CN109531186B - 一种新型四自由度并联机床 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械生产制造技术领域，具体涉及的是一种新型四自由度并联机床，该新型并联机床解决了传统数控机床及现有并/混联机床刀具摆角受限、在加工细长类整体结构件或是加工去除量较大的曲面类工件方面存在的灵活性差、刚度及精度低等弊端。其包括机床的长直导轨、并联加工模块；并联加工模块形成一个空间并联闭环机构；并联加工模块通过四个输入驱动实现动平台在机床坐标系YZ平面内的两维移动和转轴在机床动平台上平面内的两维转动，使并联加工模块的动平台实现四个自由度运动。本发明具有结构简单、工作空间大、动平台灵活性好、刚度精度高、Y轴方向驱动负载变化小、动态性能好、可重构性强等优点。

Description

一种新型四自由度并联机床
技术领域
本发明属于机械生产制造技术领域，具体涉及的是一种新型四自由度并联机床。
背景技术
并联机构是由多个支链构成的闭环机构，相对于传统的串联机构具有以下优点：并联机床作为一种以并联机构为机械本体的制造装备，出现于上世纪90年代末。随着并联机构理论研究的不断深入及数控技术、自动化技术和计算机技术的不断发展，并联机床逐渐成为一种重要的新型制造装备而应用于现代制造业中。并联机床与传统串联机床相比，具有更高的刚度重量比、更快的响应速度、更高的加工精度。从而更适用于高速、精密、重载情况下的加工。并且其模块化程度高、易重构、柔性好，从而更易于降低加工成本，使其在现代制造业中更具实用性。正因如此，这类基于并联机构或含有并联模块的四自由度并联机床得到了广泛关注和研究，并逐步成为高速、高精度、高灵活度数控机床的发展趋势。
近年来，应用于航空航天、铁路运输、国防军工等领域的的整体设计原则越来越受到了重视。整体设计的基本概念是，从一块整体毛坯上将金属切除，从而获得性能优越的整体结构件。它的优点不仅是缩短了加工装配的周期和物流链，同时也减轻了结构件的重量。这种类复杂的整体结构件大多去除率高，且形状复杂、曲率变化幅度大、多孔、壁厚较薄。完成这类复杂加工对机床性能要求极高。由于传统的数控机床在去除率上存在一定限制，且床身跨度不够，故寻找新型高效的加工机床成为一个迫切的任务。鉴于并联机床存在着适用于高速、高精、重载加工的优势，发展新型并联机床将成为一种有效的解决措施。
在2009年初开始实施的“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项中，将并联机构功能附件以及装备有此类功能部件的加工中心作为其中的课题之一。可见，并联模块是此类装备研发的关键。从加工灵活度和加工效率的角度讲，并联模块应具备很高的转动灵活度，以动平台转动能力达到90°为最佳，而这恰恰是传统并联机构的局限性所在，最具影响力的Sprint Z3 并联主轴头的转动能力也仅为40°。可见，在保证高刚度的前提下突破传统并联机构摆角受限是在此类装备的研发过程中亟待突破的瓶颈性问题。
发明内容
本发明针对传统数控机床及现有串/并联机床在加工去除率大的复杂曲面结构件方面存在的问题，提出一种以三条支链组成的空间立体并联机构为机械本体的四自由度并联机床。此机床应用于去除率大的复杂曲面结构件加工具有结构简单、工作空间大、动平台灵活性好、刚度精度高、Y轴方向驱动负载变化小、动态性能好和可重构性强等优点。能够实现对复杂曲面整体结构件的一体加工。
本发明采取以下技术方案：一种新型四自由度并联机床，包括沿Y轴方向设置有长直导轨的机床机架以及并联加工模块，并联加工模块包括动平台、刀具、第一支链、第二支链和第三支链，刀具安装在动平台上，动平台上安装有第一支链、第二支链和第三支链；所述的并联加工模块实现其动平台在YZ平面内的两维移动，并联加工模块安装在机床坐标沿Y轴方向设置的长直导轨上，并在Y轴方向添加有一个使并联加工模块沿Y轴方向滑动的输入驱动，使并联加工模块的动平台实现四个自由度运动。
