CN112935897A - 一种并联机床主进给机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联机床主进给机构，包括一个固定平台和一个运动平台，所述固定平台和运动平台通过两条不同的运动支链相连，两条所述运动支链分别为恰约束主动支链和结构冗余主动支链。本发明构思巧妙，结构合理，布局紧凑，具有更高的速度和加速度特性，同时具有更好的刚度和承载能力特性，在显著提高并联机床主进给机构操作性能的前提下，可有效避免由于冗余所带来的运动干涉和内部应力，降低控制难度。

Description

一种并联机床主进给机构

技术领域

本发明涉及机构学与机器人领域，尤其涉及一种并联机床主进给机构。

背景技术

制造业是现代工业的基础，是生产物资财富的产业。各类制造业所用的各种装备，大多数是用机床制造出来的，因此机床(也称为工作母机)是装备制造业的基础。传统机床各轴的运动相互独立，结构一般为开链式，且采用笛卡尔坐标或极坐标形式框架。采用这种串联结构形式来实现刀具运动具有很多优点，如工作空间大、灵活度大、各轴可独立控制以及易于标定等。但是同时也带来一些问题，由于采用框架式结构且各轴运动相互独立，使得机床重量大，运动部件质量大从而导致机床加工时速度和加速度难于提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种并联机床主进给机构，可实现平面内的高速和高加速度运动。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种并联机床主进给机构，包括一个固定平台和一个运动平台，所述固定平台和运动平台通过两条不同的运动支链相连，两条所述运动支链分别为恰约束主动支链和结构冗余主动支链。

进一步的，所述恰约束主动支链包括第三滑块、第四连杆、第五连杆、第六转动副、第七转动副、第八转动副和第九转动副，所述第三滑块可滑动的连接在所述固定平台上，所述第四连杆、第五连杆的一端分别通过所述第八转动副、第九转动副与所述第三滑块连接，所述第四连杆、第五连杆的另一端分别通过所述第六转动副、第七转动副与所述运动平台连接。

再进一步的，所述第四连杆与第五连杆的杆长相等且相互平行；所述第三滑块、第四连杆、第五连杆和所述运动平台组成一个平行四边形机构。

再进一步的，所述结构冗余主动支链包括第一滑块、第二滑块、第一连杆6、第二连杆、第三连杆、第一转动副、第二转动副、第三转动副、第五转动副和第四转动副，所述第一滑块、第二滑块并排滑动连接在所述固定平台上，所述第一连杆、第二连杆的一端分别通过所述第一转动副、第二转动副连接在所述第二滑块、第一滑块上，所述第一连杆、第二连杆的另一端分别通过所述第三转动副、第五转动副连接在所述第三连杆的两端，所述第三连杆的中部通过所述第四转动副与所述运动平台连接。

再进一步的，所述第一连杆与第二连杆的杆长相等且相互平行，所述第一连杆、第二连杆与所述第四连杆、第五连杆的杆长相同，所述第三连杆的杆长与所述恰约束主动支链上的第六转动副和第七转动副的间距相等；通过控制所述第一滑块和第二滑块的位置，所述第一滑块、第二滑块、第一连杆、第二连杆和第三连杆组成另一个平行四边形机构。

再进一步的，所述运动平台居中时，所述恰约束主动支链上的第四连杆和第五连杆与所述结构冗余主动支链上的第一连杆和第二连杆左右对称分布。

再进一步的，所述第三滑块与成对放置的所述第一滑块、第二滑块使用时位于同一侧或者相对的两侧。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本发明一种并联机床主进给机构，包括一个固定平台和一个运动平台，固定平台和运动平台通过两条近似对称的恰约束主动支链和结构冗余主动支链相连；结构冗余主动支链无约束作用于运动平台，恰约束主动支链约束了运动平台在其所在平面内的一维转动，因此该并联机床主进给机构的末端输出为运动平台在固定姿态下的平面内二维平移运动，即该并联机床主进给机构的末端输出自由度数目为2。

