CN1257041C - 基于一维移动三维转动主进给机构的并联机床结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种一维移动三维转动新型并联机床，其特征是在安装切削刀具的动平台上设置一个空间并联闭链结构，该空间并联闭链结构是由5条腿上端连接装置与安装切削刀具的动平台之间通过5条腿相联，中间腿一端与5条腿连接装置的中心刚性固联，另一端通过球铰与安装切削刀具的动平台相联，周围驱动4条腿与安装切削刀具的动平台之间通过球铰相联，从而形成了空间并联闭链结构。它具有结构简单、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的要求。
Description
所属技术领域
本发明属于数控机床制造技术领域，特别是属于一种并联结构数控机床。
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。
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，上世纪90年代中期以来出现了被称为并联机床的数控机床的新结构，并联机床是机器人技术与机床结构技术结合的产物，目前并联机床的原型大多为斯特瓦特(Stewart)平台机构，如图1所示，该机床装有刀具2的动平台3通过六条伸缩腿与固定平台1相联，每条驱动腿(如驱动腿5)联接动平台3的铰链为球铰4，联接固定平台1的铰链为球铰或虎克铰6。由于固定平台与动平台之间是由6条伸缩腿联接的，所以又称为并联机构，由6条腿同时相互耦合地作伸缩运动来确定平台的运动。动平台的受力由6条腿分摊，所以每条腿的受力要小很多，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。但基于斯特瓦特平台机构的并联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Stewart平台机构的并联机床，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。虽然复合结构可以扩大转角范围，但结构复杂，难以保证高刚度，加上位置与姿态相互耦合，其数控编程十分复杂，因此，基于Stewart平台的并联机床不太适合加工大型具有复杂曲面类的零件。近年来，少自由度(自由度少于6)的并联构型制造装备越来越受到人们的重视，这类产品在生产中更有应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于一维移动三维转动主进给机构的并联机床，它具有结构简单、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的要求。
本发明一种基于一维移动三维转动主进给机构的并联机床，包括安装切削刀具的动平台、可沿X向移动平台和Y向移动平台、安装被切削工件的工作台，其特征在于，在安装切削刀具的动平台上设置一个空间并联闭链结构，该空间并联闭链结构是包括5条腿、5条腿上端连接装置，5条腿上端连接装置与安装切削刀具的动平台之间通过5条腿相联，5条腿包括一条中间腿、周围4条驱动腿，中间腿一端与5条腿连接装置的中心刚性固联，另一端通过球铰与安装切削刀具的动平台相联，周围驱动4条腿与5条腿连接装置之间可以是通过虎克铰相联，也可以是通过球铰相联，周围驱动4条腿与安装切削刀具的动平台之间通过球铰相联，从而形成了空间并联闭链结构。
需要说明的是上面所述的5条腿上端连接装置可以是固定台13(如图2所示的实施例一)，也可以是机床床身23与机架32构成固定台(如图4所示的实施例二)，还可以是双向移动平台中的下平台51(如图5所示的实施例三)；中间腿是伸缩腿；周围四条驱动腿可以是伸缩腿(如图2所示的实施例一和如图5所示的实施例三)，也可以不是伸缩腿。
图3为四自由度空间并联机构的示意图。该并联机构是由固定平台(A1、A2、A3、A4)和运动平台(B1、B2、B3、B4)组成。动平台与固定平台通过5条腿相联。其中中间腿一端刚性固联于固定平台中心A0，另一端通过球铰B0与动平台相联。周围伸缩腿与动平台之间通过球铰B1、B2、B3、B4相联，与固定平台之间通过虎克铰或球铰A1、A2、A3、A4相联。改变周围伸缩腿的伸缩量，可以实现动平台的姿态以及动平台沿Z轴方向的位移。本发明一维移动三维转动新型并联机床的主进给机构就是该四自由度空间并联机构。
本发明与现有技术相比有如下优点：
本发明的并联机床新结构克服了已有技术的不足之处，借鉴了传统数控机床和现有并联机床的优点，将串联结构与并联结构有机融合，设计出的并联机床具有结构简单、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的要求。
