CN110026786B - 一种具有可重构特性的大行程五自由度混联机床 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有可重构特性的大行程五自由度混联机床，包括举升调节装置、五条结构相同的并联机构驱动支链、一条被动约束支链、动平台以及主轴头，五条结构相同的并联机构驱动支链一端与举升调节装置连接，另一端与动平台连接，被动约束支链一端连接于动平台的中心，另一端与举升调节装置连接，机床主轴头安装于动平台末端。该混联机床并联机构部分具有三维移动和两维转动，能够满足大尺寸箱体复杂曲面以及表面局部凸起的加工需求；Z向运动由举升调节装置和并联机构两级叠加，具有较大的Z向行程，能够满足箱体大工作空间的加工需求；同时，举升调节装置能够不断的改变并联机构的结构倾角，使得机构具有可重构特性，能够满足不同的加工需求。

Description

一种具有可重构特性的大行程五自由度混联机床

技术领域

本发明属于数控机床技术领域，具体涉及一种能够满足航空航天领域超大型箱体端面复杂自由曲面加工的新型具有可重构特性的五自由度混联机床。

背景技术

航空航天领域超大型圆柱箱体表面复杂曲面的等厚加工，由于箱体结构尺寸巨大，要求加工空间超大；箱体为薄壁结构，变形严重，传统的成型加工方法无法满足加工需求；箱体表面凸起结构复杂，要求加工装备有较高的灵巧性。传统五轴联动数控机床，能够加工复杂曲面零件，但由于加工箱体尺寸巨大，无法满足加工空间的需求，同时存在累计误差，很难保证加工的质量。工业机器人与传统数控机床同属于串联机构，具有灵活性好，工作空间大等优点，但难以达到高刚度、高精度要求的理想效果。虚拟轴并联机床有结构刚度高、响应速度快、多功能灵活性强、加工精度高等特点，但其工作空间小，无法满足加工需求。

因为存在这一系列的技术难题，目前超大型圆柱箱体表面复杂曲面的等厚加工主要采用手工铣削的方式，这样势必存在成本高，周期长，加工质量依赖于工人技术的熟练程度，致使难以达到精度的加工要求。因此，亟需设计满足箱体等厚加工需求的加工装备。研究发现，串并混联机构通过合理的结构配置，可以实现大工作空间、较高的灵巧度、高精度，可以为航空航天领域超大型圆柱箱体表面复杂曲面的等厚加工难题提供较好的解决方案。

发明内容

为了解决航空航天领域超大型圆柱箱体表面复杂曲面的等厚加工存在的技术难题，本发明提出了一种具有可重构特性的大行程五自由度混联机床，该混联机床并联机构部分具有三维移动和两维转动，能够满足大尺寸箱体复杂曲面以及表面局部凸起的加工需求；Z向运动由举升调节装置和并联机构两级叠加，具有较大的Z向行程，能够满足箱体大工作空间的加工需求；同时，举升调节装置能够不断的改变并联机构的结构倾角，使得机构具有可重构特性，能够满足不同的加工需求。

本发明所采用的技术方案是，一种具有可重构特性的大行程五自由度混联机床，包括举升调节装置、五条结构相同的并联机构驱动支链、一条被动约束支链、动平台以及机床主轴头，五条结构相同的并联机构驱动支链一端与举升调节装置连接，另一端与动平台连接，被动约束支链一端连接于动平台的中心，另一端与举升调节装置中心连接，机床主轴头安装于动平台末端；

