CN110293247A - 并联型钻床的刚度增强装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联型钻床的刚度增强装置，包括1PT+3TPS并联机构的并联钻床，还包括6TPS型并联机构，6TPS型并联机构包括第一固定平台和长度可伸缩的六条第一周边腿，第一固定平台与并联钻床的机架刚性连接，六条第一周边腿通过虎克铰与第一固定平台连接，六条第一周边腿通过球铰与动平台连接；当1PT+3TPS并联机构的并联钻床在钻头的调姿过程中，六条第一周边腿为从动腿，不会干涉钻头调姿运动，当1PT+3TPS并联机构的并联钻床的钻头姿态调整到位时，六条从动腿长度锁死，切换为定长腿，使整个1PT+3TPS型并联机构的并联钻床的刚度得到增强。本发明还公开了一种并联型钻床的刚度增强装置的控制方法，本发明大大增加了钻孔系统的抗扭刚度，可有效保障机床的加工精度。

Description

并联型钻床的刚度增强装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及机械加工机床技术领域，特别是一种并联型钻床的刚度增强装置及其控制方法。

背景技术

在申请号为201610885614.1的专利文献中提出了如图1和图2所示的一种基于1PT+3TPS并联机构的并联钻床，图1为1PT+3TPS并联机构示意图，图2为1PT+3TPS并联机构的并联钻床轴测图，它包括第二固定平台、安装钻头的动平台，设于固定平台与动平台之间的由中间腿及三条第二周边腿形成的三自由度1PT+3TPS型空间并联机构。

该机构的第二固定平台固连在机架上，以确保整个机构稳定的运动。第二固定平台上连接有三条第二周边腿和一条中间腿，三条第二周边腿与第二固定平台之间采用虎克铰连接，中间腿与第二固定平台为刚性固连。三条第二周边腿为整个并联机构的驱动腿，每条第二周边腿包含一个移动副，一端通过虎克铰与第二固定平台相连，另一端通过球铰连接动平台。中间腿为从动腿，包含一个移动副，一端与第二固定平台刚性固连，另一端通过一万向铰与动平台相连，最终实现动平台的三自由度运动，动平台下安装有钻头，实现钻孔功能。

该机构具有灵活性好、姿态角实现能力大、响应速度快等优点，但是也存在绕钻头轴线的抗扭刚度不足的缺点。

系统的刚度表示在外载荷作用下系统抵抗其自身变形的能力，在相同的外载荷作用下，刚度愈大则变形愈小。常用的提高系统刚度的方法有：

1)结构刚度的决定因素之一是材料的弹性模量，故而可通过改变材料的方式来提高系统的刚度。该方法的原理在于不同材料具有不同的弹性模量，弹性模量越大，则材料刚度越高。然而弹性模量值存在最大值，即存在刚度最高的材料，故而该方法对系统刚度的提升是非常有局限性的，并且随着材料刚度的提升，材料的成本也会大幅增加。

2)还可通过增大结构的尺寸来提高系统刚度。通过增大结构的尺寸来提高系统的刚度，会增大整个系统的惯量，降低其响应速度。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种并联型钻床的刚度增强装置及其控制方法，以便在机床工作时，增大钻孔系统的抗扭转刚度，保障机床钻孔的加工精度，进而提高钻孔质量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种并联型钻床的刚度增强装置，包括1PT+3TPS并联机构的并联钻床，还包括6TPS型并联机构，所述6TPS型并联机构包括第一固定平台和长度可伸缩的六条第一周边腿，所述第一固定平台与所述并联钻床的机架刚性连接，六条所述第一周边腿的顶端通过虎克铰与第一固定平台连接，六条第一周边腿的底端通过球铰与所述并联钻床的动平台连接；当1PT+3TPS并联机构的并联钻床在钻头的调姿过程中，六条所述第一周边腿为从动腿，不会干涉钻头调姿运动，当1PT+3TPS并联机构的并联钻床的钻头姿态调整到位时，六条从动腿长度锁死，切换为定长腿，使整个1PT+3TPS型并联机构的并联钻床的刚度得到增强。