1.动平台19通过4个球铰与周围4条伸缩腿(11、14、15、16)相联，动平台19的中心通过球铰18与一端刚性固联在固定台13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。
2.切削力较均匀地分布在4条腿(11、14、15、16)上，加上动平台球铰的正方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。
3.分析计算表明，该并联机床的主进给机构的灵活性好，可以获得较大的姿态角，因而可以实现复杂曲面加工。使得本机床适用面更广，加工能力更强。
4.由于动平台19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平台8和21来实现，机床的加工范围很大程度上取决于双向移动平台8和21的运动范围，因此本机床适用于大型零件的加工。
5.动平台19的中心设计有用于安装主轴电机的空腔，减少了动平台的质量，有利于改善动平台的动态性能。
6.由于球铰、虎克铰制造都很容易，周围4条伸缩腿(11、14、15、16)结构相同，中间腿17的结构与周围4条伸缩腿的结构类似，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。
7.本发明的并联机床与基于Stewart平台的并联机床相比具有工作空间大、可以实现大倾角加工以及数控编程容易等优点，因此给本并联机床的使用带来了许多方便。
8.由于本并联机床的工作台可以采用传统数控机床的双向移动平台，因此本并联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。
附图及附图说明：
附图1为已有的基于Stewart平台的并联机床结构示意图。
图中1.固定平台，2.切削刀具，3.动平台，4.球铰，5.驱动腿，6.球铰或虎克铰。
附图2为本发明实施例一总体结构示意图。
图中7.机床床身，8.X向移动平台，9.伺服电机，10.球铰，11.周围驱动腿之一，120.球铰或虎克铰，13.机架，14.周围驱动腿之二，15.周围驱动腿之三，16.周围驱动腿之四，17.中间腿，18.球铰，19.动平台，20.切削刀具，21.Y向移动平台，22.伺服电机。
附图3为空间四自由度并联机构的示意图。
图中A1、A2、A3、A4表示球铰或虎克铰，B0、B1、B2、B3、B4表示球铰。
附图4为本发明实施例二总体结构示意图。
图中23.机床床身，24.X向移动平台，25.伺服电机，26.球铰，27.定长周围腿之一，28.球铰或虎克铰，29滑块，30定长周围腿之二，31.伺服电机，32.机架，33.定长周围腿之三，34.定长周围腿之四，35.中间腿，36.球铰，37.动平台，38.切削刀具，39.Y向移动平台，40.伺服电机。
附图5为本发明实施例三总体结构示意图。
图中41.机床床身，42.球铰，43.周围驱动腿之一，44.球铰或虎克铰，45.周围驱动腿之二，46.X向移动平台，47.伺服电机，48.机架，49滑板，50.周围驱动腿之三，51Y向移动平台，52伺服电机，53.周围驱动腿之四，54.中间腿，55.球铰，56.动平台，57.切削刀具，58.工作平台。
附图6为本发明的周围伸缩腿的外形图。
附图7为周围伸缩腿的A-A向剖视结构示意图。
附图8为本发明的周围伸缩腿的剖视结构示意图。
图中59直线导杆，60滚珠螺母，61内套圈，62滚珠丝杠，63轴承，64联轴器，65伺服电机，66空心圆柱缸体
附图9为本发明的中间腿的剖视结构示意图。
附图10为中间腿的A-A向剖视结构示意图。
图中67直线导杆。
具体实施方式
下面结合附图，详细介绍本发明的三种基于四自由度并联机构的并联机床实施例的结构及工作原理。
实施例一
实施例一的总体结构如图2所示，本实施例中，包括固定台13、安装切削刀具的动平台19、可沿X、Y方向移动的双向移动平台8和21、安装被切削工件的工作台，其特征在于，固定平台13与动平台19之间通过5条腿相联，其中周围4条伸缩腿(11、14、15、16)与固定台13之间通过虎克铰或球铰(如球铰12)相联，周围4条伸缩腿(11、14、15、16)与动平台19之间通过球铰(如球铰10)相连。中间腿17一端与固定台13的中心刚性固联，另一端通过球铰18与动平台19相联。从而形成了空间并联闭链结构，所说的可沿X、Y方向移动的双向移动平台8和21在结构上与该闭链结构相互独立，在控制上实行联动控制。