举升调节装置包括中心大锥齿轮、五个结构相同的驱动装置、五个结构相同的剪叉型杆组、五个结构相同的PRR被动分支；五个结构相同的驱动装置包括小锥齿轮、丝杠、丝杠螺母滑块、基座导轨，小锥齿轮位于丝杠的一端，丝杠与丝杠螺母滑块相匹配，丝杠螺母滑块与基座导轨相匹配，驱动装置的一端通过小锥齿轮与中心大锥齿轮相配合；五个结构相同的PRR被动分支包括第一移动副滑块、第一转动副R、R副连杆、第二转动副R、滑动导杆，滑动导杆与第一移动副滑块相匹配，R副连杆通过第一转动副R与第一移动副滑块相连接；剪叉型杆组包括连接杆、连接件、中枢轴，两个连接杆通过中枢轴连接形成剪叉杆，剪叉杆通过连接件首尾相连组成剪叉型杆组，连接杆通过中枢轴与连接件相连接，剪叉型杆组的一端与相邻的两个驱动装置的丝杠螺母滑块通过连接件连接，剪叉型杆组的另一端与相邻的两个PRR被动分支的第一移动副滑块通过连接件相连接；

五条结构相同的并联机构驱动支链均匀的分布在举升调节装置的R副连杆上，五条结构相同的并联机构驱动支链为PUS型分支，包括移动副滑杆P、第二移动副滑块、第一虎克铰U、第一连杆、复合球铰S，移动副滑杆P与R副连杆为同一部件，第一连杆通过第一虎克铰U与第二移动副滑块相连接，第二移动副滑块设置在R副连杆上进行滑动，第一连杆通过复合球铰S与动平台相连接，其连接点构成对称五边形；

被动约束支链为(2UR)-PU型分支，包括三个第二虎克铰U、两个第三转动副R、两个第二连杆、第三连杆、第四连杆、摇摆杆、推杆，两个第二虎克铰U与两个第三转动副R通过两个第二连杆、第三连杆和第四连杆连接组成闭环结构，两个第二虎克铰U与第四连杆相连接，两个第二虎克铰U设置在第四连杆的两侧，两个第三转动副R与第三连杆相连接，两个第三转动副R设置在第三连杆的两侧，第二虎克铰U与第三转动副R通过第二连接杆相连接，第三连杆位于闭环结构的外部，第三连杆与摇摆杆连接，推杆一端设置在摇摆杆顶端且与摇摆杆滑动连接，推杆另一端与第二虎克铰U连接，被动约束支链通过第二虎克铰U与动平台的中心连接。

进一步地，举升调节装置还包括驱动电机、基座和举升调节固定平台，驱动电机固定在基座上，并与中心大锥齿轮连接，被动约束支链与举升调节装置的举升调节固定平台中心相连接，R副连杆通过第二转动副R与举升调节固定平台相连接，基座导轨与基座相连接。

进一步地，PRR被动分支包括导杆基座，导杆基座上设有与第一移动副滑块相匹配的滑动轨道，滑动导杆设置在滑动轨道上。

进一步地，五个驱动装置的小锥齿轮与中心大齿轮均匀配合，五个驱动装置呈轴对称均匀分布，五个剪叉型杆组通过连接件呈正五边形配置，PRR被动分支中的移动副P(第一移动副滑块与滑动导杆配合形成移动副P)是被动的，第一转动副R和第二转动副R的轴线互相平行。

进一步地，五条并联机构驱动支链的移动副滑杆P导路方向与第一虎克铰U的第一转动轴线(即第一虎克铰U与第二移动副滑块连接的转动轴轴线)相垂直，并联机构驱动支链的移动副(第二移动副滑块与移动副滑杆P配合形成移动副)为主动副，被动约束支链中两个第二虎克铰U与两个第三转动副R组成闭环结构，且不含驱动副。

本发明的有益效果是：(1)具有可重构特性，举升调节装置能够不断的改变并联机构的结构倾角，使得机构具有可重构特性；(2)工作空间大，机床Z向运动由举升调节装置和并联机构两级叠加，具有较大的Z向行程，实现较大的工作空间；(3)精度高，并联机构的局部加工，在Z向具有较大行程的同时消除累计误差，提高加工精度；(4)多轴联动，并联机构部分具有五自由度，能够满足复杂曲面的加工需求。