根据机构学原理，可以将平行四边形机构视为等效移动副，即平行四边形机构为一种单自由度的复合运动副，因此机构自由度分析时，可等效的认为所述并联机床主进给机构含可动构件数目为7、含低副数目为9，根据平面机构的自由度计算原理，可得该并联机床主进给机构的机构自由度数目为3。机构的自由度数目为3，而输出自由度数目为2，因此该并联机床主进给机构为结构冗余并联机构。根据机构学原理，为了使机构具有确定的运动，则机构的输入构件数目应等于机构的自由度数目；根据输入选取原理，应选取机架副为输入副，因此选取第一滑块、第二滑块和第三滑块为该并联机床主进给机构的输入构件。

相对于现有技术，该并联机床主进给机构额外增加了一个输入，因此在相同系统参数的情况下，具有更高的速度和加速度特性，同时具有更好的刚度和承载能力特性；再次，该并联机床主进给机构为结构冗余机构，因此在显著提高并联机床主进给机构如上所述操作性能的前提下，其可有效避免由于冗余所带来的运动干涉和内部应力，降低控制难度；最后，现有的平面并联机构的输出一般为点的平面运动，并伴随着姿态的实时变化，而该并联机床主进给机构的末端输出为运动平台在固定姿态下的二维平移运动。

此外，如辅以垂直于该并联机床主进给机构所在平面的一维平移运动机构，则可构成新型三坐标并联机床。如在该并联机床主进给机构的运动平台上安装二自由度摆角头，再辅以垂直于所述并联机床主进给机构所在平面的一维平移运动机构，则可构成新型五坐标并联机床。

总的来说，本发明构思巧妙，结构合理，布局紧凑，具有更高的速度和加速度特性，同时具有更好的刚度和承载能力特性，在显著提高并联机床主进给机构操作性能的前提下，可有效避免由于冗余所带来的运动干涉和内部应力，降低控制难度。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明并联机床主进给机构实施例结构示意图；

图2为本发明并联机床主进给机构另一实施例结构示意图；

附图标记说明：

1、固定平台；2、第一滑块；3、第二滑块；4、第一转动副；5、第二转动副；6、第一连杆；7、第二连杆；8、第三转动副；9、第三连杆；10、第四转动副；11、运动平台；12、第五转动副；13、第六转动副；14、第七转动副；15、第四连杆；16、第五连杆；17、第八转动副；18、第九转动副；19、第三滑块。

具体实施方式

如图1-2所示，一种并联机床主进给机构，包括一个固定平台1和一个运动平台11，所述固定平台1和运动平台11通过两条不同的运动支链相连，两条所述运动支链分别为恰约束主动支链和结构冗余主动支链。

实施例一：

如图1所示，所述第三滑块19与成对放置的所述第一滑块2、第二滑块3使用时，安装在固定平台1同一侧的横梁上。

具体的，所述恰约束主动支链包括第三滑块19、第四连杆15、第五连杆16、第六转动副13、第七转动副14、第八转动副17和第九转动副18，所述第三滑块19可滑动的连接在所述固定平台1的上横梁上，形成了一个移动副；所述第四连杆15、第五连杆16的一端分别通过所述第八转动副17、第九转动副18与所述第三滑块19铰接连接，所述第四连杆15、第五连杆16的另一端分别通过所述第六转动副13、第七转动副14与所述运动平台11铰接连接在一起。所述第四连杆15与第五连杆16的杆长相等且相互平行；所述第三滑块19、第四连杆15、第五连杆16和所述运动平台11组成一个平行四边形机构，即恰约束主动支链为一个平行四边形机构。

所述结构冗余主动支链包括第一滑块2、第二滑块3、第一连杆6、第二连杆7、第三连杆9、第一转动副4、第二转动副5、第三转动副8、第五转动副12和第四转动副10，所述第一滑块2、第二滑块3并排滑动连接在所述固定平台1的上横梁上，分别形成两个移动副；所述第一连杆6、第二连杆7的一端分别通过所述第一转动副4、第二转动副5铰接连接在所述第二滑块3、第一滑块2上，所述第一连杆6、第二连杆7的另一端分别通过所述第三转动副8、第五转动副12铰接连接在所述第三连杆9的两端，所述第三连杆9的中部通过所述第四转动副10与所述运动平台11连接。

所述第一连杆6与第二连杆7的杆长相等且相互平行，所述第一连杆6、第二连杆7与所述第四连杆15、第五连杆16的杆长相同，所述第三连杆9的杆长与所述恰约束主动支链上的第六转动副13和第七转动副14的间距相等；通过控制所述第一滑块2和第二滑块3的位置，所述第一滑块2、第二滑块3、第一连杆6、第二连杆7和第三连杆9组成另一个平行四边形机构。

所述运动平台11居中时，所述恰约束主动支链上的第四连杆15和第五连杆16与所述结构冗余主动支链上的第一连杆6和第二连杆7左右对称分布，所述恰约束主动支链与所述结构冗余主动支链近似对称。

该并联机床主进给机构中，所述第一滑块2、第二滑块3和第三滑块19为并联机床主进给机构的输入构件。

实施例二：

如图2所示，为实施例二示意图，所述第三滑块19与成对放置的所述第一滑块2、第二滑块3使用时分别位于固定平台左右两侧的立柱上。

具体的，所述恰约束主动支链包括第三滑块19、第四连杆15、第五连杆16、第六转动副13、第七转动副14、第八转动副17和第九转动副18，所述第三滑块19可滑动的连接在所述固定平台1左侧立柱上，形成了一个移动副；所述第四连杆15与第三滑块19通过第八转动副17相铰接，第四连杆15与运动平台11通过第六转动副13相铰接；第五连杆16与第三滑块19通过第九转动副18相铰接，第五连杆16与运动平台11通过第七转动副14相铰接。第四连杆15与第五连杆16杆长相等，且相互平行；第三滑块19、第四连杆15、第五连杆16、运动平台11组成了一个平行四边形机构，即恰约束主动支链为一个平行四边形机构。

所述结构冗余主动支链通过第一滑块2、第二滑块3、第一连杆6、第二连杆7、第三连杆9连接固定平台1和运动平台11。第一滑块2和第二滑块3沿固定平台1的右侧立柱滑动，分别形成两个移动副；第二连杆7与第一滑块2通过第二转动副5相铰接，第二连杆7与第三连杆9通过第五转动副12相铰接；第一连杆6与第二滑块3通过第一转动副4相铰接，第一连杆6与第三连杆9通过第三转动副8相铰接；第三连杆9与运动平台11通过第四转动副10相铰接。第一连杆6与第二连杆7杆长相等，且等于第四连杆15和第五连杆16的杆长；第三连杆9的杆长与恰约束主动支链的第六转动副13和第七转动副14间的距离相等。

所述第一滑块2、第二滑块3和第三滑块19为并联机床主进给机构的输入构件。

进一步的，通过控制第一滑块2和第二滑块3，使得第一转动副4和第二转动副5间的距离与第三连杆9的杆长相等；因此第一滑块2、第二滑块3、第一连杆6、第二连杆7、第三连杆9也组成了一个平行四边形机构，且与所述恰约束主动支链中的平行四边形机构对应边边长相等，因此所述并联机床主进给机构的结构为近似对称。

总的来说，该并联机床主进给机构中，结构冗余主动支链无约束作用于运动平台，恰约束主动支链约束了运动平台在其所在平面内的一维转动，因此该并联机床主进给机构的末端输出为运动平台在固定姿态下的平面内二维平移运动，即该并联机床主进给机构的末端输出自由度数目为2。

根据机构学原理，可以将平行四边形机构视为等效移动副，即平行四边形机构为一种单自由度的复合运动副。因此机构自由度分析时，可等效的认为所述并联机床主进给机构含可动构件数目为7，具体是指第一滑块2、第二滑块3、第三滑块19、第一连杆6、第二连杆7、第三连杆9、运动平台11；含低副数目为9，具体是指第一滑块2和固定平台1构成的移动副，第二滑块3和固定平台1构成的移动副，第三滑块19和固定平台1构成的移动副，第一转动副4，第二转动副5，第三转动副8，第四转动副10，第五转动副12，第四连杆15、第五连杆16、运动平台11和第三滑块19构成的平行四边形机构；根据平面机构的自由度计算原理，可得该并联机床主进给机构的机构自由度数目为3。当机构的自由度数目为3，而输出自由度数目为2，该并联机床主进给机构为结构冗余并联机构。根据机构学原理，为了使机构具有确定的运动，则机构的输入构件数目应等于机构的自由度数目；根据输入选取原理，应选取机架副为输入副，因此选取第一滑块2、第二滑块3和第三滑块19为该并联机床主进给机构的输入构件。

相对于现有技术，该并联机床主进给机构额外增加了一个输入，因此在相同系统参数的情况下，具有更高的速度和加速度特性，同时具有更好的刚度和承载能力特性；再次，该并联机床主进给机构为结构冗余机构，因此在显著提高并联机床主进给机构如上所述操作性能的前提下，其可有效避免由于冗余所带来的运动干涉和内部应力，降低控制难度。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种并联机床主进给机构，其特征在于：包括一个固定平台(1)和一个运动平台(11)，所述固定平台(1)和运动平台(11)通过两条不同的运动支链相连，两条所述运动支链分别为恰约束主动支链和结构冗余主动支链。

2.根据权利要求1所述的并联机床主进给机构，其特征在于：所述恰约束主动支链包括第三滑块(19)、第四连杆(15)、第五连杆(16)、第六转动副(13)、第七转动副(14)、第八转动副(17)和第九转动副(18)，所述第三滑块(19)可滑动的连接在所述固定平台(1)上，所述第四连杆(15)、第五连杆(16)的一端分别通过所述第八转动副(17)、第九转动副(18)与所述第三滑块(19)连接，所述第四连杆(15)、第五连杆(16)的另一端分别通过所述第六转动副(13)、第七转动副(14)与所述运动平台(11)连接。

3.根据权利要求2所述的并联机床主进给机构，其特征在于：所述第四连杆(15)与第五连杆(16)的杆长相等且相互平行；所述第三滑块(19)、第四连杆(15)、第五连杆(16)和所述运动平台(11)组成一个平行四边形机构。

4.根据权利要求3所述的并联机床主进给机构，其特征在于：所述结构冗余主动支链包括第一滑块(2)、第二滑块(3)、第一连杆(6)、第二连杆(7)、第三连杆(9)、第一转动副(4)、第二转动副(5)、第三转动副(8)、第五转动副(12)和第四转动副(10)，所述第一滑块(2)、第二滑块(3)并排滑动连接在所述固定平台(1)上，所述第一连杆(6)、第二连杆(7)的一端分别通过所述第一转动副(4)、第二转动副(5)连接在所述第二滑块(3)、第一滑块(2)上，所述第一连杆(6)、第二连杆(7)的另一端分别通过所述第三转动副(8)、第五转动副(12)连接在所述第三连杆(9)的两端，所述第三连杆(9)的中部通过所述第四转动副(10)与所述运动平台(11)连接。

5.根据权利要求4所述的并联机床主进给机构，其特征在于：所述第一连杆(6)与第二连杆(7)的杆长相等且相互平行，所述第一连杆(6)、第二连杆(7)与所述第四连杆(15)、第五连杆(16)的杆长相同，所述第三连杆(9)的杆长与所述恰约束主动支链上的第六转动副(13)和第七转动副(14)的间距相等；通过控制所述第一滑块(2)和第二滑块(3)的位置，所述第一滑块(2)、第二滑块(3)、第一连杆(6)、第二连杆(7)和第三连杆(9)组成另一个平行四边形机构。

6.根据权利要求5所述的并联机床主进给机构，其特征在于：所述运动平台(11)居中时，所述恰约束主动支链上的第四连杆(15)和第五连杆(16)与所述结构冗余主动支链上的第一连杆(6)和第二连杆(7)左右对称分布。

7.根据权利要求4所述的并联机床主进给机构，其特征在于：所述第三滑块(19)与成对放置的所述第一滑块(2)、第二滑块(3)使用时位于同一侧或者相对的两侧。

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