所说的周围4条伸缩腿(11、14、15、16)通过虎克铰或球铰与固定台13相连，而虎克铰由轴线相互垂直的两转动副组成。
在本实施例中，机床床身7与机架13构成固定台，固定台与安装切削刀具的动平台19、周围伸缩腿(11、14、15、16)(其结构如图6-8所示)、中间腿17(其结构如图9-10所示)构成空间并联闭链机构。其中机架13与周围伸缩腿(11、14、15、16)之间通过虎克铰或球铰(如球铰12)相联，动平台19与周围伸缩腿(11、14、15、16)之间通过球铰(如球铰10)相联。中间腿17与机架13的中心刚性固联，中间腿17另一端通过球铰18与动平台19相联。当改变4条周围伸缩腿(11、14、15、16)的伸缩量时，可实现动平台19的姿态以及Z轴方向的位移，中间腿17是一没有驱动的随动副。具有X、Y方向移动功能的双向移动平台8和21由伺服电机9和22、滚珠丝杠、滚珠螺母、导轨等组成。双向移动平台8和21在结构上与并联闭链机构相互独立，在实际加工中，双向移动平台与并联闭链机构实行联动控制。
实施例二
实施例二的总体结构如图4所示，本实施例中，机床床身23与机架32构成固定台，固定台与安装切削刀具的动平台37、定长周围腿(27、30、33、34)、中间腿35构成空间并联闭链机构。定长周围腿(27、30、33、34)的一端通过虎克铰或球铰(如球铰28)与滑块(如滑块29)相联，滑块由伺服电机(如伺服电机31)带动的丝杠螺母驱动。动平台37与定长周围腿(27、30、33、34)之间通过球铰(如球铰26)相联。中间腿35与机架32的中心刚性固联，中间腿35另一端通过球铰36与动平台37相联。当在伺服电机的驱动下改变滑块Z轴方向的位移时，可实现动平台37的姿态以及Z轴方向的位移，中间腿35是一没有驱动的随动副。双向移动平台24和39在结构上与并联闭链机构相互独立，在实际加工中，双向移动平台与并联闭链机构实行联动控制。
实施例三的总体结构如图5所示，本实施例中，双向移动平台中的下平台51、安装切削刀具的动平台56、周围伸缩腿(43、45、50、53)、中间腿54构成空间并联闭链机构。而双向移动平台可在伺服电机47、52驱动的丝杠螺母的带动下沿X、Y轴方向平动。其中双向移动平台中的下平台51与周围伸缩腿(43、45、50、53)之间通过虎克铰或球铰(如球铰44)相联，动平台56与周围伸缩腿(43、45、50、53)之间通过球铰(如球铰42)相联。中间腿54与双向移动平台中的下平台51的中心刚性固联，中间腿54另一端通过球铰55与动平台56相联。当改变4条周围伸缩腿(43、45、50、53)的伸缩量时，可实现动平台56的姿态以及Z轴方向的位移，中间腿54是一没有驱动的随动副。具有X、Y方向移动功能的双向移动平台46和51由伺服电机47和52、滚珠丝杠、滚珠螺母、导轨等组成。在实际加工中，双向移动平台47和52与并联闭链机构实行联动控制。安装在机床床身上的工作台58则采用固定工作台。
周围伸缩腿的结构如图6-8所示，图8中，65是伺服电机，可以驱动安装在轴承63上的滚珠丝杠62按照要求作旋转运动，伺服电机65与滚珠丝杠62通过联轴器64相连。伺服电机65安装在空心园柱缸体66内，滚珠螺母60与直线导杆59通过内套圈61安装在一起，直线导杆59与端盖安装在空心园柱缸体11内。直线导杆59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65带动滚珠丝杆62旋转时，直线导杆59就在滚珠螺母60的带动下沿轴向作伸缩运动。图8中10为球铰，用于连接动平台，12为虎克铰，用于连接固定平台。
中间腿的结构如图9-10所示，中间腿的一端为与机床的机架刚性固联结构另一端为球铰结构，用于联接动平台。中间腿的结构是一个没有驱动的随动副，在导槽约束下，直线导杆17、圆柱缸体67之间只能相对移动不能相对转动。
Claims (4)
1、一种基于一维移动三维转动主进给机构的并联机床，包括安装切削刀具的动平台、可沿X向移动平台和Y向移动平台、安装被切削工件的工作台，其特征在于，在安装切削刀具的动平台上设置一个空间并联闭链结构，该空间并联闭链结构是包括5条腿、5条腿上端连接装置，5条腿上端连接装置与安装切削刀具的动平台之间通过5条腿相联，5条腿包括一条中间腿、周围4条驱动腿，中间腿一端与5条腿连接装置的中心刚性固联，另一端通过球铰与安装切削刀具的动平台相联，周围驱动4条腿与5条腿连接装置之间可以是通过虎克铰相联、也可以是通过球铰相联，周围驱动4条腿与安装切削刀具的动平台之间通过球铰相联，从而形成了空间并联闭链结构。