作为一种优选的实施方式，所述第一周边腿包括一对液压制动器、内杆和活动套设于内杆上的外杆，所述液压制动器包括固定于外杆上的缸体，所述缸体内设有将该缸体的内腔分隔成上腔室和下腔室的活塞，且上腔室和下腔室相互独立，所述下腔室内有液压油，且下腔室上设有进油口，所述活塞上设有摩擦块，所述内杆上设有摩擦片，一对所述摩擦块对称位于所述摩擦片的两侧。

作为另一种优选的实施方式，所述第一固定平台在机架上的安装位置满足：在并联钻床的动平台位于初始位置时，所述第一固定平台到并联钻床的第二固定平台的距离大于第二固定平台到动平台距离的二分之一。

本发明还提供一种并联型钻床的刚度增强装置的控制方法，包括：

A、在并联钻床运行中，6TPS型并联机构中的六条第一周边腿上的液压制动器为松开状态，使六条第一周边腿为从动腿，不干涉钻头的调姿运动；

B、当并联钻床的钻头调姿完成后准备钻孔时，并联钻床的控制器立即向6TPS型并联机构发出控制信号，使液压泵开始向外杆上的液压制动器中供油，活塞在液压油作用下推动摩擦块以夹紧内杆上的摩擦片，达到抱死内杆的目的，使得六条第一周边腿转变为定长腿，整个并联钻床由三自由度转变为只能钻孔的一自由度；

C、当钻孔结束后，控制器再向6TPS型并联机构发出控制信号，液压油从缸体内流出，活塞带动摩擦块回退，使内杆抱死解除，六条第一周边腿转变为从动腿，使并联钻床转变为正常工作的三自由度，并联钻床得以继续正常工作。

本发明的有益效果是：本发明在原1PT+3TPS型并联机构的并联钻床上增加使用一6TPS型并联机构，6TPS型并联机构由六条第一周边腿分别通过虎克铰和球铰连接第一固定平台和动平台，六条第一周边腿增加了对动平台的约束，以此可以提高动平台的抗扭刚度，6TPS型并联机构的整体刚度较高，本发明通过改变系统结构形态的方式来达到提高系统刚度的目的。

附图说明

图1为1PT+3TPS并联机构结构示意图；

图2为1PT+3TPS型并联机构的并联钻床轴测图；

图3为本发明实施例的并联钻床轴测图；

图4为本发明实施例的并联钻床示意图；

图5为本发明实施例第一周边腿的轴测图；

图6为本发明实施例第一周边腿的主视图；

图7为本发明实施例液压制动器的结构示意图；

图8为未增加6TPS型并联机构与增加了6TPS型并联机构并联钻床的刚度对比曲线图；

图9为本发明实施例中6TPS型并联机构3种安装位置并联钻床的刚度对比曲线图。

附图标记：1、机架，2、第一固定平台，3、第一周边腿，4、动平台，5、钻头，6、第二固定平台，7、中间退，8、第二周边腿，9、液压制动器，10、内杆，11、外杆，12、缸体，13、活塞，14、进油口，15、摩擦块，16、摩擦片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例：

如图3和图4所示，一种并联型钻床的刚度增强装置，在原有的1PT+3TPS型并联机构的并联钻床上增加一6TPS型并联机构，该并联机构由第一固定平台2和六条第一周边腿3组成，每条第一周边腿3上包含有一个虎克铰、一个移动副和一个球铰，第一固定平台2与并联钻床的机架1刚性连接，六条第一周边腿3的顶端通过虎克铰与第一固定2平台连接，六条第一周边腿3的底端通过球铰与并联钻床的动平台4连接，当并联钻床在钻头5调姿过程中时，6TPS型并联机构的六条第一周边腿3都是从动腿，不会干涉钻头5调姿运动，当钻头5姿态调整到位准备制孔时，6TPS型并联机构中的六条第一周边腿3长度锁死，切换为定长腿，从而实现并联钻床钻孔时的刚度增强。