附图说明

图1是本发明的具有可重构特性的大行程混联机床的整体结构示意图；

图2是本发明的举升调节装置的结构示意图；

图3是本发明的驱动装置的结构示意图；

图4是本发明的剪叉型杆组的结构示意图；

图5是本发明的PRR被动分支的结构示意图；

图6是本发明的并联机构驱动支链PUS的结构示意图；

图7是本发明的并联机构被动约束支链(2UR)-PU的结构示意图。

附图标记说明：

图1中：1.举升调节装置，2.并联机构驱动支链，3.被动约束支链，4.动平台，5.主轴头；

图2中：1-1.驱动电机，1-2.中心大锥齿轮，1-3.基座，1-4.驱动装置，1-5.剪叉型杆组，1-6.PRR被动分支，1-7.举升调节固定平台；

图3中：1-4-1.小锥齿轮，1-4-2.丝杠，1-4-3.丝杠螺母滑块，1-4-4.丝杠支座，1-4-5.基座导轨；

图4中：1-5-1.连接杆，1-5-2.连接件，1-5-3.中枢轴；

图5中：1-6-1.导杆基座，1-6-2.第一移动副滑块，1-6-3.第一转动副R，1-6-4.R副连杆，1-6-5.第二转动副R，1-6-6.滑动导杆；

图6中：2-2.第二移动副滑块，2-3.第一虎克铰U，2-4.第一连杆，2-5.复合球铰S；

图7中：3-1、3-6、3-9.第二虎克铰U，3-2、3-8.第二连杆，3-3、3-7.第三转动副R，3-4.摇摆杆，3-5.推杆，3-10.第三连杆，3-11.第四连杆。

具体实施方式

本发明的一种具有可重构大行程五自由度混联机床结合附图及实施例进一步详细说明。

一种具有可重构特性的大行程五自由度混联机床，如图1所示，包括举升调节装置1、五条结构相同的并联机构驱动支链2、一条被动约束支链3、动平台4以及机床主轴头5，五条结构相同的并联机构驱动支链2一端与举升调节装置1连接，另一端与动平台4连接，被动约束支链3一端连接于动平台4的中心，另一端与举升调节装置1中心连接，机床主轴头5安装于动平台4末端。

举升调节装置1，如图2所示，包括驱动电机1-1、中心大锥齿轮1-2、基座1-3、五个结构相同的驱动装置1-4、五个结构相同的剪叉型杆组1-5、五个结构相同的PRR被动分支1-6、举升调节固定平台1-7，驱动电机1-1固定在基座1-3上，并与中心大锥齿轮1-2连接。

五个结构相同的驱动装置1-4，如图3所示，包括小锥齿轮1-4-1、丝杠1-4-2、丝杠螺母滑块1-4-3、丝杠支座1-4-4、基座导轨1-4-5，小锥齿轮1-4-1位于丝杠1-4-2的一端，丝杠1-4-2与丝杠螺母滑块1-4-3相匹配，丝杠螺母滑块1-4-3与基座导轨1-4-5相匹配，基座导轨1-4-5的两端分别设有丝杠支座1-4-4，丝杠支座1-4-4与丝杠螺母滑块1-4-3平行设置，丝杠支座1-4-4上设有与丝杠1-4-2相配合中的圆孔，丝杠1-4-2能绕丝杠支座1-4-4中的圆孔轴线转动，驱动装置1-4的一端通过小锥齿轮1-4-1与中心大锥齿轮1-2相配合，基座导轨1-4-5与基座1-3相连接，五个驱动装置1-4的小锥齿轮1-4-1与中心大齿轮1-2均匀配合，五个驱动装置1-4呈轴对称均匀分布。

