CN1113727C - 基于混联机构的虚拟轴机床 - Google Patents

Abstract

提出了一种虚拟轴机床的新结构。包括固定平台、安装切削刀具的动平台、可沿X、Y方向移动的双向移动机构、安装被切削工件的工作台，固定平台与动平台之间通过4条腿相联。改变周围3条腿的伸缩量可以控制动平台上刀具的姿态；改变中间腿的伸缩量以及与可沿X、Y方向移动的双向移动机构的配合，可以控制刀具的位置，从而实现6轴联动加工。该发明具有结构抗震性和切削稳定性好、精度高、加工范围大、各向同性性好、刀具作业灵活、位置与姿态解耦、可以实现大倾角加工以及数控编程容易等优点。

Description

基于混联机构的虚拟轴机床

一、技术领域

本发明属于数控机床制造技术领域，更具体地说是属于一种虚拟轴数控机床。

二、背景技术

在机械制造技术领域中，传统的数控机床的机械结构是沿笛卡儿(直角)坐标系的X、Y、Z轴布置构件，构件串联连接。这种串联式的结构设计使得机床容易产生误差累积，降低加工精度，由于构件除了受拉、压力外，还受到弯矩、扭矩，使得机床的整体刚度降低，为了保证系统的整体刚度，机床的部件都制造得很粗大，从而造成了机床动力学性能的恶化。尤其当机床运动速度高、工件大时，这些缺点就更突出。

本发明属于数控机床制造技术领域，特别是属于一种虚拟轴数控机床。在机械制造技术领域中，传统的数控机床的机械结构是沿笛卡儿(直角)坐标系的X、Y、Z轴布置构件，构件串联连接。这种串联式的结构设计使得机床容易产生误差累积，降低加工精度，由于构件除了受拉、压力外，还受到弯矩、扭矩，使得机床的整体刚度降低，为了保证系统的整体刚度，机床的部件都制造得很粗大，从而造成了机床动力学性能的恶化。尤其当机床运动速度高、工件大时，这些缺点就更突出。

为了满足对加工零件形状日益复杂的要求和特殊的加工要求，近年来出现了虚拟轴数控机床的新结构，虚拟轴机床是机器人技术与机床结构技术结合的产物。传统机床的控制系统是针对直角坐标系而言的，即X、Y、Z三个移动自由度和A、B、C三个转动自由度，而虚拟轴机床的控制器是针对每个可控轴而言的。对于刀具的某一空间位姿要求，存在相应的伸缩轴长度或滑动轴滑块位置与之对应。即虚拟轴机床是通过控制伸缩轴长度或滑块位置来实现加工要求的。用直角坐标系描述的刀具位姿，对该机床来说成了对虚拟轴系的描述，而伸缩轴的长度或滑块位置才是它的实际控制轴，所以又称为虚拟轴机床。目前虚拟轴机床的原型大多为6-SPS机构，由于基座与主轴平台之间是由6根可伸缩轴连接的，所以又称为并联机构，由6根杆同时相互耦合地作伸缩运动来确定平台的运动。主轴平台的受力由6根杆分摊，所以每根杆的受力要小很多，且只受拉力或压力，不受弯矩或扭矩，因此刚度高、移动部件质量小、结构简单和相同零件数量多成为并联机构的突出优点。但基于6-SPS并联机构的虚拟轴机床也存在工作空间小、难以实现大倾角加工以及数控编程复杂和困难等缺点。通过分析发现：对于一般直接基于6-SPS并联机构的虚拟轴机床，其旋转坐标的合理运动范围比常规五坐标数控机床要小得多(通常只有20～30度，而五坐标机床可以达到90度以上)，并且随着旋转角的加大将大幅度地减少机床的有效工作空间。加上位置与姿态相互耦合，其数控编程十分复杂，因此，普通虚拟轴机床不太适合加工大型具有复杂曲面类的零件。

三、发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，借鉴传统数控机床和现有虚拟轴机床的优点，将串联结构与并联结构有机融合，而设计出一种具有结构简单、加工灵活、加工精度高、加工速度快、加工工艺性好、位置与姿态解耦和数控编程方便等优点，可以满足用户对大型具有复杂曲面类零件的多轴联动数控加工要求的虚拟轴数控机床。

本发明设计的虚拟轴机床结构，包括固定平台、安装切削刀具的动平台、可沿X、Y方向移动的双向移动机构、安装被切削工件的工作台，固定平台与动平台之间通过4条腿相联，形成空间并联闭链结构，4条腿中的1条腿位于中间位置，其他3条腿位于周围，且成平面三角形布局设置，所说的周围3条腿通过虎克铰与球铰中的一种同固定平台相连，通过球铰与动平台相连，所说的中间1条腿一端与固定平台刚性固联，另一端通过球铰与动平台相联，4条腿均含有移动副驱动。所说的可沿X、Y方向移动的双向移动机构在结构上与该闭链结构相互独立，在控制上实行联动控制。