如图1和图2所示，本实施例中的1PT+3TPS型并联机构的并联钻床包括第二固定平台6、安装钻头5的动平台4、位于第二固定平台6与动平台4之间的1PT+3TPS型并联机构，1PT+3TPS型并联机构包括一条中间退7和三条第二周边腿8，三条第二周边腿8与第二固定平台6之间通过虎克铰连接、与动平台4之间通过球铰连接，而中间腿7上端与第二固定平台6刚性连接，下端通过万向铰与动平台4连接。再如图4所示，在具体实施时，三自由度的1PT+3TPS型并联机构与第二固定平台6之间的铰链点、以及六自由度的6TPS型并联机构与第一固定平台2上铰链连接点的分布均是共圆周的，且均匀分布；动平台4上有9个球铰连接点，六自由度的6TPS型并联机构与动平台4球铰连接两个为一组，分为三组，沿其中心点分开很小一段距离，这三个中心点与三自由度的1PT+3TPS型并联机构与动平台4球铰连接点在圆周上均匀分布。

如图5-图7所示，在本实施例中，具体地，6TPS型并联机构的六条第一周边腿3包括一对液压制动器9、内杆10和活动套设于内杆10上的外杆11，所述液压制动器9包括固定于外杆11上的缸体12，所述缸体12内设有将该缸体12的内腔分隔成上腔室和下腔室的活塞13，且上腔室和下腔室相互独立，所述下腔室内有液压油，且下腔室上设有进油口14，所述活塞13上设有摩擦块15，所述内杆10上设有摩擦片16，一对所述摩擦块15对称位于所述摩擦片16的两侧。

在本实施例中，所述第一固定平台2在机架1上的安装位置满足：在并联钻床的动平台4位于初始位置时，所述第一固定平台2到并联钻床的第二固定平台6的距离大于第二固定平台6到动平台距离4的二分之一。

为确定6TPS并联机构在并联钻床上的安装区域，以使6TPS并联机构对并联钻床刚度增强效果最佳，故选取机架上相对于第二固定平台6的三个位置进行了对增加了6TPS并联机构的并联钻床的抗扭刚度仿真分析，仿真结果如图8、图9所示，下面结合图8，图9进行具体说明：

其中，本模型中的主要参数为：

动平台4直径：0.350m，第二固定平台6直径：0.834m，动平台4与第二固定平台6初始距离为0.700m，1PT+3TPS型并联机构的并联钻床选取的姿态为图2所示姿态。6TPS并联机构的第一固定平台2选取的三个安装位置分别为：

①与1PT+3TPS型并联机构的第二固定平台重合；

②距离1PT+3TPS型并联机构的第二固定平台0.300m；

③距离1PT+3TPS型并联机构的第二固定平台0.500m。

图8、图9中，横坐标从0.700变化到0.900表示动平台4从距离第二固定平台60.700m位置移动到距离第二固定平台6 0.900m位置。纵坐标表示在横坐标从0.700～0.900变化下的抗扭刚度的变化，纵坐标的量纲为rad/(N*m)，故而数值越小表示抗扭刚度越高。

图8中位于最上方的用三角形节点连接的曲线表示未增加6TPS并联机构情况下并联钻床动平台4从距离第二固定平台6 0.700m位置移动到距离第二固定平台6 0.900m位置时的抗扭刚度变化曲线图；另外三条曲线为增加了6TPS并联机构情况下并联钻床动平台从距离第二固定平台6 0.700m位置移动到距离第二固定平台6 0.900m位置时的抗扭刚度变化曲线图，经过对比发现，增加了6TPS并联机构情况下的并联钻床的抗扭刚度远远大于未增加6TPS并联机构情况下的并联钻床的抗扭刚度。

图9中三条曲线为6TPS在三种安装位置下的所对应的抗扭刚度变化曲线，其中以倒三角节点连接的曲线表示第一固定平台2的安装位置与第二固定平台6重合；以正方形为节点虚线连接的曲线表示第一固定平台2的安装位置与第二固定平台6距离0.300m；以圆形为节点连接的曲线表示第一固定平台2的安装位置与第二固定平台6距离0.500m。通过对比三条刚度曲线可以看出，6TPS并联机构的第一固定平台2的安装位置在距离第二固定平台60.500m处时的抗扭刚度大于距离第二固定平台6 0.300m处的抗扭刚度，且大于安装在与第二固定平台6重合时的抗扭刚度。同时，在同一曲线上，随着动平台4向下移动，即距离第一固定平台2越远时，6TPS并联机构对动平台4的刚度增强效果在逐渐减弱。故而可以得出结论：6TPS并联机构的第一固定平台2与1PT+3TPS型并联机构第二固定平台6之间的安装距离大于1PT+3TPS型并联机构的第二固定平台6到动平台4距离二分之一的机架区域较为适宜。