五个结构相同的PRR被动分支1-6，如图5所示，包括导杆基座1-6-1、第一移动副滑块1-6-2、第一转动副R1-6-3、R副连杆1-6-4、第二转动副R1-6-5、滑动导杆1-6-6，滑动导杆1-6-6与第一移动副滑块1-6-2相匹配，R副连杆1-6-4通过第一转动副R1-6-3与第一移动副滑块1-6-2相连接，导杆基座1-6-1上设有与第一移动副滑块1-6-2相匹配的滑动轨道，滑动导杆1-6-6设置在滑动轨道上，R副连杆1-6-4通过第二转动副R1-6-5与举升调节固定平台1-7相连接，五条结构相同的驱动支链2均匀的分布在举升调节装置1的R副连杆1-6-4上，PRR被动分支1-6中的移动副P(第一移动副滑块1-6-2与滑动导杆1-6-6配合形成移动副P)是被动的，第一转动副R1-6-3和第二转动副R1-6-5的轴线互相平行。

剪叉型杆组1-5，如图4所示，包括连接杆1-5-1、连接件1-5-2、中枢轴1-5-3，两个连接杆1-5-1通过中枢轴1-5-3连接形成剪叉杆，剪叉杆通过连接件1-5-2首尾相连组成剪叉型杆组1-5，连接杆1-5-1通过中枢轴1-5-3与连接件1-5-2相连接，剪叉型杆组1-5的一端与相邻的两个驱动装置1-4的丝杠螺母滑块1-4-3通过连接件1-5-2连接，剪叉型杆组1-5的另一端与相邻的两个PRR被动分支1-6的第一移动副滑块1-6-2通过连接件1-5-2相连接，五个剪叉型杆组1-5通过连接件1-5-2呈正五边形配置。

五条结构相同的驱动支链2为PUS型分支，如图6所示，包括移动副滑杆P、第二移动副滑块2-2、第一虎克铰U2-3、第一连杆2-4、复合球铰S2-5，移动副滑杆P与R副连杆1-6-4为同一部件，第一连杆2-4通过第一虎克铰U2-3与第二移动副滑块2-2相连接，第二移动副滑块2-2设置在R副连杆1-6-4上进行滑动，第一连杆2-4通过复合球铰S2-5与动平台4相连接，其连接点构成对称五边形，五条驱动支链2的移动副滑杆P导路方向与第一虎克铰U2-3的第一转动轴线(即第一虎克铰U2-3与第二移动副滑块2-2连接的转动轴轴线)相垂直，并联机构驱动支链2的移动副(第二移动副滑块2-2与移动副滑杆P配合形成移动副)为主动副。

被动约束支链3为(2UR)-PU型分支，如图7所示，包括三个第二虎克铰U3-1、3-6、3-9、两个第三转动副R3-3、3-7、两个第二连杆3-2、3-8、第三连杆3-10、第四连杆3-11、摇摆杆3-4、推杆3-5，两个第二虎克铰U3-1、3-9与两个第三转动副R3-3、3-7通过两个第二连杆3-2、3-8、第三连杆3-10和第四连杆3-11连接组成闭环结构，两个第二虎克铰U3-1、3-9与第四连杆3-11相连接，两个第二虎克铰U3-1、3-9设置在第四连杆3-11的两侧，两个第三转动副R3-3、3-7与第三连杆3-10相连接，两个第三转动副R3-3、3-7设置在第三连杆3-10的两侧，第二虎克铰U3-1、3-9与第三转动副R3-3、3-7通过第二连接杆3-2、3-8相连接，第三连杆3-10位于闭环结构的外部，第三连杆3-10与摇摆杆3-4连接，推杆3-5一端设置在摇摆杆3-4顶端且与摇摆杆3-4滑动连接，推杆3-5另一端与第二虎克铰U3-6连接，被动约束支链3通过第二虎克铰U3-6与动平台4的中心连接，被动约束支链3与举升调节装置1的举升调节固定平台1-7中心连接，被动约束支链3中两个第二虎克铰U3-1、3-9与两个第三转动副R3-3、3-7组成闭环结构，且不含驱动副。