为了更好地实现上述发明目的，还可进一步采取以下技术措施：

所说的可沿X、Y方向移动的双向移动机构可由伺服电机、导轨、滚珠丝杠、滚珠螺母组成，以可实现沿X、Y方向的平动。

所说的周围3条腿由内移动副与外移动副中的一种移动副驱动，所说的中间1条腿由内移动副驱动。

所说的工作台可设计为使工作台可沿X、Y方向移动的结构。

所说的安装刀具的动平台的中心设计有用于安装主轴驱动装置的空腔。

所说的4条腿驱动装置为液压油缸驱动装置与由伺服电机和传动丝杠螺母构成的驱动装置中的一种。

所说的周围3条腿可设计成定长杆，一端通过虎克铰与滑块相联，滑块由伺服电机带动的丝杆螺母驱动。

本发明的特征之一在于：动平台通过3个球铰与周围3条腿相联，动平台的中心通过球铰与一端刚性固联在固定平台中心的中间腿相联，形成了空间并联闭链结构，该闭链结构具有很高的刚度，从而有效地保证了机床的加工精度。

本发明的特征之二在于：切削力较均匀地分布在4条腿上，加上动平台球铰的三角形布局所固有的稳定性，使该结构具有良好的结构抗震性和切削稳定性。

本发明的特征之三在于：当改变周围3条腿的伸缩量时，动平台的运动是以动平台中心球铰为球心的球面运动，经分析计算表明，这种结构动平台的灵活性好，可以获得较大的姿态角(分析计算结果表明，姿态角最大可达75°)，可以实现大倾角加工。使得本机床适用面更广，加工能力更强。

本发明的特征之四在于：由于动平台主要实现刀具的姿态以及Z方向的位置，而X、Y方向的位置主要由可沿X、Y方向移动的双向移动机构来实现，机床的加工范围很大程度上取决于双向移动机构的运动范围，因此本机床可适用于大型零件的加工。

本发明的特征之五在于：动平台的中心设计有用于安装主轴驱动装置的空腔，减少了动平台的质量，有利于改善动平台的动态性能。

本发明的特征之六在于：由于球铰、虎克铰制造都很容易，周围3条腿结构相同，中间1条腿的结构与周围3条腿的结构类似，动平台的结构也较简单，因此给机床的加工制造带来了方便，便于标准化生产。

本发明的特征之七在于：本发明的虚拟轴机床与6-SPS类型的虚拟轴机床相比具有工作空间大、位置与姿态解耦、可以实现大倾角加工以及数控编程容易等优点，因此给本虚拟轴机床的使用带来了许多方便。

本发明的特征之八在于：由于本虚拟轴机床的工作台可以采用传统数控机床的工作台，因此本虚拟轴机床的制造可以通过对传统数控机床的改造实现，可以降低制造成本，便于迅速产业化。

综上所述，本发明的主要特征体现在：空间并联结构、结构抗震、切削稳定、可实现大倾角加工、灵活性好、结构简单、制造方便、数控编程容易、可通过对现有数控机床技术改造实现等八个方面。

四、附图说明

附图1为本发明实施例一总体结构示意图。

附图2为空间四自由度并联机构的示意图。

附图3为本发明实施例二总体结构示意图。

附图4为本发明实施例三总体结构示意图。

附图5为本发明的中间腿的外形图。

附图6为中间腿剖视结构示意图。

附图7为附图5中的A-A向剖视结构示意图。

附图8为本发明的周围腿的外形图。

附图9为周围腿剖视结构示意图。

附图10为附图8中的A-A向剖视结构示意图。

五、具体实施方式

下面结合附图，详细介绍本发明的3种基于四自由度并联机构的虚拟轴机床实施例的结构及工作原理。

实施例一总体结构如图1所示，本实施例由固定平台25、安装切削刀具的动平台10、周围腿17 18、中间腿13 14构成空间并联闭链结构。其中固定平台与周围腿之间通过虎克铰19相联，动平台与周围腿之间通过球铰16相联。该虎克铰由轴线相互垂直的两转动副组成。中间腿与固定平台的中心刚性固联，中间腿另一端通过球铰15与动平台相联。当改变3条周围腿的伸缩量时，可实现动平台的任意姿态。空间并联闭链结构加上动平台球铰的三角形布局所固有的稳定性，使该结构具有良好的刚性、结构抗震性和切削稳定性。12为固置在机架上的导轨，9为与固平台25相配置的可沿导轨12移动的平台。

中间腿13 14在伺服电机的驱动下，可沿固定平台垂线方向作直线伸缩运动，使动平台产生Z方向的位移。

具有X、Y方向移动功能的双向移动机构由伺服电机22、滚珠丝杠、滚珠螺母、导轨组成。双向移动机构在结构上与并联闭链机构相互独立，在实际加工中，双向移动机构与并联闭链机构实行联动控制。

本实施例所采用的四自由度空间并联机构的原理如附图2所示。该并联机构是由一固定平台(A1、A2、A3)和一运动平台(B1、B2、B3)组成。动平台与固定平台通过4条腿相联。中间腿一端刚性固联于固定平台中心A4，另一端通过球铰B4与动平台相联。周围腿与动平台之间通过球铰B1、B2、B3相联，与固定平台之间通过虎克铰A1、A2、A3相联。四条腿均由移动副驱动，改变周围腿的伸缩量，可以实现动平台的姿态；改变中间腿的伸缩量，可以实现动平台的沿Z轴方向的位置。

