CN110303476B - 一种三分支三自由度冗余驱动式并联加工头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三分支三自由度冗余驱动式并联加工头，包括电主轴、加工台以及三个相同的驱动分支，每个驱动分支均包含第一驱动单元、第二驱动单元、连杆一和连杆二，所述连杆一和连杆二的一端分别通过第四转动副和第五转动副与第一驱动单元和第二驱动单元相铰接，连杆一和连杆二的另一端均通过第三转动副与十字轴相铰接，十字轴同时通过第二转动副与铰座侧面通孔相铰接，铰座底侧通孔与加工台通过第一转动副相铰接，加工台中心装有电主轴。本发明通过冗余驱动的结构形式，可改善驱动器的负载状况，承载能力强，避免加工复杂大型工件时驱动器的过载问题。

Description

一种三分支三自由度冗余驱动式并联加工头
技术领域
本发明涉及的是一种三分支三自由度冗余驱动式并联加工头，属于并联机构学领域。
背景技术
随着航空航天、汽车等先进制造工业的不断发展，所加工的零件愈发复杂，加工精度和工艺要求也越来越高，这对目前的加工设备提出了更高的要求。传统的串联机床占用空间小，工作空间大，但无法兼顾精度和刚度的双向需求；单一类型的并联机床虽然可保证刚度和精度方面的要求，但其占用空间大，操作空间相对较小，会造成资源的浪费。因此，结合串联机床和并联机床的优势，采用并联加工头的形式，其具有模块化和可集成性，可与串联轨道相结合，组成串并混联形式的多轴加工中心，具有良好的加工效果。其中，并联加工头是决定此类多轴加工中心加工性能的关键。
目前，市场上较为成熟的并联加工头有Tricept加工模块、Exechon加工模块、Z3头和A3头等。其中，Tricept加工模块和Exechon加工模块均为非对称冗余驱动机构，此类机构刚度的各向同性较弱，控制难度较高；Z3头和A3头均为对称非冗余驱动机构，此类机构对驱动的负载性能要求较高，对加工环境的适应性较弱。
发明内容
本发明解决的技术问题：
针对于目前市场上存在的三自由度并联加工头，在加工大型负载工件时，驱动器的负载能力有限，机构的整体刚度偏低，同时机构本身存在奇异位形，其可操作性能受限的问题，提出一种三分支三自由度冗余驱动式并联加工头，提升现有三自由度并联加工头的可操作性和整体刚度，并增强其对复杂加工环境的适应性。
本发明的技术解决方案：
一种三分支三自由度冗余驱动式并联加工头，包括电主轴、加工台以及三个相同的驱动分支，每个驱动分支均包含第一驱动单元、第二驱动单元、连杆一和连杆二，所述连杆一和连杆二的一端分别通过第四转动副和第五转动副与第一驱动单元和第二驱动单元相铰接，连杆一和连杆二的另一端均通过第三转动副与十字轴相铰接，十字轴同时通过第二转动副与铰座侧面通孔相铰接，铰座底侧通孔与加工台通过第一转动副相铰接，加工台中心装有电主轴；
三个驱动分支呈中心对称分布于外框架内侧，其沿底面方向投影的中心线互成120°；第一转动副、第二转动副和第三转动副的转动轴线相互正交；第一驱动单元布置于靠近加工台一侧，第二驱动单元布置于远离加工台一侧；连杆二的长度大于连杆一的长度。
所述第一驱动单元和第二驱动单元均为直线驱动形式，其均包括电机-减速器一、电机-减速器二、直线导轨、丝杠一、丝杠二、滑块一和滑块二；所述第一驱动单元上的滑块一和第二驱动单元上的滑块二的一端分别通过第一移动副和第二移动副与对应驱动单元上的丝杠一和丝杠二相铰接；所述滑块一和滑块二与对应驱动单元的直线导轨保持平行；所述第一驱动单元和第二驱动单元的中心线共线。
电机-减速器一、电机-减速器二通过旋转驱动控制丝杠一和丝杠二旋转，实现滑块一和滑块二在丝杠轴线上的直线移动；进而通过连杆一和连杆二带动加工台运动。
所述第二驱动单元为转盘驱动形式，其包括电机-减速器二、基座二、转盘二；所述电机-减速器二安装在基座二一侧，并通过第六转动副驱动转盘二绕电机轴向方向旋转，进而通过连杆二带动加工台运动；所述转盘二边缘两侧设有一对耳轴；所述第一驱动单元和第二驱动单元的电机轴向方向互相垂直，所述第一驱动单元的丝杠一的中心线在转盘二的径向中心面上。