一种具有可重构特性的大行程五自由度混联机床，一方面，举升调节装置1中的驱动电机1-1可带动中心大锥齿轮1-2转动，同时能传动到小锥齿轮1-4-1，并带动丝杠1-4-2转动，使与丝杠1-4-2相配合的丝杠螺母滑块1-4-3能沿丝杠1-4-2轴线平移，并带动剪叉型杆组1-5往复伸展收缩，使动平台4和机床主轴头5能沿竖直方向大行程的往复移动；另一方面，五条结构相同的并联机构驱动支链2中的第二移动副滑块2-2能沿R副连杆1-6-4往复移动，使动平台4和机床主轴头5具有空间三维移动和两维转动的五自由度。

本发明具有工作空间大、姿态能力强、动态性能好等优点，能够实现三维移动和两维转动，可用于超大型圆柱箱体端面复杂曲面的五轴加工。

本发明专利所述的具有可重构特性的大行程五自由度混联机床的实施方式不局限于以上实施例所描述的实施例形式，根据本发明公开的内容，所属技术领域的技术人员还可以采取其他的具体方式进行实施，因此，实施例不能理解为本发明仅可以实施的具体实施方式。

Claims (5)

1.一种具有可重构特性的大行程五自由度混联机床，其特征在于，包括举升调节装置(1)、五条结构相同的并联机构驱动支链(2)、一条被动约束支链(3)、动平台(4)以及机床主轴头(5)，五条相同的所述并联机构驱动支链(2)一端与所述举升调节装置(1)连接，另一端与所述动平台(4)连接，所述被动约束支链(3)一端连接于所述动平台(4)的中心，另一端与所述举升调节装置(1)中心连接，所述机床主轴头(5)安装于所述动平台(4)末端；

所述举升调节装置(1)包括中心大锥齿轮(1-2)、五个结构相同的驱动装置(1-4)、五个结构相同的剪叉型杆组(1-5)、五个结构相同的PRR被动分支(1-6)、举升调节固定平台(1-7)，所述被动约束支链(3)与所述举升调节装置(1)的所述举升调节固定平台(1-7)中心连接；

五个结构相同的所述驱动装置(1-4)包括小锥齿轮(1-4-1)、丝杠(1-4-2)、丝杠螺母滑块(1-4-3)、基座导轨(1-4-5)，所述小锥齿轮(1-4-1)位于所述丝杠(1-4-2)的一端，所述丝杠(1-4-2)与所述丝杠螺母滑块(1-4-3)相匹配，所述丝杠螺母滑块(1-4-3)与所述基座导轨(1-4-5)相匹配，所述驱动装置(1-4)的一端通过所述小锥齿轮(1-4-1)与所述中心大锥齿轮(1-2)相配合；

五个结构相同的所述PRR被动分支(1-6)包括第一移动副滑块(1-6-2)、第一转动副R(1-6-3)、R副连杆(1-6-4)、第二转动副R(1-6-5)、滑动导杆(1-6-6)，所述滑动导杆(1-6-6)与所述第一移动副滑块(1-6-2)相匹配，所述R副连杆(1-6-4)通过所述第一转动副R(1-6-3)与所述第一移动副滑块(1-6-2)相连接，所述R副连杆(1-6-4)通过所述第二转动副R(1-6-5)与所述举升调节固定平台(1-7)相连接；

所述剪叉型杆组(1-5)包括连接杆(1-5-1)、连接件(1-5-2)、中枢轴(1-5-3)，两个所述连接杆(1-5-1)通过所述中枢轴(1-5-3)连接形成剪叉杆，所述剪叉杆通过所述连接件(1-5-2)首尾相连组成所述剪叉型杆组(1-5)，所述连接杆(1-5-1)通过所述中枢轴(1-5-3)与所述连接件(1-5-2)相连接，所述剪叉型杆组(1-5)的一端与相邻的两个所述驱动装置(1-4)的所述丝杠螺母滑块(1-4-3)通过所述连接件(1-5-2)连接，所述剪叉型杆组(1-5)的另一端与相邻的两个所述PRR被动分支(1-6)的所述第一移动副滑块(1-6-2)通过所述连接件(1-5-2)相连接，五个所述剪叉型杆组(1-5)通过所述连接件(1-5-2)呈正五边形配置；