进一步的，第一支链包括滑块S 1、滑块S 2、机床机架滑道R 1、机床机架滑道R 2、连杆L 1、花键轴L 2、分体式虎克铰以及运动副；所述的运动副包括有连接机架的构件与滑块S 1之间的移动副P，连接滑块S 1与连杆L 1之间的槽销副RP，连接机床机架的构件与滑块S 2之间的移动副P，连接滑块S 2与连杆L 1之间的槽销副RP，连接连杆L 1与花键轴L 2之间的分体式虎克铰链U，连接花键轴L 2与动平台之间的移动副P；第一支链中连接机床机架的构件与滑块S 1、滑块S 2的两个移动副P轴线相互平行，且与所对应的连接滑块S 1、滑块S 2与连杆L 1之间的槽销副RP中的转动副轴线垂直；其中连接机床机架的构件与滑块S 1之间的移动副P、连接机架的构件与滑块S 2之间的移动副P是输入驱动运动副。
进一步的，第二支链包括滑块S 3、连杆L 5、花键轴L 2以及运动副，所述的运动副包括连接机床机架的构件与滑块S 3之间的移动副P，连接滑块S 3与连杆L 5之间的转动副R，连接连杆L 5与花键轴L 2之间的圆柱副C，连接花键轴L 2与动平台之间的移动副P；连接机床机架的构件与滑块S 3之间的移动副P是输入驱动运动副，其中连接滑块S 3与连杆L 5之间的转动副R和连接机床机架的构件与滑块S 3之间的移动副P轴线相互垂直，和连接连杆L 5与花键轴L 2之间的圆柱副C轴线保持空间垂直。
进一步的，第三支链包括滑块S 4、连杆L 4、环形连杆L 3、花键轴L 2以及运动副，运动副包括连接机床机架的构件与滑块S 4之间的移动副P，连接滑块S 4与连杆L 4之间的移动副P，连接连杆L 4与环形连杆L 3之间的转动副R，连接环形连杆L 3与花键轴L 2之间的转动副R；连接机床机架长直导轨与滑块S 4之间的移动副P是输入驱动运动副，其中连接机架长直导轨与滑块S 4之间的移动副P、连接滑块S 4与连杆L 4之间的移动副P以及连接连杆L 4与环形连杆L 3之间的转动副R三个运动副轴线两两保持空间垂直。
进一步的，第一支链或第二支链中连接花键轴L 2与动平台之间的移动副P的轴线与第三支链中连接环形连杆L 3与花键轴L 2之间的转动副R的轴线同轴。
进一步的，第一支链、第二支链和第三支链并联形成的空间立体加工模块是关于YZ平面完全对称的。
通过机构学约束与运动的关系推知：并联加工模块中动平台相对于机床机架存在有沿X轴方向移动的机构约束，故不能实现动平台相对于机床机架沿X轴的移动，动平台存在沿平行于刀具轴线方向的约束力偶故不能实现沿平行于刀具轴线方向的转动。动平台第一支链沿平行于Y轴方向的转动能力可达100°(–50°～50°)、第一支链和第二支链共同使动平台沿平行于X轴方向的转动能力可达100°（–50°~ 50°），解决了并联机构摆角受限的问题。将并联加工模块安装在沿Y轴方向长直导轨的机床机架上，并在Y轴方向添加一个使并联加工模块沿Y轴方向滑动的输入驱动，可以实现并联加工模块Y轴方向的大范围移动，解决传统并联机构工作空间小的问题。从而使并联加工模块上的动平台实现大摆角大范围的机械加工运动。
与现有技术相比，本发明针对传统数控机床及现有串/并联机床在加工去除率大的复杂曲面结构件方面存在的弊端，提出一种以三条支链组成的空间立体并联机构为机械本体的四自由度并联机床。此机床应用于去除率大的复杂曲面结构件加工具有结构简单、工作空间大、动平台灵活性好、刚度精度高、Y轴方向驱动负载变化小、动态性能好和可重构性强等优点。能够实现对复杂曲面整体结构件的一体加工。
本发明综合了传统串联机床和并联机床的优点，具有结构简单、工作空间大、动平台灵活性好、刚度精度高、Y轴方向驱动负载变化小、动态性能好和可重构性强等优点。能够实现对复杂曲面类整体结构件的一体加工。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图。
图2为图1所示的机床结构中的并联加工模块的结构示意图。
图3为图2所示的并联加工模块中第一支链的结构示意图。
图4为图2所示的并联加工模块中第二支链的结构示意图。
图5为图2所示的并联加工模块中第三支链的结构示意图。
图中：1、有长直导轨的机床机架，2、并联加工模块，21、动平台，22、刀具，23、第一支链，231、滑块S 1，232、滑块S 2，233、连杆L 1，234、花键轴L 2，235、分体式虎克铰，24、第二支链，241滑块S 3，242、连杆L 5，25、第三支链，251、滑块S 4，252、连杆L 4，253、环形连杆L 3。