如图3-图7所示，本实施例还提供一种并联型钻床的刚度增强装置的控制方法，在并联钻床调姿过程中，6TPS型并联机构上的六条第一周边腿3为从动腿，液压制动器9处于松开状态，不会干涉钻头5的调姿运动。当并联钻床调姿完成，准备制孔时，机床控制器给6TPS型并联机构发送指令，使控制器控制液压油进入液压制动器9的缸体12中，活塞13在液压油的推动下带动摩擦块15向前移动，一对液压制动器9协同工作使摩擦块15夹紧位于内杆10上的摩擦片16，从而使六条第一周边腿3由从动腿转换为定长腿，整个并联机构由三自由度转变为只能钻孔的一自由度。当6TPS型并联机构六条从动腿切换为定长腿后，六条定长腿连接于第一固定平台2与动平台4之间，增加了对动平台的刚性约束，可达到在机床钻孔时提高系统抗扭刚度的目的，进而保障钻孔加工的精度。

当并联钻床钻孔结束后，机床控制器再发送指令给6TPS型并联机构，六条第一周边腿3上的液压制动器9收到指令后，液压油从缸体12内流出，使活塞13带动摩擦块15进行平移运动，之前夹紧位于内杆上的摩擦片16被释放后，六条第一周边腿3由定长腿切换为从动腿，液压制动器9再次进入松开状态，1PT+3TPS型并联机构的并联钻床又可恢复调姿运动。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种并联型钻床的刚度增强装置，包括1PT+3TPS并联机构的并联钻床，其特征在于，还包括6TPS型并联机构，所述6TPS型并联机构包括第一固定平台和长度可伸缩的六条第一周边腿，所述第一固定平台与所述并联钻床的机架刚性连接，六条所述第一周边腿的顶端通过虎克铰与第一固定平台连接，六条第一周边腿的底端通过球铰与所述并联钻床的动平台连接；当1PT+3TPS并联机构的并联钻床在钻头的调姿过程中，六条所述第一周边腿为从动腿，不会干涉钻头调姿运动，当1PT+3TPS并联机构的并联钻床的钻头姿态调整到位时，六条从动腿长度锁死，切换为定长腿，使整个1PT+3TPS型并联机构的并联钻床的抗扭刚度得到增强。

2.根据权利要求1所述的并联型钻床的刚度增强装置，其特征在于，所述第一周边腿包括一对液压制动器、内杆和活动套设于内杆上的外杆，所述液压制动器包括固定于外杆上的缸体，所述缸体内设有将该缸体的内腔分隔成上腔室和下腔室的活塞，且上腔室和下腔室相互独立，所述下腔室内有液压油，且下腔室上设有进油口，所述活塞上设有摩擦块，所述内杆上设有摩擦片，一对所述摩擦块对称位于所述摩擦片的两侧。

3.根据权利要求1所述的并联型钻床的刚度增强装置，其特征在于，所述第一固定平台在机架上的安装位置满足：在并联钻床的动平台位于初始位置时，所述第一固定平台到并联钻床的第二固定平台的距离大于第二固定平台到动平台距离的二分之一。

4.一种并联型钻床的刚度增强装置的控制方法，其特征在于，包括：

A、在并联钻床运行中，6TPS型并联机构中的六条第一周边腿上的液压制动器为松开状态，使六条第一周边腿为从动腿，不干涉钻头的调姿运动；

B、当并联钻床的钻头调姿完成后准备钻孔时，并联钻床的控制器立即向6TPS型并联机构发出控制信号，使液压泵开始向外杆上的液压制动器中供油，活塞在液压油作用下推动摩擦块以夹紧内杆上的摩擦片，达到抱死内杆的目的，使得六条第一周边腿转变为定长腿，整个并联钻床由三自由度转变为只能钻孔的一自由度；

C、当钻孔结束后，控制器再向6TPS型并联机构发出控制信号，液压油从缸体内流出，活塞带动摩擦块回退，使内杆抱死解除，六条第一周边腿转变为从动腿，使并联钻床转变为正常工作的三自由度，并联钻床得以继续正常工作。