CN1098745C - 五自由度五轴并联虚拟轴机床 - Google Patents
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Abstract
一种五自由度五轴并联虚拟轴机床，其结构是运动台通过五支连杆与固定台连接，五支连杆通过铰链与运动台连接，五支连杆通过运动副与固定台连接，每支连杆可以是伸缩连杆，也可以是定长连杆。运动台上装着电主轴和刀具。本发明系统运动非线性度和耦合度明显降低、加工装配工艺性好、造价低，可广泛用于空间曲面(如模具、叶轮、螺旋齿轮等)的加工中。
Description
本发明属于机械制造领域，特别涉及一种五自由度五轴并联虚拟轴机床。
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(VirtualAxis Machine Tool)，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。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)：25-24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)：42-45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。另外国内外尚未发现五自由度五轴并联机构。
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五自由度五轴并联虚拟轴机床(FG5VPMT)。
本发明的技术解决方案如下：
五自由度五轴并联虚拟轴机床的结构是，运动台通过五支连杆与固定台连接，五支连杆与运动台的连接是分布在运动台上的铰链，五支连杆与固定台的连接是分布在固定台上的运动副。运动台上装着电主轴和刀具。
五支连杆中每支连杆可以是伸缩连杆，也可以是定长连杆。
固定台上的运动副是铰链或移动副或转动副。
移动副是由固定台面板上的滑道和滑块组成，滑块装在滑道上，滑块上装着铰链，定长连杆通过铰链与滑块连接。
转动副是在固定台的固定轴上连接着曲柄，曲柄的另一端装着铰链，定长连杆通过铰链与曲柄连接。
铰链可以是球铰，也可以是虎克铰。
五支连杆中必须有一支连杆与运动台和固定台连接的两端都是虎克铰，其余四支连杆中每支连杆与运动台和固定台或固定台上滑块的连接两端必须都是球铰，或一端是球铰，另一端是虎克铰。
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，易制造等特点。
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，控制算法简单，造价低。
3、本发明五自由度五轴并联虚拟轴机床加工装配工艺性好。
4、本发明五自由度五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FG5VPMT-1型五自由度五轴并联虚拟轴机床的结构示意图；
图2是本发明FG5VPMT-1型五自由度五轴并联虚拟轴机床的机构简图；
图3是本发明FG5VPMT-2型五自由度五轴并联虚拟轴机床的结构示意图；
图4是本发明FG5VPMT-2型五自由度五轴并联虚拟轴机床的机构简图；
图5是本发明FG5VPMT-3型五自由度五轴并联虚拟轴机床的结构示意图；
图6是本发明FG5VPMT-3型五自由度五轴并联虚拟轴机床的机构简图；
图7是本发明FG5VPMT-4型五自由度五轴并联虚拟轴机床的结构示意图；
图8是本发明FG5VPMT-4型五自由度五轴并联虚拟轴机床的机构简图。
图9是本发明FG5VPMT-5型五自由度五轴并联虚拟轴机床的结构示意图；
图10是本发明FG5VPMT-5型五自由度五轴并联虚拟轴机床的机构简图；
图11是本发明FG5VPMT-6型五自由度五轴并联虚拟轴机床的结构示意图；
图12是本发明FG5VPMT-6型五自由度五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：FG5VPMT-1型五自由度五轴并联虚拟轴机床
