CN109894883B - 一种能够绕定点转动的对称三轴并联主轴头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够绕定点转动的对称三轴并联主轴头，其包括运动基座、固定基座以及设置在运动基座和固定基座之间的三条结构相同的支链，支链包括驱动电机、第一支链杆、丝杠、移动滑块、第二支链杆以及虎克铰，第一支链杆的一个端部和固定基座相连，虎克铰包括设置在中间位置的第一虎克铰以及与运动基座相连的第二虎克铰，丝杠安装在第一支链杆上，移动滑块安装在丝杠上，丝杠的一个端部连接驱动电机，形成一个移动副，驱动电机和丝杠能够为移动滑块提供一个移动自由度。本发明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。

Description

一种能够绕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绕定点转动的对称三轴并联主轴头。

背景技术

并联主轴头相较于串联主轴头具有大大提高了机床的刚度，使加工精度和加工质量都有较大的改进。另外，由于其进给速度的提高，从而使高速、超高速加工更容易实现。由于这种机床具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度以及重量轻、机械结构简单、制造成本低、标准化程度高等优点，在许多领域都得到了成功的应用，因此受到学术界的广泛关注。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，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。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绕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。

具体地，本发明提供一种能够绕定点转动的对称三轴并联主轴头，其包括运动基座、固定基座以及设置在所述运动基座和固定基座之间的三条结构相同的支链，

所述支链包括驱动电机、第一支链杆、丝杠、移动滑块、第二支链杆以及虎克铰，所述第一支链杆的一个端部和固定基座相连，

所述虎克铰包括设置在中间位置的第一虎克铰以及与运动基座相连的第二虎克铰，

所述丝杠安装在所述第一支链杆上，所述移动滑块安装在丝杠上，所述丝杠的一个端部连接所述驱动电机，形成一个移动副，所述驱动电机和丝杠能够为移动滑块提供一个移动自由度，所述移动滑块的一个端部与第一虎克铰得一个端部相连，所述第一虎克铰的另一个端部与第二支链杆的一个端部相连，所述第二支链杆的另一个端部与第二虎克铰的一个端部相连，所述第二虎克铰的另一个端部与运动基座相连。

优选地，每个支链的所述第一支链杆之间通过固定模块相连。

优选地，所述第一虎克铰包括第一转轴、第二转轴和第一虎克铰连接件，所述第二虎克铰包括第三转轴、第四转轴和第二虎克铰连接件。

优选地，所述移动滑块的一个端部通过第一转轴和第一虎克铰连接件的一个端部相连，所述第一虎克铰连接件的另一个端部通过第二转轴与第二支链杆的一个端部相连，所述第二支链杆的另一个端部通过第三转轴与第二虎克铰连接件的一个端部相连，所述第二虎克铰连接件的另一个端部通过第四转轴和运动基座相连。

优选的，所述第一转轴的转动轴线和所述固定基座的端面之间呈第一夹角，且同一支链上的所述第四转轴的转动轴线和所述运动基座的端面之间呈第二夹角，所述第二夹角与第一夹角相等。

优选的，每一个支链的所述第一转轴的转动轴线与所述第四转轴的转动轴线相交于空间一点。优选地，所述第二转轴的轴线与所述第四转轴的轴线垂直设置，所述第二转轴的轴线与所述第三转轴的轴线相互平行。

优选的，所述驱动电机为伺服电机或直线电机。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

①本发明中的能够绕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，而且还能够实现绕刀尖点的定点转动功能。

②本发明标定容易和控制简单，有利于轨迹规划以及精度的提高。

③本发明的结构对称，运动特性也具备对称性,驱动部分和固定基座固连，因此机床的刚度较好。

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；以及

图5为本发明绕刀尖点转动示意图。

附图标记如下：

其中，1-加工主轴；2-运动基座；3-第四转轴；4-第二虎克铰连接件；5-第三转轴；6-第二支链杆；7-第二转轴；8-第一虎克铰连接件；9-第一转轴；10-移动滑块；11-丝杠；12-第一支链杆；13-伺服电机；14-固定模块；15-固定基座。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明的目的是提供一种能够绕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。