所述第一驱动单元为转盘驱动形式，其包括电机-减速器一、基座一、转盘一；所述电机-减速器一安装在基座一一侧，并通过第七转动副驱动转盘一绕电机轴向方向旋转，进而通过连杆一带动加工台运动；所述转盘一边缘两侧设有一对耳轴；所述第一驱动单元和第二驱动单元的电机轴向方向互相垂直，所述第二驱动单元的丝杠二的中心线在转盘一的径向中心面上。
所述第一驱动单元和第二驱动单元均为转盘驱动形式，其包括电机-减速器一、电机-减速器二、基座一、基座二、转盘一、转盘二；所述各电机-减速器模块均安装在对应基座一侧，并分别通过第六转动副和第七转动副驱动转盘绕电机轴向方向旋转；所述各转盘边缘两侧均设有一对耳轴；所述第一驱动单元和第二驱动单元的电机轴向方向互相平行，转盘的径向中心面互相重合。
所述电机驱动均可替换为液压驱动。
连杆一和连杆二的角度变化范围为°-°。
实际工作中，第一驱动单元和第二驱动单元至少一个驱动相应连杆运动。
第一驱动单元、第二驱动单元只需一个正常工作即可保证加工台的三自由度输出，两个都正常工作即可互为冗余驱动。
本发明与现有技术相比的优点如下：
(1)本发明通过冗余驱动的结构形式，可改善驱动器的负载状况，承载能力强，避免加工复杂大型工件时驱动器的过载问题；
(2)本发明采用六个驱动输入实现两转动一移动的三维输出，实现同一运动具有更多的驱动输入方式，避免了单分支单驱动形式存在的瞬间奇异，可提升机构对复杂环境的适应性；
(3)本发明采用不同类型驱动单元的冗余布置形式，通过变更驱动单元类型的组合形式，可提升加工台操作的灵活性；
(4)本发明为中心对称布置的冗余驱动结构形式，相比于常规非整体对称的冗余驱动形式，在提升机构整体刚度的前提下，可有效降低控制难度。
附图说明
图1为本发明实施例1内部结构示意图；
图2为本发明实施例1单分支结构示意图；
图3为本发明实施例1整体结构示意图；
图4为本发明实施例2单分支结构示意图；
图5为本发明实施例2整体结构示意图；
图6为本发明实施例3单分支结构示意图；
图7为本发明实施例3整体结构示意图；
图8为本发明实施例4单分支结构示意图；
图9为本发明实施例4整体结构示意图。
具体实施方案
下面结合附图对本发明的具体实施方案进行进一步的详细描述。
如附图1、2、3所示，每个驱动分支均包含第一驱动单元和第二驱动单元，两个驱动单元均为直线驱动单元，每个驱动单元上的滑块均一端通过移动副与对应丝杠相铰接，另一端通过转动副与连杆铰接，各连杆的另一端与同一个十字轴相铰接，同时十字轴通过三个正交的转动副与加工平台相铰接，加工台上装有电主轴，可根据加工需求在电主轴上配置对应刀具，从而实现了双直线驱动形式下的两转动一移动方向的加工功能。
如附图4、5、6、7所示，每个驱动分支均包含第一驱动单元和第二驱动单元，两个驱动单元分别为直线驱动单元和转动驱动单元。直线驱动单元上的滑块一端通过移动副与丝杠相铰接，另一端通过转动副与连杆铰接；转动驱动单元的转盘中心为通孔，并通过转动副与转动驱动主轴铰接，其边缘设有耳轴，并通过转动副与连杆铰接；各连杆的另一端与同一个十字轴相铰接，同时十字轴通过三个正交的转动副与加工平台相铰接，加工台上装有电主轴，可根据加工需求在电主轴上配置对应刀具，从而实现了在直线驱动和转动驱动的复合驱动形式下的两转动一移动方向的加工功能。
如附图8、9所示，每个驱动分支均包含第一驱动单元和第二驱动单元，两个驱动单元均为转动驱动单元，每个驱动单元的转盘中心均为通孔，并通过转动副与转动驱动主轴铰接，其边缘均设有耳轴，并通过转动副与连杆铰接；各连杆的另一端与同一个十字轴相铰接，同时十字轴通过三个正交的转动副与加工平台相铰接，加工台上装有电主轴，可根据加工需求在电主轴上配置对应刀具，从而实现了在双转动驱动形式下的两转动一移动方向的加工功能。