FG5VPMT-1型五自由度五轴并联虚拟轴机床结构如图1、图2所示，运动台(20)通过五支连杆(3)、(9)、(10)、(16)、(19)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，五支连杆与运动台连接的运动副分布在运动台的三个互相垂直平面上。两个双支定长连杆(3)和(9)、(16)和(19)分别通过球铰(2)和(6)、(26)和(27)与运动台两个垂直平面连接，两个双支定长连杆(3)和(9)、(16)和(19)分别通过虎克铰(4)和(8)、(24)和(25)与固定台侧面板(1)、背面板(14)上的滑块(5)和(7)、(15)和(18)连接，滑块(5)和(7)装在侧面板(1)的滑道上，滑块(15)和(18)装在背面板(14)的滑道上。单支定长连杆(10)的一端通过虎克铰(17)与运动台的另一个平面连接，单支定长连杆(10)的另一端通过虎克铰(11)与固定台顶面板(12)上的滑块(13)连接，滑块(13)装在顶面板(12)的滑道内。运动台上装着电主轴和刀具(21)，底座(23)上装着加工工件(22)。
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、三支连杆及其虎克铰、球铰、移动副均为一体。滑块(5)、(7)、(13)、(15)、(18)、电主轴与外接动力源连接。运动台(20)和刀具(21)通过滑块(5)、(7)、(13)、(15)、(18)的移动来实现沿XYZ轴的三维移动和绕X、Y轴的两维转动的五轴运动，从而完成对工件(22)的切削加工。
实施例2：FG5VPMT-2型五自由度五轴并联虚拟轴机床
FG5VPMT-2型五自由度五轴并联虚拟轴机床结构如图3、图4所示，运动台(46)通过五支连杆(30)、(36)、(37)、(42)、(45)与由三个互相垂直的侧面板(28)、顶面板(38)、背面板(40)组成的固定台连接，五支连杆与运动台连接的运动副分布在运动台的三个互相垂直平面上。两个双支定长连杆(30)和(36)、(42)和(45)分别通过球铰(29)和(33)、(52)和(53)与运动台两个垂直平面连接，两个双支定长连杆(30)和(36)、(42)和(45)分别通过虎克铰(31)和(35)、(50)和(51)与固定台侧面板(28)、背面板(40)上的滑块(32)和(34)、(41)和(44)连接，滑块(32)和(34)装在侧面板(28)的滑道上，滑块(41)和(44)装在背面板(40)的滑道上。单支伸缩连杆(37)的一端通过虎克铰(43)与运动台的另一个平面连接，单支伸缩连杆(37)的另一端通过虎克铰(39)与固定台顶面板(38)连接。运动台上装着电主轴和刀具(47)，底座(49)上装着加工工件(48)。滑块(32)、(34)、(41)、(44)、伸缩连杆(37)、电主轴与外接动力源连接。运动台(46)和刀具(47)通过滑块(32)、(34)、(41)、(44)和伸缩连杆(37)的移动来实现沿XYZ轴的三维移动和绕X、Y轴的两维转动的五轴运动，从而完成对工件(48)的切削加工。
实施例3：FG5VPMT-五型五自由度五轴并联虚拟轴机床
FG5VPMT-3型五自由度五轴并联虚拟轴机床结构如图5、图6所示，运动台(71)通过五支连杆(56)、(60)、(61)、(67)、(70)与由三个互相垂直的侧面板(54)、顶面板(63)、背面板(65)组成的固定台连接，五支连杆与运动台连接的运动副分布在运动台的三个互相垂直平面上。两个双支伸缩连杆(56)和(60)、(67)和(70)分别通过球铰(55)和(58)、(76)和(75)与运动台两个垂直平面连接，两个双支伸缩连杆(56)和(60)、(67)和(70)分别通过虎克铰(57)和(59)、(66)和(69)与固定台侧面板(54)、背面板(65)连接。单支定长连杆(61)的一端通过虎克铰(68)与运动台的另一个平面连接，单支定长连杆(61)的另一端通过虎克铰(62)与固定台顶面板(63)上的滑块(64)连接，滑块(64)装在顶面板(63)的滑道内。运动台上装着电主轴和刀具(72)，底座(74)上装着加工工件(73)。伸缩连杆(56)、(60)、(67)、(70)、滑块(64)、电主轴与外接动力源连接。运动台(71)和刀具(72)通过滑块(64)、四支伸缩连杆(56)和(60)、(67)和(70)的移动来实现沿XYZ轴的三维移动和绕X、Y轴的两维转动的五轴运动，从而完成对工件(73)的切削加工。
实施例4：FG5VPMT-4型五自由度五轴并联虚拟轴机床
FG5VPMT-4型五自由度五轴并联虚拟轴机床结构如图7、图8所示，运动台(93)通过五支连杆(79)、(83)、(84)、(89)、(92)与由三个互相垂直的侧面板(77)、顶面板(85)、背面板(87)组成的固定台连接，五支伸缩连杆与运动台连接的运动副分布在运动台的三个互相垂直平面上。五支伸缩连杆(79)、(83)、(84)、(89)、(92)分别通过虎克铰(80)、(82)、(86)、(88)、(91)与固定台侧面板(77)、顶面板(85)、背面板(87)连接。两个双支伸缩连杆(79)和(83)、(89)和(92)分别通过球铰(78)和(81)、(98)和(97)与运动台两个垂直平面连接。单支伸缩连杆(84)通过虎克铰(90)与运动台的另一个平面连接。运动台上装着电主轴和刀具(94)，底座(96)上装着加工工件(95)。五支伸缩连杆(79)、(83)、(84)、(89)、(92)、电主轴与外接动力源连接。运动台(93)和刀具(94)通过五支伸缩连杆(79)和(83)、(84)、(89)和(92)的移动来实现沿XYZ轴的三维移动和绕X、Y轴的两维转动的五轴运动，从而完成对工件(95)的切削加工。