具体地，本发明提供一种能够绕定点转动的对称三轴并联主轴头，如图1至图3所示，其包括运动基座2、固定基座15以及设置在运动基座2和固定基座15之间的三条结构相同的支链。

支链包括驱动电机、第一支链杆12、丝杠11、移动滑块10、第二支链杆6以及虎克铰，第一支链杆12的一个端部和固定基座15相连，丝杠11安装在第一支链杆12上。

虎克铰包括设置在中间位置的第一虎克铰101以及与运动基座2相连的第二虎克铰102。第二支链杆6借助于第二虎克铰102与运动基座2连接，第二支链杆6借助于第一虎克铰101与第一支链杆12相连。

第一虎克铰101包括第一转轴9、第二转轴7和第一虎克铰连接件8，第二虎克铰102包括第三转轴5、第四转轴3和第二虎克铰连接件4。

移动滑块10安装在丝杠11上，丝杠11的一个端部连接驱动电机，形成一个移动副，驱动电机和丝杠11能够为移动滑块10提供一个移动自由度，移动滑块10的另一个端部通过第一转轴9和第一虎克铰连接件8的一个端部相连，第一虎克铰连接件8的另一个端部通过第二转轴7与第二支链杆6的一个端部相连，第二支链杆6的另一个端部通过第三转轴5与第二虎克铰连接件4的一个端部相连，第二虎克铰的另一个端部通过第四转轴3和运动基座2相连。

优选地，每个支链的第一支链杆12之间通过固定模块14相连。

优选地，第二转轴7与第四转轴3垂直设置。

优选的，第一转轴9的转动轴线和固定基座15的端面之间呈第一夹角，且同一支链上的第四转轴3的转动轴线和运动基座2的端面之间呈第二夹角，第二夹角与第一夹角相等。

优选的，每一个支链的第一转轴9的转动轴线与第四转轴3的转动轴线相交于空间一点，三个支链的第一转轴9的转动轴线与第四转轴3的转动轴线相交的点能够确定出一个平面。

优选的，丝杠11安装在第一支链杆12上，第一支链杆12安装在固定基座15上，丝杠11和移动滑块10组成移动副，移动滑块10的另一个端部和第二虎克铰通过第一转轴9相连。

优选的，第二转轴7的轴线与第三转轴5的轴线相互平行。

优选的，驱动电机为伺服电机13或直线电机。

优选地，实际应用中，三个支链中移动副的长度相同或各不相同。实际应用过程中，在不改变上述各构件连接关系和几何关系的前提下，仅改变支链某些部件的尺寸，控制三个支链中移动副的长度，能够控制三个交点所确定的平面的位置和姿态，当加工主轴1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机13和丝杠11的结构形式，为第一支链杆12和移动滑块10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，为支第一支链杆12和移动滑块10之间提供一个移动自由度。

实施例

请参考图1-4，如图1所示，本发明提供一种能够绕定点转动的对称三轴并联主轴头，包括固定基座15、运动基座2、固连在运动基座2上的加工主轴1、呈空间120°轴对称布置的在固定基座15和运动基座2之间的三条结构相同的支链。

三个支链之间通过固定模块14相连，增加了机床的刚度和稳定性。

如图2所示，支链结构如下所述：

第一支链杆12安装在固定基座15上，丝杠11安装在第一支链杆12上，丝杠11的一个端部与伺服电机13连接，移动滑块10安装在丝杠11上，伺服电机13和丝杠11，为移动滑块10提供一个移动自由度，移动滑块10另一个端部通过第一转轴9和第一虎克铰连接件8相连，第一虎克铰连接件8的另一个端部通过第二转轴7与第二支链杆6相连，第二支链杆6的另一个端部通过第三转轴5与第二虎克铰连接件4相连，第二虎克铰4的另一个端部通过第四转轴3和运动基座2相连。

第二转轴7的转动轴线7a和第三转轴5的转动轴线5a平行。

如图3所示，第四转轴3的转动轴线3a与固定基座15端面存在一个夹角为θ，第一转轴9的转动轴线9a与运动基座2端面的夹角也为θ，且第一转轴9的转动轴线9a与第四转轴3的转动轴线3a相交于空间一点A。