实施例1
如附图1、2、3所示，本方案由三个相同的驱动分支、外框架15和加工台2构成，各驱动分支呈中心对称形式安装在外框架15的内侧面，每个驱动分支均包含第一驱动单元9和第二驱动单元12；其中，各驱动单元上分别通过电机-减速器一11和电机-减速器二14对丝杠一10和丝杠二13进行驱动，第一驱动单元9上的滑块一6和第二驱动单元12上的滑块二8的一端分别通过第一移动副P1和第二移动副P2与对应驱动单元上的丝杠一10和丝杠二13相铰接，其另一端分别通过第四转动副R4和第五转动副R5与连杆一5和连杆二7相铰接，连杆一5和连杆二7的另一端均通过第三转动副R3与十字轴4相铰接，十字轴4同时通过第二转动副R2与铰座3侧面通孔相铰接，铰座3底侧通孔与加工台2通过第一转动副R1相铰接，加工台2上装有电主轴1，可根据加工需求在电主轴1上配置对应刀具。
实施例2
如附图4、5所示，本方案由三个相同的驱动分支、外框架15和加工台2构成，各驱动分支呈中心对称形式安装在外框架15的内侧面，每个驱动分支均包含第一驱动单元9和第二驱动单元12；其中，第一驱动单元9通过电机-减速器一11对丝杠一10进行驱动，第一驱动单元9上的滑块一6的一端通过第一移动副P1与丝杠一10相铰接，其另一端通过第四转动副R4与连杆一5相铰接，第二驱动单元12由电机-减速器二14通过第六转动副R6对转盘二17进行驱动，转盘二17边缘两侧设有一对耳轴，其通过第五转动副R5与连杆二7相铰接，连杆一5和连杆二7的另一端均通过第三转动副R3与十字轴4相铰接，十字轴4同时通过第二转动副R2与铰座3侧面通孔相铰接，铰座3底侧通孔与加工台2通过第一转动副R1相铰接，加工台2上装有电主轴1，可根据加工需求在电主轴1上配置对应刀具。
实施例3
如附图6、7所示，本方案由三个相同的驱动分支、外框架15和加工台2构成，各驱动分支呈中心对称形式安装在外框架15的内侧面，每个驱动分支均包含第一驱动单元9和第二驱动单元12；其中，第一驱动单元9由电机-减速器一11通过第七转动副R7对转盘一19进行驱动，转盘一19边缘两侧设有一对耳轴，其通过第四转动副R4与连杆一5相铰接，第二驱动单元12通过电机-减速器二14对丝杠二13进行驱动，第二驱动单元12上的滑块二8的一端通过第二移动副P2与丝杠二13相铰接，其另一端通过第五转动副R5与连杆二7相铰接，连杆一5和连杆二7的另一端均通过第三转动副R3与十字轴4相铰接，十字轴4同时通过第二转动副R2与铰座3侧面通孔相铰接，铰座3底侧通孔与加工台2通过第一转动副R1相铰接，加工台2上装有电主轴1，可根据加工需求在电主轴1上配置对应刀具。
实施例4
如附图8、9所示，本方案由三个相同的驱动分支、外框架15和加工台2构成，各驱动分支呈中心对称形式安装在外框架15的内侧面，每个驱动分支均包含第一驱动单元9和第二驱动单元12；其中，各驱动单元上分别由电机-减速器一11和电机-减速器二14通过第七转动副R7和第六转动副R6对转盘一19和转盘二17进行驱动，各转盘边缘两侧均设有一对耳轴，其分别通过第四转动副R4和第五转动副R5与连杆一5和连杆二7相铰接，连杆一5和连杆二7的另一端均通过第三转动副R3与十字轴4相铰接，十字轴4同时通过第二转动副R2与铰座3侧面通孔相铰接，铰座3底侧通孔与加工台2通过第一转动副R1相铰接，加工台2上装有电主轴1，可根据加工需求在电主轴1上配置对应刀具。
综上所述，利用本发明可以实现对称冗余驱动形式下的两转动一移动方向的加工功能。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种三分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于，包括电主轴(1)、加工台(2)以及三个相同的驱动分支，每个驱动分支均包含第一驱动单元(9)、第二驱动单元(12)、连杆一(5)和连杆二(7)，所述连杆一(5)和连杆二(7)的一端分别通过第四转动副(R4)和第五转动副(R5)与第一驱动单元(9)和第二驱动单元(12)相铰接，连杆一(5)和连杆二(7)的另一端均通过第三转动副(R3)与十字轴(4)相铰接，十字轴(4)同时通过第二转动副(R2)与铰座(3)侧面通孔相铰接，铰座(3)底侧通孔与加工台(2)通过第一转动副(R1)相铰接，加工台(2)中心装有电主轴(1)；
