CN1094085C - 两维移动两维转动四轴并联机床结构 - Google Patents
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Abstract
本发明为两维移动两维转动四轴并联机床结构，属机械制造领域，包括固定台、运动台、连接固定台与运动台的分支，运动台通过四个分支与固定台连接，四个分支中的两支分支各含有一个三自由度球铰和两个单自由度运动副；另外的两个分支各含有一个单自由度运动副和两个球铰链或一个球铰链和一个虎克铰；运动台上装有刀具，四个分支与运动台和固定台连接的各四个铰链呈交叉布置。本发明具有高刚度，高精度，低运动质量，高动态性能，构造简单，成本低，易制造等特点。
Description
技术领域
本发明属于机械制造领域，特别涉及一种能够设计成立、卧式的两维移动两维转动的四轴并联机床。
背景技术
近十年来，国际上出现了一种新概念机床——虚拟轴机床(Virtual Axis MachineTool)，也称之为六条脚机床(6-Leg Machine Tool)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。并联机床采用并联结构，可以实现多坐标联动数控加工、装配和测量等多种功能，具有模块化程度高、运动部件质量轻、精度高，响应快，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。
并联机械结构在40年代末就已经提出，在60年被重新发掘出来应用在飞行模拟器上，在70年代末、80年代初开始成为研究热点。随着理论研究的不断深入以及并联机构所具有的明显的优点，国际上的一些大公司及相关院校相继提出把并联机构用于制造行业的加工机床上，这是对具有200余年历史的一成不变按笛卡儿坐标体系设计机床的传统的强烈冲击，人们认为并联机床将是21世纪新概念机床的形式。在1994年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。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余台并联机床样机。
从国内外并联机床产品与技术发展的概况看，大多采用一般的斯帝瓦特(Stewart)六自由度并联机器人机构来实现五轴运动，例如美国专利US5354158所陈述的并联机床，如图1所示，该机床装有刀具133的动平台134通过六个可伸缩连杆与固定平台132相联接，每个连杆(如连杆136)连接动平台134的铰链为球铰链(或虎克铰)135，连接固定平台132的铰链为虎克铰(或球铰链)137，刀具的运动通过六个杆件的伸缩来实现，这种构型不仅运动学、动力学、精度、误差分析等关键技术难以解决，而且浪费了一个轴的驱动与传动装置增加了制造成本。近几年来，少自由度(自由度少于6)的并联构型制造装备越来越得到人们的重视，并且这类产品在生产中更有应用前景。现有专利和产品中，还没有出现四自由度四轴并联机床，更缺乏把空间移动和转动结合起来的四轴并联机床装备。另外，现有机床中，多采用立式结构，只有因阁塞耳(Ingersoll)公司研制出了一台卧式机床。
发明内容
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两维移动两维转动四轴并联机床结构，可设计成立式和卧式的四轴并联机床，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，易制造等特点。
本发明提出的一种两维移动两维转动四轴并联机床结构，包括固定台、运动台、连接固定台与运动台的分支，其特征在于：运动台通过四个分支与固定台连接，所说的四个分支中的两支分支各含有一个三自由度球铰和两个单自由度运动副；另外的两个分支各含有一个单自由度运动副和两个球铰链或一个球铰链和一个虎克铰；所说的运动台上装有刀具，所说的四个分支与运动台连接的运动副均为球铰，与固定台相连接的运动副为彼此相间分布的两个转动副和两球铰链或虎克铰。
所说的四个分支可均采用定长连杆，所说的单自由度运动副可由滑道和滑块构成，所说的滑道可固定在固定台的台面板上，所说的滑块装在滑道上，其中的两个分支的滑块上装有转动副，另一端通过三自由度球铰链与运动台相连；另外的两个分支的滑块上装有球铰链或虎克铰，另一端通过虎克铰或球铰链与运动台相连，或两个分支的两端均为球铰链。
