
本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种四自由度四轴并联虚拟轴机床(FG4VPMT)。
本发明的技术解决方案如下：
四自由度四轴并联虚拟轴机床的结构包括固定台、运动台、连接固定台与运动台的四连杆。运动台通过四支连杆与固定台连接，四支连杆与运动台的连接是分布在运动台三个互相垂直平面上的铰链，四支连杆与固定台的连接是分布在固定台三个互相垂直平面上的运动副，运动台上装着电主轴和刀具。
四支连杆分三组分别与运动台和固定台的三个互相垂直的平面连接，其中一组为双支连杆，两组为单支连杆。
固定台平面上的运动副是铰链或移动副。
四支连杆中，每支连杆可以是伸缩连杆，也可以是定长连杆，定长连杆与固定台的连接必须是移动副。
移动副由在固定台平面上的滑道、滑块组成，滑块装在滑道上，滑块上装着铰链。
铰链可以是球铰，也可以是虎克铰。
四支连杆中，三支共面的连杆中单支连杆两端为虎克铰，至少双支连杆之一的两端是虎克铰，这三支共面连杆以外的单支连杆与运动台和固定台连接的两端至少有一个是球铰。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、本发明并联机床与传统的串联式多轴机床相比，具有高刚度，高精度，低运动质量，高动态性能，构造简单，相同零件数量多，成本低，易制造。
2、本发明并联机床与现有的六自由度五轴并联机床相比，结构简单，系统运动非线性度和耦合度明显降低，控制简单，造价低。
3、本发明四自由度四轴并联虚拟轴机床加工装配工艺性好。
4、本发明四自由度四轴并联虚拟轴机床在空间曲面加工中有着广泛的应用前景。
附图的图面说明如下：
图1是本发明FG4VPMT-1型四自由度四轴并联虚拟轴机床的结构示意图；
图2是本发明FG4VPMT-1型四自由度四轴并联虚拟轴机床的机构简图；
图3是本发明FG4VPMT-2型四自由度四轴并联虚拟轴机床的结构示意图；
图4是本发明FG4VPMT-2型四自由度四轴并联虚拟轴机床的机构简图；
图5是本发明FG4VPMT-3型四自由度四轴并联虚拟轴机床的结构示意图；
图6是本发明FG4VPMT-3型四自由度四轴并联虚拟轴机床的机构简图；
图7是本发明FG4VPMT-4型四自由度四轴并联虚拟轴机床的结构示意图；
图8是本发明FG4VPMT-4型四自由度四轴并联虚拟轴机床的机构简图；
下面结合附图对本发明的实施例作进一步详述：
实施例1：FG4VPMT-1型四自由度四轴并联虚拟轴机床
FG4VPMT-1型四自由度四轴并联虚拟轴机床的结构如图1、图2所示，运动台(18)通过四支定长连杆(3)、(9)、10)、(17)与由三个互相垂直的侧面板(1)、顶面板(12)、背面板(14)组成的固定台连接，其中连杆(3)、(9)、(10)连接运动台(18)的运动副分别为虎克铰(2)、(6)、(16)，连接固定台上的滑块(5)、(7)、(13)的运动副分别为虎克铰(4)、(8)、(11)。连杆(17)连接运动台(18)的运动副为三自由度球铰(23)，连接固定台上的滑块(15)的运动副为虎克铰(22)。滑块(5)、(7)、(15)分别装在侧面板(1)和背面板(14)的滑道上，滑块(13)装在顶面板(12)的滑道内。运动台(18)上安装电主轴和切削刀具(19)，底座(21)上装着加工工件(20)。
本发明机床为一体化结构，运动工作台、固定台三个互相垂直的平面、四支连杆及其虎克铰、球铰、移动副均为一体。四个滑块(5)、(7)、(13)、(15)连接着动力源。运动台(18)和刀具(19)通过四个滑块(5)、(7)、(13)、(15)的移动来实现沿XYZ轴的三维移动和绕Y轴转动的四轴运动，从而完成对工件(20)的切削加工。
实施例2：FG4VPMT-2型四自由度四轴并联虚拟轴机床
FG4VPMT-2型四自由度四轴并联虚拟轴机床的结构如图3、图4所示，运动台(40)通过四支连杆(26)、(32)、(33)、(39)与由三个互相垂直的侧面板(24)、顶面板(34)、背面板(36)组成的固定台连接，其中连杆(26)、(32)、(39)为定长连杆，连杆(33)为伸缩连杆。连杆(26)、(32)、(33)连接运动台(40)的运动副分别为虎克铰(25)、(29)、(38)，连接固定台上的滑块(28)、(30)和顶面板(34)的运动副分别为虎克铰(27)、(31)、(35)。连杆(39)连接运动台(40)的运动副为三自由度球铰(45)，连接固定台上的滑块(37)的运动副为虎克铰(44)。滑块(28)、(30)、(37)分别装在侧面板(24)和背面板(36)的滑道上。运动台(40)上安装电主轴和切削刀具(41)，底座(43)上装着加工工件(42)。三个滑块(28)、(30)、(37)连接着动力源。运动台(40)和刀具(41)通过三个滑块(28)、(30)、(37)和缩连杆(33)的移动来实现沿XYZ轴的三维移动和绕Y轴转动的四轴运动，从而完成对工件(42)的切削加工。
实施例3：FG4VPMT-3型四自由度四轴并联虚拟轴机床
FG4VPMT-3型四自由度四轴并联虚拟轴机床的结构如图5、图6所示，运动台(61)通过四支连杆(48)、(52)、(53)、(60)与由三个互相垂直的侧面板(46)、顶面板(55)、背面板(57)组成的固定台连接，其中连杆(53)为定长连杆，连杆(48)、(52)、(60)为伸缩连杆。连杆(48)、(52)、(53)连接运动台(61)的运动副分别为虎克铰(47)、(50)、(59)，连杆(60)连接运动台(61)的运动副为三自由度球铰(65)。连杆(48)、(52)、(60)连接固定台侧面板(46)、背面板(57)的运动副分别为虎克铰(49)、(51)、(58)，连杆(53)连接固定台上的滑块(56)的运动副为虎克铰(54)，滑块(56)装在顶面板(55)的滑道内。运动台(61)上安装电主轴和切削刀具(62)，底座(64)上装着加工工件(63)。
本发明微动机器人为一体化结构，运动工作台、固定台三个互相垂直的平面、四支连杆及其虎克铰、移动副均为一体。滑块(55)连接着动力源。运动台(61)和刀具(62)通过滑块(55)和伸缩连杆(48)、(52)、(60)的移动来实现沿XYZ轴的三维移动和绕Y轴转动的四轴运动，从而完成对工件(63)的切削加工。
实施例4：FG4VPMT-4型四自由度四轴并联虚拟轴机床
FG4VPMT-4型四自由度四轴并联虚拟轴机床的结构如图7、图8所示，运动台(80)通过四支连杆(68)、(72)、(73)、(79)与由三个互相垂直的侧面板(66)、顶面板(74)、背面板(76)组成的固定台连接。四支连杆(68)、(72)、(73)、(79)均为伸缩连杆。连杆(68)、(72)、(73)连接运动台(80)的运动副分别为虎克铰(67)、(70)、(78)，连杆(79)连接运动台(80)的运动副为三自由度球铰(81)。四支连杆连接固定台侧面板(66)、顶面板(74)、背面板(76)的运动副分别为虎克铰(69)、(71)、(75)、(77)。运动台(80)上安装电主轴和切削刀具(81)，底座(83)上装着加工工件(82)。运动台(80)和刀具(81)通过四支伸缩连杆(68)、(72)、(73)、(79)的移动来实现沿XYZ轴的三维移动和绕Y轴转动的四轴运动，从而完成对工件(82)的切削加工。

Claims (7)

1、一种四自由度四轴并联虚拟轴机床，包括固定台、运动台、连接固定台与运动台的连杆，其特征在于：运动台通过四支连杆与固定台连接，四支连杆与运动台的连接是分布在运动台三个互相垂直平面上的铰链，四支连杆与固定台的连接是分布在固定台三个互相垂直平面上的运动副，运动台上装着电主轴和刀具。
2、按照权利要求1所说的四自由度四轴并联虚拟轴机床，其特征在于：所述的四支连杆分三组分别与运动台和固定台的三个互相垂直的平面连接，其中一组为双支连杆，两组为单支连杆。
3、按照权利要求1所说的四自由度四轴并联虚拟轴机床，其特征在于：所述固定台平面上的运动副是铰链或移动副。
4、按照权利要求1或2所说的四自由度四轴并联虚拟轴机床，其特征在于：所述四支连杆中，每支连杆可以是伸缩连杆，也可以是定长连杆，定长连杆与固定台的连接必须是移动副。
5、按照权利要求3所说的四自由度四轴并联虚拟轴机床，其特征在于：所述的移动副由在固定台平面上的滑道、滑块组成，滑块装在滑道上，滑块上装着铰链。
6、按照权利要求4所说的四自由度四轴并联虚拟轴机床，其特征在于：所述的移动副是由在固定台平面上的滑道、滑块组成，滑块装在滑道上，滑块上装着铰链。
7、按照权利要求1或3或5或6所说的四自由度四轴并联虚拟轴机床，其特征在于：所述的铰链可以是球铰，也可以是虎克铰。
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