2、根据权利要求1所述的一种基于一维移动三维转动主进给机构的并联机床，其特征是所述的空间并联闭链结构包括：固定平台(13)与动平台(19)之间通过5条腿相联，其中周围4条伸缩腿(11、14、15、16)与固定平台(13)之间通过虎克铰或球铰相联，周围4条伸缩腿(11、14、15、16)与动平台(19)之间通过球铰相连；中间腿(17)一端与固定平台(13)的中心刚性固联，另一端通过球铰(18)与动平台(19)相联，形成了空间并联闭链结构，双向移动平台与并联闭链机构实行联动控制。
3、根据权利要求1所述的一种基于一维移动三维转动主进给机构的并联机床，其特征是所述的空间并联闭链结构包括：机床床身(23)与机架(32)构成固定平台，固定平台与安装切削刀具的动平台(37)、定长周围腿(27、30、33、34)、中间腿(35)构成空间并联闭链机构，定长周围腿(27、30、33、34)的一端通过虎克铰或球铰与滑块(29)相联，滑块由伺服电机(31)带动的丝杠螺母驱动，动平台(37)与定长周围腿(27、30、33、34)之间通过球铰(26)相联，中间腿(35)与机架(32)的中心刚性固联，中间腿(35)另一端通过球铰(36)与动平台(37)相联，形成了空间并联闭链结构；当在伺服电机的驱动下改变滑块Z轴方向的位移时，可实现动平台(37)的姿态以及Z轴方向的位移，中间腿(35)是一没有驱动的随动副，双向移动平台(24、39)在结构上与并联闭链机构相互独立，双向移动平台与并联闭链机构实行联动控制。
4、根据权利要求1所述的一种基于一维移动三维转动主进给机构的并联机床，其特征是所述的空间并联闭链结构包括：双向移动平台中的下平台(51)、安装切削刀具的动平台(56)、周围伸缩腿(43、45、50、53)、中间腿(54)构成空间并联闭链机构；而双向移动平台可在伺服电机(47、52)驱动的丝杠螺母的带动下沿X、Y轴方向平动，其中双向移动平台中的下平台(51)与周围伸缩腿(43、45、50、53)之间通过虎克铰或球铰相联，动平台(56)与周围伸缩腿(43、45、50、53)之间通过球铰相联，中间腿(54)与双向移动平台中的下平台(51)的中心刚性固联，中间腿(54)另一端通过球铰(55)与动平台(56)相联，形成了空间并联闭链结构，当改变4条周围伸缩腿(43、45、50、53)的伸缩量时，可实现动平台(56)的姿态以及Z轴方向的位移，中间腿(54)是一没有驱动的随动副；具有X、Y方向移动功能的双向移动平台(46、51)包括伺服电机(47、52)、滚珠丝杠、滚珠螺母、导轨；安装在机床床身上的工作台(58)则采用固定工作台，双向移动平台(47、52)与并联闭链机构实行联动控制。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Zhongshan Majesty Dispensing Systems Co.,Ltd. Assignor: University of Electronic Science and Technology of China Contract fulfillment period: 2007.7.8 to 2012.7.8 contract change Contract record no.: 2008440000516 Denomination of invention: One-dimensional moving three-dimensional rotating parallel machine tool Granted publication date: 20060524 License type: Exclusive license Record date: 20081211 |
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| LIC | Patent licence contract for exploitation submitted for record |
Free format text: EXCLUSIVE LICENSE; TIME LIMIT OF IMPLEMENTING CONTACT: 2007.7.8 TO 2012.7.8; CHANGE OF CONTRACT Name of requester: ZHONGSHAN CITY MEIJIESHI SPRAYING VALVE CO., LTD. Effective date: 20081211 |
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| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |