CN1110399C - 一种三平移自由度并联机床 - Google Patents

Abstract

一种三平移自由度并联机床，由机械部分、数控系统和控制软件三部分构成。其机械部分由机床固定支座、空间平移机构、机床活动平台、驱动杆、刀具或工具等构成，其空间平移机构由一个空间五杆机构和一个移动副组成。本发明具有无运动耦合性、控制容易、工作空间大、运动灵活、加工精度高等优点。本发明可实施为不同用途的三杆并联机床，如铣床、钻床、磨床、激光切割机床等，也可实施为三杆并联三轴联动、四轴联动、五轴联动的不同形式的机床。

Description

一种三平移自由度并联机床

本发明属于一种机床，特别涉及一种三平移自由度并联机床。

并联机床(或称虚轴机床)是一种杆长可以变化的空间珩架机构，通过控制杆长变化达到使机床的刀具相对工件实现要求的运动的目的。并联机床与传统数控机床相比具有力/重量比大、没有误差放大和积累、运动精度高、易于实现高速运动、硬件结构简单等优点。但六杆(其固定平台与活动平台之间有六根并联的杆件)并联机床存在运动耦合性强、控制建模困难、空间小等缺点。为此出现了少于六杆的并联机床。其中，无运动耦合性，控制容易，工作空间及刀具转动范围大的具有三个平移自由度的三杆并联机床(申请号为99122667.4的发明专利申请)是一个典型。现有三平移自由度三杆并联机床是利用双层三杆空间平动机构(如专利号为97229311.6的实用新型专利)保证机床活动平台作三自由度平移的。由于该双层三杆空间平动机构的虎克铰多达12个，双层等长杆6根，使机构扭转刚度较低，影响到机床的扭转刚度，其位置精度也较低，只能满足一般精度轻加工使用。

本发明的目的在于提供一种具有高的位置精度和刚度，能满足钢铁零件的高精度加工的三平移自由度三杆并联机床。

本发明三平移自由度三杆并联机床由机械部分、数控系统和控制软件三部分构成。其机械部分由机床固定支座、空间平移机构、机床活动平台、驱动杆、刀具或工具等构成。其空间平移机构由一个空间五杆机构和一个移动副组成。本发明的数控系统可以是基于PC的开放式数控系统，也可以是专用数控系统。本发明的控制软件则是满足工件几何建模、刀迹规划、刀具补偿、代码生成、插补计算、轴伺服控制等的数控编程软件。

下面结合附图和实施例对本发明的内容作详细描述：

图1为本发明的空间平移机构的结构示意图；

图2为本发明的3伸缩杆式三杆并联机床的机构示意图；

图3为本发明的2伸缩杆式三杆并联机床的机构示意图；

图4为本发明的3滑块式三杆并联机床的机构示意图；

图5为本发明的实施例三杆并联三平移自由度数控铣床的机构示意图；

图6为本发明的实施例三杆并联三平移自由度磨床的机构示意图；

图7为本发明的实施例三平移自由度混联五轴联动数控铣床的机构示意图；

图8为本发明的数控系统的原理示意图；

图9为本发明的空间平移机构的虎克铰不同实施方式的结构示意图。

图中：1上盘，2固定导轨，3等长杆，4虎克铰，5下盘，6固定支座，7伸缩杆，8平台虎克铰，9驱动滑块，10定长杆，11立柱，12底座，13电机，14主轴，15铣刀，16工件，17固定上支座，18砂轮，19垂直转轴套筒，20垂直转轴，21摆动主轴套筒，22销轴，23转动支架，24平面铰链。

本发明的空间平移机构由一个空间五杆机构和一个移动副组成，其机构原理如图1所示：带滑座的上盘1通过其滑座可以在固定导轨2上移动，有一个移动自由度的上盘1和下盘5之间通过3根等长杆3相连接，成为空间五杆机构。等长杆3与上盘1和下盘5之间通过虎克铰4相连接。由于等长杆和虎克铰的作用，下盘相对上盘可作两自由度的移动，加上上盘滑座沿固定导轨的移动自由度，最终下盘可实现三自由度平移，构成空间平移机构。利用该空间平移机构的三平移自由度三杆并联机床可实现下述三种方案：

3伸缩杆式三杆并联机床。由机械部分、数控系统和控制软件三部分构成。其机械部分如图2所示：由固定支座、空间平移机构、3个伸缩杆、活动平台等组成。机床固定支座6通过3个伸缩杆7和机床活动平台相连接，活动平台与空间平移机构的下盘5固定在一起，3个伸缩杆的两端为平台虎克铰8。固定导轨固定在机床固定支座上，空间平移机构的带滑座的上盘安装在固定导轨上。空间平移机构的上盘及其滑座沿固定导轨自由移动，约束活动平台的转动自由度。这样，机床活动平台就可以通过控制和驱动伸缩杆7的长度变化而在空间作要求的三自由度平移，构成3伸缩杆式三杆平移三自由度并联机床。这时，空间平移机构的上盘在固定导轨上的运动是自由随动的。

2 伸缩杆式三杆并联机床。由机械部分、数控系统和控制软件三部分构成。其机械部分如图3所示：由固定支座、空间平移机构、2个伸缩杆、活动平台等组成。机床固定支座6通过2个伸缩杆7和机床活动平台相连接，2个伸缩杆的两端为平台虎克铰8。固定导轨固定在机床固定支座上，空间平移机构的带滑座的上盘安装在固定导轨上。空间平移机构的上盘及其滑座可以沿固定在固定支座上的固定导轨移动。空间平移机构下盘5和机床活动平台固定在一起，约束活动平台的转动自由度。这样，机床活动平台就可以通过控制和驱动伸缩杆7的长度变化，和控制驱动上盘在固定导轨上的位置而在空间作要求的三自由度平移，构成2伸缩杆式三杆平移三自由度并联机床。这时，空间平移机构的上盘在固定导轨上的运动是受控制和驱动的，它兼起一个驱动杆的作用。

3 滑块式三杆并联机床。由机械部分、数控系统和控制软件三部分构成。其机械部分如图4所示：由固定支座、空间平移机构、2个驱动滑块、2个定长杆、活动平台等组成。3条固定导轨2的位置在机床固定支座上固定，空间平移机构的上盘1和2个驱动滑块9可以分别在其上移动。空间平移机构下盘5和机床活动平台固定在一起，约束活动平台的转动自由度。驱动滑块9分别通过2个定长杆10也和机床活动平台相连接。定长杆10的两端为平台虎克铰8。这样，机床活动平台就可以通过控制和驱动上盘1和滑块9在固定导轨上的位置而在空间作要求的三自由度平移，构成了3滑块式三杆平移三自由度并联机床。这时，空间平移机构的上盘在固定导轨上的运动是受控制和驱动的，它兼起一个驱动杆的作用。另外，定长杆10两端的虎克铰也可以是球铰。

本发明的三平移自由度并联机床具有无运动耦合性、控制容易、工作空间大、运动灵活、加工精度高等优点。上述三种方案当在其活动平台上安装有不同主轴系统和刀具或工具时，可实施为不同用途的三杆并联机床，如三杆并联的铣床、钻床、磨床、激光切割机床等；当以三杆并联机床为基础，在机床活动平台或工作台增加运动副时，还可实施为三杆并联三轴联动、三杆并联加一个转动的四轴联动、三杆并联加两个转动的五轴联动的不同形式的机床。

实施例1，三杆并联三平移自由度数控铣床

本实施例三杆并联三平移自由度数控铣床是依前述第二种方案实现的。它由机械部分、数控系统和控制软件三部分组成。其机械部分如图5所示：图3所示方案中的固定导轨2和固定支座6通过立柱11和底座12连接在一起，构成机床的固定机架。在图3所示方案中的下盘5上，固定有电机13和主轴14，将铣刀15安装在主轴14上，铣刀即能随下盘5的平移运动对通过工作台安装在底座12上的工件16作三轴联动数控加工，构成一台三杆并联三平移自由度数控铣床。在这里，图3所示方案中的伸缩杆7可以由电机和丝杠副驱动，也可以是伺服油缸。带滑座的上盘1在固定导轨2上的运动可以由电机和丝杠副、齿轮-齿条副、油缸、直线电机等驱动。

本实施例的数控系统原理如图8所示：电源供电后，数控系统通过人机交互几何建模或几何信息及程序输入确定工件几何信息，由系统的控制计算机进行走刀设计、刀迹规划、刀具补偿、代码生成和插补计算，再将命令与程序传送给轴运动控制器，生成轴控制信号输出至伺服系统或步进系统控制器，生成驱动等控制信号，控制电机等的运行。而机床位置、速度等信号反馈至数控系统，形成控制闭环。人机交互中命令和程序可由键盘和控制面板输入，CRT显示。系统可以是基于PC的开放式系统，也可以是专用系统。

其控制软件则是根据加工要求和机床参数，利用C语言、PMAC编程语言等计算机语言编制的，能满足工件几何建模、信息传递、刀迹规划、刀具补偿、代码生成、插补运算、坐标变换、轴伺服控制等的数控编程软件。