所说的四个分支可均采用伸缩连杆构成单自由度运动副，其中的两支连杆与固定台的连接为转动副，与动平台的连接为三自由度球铰链；另外的两个连杆分别通过虎克铰或球铰链与固定台相连接，另一端通过球铰链或虎克铰与运动台相连，或两个连杆的两端均为球铰链。
本发明所说的四个分支，其中的两个分支可采用定长连杆，所说的单自由度运动副由滑道和滑块构成，所说的滑道固定在固定台的台面板上，所说的滑块装在滑道上，滑块上装有转动副，另一端通过三自由度球铰链与运动台相连；另外的两个分支可采用伸缩连杆构成单自由度运动副，该两个连杆分别通过虎克铰或球铰链与固定台相连接，另一端通过球铰链或虎克铰与运动台相连，或两个连杆的两端均为球铰链。
本发明所说的四个分支，其中的两个分支可采用伸缩连杆构成单自由度运动副，该两支连杆与固定台的连接为转动副，与动平台的连接为三自由度球铰链；另外的两个分支可采用定长连杆，所说的单自由度运动副由滑道和滑块构成，所说的滑道固定在固定台的台面板上，所说的滑块装在滑道上，该两个分支的滑块上装有球铰链或虎克铰，另一端通过虎克铰或球铰链与运动台相连，或两个分支的两端均为球铰链。
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、本发明四轴并联机床加工装配工艺性好。
4、本发明四轴并联机床的刀具具有两个移动、两个转动运动，在空间曲面加工中有着广泛的应用前景。
5、本发明四轴并联机床可以设计成立式或卧式。
附图说明
图1为已有的一种六自由度并联机器人机构示意图。
图2是本发明的四轴并联机床结构的实施例之一总体结构示意图。
图3是本发明的四轴并联机床结构的实施例之二总体结构示意图。
图4是本发明的四轴并联机床结构的实施例之三总体结构示意图。
图5是本发明的四轴并联机床结构的实施例之四总体结构示意图。
图6是本发明的四轴并联机床结构的实施例之五总体结构示意图。
图7是本发明的四轴并联机床结构的实施例之六总体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步详述：
实施例1：四轴立式并联机床结构之一
本实施例的总体结构如图2所示，运动台16通过四支可伸缩连杆5、6、11、13与由框架9和底座1组成的固定台相连接，其中连杆5、11的一端连接运动台16的运动副为三自由度球铰3、14，另一端连接框架9的运动副为转动副8、10。连杆6、13的一端连接运动台16的运动副为三自由度球铰4、15，另一端连接框架9的运动副为虎克铰或球铰7、12。运动台16上安装切削刀具17，底座1上装着加工工件2。运动台16和刀具17通过四个可伸缩连杆5、6、11、13的移动来实现连杆5和11所在平面的二维移动和绕铰链4与15和3与14的轴线的转动的四轴运动，从而完成对工件2的切削加工。
实施例2：四轴立式并联机床结构之二
本实施例的总体结构如图3所示，运动台36通过四支连杆23、24、33、34与由框架27、两侧滑板20与31和底座18组成的固定台相连接，其中两个定长连杆23、33的一端连接运动台36的运动副为三自由度球铰21、25，另一端连接滑块26、30的运动副为转动副25、32，滑块26、30装在两侧滑板20、31的滑道内；两个可伸缩连杆24、34的一端连接运动台36的运动副为三自由度球铰22、37，另一端连接框架27的运动副为虎克铰或球铰28、29。运动台36上安装切削刀具38，底座18上装着加工工件19。运动台36和刀具38通过两个可伸缩连杆24、34和滑块26、30的移动来实现连杆23和33所在平面的二维移动和绕铰链21与35和22与37的轴线的转动的四轴运动，从而完成对工件19的切削加工。
实施例3：四轴立式并联机床结构之三
本实施例的总体结构如图4所示，运动台59通过四支定长连杆44、45、56、57与由上滑板49、两侧滑板41与54和底座39组成的固定台相连接，其中连杆44、56的一端连接运动台59的运动副为三自由度球铰42、58，另一端连接滑块47、53的运动副为转动副46、55，滑块47、53装在两侧滑板41、54的滑道内；连杆45、57的一端连接运动台59的运动副为三自由度球铰43、60，另一端连接滑块50、51的运动副为虎克铰或球铰48、52，滑块50、51装在上滑板49的滑道内。运动台59上安装切削刀具61，底座39上装着加工工件40。运动台59和刀具61通过四个滑块47、53、50、51的移动来实现连杆44和56所在平面的二维移动和绕铰链42与58和43与60的轴线的转动的四轴运动，从而完成对工件40的切削加工。
实施例4：四轴立式并联机床结构之四