五条结构相同的所述并联机构驱动支链(2)为PUS型分支，包括移动副滑杆P、第二移动副滑块(2-2)、第一虎克铰U(2-3)、第一连杆(2-4)、复合球铰S(2-5)，所述移动副滑杆P与所述R副连杆(1-6-4)为同一部件，所述第一连杆(2-4)通过所述第一虎克铰U(2-3)与所述第二移动副滑块(2-2)相连接，所述第二移动副滑块(2-2)设置在所述R副连杆(1-6-4)上进行滑动，所述第一连杆(2-4)通过所述复合球铰S(2-5)与所述动平台(4)相连接，其连接点构成对称五边形，五条结构相同的所述并联机构驱动支链(2)均匀的分布在所述举升调节装置(1)的所述R副连杆(1-6-4)上；

所述被动约束支链(3)为(2UR)-PU型分支，包括三个第二虎克铰U(3-1、3-6、3-9)、两个第三转动副R(3-3、3-7)、两个第二连杆(3-2、3-8)、第三连杆(3-10)、第四连杆(3-11)、摇摆杆(3-4)、推杆(3-5)，两个所述第二虎克铰U(3-1、3-9)与两个所述第三转动副R(3-3、3-7)通过两个所述第二连杆(3-2、3-8)、第三连杆(3-10)和第四连杆(3-11)连接组成闭环结构，所述第三连杆(3-10)位于闭环结构的外部，所述第三连杆(3-10)与所述摇摆杆(3-4)连接，所述推杆(3-5)一端设置在所述摇摆杆(3-4)顶端且与所述摇摆杆(3-4)滑动连接，所述推杆(3-5)另一端与所述第二虎克铰U(3-6)连接，所述被动约束支链(3)通过所述第二虎克铰U(3-6)与所述动平台(4)的中心连接。

2.根据权利要求1所述的具有可重构特性的大行程五自由度混联机床，其特征在于，所述举升调节装置(1)还包括驱动电机(1-1)、基座(1-3)，所述驱动电机(1-1)固定在所述基座(1-3)上，并与所述中心大锥齿轮(1-2)连接，所述基座导轨(1-4-5)与所述基座(1-3)相连接。

3.根据权利要求1所述的具有可重构特性的大行程五自由度混联机床，其特征在于，所述PRR被动分支(1-6)还包括导杆基座(1-6-1)，所述导杆基座(1-6-1)上设有与所述第一移动副滑块(1-6-2)相匹配的滑动轨道，所述滑动导杆(1-6-6)设置在滑动轨道上。

4.根据权利要求1-3任一所述的具有可重构特性的大行程五自由度混联机床，其特征在于，五个所述驱动装置(1-4)的所述小锥齿轮(1-4-1)与所述中心大齿轮(1-2)均匀配合，五个所述驱动装置(1-4)呈轴对称均匀分布，所述PRR被动分支(1-6)中的移动副P是被动的，所述第一转动副R(1-6-3)和第二转动副R(1-6-5)的轴线互相平行。

5.根据权利要求1-3任一所述的具有可重构特性的大行程五自由度混联机床，其特征在于，五条所述并联机构驱动支链(2)的移动副滑杆P导路方向与所述第一虎克铰U(2-3)的第一转动轴线相垂直，所述并联机构驱动支链(2)的移动副为主动副，所述被动约束支链(3)中两个所述第二虎克铰U(3-1、3-9)与两个所述第三转动副R(3-3、3-7)组成闭环结构，且不含驱动副。

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