实施例5：FG5VPMT-5型五自由度五轴并联虚拟轴机床
FG5VPMT-5型五自由度五轴并联虚拟轴机床结构如图9、图10所示，任意形状的运动台(119)通过五支定长连杆(103)、(104)、(105)、(115)、(116)与由侧面板(99)和(117)、顶面板(110)组成的任意形状的固定台连接，五支定长连杆与运动台连接的运动副分布在运动台上。四支定长连杆(103)、(104)、(115)、(116)分别通过球铰(100)、(101)、(125)、(118)和(106)、(123)、(111)、(114)与运动台(119)和固定台侧面板(99)、(117)上的滑块(107)、(124)、(112)、(113)连接，滑块(107)、(124)、(112)、(113)在侧面板(99)、(117)的滑道上，定长连杆(105)通过虎克铰(102)和(108)与固定台顶面板(110)上的滑块(109)连接，滑块(109)在顶面板(110)的滑道内。运动台上装着电主轴和刀具(120)，底座(122)上装着加工工件(121)。五支定长连杆(103)、(104)、(105)、(115)、(116)、电主轴与外接动力源连接。运动台(119)和刀具(120)通过滑块(107)、(124)、(109)、(112)、(113)的移动来实现沿XYZ轴的三维移动和绕X、Y轴的两维转动的五轴运动，从而完成对工件(121)的切削加工。
实施例6：FG5VPMT-6型五自由度五轴并联虚拟轴机床
FG5VPMT-6型五自由度五轴并联虚拟轴机床结构如图11、图12所示，任意形状的运动台(149)通过五支定长连杆(130)、(131)、(132)、(145)、(146)与由两个侧面板(126)、(147)和滑杆(138)、(140)、(141)组成的固定台连接，五支定长连杆与运动台连接的运动副分布在运动台上。四支定长连杆(130)、(132)、(145)、(146)分别通过球铰(127)、(129)、(154)、(148)和(133)、(153)、(143)、(144)与运动台(149)和固定台滑杆(138)、(141)上的滑块(135)、(137)、(139)、(142)连接，定长连杆(131)通过虎克铰(128)和(134)与固定台滑杆(140)上的滑块(136)连接。运动台上装着电主轴和刀具(150)，底座(152)上装着加工工件(151)。五支定长连杆(130)、(131)、(132)、(145)、(146)、电主轴与外接动力源连接。运动台(149)和刀具(150)通过滑块(135)、(137)、(139)、(136)、(142)的移动来实现沿XYZ轴的三维移动和绕X、Y轴的两维转动的五轴运动，从而完成对工件(151)的切削加工。
Claims (7)
1、一种五自由度五轴并联虚拟轴机床，包括固定台、运动台、连接固定台与运动台的连杆，运动台上装着电主轴和刀具，其特征在于：运动台通过五支连杆与固定台连接，五支连杆与运动台的连接是分布在运动台上的铰链，五支连杆与固定台的连接是分布在固定台上的运动副。
2、按照权利要求1所说的五自由度五轴并联虚拟轴机床，其特征在于：五支连杆中每支连杆可以是伸缩连杆，也可以是定长连杆。
3、按照权利要求1所说的五自由度五轴并联虚拟轴机床，其特在于：固定台上的运动副是铰链或移动副或转动副。
4、按照权利要求3所说的五自由度五轴并联虚拟轴机床，其特征在于：移动副是由固定台面板上的滑道和滑块组成，面板上有滑道，滑道上装着滑块，滑块上装着铰链，定长连杆通过铰链与滑块连接。
5、按照权利要求1或2或3或4所说的五自由度五轴并联虚拟轴机床，其特征在于：铰链可以是球铰，也可以是虎克铰。
6、按照权利要求5所说的五自由度五轴并联虚拟轴机床，其特征在于：五支连杆中必须有一支连杆与运动台和固定台或固定台上的滑块的连接都是虎克铰，其余四支连杆中每支连杆与运动台和固定台或固定台上的滑块的连接两端都是球铰。
7、按照权利要求5所说的五自由度五轴并联虚拟轴机床，其特征在于：五支连杆中必须有一支连杆与运动台和固定台或固定台上的滑块的连接都是虎克铰，其余四支连杆中每支连杆与运动台和固定台或固定台上滑块的连接两端一端是球铰，另一端是虎克铰。
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