具体实施方式
结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1~图5，一种新型四自由度并联机床包括：沿Y轴方向的具有长直导轨的机床机架1、并联加工模块2等部分；并联加工模块2包括动平台21、刀具22、第一支链23、第二支链24、第三支链25，各部分共同组成空间立体并联机构；所述的并联加工模块2通过四个输入驱动实现其动平台21在YZ平面内的两维移动和X轴与Y轴轴线上的转动。
如图2、3所示，所述的并联加工模块2的第一支链23为 (2-PRP)-UP 型并联运动支链（P代表移动副，R代表转动副，U代表分体式虎克铰链，其中RP共同组成一个槽销副），其中连接机架的构件与滑块S 1231之间的移动副P和连接机架的构件与滑块S 2232之间的移动副P是输入驱动运动副，机构的第一支链23实现动平台21在X轴方向和Y轴方向上的一维转动；并联机构(2-PRP)-UP 包括：滑块S 1231、滑块S 2232、机床机架1滑道R 1、机床机架1滑道R 2、连杆L 1233、花键轴L 2234、分体式虎克铰235、动平台21以及各运动副；所述的运动副包括有：连接机架的构件与滑块S 1231之间的移动副P、连接滑块S 1231与连杆L 1233之间的槽销副RP、连接机架的构件与滑块S 2232之间的移动副P、连接滑块S 2232与连杆L 1233之间的槽销副RP、连接连杆L 1233与花键轴L 2234之间的分体式虎克铰链U235、连接花键轴L 2234与动平台21之间的移动副P；机构的第一支链23中连接机架的构件与滑块S 1231、滑块S 2232的两个移动副P轴线相互平行，且与所对应的连接滑块S 1231、滑块S 2232与连杆L 1233之间的槽销副RP中的转动副轴线垂直；其中连接机架的构件与滑块S 1231之间的移动副P、连接机架的构件与滑块S 2232之间的移动副P是输入驱动运动副。
如图4所示，所述的并联加工模块2的第二支链24为PRCP型串联运动支链（C代表圆柱副），其中连接滑块S 3241与连杆L 5242之间的转动副R和连接机架的构件与滑块S 3241之间的移动副P轴线相互垂直，和连接连杆L 5242与花键轴L 2234之间的圆柱副C轴线保持空间垂直，此支链包括有：滑块S 3241、连杆L 5242、花键轴L 2234、动平台21以及各运动副，所述的运动副包括有：连接机架的构件与滑块S 3241之间的移动副P、连接滑块S 3241与连杆L 5242之间的转动副R、连接连杆L 5242与花键轴L 2234之间的圆柱副C、连接花键轴L 2234与动平台21之间的移动副P；连接机架的构件与滑块S 3241之间的移动副P是输入驱动运动副。
如图5所示，所述的并联加工模块2的第三支链25为PPRR型串联运动支链。其中连接机架长导轨与滑块S 4251之间的移动副P、连接滑块S 4251与连杆L 4252之间的移动副P以及连接连杆L 4252与环形连杆L 3253之间的转动副R三个运动副轴线两两保持空间垂直，该支链包括有：滑块S 4251、连杆L 4252、环形连杆L 3253、花键轴L 2234以及各运动副。所述的运动副包括有：连接机架的构件与滑块S 4251之间的移动副P、连接滑块S 4251与连杆L 4252之间的移动副P、连接连杆L 4252与环形连杆L 3253之间的转动副R、连接环形连杆L 3253与花键轴L 2234之间的转动副R；连接机架长导轨与滑块S 4251之间的移动副P是输入驱动运动副。
如图2所示，所述的第一支链23或第二支链24中连接花键轴L 2234与动平台21之间的移动副P的轴线与第三支链25中连接环形连杆L 3253与花键轴L 2234之间的转动副R的轴线同轴。
如图2所示，所述的第一支链23、第二支链24和第三支链25并联形成的空间立体加工模块是关于YZ平面完全对称的。

Claims (5)