三个驱动分支呈中心对称分布于外框架(15)内侧，其沿底面方向投影的中心线互成120°；第一转动副(R1)、第二转动副(R2)和第三转动副(R3)的转动轴线相互正交；第一驱动单元(9)布置于靠近加工台(2)一侧，第二驱动单元(12)布置于远离加工台(2)一侧；连杆二(7)的长度大于连杆一(5)的长度；
所述第一驱动单元(9)和第二驱动单元(12)均为直线驱动形式，其均包括电机-减速器一(11)、电机-减速器二(14)、直线导轨、丝杠一(10)、丝杠二(13)、滑块一(6)和滑块二(8)；所述第一驱动单元(9)上的滑块一(6)和第二驱动单元(12)上的滑块二(8)的一端分别通过第一移动副(P1)和第二移动副(P2)与对应驱动单元上的丝杠一(10)和丝杠二(13)相铰接；所述滑块一(6)和滑块二(8)与对应驱动单元的直线导轨保持平行；所述第一驱动单元(9)和第二驱动单元(12)的中心线共线。
2.根据权利要求1所述的一种三分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于：电机-减速器一(11)、电机-减速器二(14)通过旋转驱动控制丝杠一(10)和丝杠二(13)旋转，实现滑块一(6)和滑块二(8)在丝杠轴线上的直线移动；进而通过连杆一(5)和连杆二(7)带动加工台(2)运动。
3.一种三分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于，包括电主轴(1)、加工台(2)以及三个相同的驱动分支，每个驱动分支均包含第一驱动单元(9)、第二驱动单元(12)、连杆一(5)和连杆二(7)，所述连杆一(5)和连杆二(7)的一端分别通过第四转动副(R4)和第五转动副(R5)与第一驱动单元(9)和第二驱动单元(12)相铰接，连杆一(5)和连杆二(7)的另一端均通过第三转动副(R3)与十字轴(4)相铰接，十字轴(4)同时通过第二转动副(R2)与铰座(3)侧面通孔相铰接，铰座(3)底侧通孔与加工台(2)通过第一转动副(R1)相铰接，加工台(2)中心装有电主轴(1)；
三个驱动分支呈中心对称分布于外框架(15)内侧，其沿底面方向投影的中心线互成120°；第一转动副(R1)、第二转动副(R2)和第三转动副(R3)的转动轴线相互正交；第一驱动单元(9)布置于靠近加工台(2)一侧，第二驱动单元(12)布置于远离加工台(2)一侧；连杆二(7)的长度大于连杆一(5)的长度；
所述第二驱动单元(12)为转盘驱动形式，其包括电机-减速器二(14)、基座二(16)、转盘二(17)；所述电机-减速器二(14)安装在基座二(16)一侧，并通过第六转动副(R6)驱动转盘二(17)绕电机轴向方向旋转，进而通过连杆二(7)带动加工台(2)运动；所述转盘二(17)边缘两侧设有一对耳轴；所述第一驱动单元(9)和第二驱动单元(12)的电机轴向方向互相垂直，所述第一驱动单元(9)的丝杠一(13)的中心线在转盘二(17)的径向中心面上。
4.一种三分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于，包括电主轴(1)、加工台(2)以及三个相同的驱动分支，每个驱动分支均包含第一驱动单元(9)、第二驱动单元(12)、连杆一(5)和连杆二(7)，所述连杆一(5)和连杆二(7)的一端分别通过第四转动副(R4)和第五转动副(R5)与第一驱动单元(9)和第二驱动单元(12)相铰接，连杆一(5)和连杆二(7)的另一端均通过第三转动副(R3)与十字轴(4)相铰接，十字轴(4)同时通过第二转动副(R2)与铰座(3)侧面通孔相铰接，铰座(3)底侧通孔与加工台(2)通过第一转动副(R1)相铰接，加工台(2)中心装有电主轴(1)；