实施例二总体结构如图3所示，其总体结构大致与实施例一相同，其不同之处在于，实施例一中的周围腿在实施例二中被定长杆7所取代。定长杆7的一端通过虎克铰6与滑块5相联，滑块5由伺服电机1带动的丝杠2驱动。其中的伺服电机1、丝杠2、滑块5、保持架4和滑动轴承3组成部件。该部件与固定平台成一定夹角(例如45°)。

实施例三总体结构如图4所示，其总体结构大致与实施例一相同，其不同之处在于，空间并联机构的固定平台24是刚性固联在机床机架上，而工作台可在伺服电机22驱动的丝杠螺母23的带动下沿X、Y方向移动。实施例二、三中的结构给本虚拟轴机床的制造和控制带来了许多方便，有利于实际工程应用。

中间腿的结构如图5-7所示。在图6中，32是伺服电机，可以驱动安装在轴承29上的滚珠丝杠28按照要求作旋转运动，伺服电机32与滚珠丝杠28通过联轴器31相连。伺服电机32安装在空心园柱缸体33内。滚珠螺母26与直线导杆14安装在一起，直线导杆14与端盖27安装在空心园柱缸体内。直线导杆14在导槽约束下，只能沿轴向作直线运动而不能绕轴线作回转运动。因此当伺服电机带动滚珠丝杆28旋转时，直线导杆14就在滚珠螺母26的带动下沿轴向作伸缩运动。图6中15为球铰，用于连接动平台。使用中，圆柱缸体33与固定平台的中心刚性固联在一起。

周围腿的结构如图8-10所示，其结构与中间腿的结构大体相同，不同之处在于周围腿的一端通过球铰16与动平台联接，另一端通过虎克铰19与固定平台联接。

本发明与已有技术相比具有以下比较突出的优点效果：

第一，结构简单、拆装方便、体积小、重量轻。

第二，动平台通过3个球铰与3条周围腿相联，动平台的中心通过球铰与一端刚性固联在固定平台中心的中间腿相联，形成了空间并联闭链结构，该闭链结构具有很高的刚度，从而有效地保证了机床的加工精度。同时由于切削力由4条腿分担，使机床有良好的结构抗震性和切削稳定性。

第三，当中间腿长度固定时，3条周围腿伸缩量的变化引起的动平台的运动是绕其中心球铰的球面运动，该并联机构固有的运动特性使得动平台具有良好的姿态角实现能力，可以实现大倾角加工。

第四，由于周围腿和中间腿的伸缩量的变化主要实现刀具的姿态以及Z方向的位置，而X、Y方向的位置主要由X、Y方向的双向移动机构来实现，因此机床的加工范围大，特别适用于大型包含有复杂曲面类零件的数控加工。

第五，本发明的虚拟轴机床的原型空间并联机构较目前流行的虚拟轴机床的原型6-SPS机构在结构上简单，位置分析、运动分析都较6-SPS机构容易，因此给机床的数控编程带来了许多方便，进一步可开发面向此类虚拟轴机床的CAD/CAM系统，为该虚拟轴机床的应用带来便利。

本发明的结构形式不限于上述实施例所描述的形式。

Claims (7)

1、一种基于混联机构的虚拟轴机床，包括固定平台、安装切削刀具的动平台、可沿X、Y方向移动的双向移动机构和安装被切削工件的工作台，其特征在於，固定平台与动平台之间通过4条腿相联形成空间并联闭链结构，4条腿中的1条腿位于中间位置，其他3条腿位于周围，且成平面三角形布局设置，周围3条腿与固定平台之间通过虎克铰与球铰中的一种相联，与动平台之间通过球铰相连，中间1条腿的一端与固定平台刚性固联，另一端通过球铰与动平台相联，4条腿均含有移动副驱动，所说的可沿X、Y方向移动的双向移动机构在结构上与该闭链结构相互独立，在控制上实行联动控制。

2、如权利要求1所述的虚拟轴机床，其特征在于双向移动机构是由伺服电机、导轨、滚珠丝杠、滚珠螺母等组成的可沿X、Y方向移动的机构。

3、如权利要求1所述的虚拟轴机床，其特征在于周围3条腿由内置的移动副与外置的移动副中的一种移动副驱动，中间1条腿由内置的移动副驱动。

4、如权利要求1所述的虚拟轴机床，其特征在于所述的工作台可设计为使工作台可沿X、Y方向移动的结构。

5、如权利要求1所述的虚拟轴机床，其特征在于，动平台的中心设计有用于安装主轴驱动装置的空腔。

6、如权利要求1所述的虚拟轴机床，其特征在于所述的4条腿的驱动装置为液压油缸驱动装置与由伺服电机和传动丝杠螺母构成的驱动装置中的一种。

7、如权利要求1所述的虚拟轴机床，其特征在于所述的周围3条腿可设计为定长杆，一端通过虎克铰与滑块相联，滑块由伺服电机带动的丝杠螺母驱动。

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