本实施例的总体结构如图5所示，运动台83通过四支定长连杆66、67、79、80与由上滑道71、74、75和底座62组成的固定台相连接，其中连杆66、80的一端连接运动台83的运动副为三自由度球铰64、81，另一端连接滑块69、73的运动副为转动副68、78，滑块69、73装在滑道74内；连杆67、79的一端连接运动台83的运动副为三自由度球铰65、82，另一端连接滑块72、76的运动副为虎克铰或球铰70、77，滑块72、76装在滑道71、75内。运动台83上安装电主轴和切削刀具84，底座62上装着加工工件63。运动台83和刀具84通过四个滑块69、73、72、76的移动来实现连杆66和80所在平面的二维移动和绕铰链65与82和64与81的轴线的转动的四轴运动，从而完成对工件63的切削加工。
实施例5：四轴立式并联机床结构之五
本实施例的总体结构如图6所示，运动台107通过四支定长连杆90、92、102、103与由滑板87、95、99、105和底座85组成的固定台相连接，其中连杆90、102的一端连接运动台107的运动副为三自由度球铰88、104，另一端连接滑块93、98的运动副为转动副91、97，滑块93、98装在滑板87、99的滑道内；连杆92、103的一端连接运动台107的运动副为三自由度球铰89、106，另一端连接滑块94、100的运动副为虎克铰或球铰98、101，滑块94、100装在滑板95、105的滑道内。运动台107上安装切削刀具108，底座85上装着加工工件86。运动台107和刀具108通过四个滑块93、98、94、100的移动来实现连杆90和102所在平面的二维移动和绕铰链89与106和88与104的轴线的转动的四轴运动，从而完成对工件86的切削加工。
实施例6：四轴卧式并联机床结构
本实施例的总体结构如图7所示，运动台130通过四支定长连杆113、115、121、126与由上滑板118、两侧滑板109与125和底座128组成的固定台相连接，其中连杆113、126的一端连接运动台130的运动副为三自由度球铰110、129，另一端连接滑块111、124的运动副为转动副112、123，滑块111、124装在两侧滑板109、125的滑道内；连杆115、121的一端连接运动台130的运动副为三自由度球铰114、122，另一端连接滑块117、119的运动副为虎克铰或球铰116、120，滑块117、119装在上滑板118的滑道内。运动台130上安装切削刀具131，底座128上装着加工工件127。运动台130和刀具131通过四个滑块111、124、117、119的移动来实现连杆113和126所在平面的二维移动和绕铰链110与129和114与122的轴线的转动的四轴运动，从而完成对工件127的切削加工。
Claims (4)
1、一种两维移动两维转动四轴并联机床结构，包括固定台、运动台、连接固定台与运动台的分支，其特征在于：运动台通过四个分支与固定台连接，所说的四个分支中的两支分支各含有一个三自由度球铰和两个单自由度运动副；另外的两个分支各含有一个单自由度运动副和两个球铰链或一个球铰链和一个虎克铰；所说的运动台上装有刀具，所说的四个分支与运动台连接的运动副均为球铰，与固定台相连接的运动副为彼此相间分布的两个转动副和两球铰链或虎克铰。
2、按照权利要求1所说的两维移动两维转动四轴并联机床结构，其特征在于：所说的四个分支均采用定长连杆，所说的单自由度运动副由滑道和滑块构成，所说的滑道固定在固定台的台面板上，所说的滑块装在滑道上，其中的两个分支的滑块上装有转动副，另一端通过三自由度球铰链与运动台相连；另外的两个分支的滑块上装有球铰链或虎克铰，另一端通过虎克铰或球铰链与运动台相连。
3、按照权利要求1所说的两维移动两维转动四轴并联机床结构，其特征在于：所说的四个分支均采用伸缩连杆构成单自由度运动副，其中的两支连杆与固定台的连接为转动副，与动平台的连接为三自由度球铰链；另外的两个连杆分别通过虎克铰或球铰链与固定台相连接，另一端通过球铰链或虎克铰与运动台相连。
4、按照权利要求1所说的两维移动两维转动四轴并联机床结构，其特征在于：其中的两个分支采用定长连杆，所说的单自由度运动副由滑道和滑块构成，所说的滑道固定在固定台的台面板上，所说的滑块装在滑道上，滑块上装有转动副，另一端通过三自由度球铰链与运动台相连；另外的两个分支采用伸缩连杆构成单自由度运动副，该两个连杆分别通过虎克铰或球铰链与固定台相连接，另一端通过球铰链或虎克铰与运动台相连。
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