实施例2，三杆并联三平移自由度磨床

本实施例三杆并联三平移自由度数控磨床是依本发明的第三种方案(图4所示方案)实现的。它由机械部分、数控系统和控制软件三部分组成。其机械部分如图6所示：图4所示方案中的固定导轨2和机床的固定上支座17固定在一起，并通过立柱11和底座12连接在一起，构成机床的固定机架，在图4所示方案中的下盘5上，固定有电机13和主轴14，将砂轮18安装在主轴14上，砂轮即能随下盘5的平移运动对通过工作台安装在底座12上的工件16作三轴联动数控磨削，构成一台三杆并联三平移自由度数控磨床。在这里，图4所示方案中的上盘1和驱动滑块9在固定导轨上的运动可以由电机和丝杠副、齿轮-齿条副、油缸、直线电机等驱动。该实施例三滑块式三杆并联机床的工作空间长度由固定导轨长度决定，可以根据需要选取，适于长形工件的加工。另外，其定长杆10为整体杆，刚性更好。上盘1和驱动滑块9在固定导轨上的位置是由作业轨迹规划确定的，并由机床数控系统控制其运动。机床数控系统原理及数控软件和实施例1相似。

实施例3，三平移自由度混联五轴联动数控铣床

本实施例是在实施例1三杆并联三平移自由度数控铣床基础上，再串接两个转动关节实现的。它由机械部分、数控系统和控制软件三部分组成。其机械部分如图7所示：实施例1的下盘5上，固定有电机1 3和垂直转轴套筒19，垂直转轴20可以在套筒19中转动。而摆动主轴套筒21则可以绕垂直转轴20下方的水平轴线O-O摆动。铣刀15安装在摆动主轴套筒21中的主轴上。这样，铣刀即能随下盘5作平移运动，和绕垂直轴线及水平轴线O-O转动。当这些运动都是数控运动轴时，刀具即可对安装在底座12上的工件16作五轴联动数控加工，构成一台三平移自由度混联五轴联动数控铣床。在这里，垂直转轴20在套筒19中的转动和摆动主轴套筒21绕水平轴线O-O的摆动可以由电机和机械传动驱动，也可以用液压方式实现。铣刀的转动则由电机和绕过轴线O-O的机械传动链驱动。本实施例需要五轴联动数控系统控制，数控系统原理及数控软件则和实施例1相似。

本发明机床中的空间平移机构的上下两组各3个虎克铰，在实施时还可以有不同的变形，但原理是相同的。本发明实施例中平移机构下盘5上的3个虎克铰的另一实施例如图9所示：销轴22固定于下盘5上，转动支架23可以在销轴22上转动。不在同一平面上的3个等长杆3通过3个平面铰链24和转动支架23相连接，平面铰链24的轴线和销轴22的轴线相垂直。这样的结构和3个虎克铰的作用是相同的。

Claims (9)

1、一种三平移自由度并联机床，由机械系统、数控系统和控制软件三部分组成，其特征在于该并联机床的机械部分由机床固定支座、空间平移机构、机床活动平台、驱动杆、刀具或工具等构成，其空间平移机构由一个空间五杆机构和一个移动副组成，所述的空间平移机构的空间五杆机构是在有一个移动自由度的上盘和下盘之间通过3根等长杆相连接而构成。

2、如权利要求1所述的三平移自由度并联机床，其特征在于所说的空间平移机构中的等长杆与上盘和下盘之间是通过虎克铰相连接的。

3、如权利要求1所述的三平移自由度并联机床，其特征在于利用该机床的空间平移机构所构成的3伸缩杆式三杆并联机床，机床固定支座通过3个伸缩杆和机床活动平台相连接，活动平台与空间平移机构的下盘固定在一起，3个伸缩杆的两端为虎克铰，固定导轨固定在机床固定支座上，空间平移机构的带滑座的上盘安装在固定导轨上并使之在固定导轨上可以自由移动。

4、如权利要求1所述的三平移自由度并联机床，其特征在于利用该机床的空间平移机构所构成的2伸缩杆式三杆并联机床，其机床固定支座通过2个伸缩杆和机床活动平台相连接，2个伸缩杆的两端为虎克铰，固定导轨固定在机床支座上，空间平移机构的上盘及其滑座安装在固定导轨上并可沿固定导轨移动，空间平移机构下盘和机床活动平台固定在一起。

5、如权利要求1所述的三平移自由度并联机床，其特征在于利用该机床的空间平移机构所构成的3滑块式三杆并列机床，其空间平移机构下盘和机床活动平台固定在一起，固定导轨固定在机床固定支座上，空间平移机构的上盘和滑块分别安装在固定导轨上，并使之可以在其上移动，2个驱动滑块分别通过2个定长杆和机床活动平台相连接，杆的两端为虎克铰。

6、如权利要求5所述的三平移自由度并联机床，其特征在于所说的定长杆两端为球铰。

7、如权利要求1所述的三平移自由度并联机床，其特征在于它的空间平移机构的虎克铰是一个二自由度铰链或是两个单自由度铰链的组合。

8、如权利要求1所述的三平移自由度并联机床，其特征在于它的数控系统可以实现并联机床的三轴、四轴或五轴联动数字控制，系统是基于pc的开放式系统或专用的封闭系统。

9、如权利要求4所述的三平移自由度并联机床，其特征在于机械部分中的伸缩杆的驱动方式为：是由电机和丝杠副驱动或由伺服油缸驱动。

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