三个驱动分支呈中心对称分布于外框架(15)内侧，其沿底面方向投影的中心线互成120°；第一转动副(R1)、第二转动副(R2)和第三转动副(R3)的转动轴线相互正交；第一驱动单元(9)布置于靠近加工台(2)一侧，第二驱动单元(12)布置于远离加工台(2)一侧；连杆二(7)的长度大于连杆一(5)的长度；
所述第一驱动单元(9)为转盘驱动形式，其包括电机-减速器一(11)、基座一(18)、转盘一(19)；所述电机-减速器一(11)安装在基座一(18)一侧，并通过第七转动副(R7)驱动转盘一(19)绕电机轴向方向旋转，进而通过连杆一(5)带动加工台(2)运动；所述转盘一(19)边缘两侧设有一对耳轴；所述第一驱动单元(9)和第二驱动单元(12)的电机轴向方向互相垂直，所述第二驱动单元(12)的丝杠二(13)的中心线在转盘一(19)的径向中心面上。
5.一种三分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于，包括电主轴(1)、加工台(2)以及三个相同的驱动分支，每个驱动分支均包含第一驱动单元(9)、第二驱动单元(12)、连杆一(5)和连杆二(7)，所述连杆一(5)和连杆二(7)的一端分别通过第四转动副(R4)和第五转动副(R5)与第一驱动单元(9)和第二驱动单元(12)相铰接，连杆一(5)和连杆二(7)的另一端均通过第三转动副(R3)与十字轴(4)相铰接，十字轴(4)同时通过第二转动副(R2)与铰座(3)侧面通孔相铰接，铰座(3)底侧通孔与加工台(2)通过第一转动副(R1)相铰接，加工台(2)中心装有电主轴(1)；
三个驱动分支呈中心对称分布于外框架(15)内侧，其沿底面方向投影的中心线互成120°；第一转动副(R1)、第二转动副(R2)和第三转动副(R3)的转动轴线相互正交；第一驱动单元(9)布置于靠近加工台(2)一侧，第二驱动单元(12)布置于远离加工台(2)一侧；连杆二(7)的长度大于连杆一(5)的长度；
所述第一驱动单元(9)和第二驱动单元(12)均为转盘驱动形式，其包括电机-减速器一(11)、电机-减速器二(14)、基座一(18)、基座二(16)、转盘一(19)、转盘二(17)；所述各电机-减速器模块均安装在对应基座一侧，并分别通过第六转动副(R6)和第七转动副(R7)驱动转盘绕电机轴向方向旋转；所述各转盘边缘两侧均设有一对耳轴；所述第一驱动单元(9)和第二驱动单元(12)的电机轴向方向互相平行，转盘的径向中心面互相重合。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种三分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于：所述电机驱动均替换为液压驱动。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的一种三分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于：连杆一(5)和连杆二(7)的角度变化范围为5°-45°。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的一种三分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于：第一驱动单元(9)、第二驱动单元(12)只需一个正常工作即可保证加工台的三自由度输出，两个都正常工作即可互为冗余驱动。
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