1.一种新型四自由度并联机床，其特征在于：包括沿Y轴方向设置有长直导轨的机床机架（1）以及并联加工模块（2），并联加工模块（2）包括动平台（21）、刀具（22）、第一支链（23）、第二支链（24）和第三支链（25），刀具（22）安装在动平台（21）上，动平台（21）上安装有第一支链（23）、第二支链（24）和第三支链（25）；所述的并联加工模块（2）实现其动平台（21）在YZ平面内的两维移动，并联加工模块安装在机床坐标沿Y轴方向设置的长直导轨上，并在Y轴方向添加有一个使并联加工模块沿Y轴方向滑动的输入驱动，使并联加工模块的动平台实现四个自由度运动；
所述的第一支链（23）包括滑块S 1（231）、滑块S 2（232）、机床机架（1）滑道R 1、机床机架（1）滑道R 2、连杆L 1（233）、花键轴L 2（234）、分体式虎克铰U（235）以及运动副；所述的运动副包括有连接机架的构件与滑块S 1（231）之间的移动副P，连接滑块S 1（231）与连杆L 1（233）之间的槽销副RP，连接机床机架（1）的构件与滑块S 2（232）之间的移动副P，连接滑块S 2（232）与连杆L 1（233）之间的槽销副RP，连接连杆L 1（233）与花键轴L 2（234）之间的分体式虎克铰链U（235），连接花键轴L 2（234）与动平台（21）之间的移动副P；第一支链（23）中连接机床机架（1）的构件与滑块S 1（231）、滑块S 2（232）的两个移动副P轴线相互平行，且与所对应的连接滑块S 1（231）、滑块S 2（232）与连杆L 1（233）之间的槽销副RP中的转动副轴线垂直；其中连接机床机架（1）的构件与滑块S 1（231）之间的移动副P、连接机架的构件与滑块S 2（232）之间的移动副P是输入驱动运动副。
2.根据权利要求1所述的新型四自由度并联机床，其特征在于：所述的第二支链（24）包括滑块S 3（241）、连杆L 5（242）、花键轴L 2（234）以及运动副，所述的运动副包括连接机床机架（1）的构件与滑块S 3（241）之间的移动副P，连接滑块S 3（241）与连杆L 5（242）之间的转动副R，连接连杆L 5（242）与花键轴L 2（234）之间的圆柱副C，连接花键轴L 2（234）与动平台（21）之间的移动副P；连接机床机架（1）的构件与滑块S 3（241）之间的移动副P是输入驱动运动副，其中连接滑块S 3（241）与连杆L 5（242）之间的转动副R和连接机床机架（1）的构件与滑块S 3（241）之间的移动副P轴线相互垂直，和连接连杆L 5（242）与花键轴L 2（234）之间的圆柱副C轴线保持空间垂直。
3.根据权利要求2所述的新型四自由度并联机床，其特征在于：所述的第三支链（25）包括滑块S 4（251）、连杆L 4（252）、环形连杆L 3（253）、花键轴L 2（234）以及运动副，运动副包括连接机床机架（1）的构件与滑块S 4（251）之间的移动副P，连接滑块S 4（251）与连杆L 4（252）之间的移动副P，连接连杆L 4（252）与环形连杆L 3（253）之间的转动副R，连接环形连杆L 3（253）与花键轴L 2（234）之间的转动副R；连接机床机架（1）长直导轨与滑块S 4（251）之间的移动副P是输入驱动运动副，其中连接机架长直导轨与滑块S 4（251）之间的移动副P、连接滑块S 4（251）与连杆L 4（252）之间的移动副P以及连接连杆L 4（252）与环形连杆L 3（253）之间的转动副R三个运动副轴线两两保持空间垂直。
4.根据权利要求3所述的新型四自由度并联机床，其特征在于：所述的第一支链（23）或第二支链（24）中连接花键轴L 2（234）与动平台（21）之间的移动副P的轴线与第三支链（25）中连接环形连杆L 3（253）与花键轴L 2（234）之间的转动副R的轴线同轴。
5.根据权利要求4所述的新型四自由度并联机床，其特征在于：所述的第一支链（23）、第二支链（24）和第三支链（25）并联形成的空间立体加工模块是关于YZ平面完全对称的。
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