如图4所示，另外两个支链的第一转轴9和第四转轴3同样分别相交于点B和点C。三个交点A、B以及C确定一个平面S。

当各支链在伺服电机13的驱动下运动时，运动基座2和与之固连的加工主轴1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。

再其余的实施例中，运动基座2和与之固连的加工主轴1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，第一支链杆12安装在固定基座15上，丝杠11安装在第一支链杆12上，丝杠11的一个端部与伺服电机13连接，移动滑块10安装在丝杠11上，伺服电机13和丝杠11，为移动滑块10提供一个移动自由度。

移动滑块10另一个端部通过第一转轴9和第一虎克铰连接件8相连，第一虎克铰连接件8的另一个端部通过第二转轴7与第二支链杆6相连，第二支链杆6的另一个端部通过第三转轴5与第二虎克铰连接件4相连，第二虎克铰的另一个端部通过第四转轴3和运动基座2相连。

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，控制三个支链中移动副的长度，能够控制三个交点A，B，C所确定的平面S的位置和姿态，当加工主轴1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机13和丝杠11的结构形式，为第一支链杆12和移动滑块10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，为第一支链杆12和移动滑块10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，再其余的实施例中，本发明可使得固定基座15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。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

①本发明中的能够绕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，而且还能够实现绕刀尖点的定点转动功能。

②本发明标定容易和控制简单，有利于轨迹规划以及精度的提高。

③本发明的结构对称，运动特性也具备对称性,驱动部分和固定基座固连，因此机床的刚度较好。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种能够绕定点转动的对称三轴并联主轴头，其特征在于：其包括运动基座、固定基座以及设置在所述运动基座和固定基座之间的三条结构相同的支链，

所述支链包括驱动电机、第一支链杆、丝杠、移动滑块、第二支链杆以及虎克铰，所述第一支链杆的一个端部和固定基座相连，

所述虎克铰包括设置在中间位置的第一虎克铰以及与运动基座相连的第二虎克铰，

所述丝杠安装在所述第一支链杆上，所述移动滑块安装在丝杠上，所述丝杠的一个端部连接所述驱动电机，形成一个移动副，所述驱动电机和丝杠能够为移动滑块提供一个移动自由度，所述移动滑块的一个端部与第一虎克铰的一个端部相连，所述第一虎克铰的另一个端部与第二支链杆的一个端部相连，所述第二支链杆的另一个端部与第二虎克铰的一个端部相连，所述第二虎克铰的另一个端部与运动基座相连；

所述第一虎克铰包括第一转轴、第二转轴和第一虎克铰连接件，所述第二虎克铰包括第三转轴、第四转轴和第二虎克铰连接件；

所述第一转轴的转动轴线和所述固定基座的端面之间呈第一夹角，且同一支链上的所述第四转轴的转动轴线和所述运动基座的端面之间呈第二夹角，所述第二夹角与第一夹角相等；

每一个支链的所述第一转轴的转动轴线与所述第四转轴的转动轴线相交于空间一点。

2.根据权利要求1所述的能够绕定点转动的对称三轴并联主轴头，其特征在于：每个支链的所述第一支链杆之间通过固定模块相连。

3.根据权利要求1所述的能够绕定点转动的对称三轴并联主轴头，其特征在于：所述移动滑块的一个端部通过第一转轴和第一虎克铰连接件的一个端部相连，所述第一虎克铰连接件的另一个端部通过第二转轴与第二支链杆的一个端部相连，所述第二支链杆的另一个端部通过第三转轴与第二虎克铰连接件的一个端部相连，所述第二虎克铰连接件的另一个端部通过第四转轴和运动基座相连。

4.根据权利要求1所述的能够绕定点转动的对称三轴并联主轴头，其特征在于：所述第二转轴的轴线与所述第四转轴的轴线垂直设置，所述第二转轴的轴线与所述第三转轴的轴线相互平行。

5.根据权利要求1所述的能够绕定点转动的对称三轴并联主轴头，其特征在于：所述驱动电机为伺服电机或直线电机。

Images