CN1478633A - 新型三维移动两维转动并联机床 - Google Patents

Abstract

本发明属机械制造技术领域。包括固定平台、安装切削刀具的动平台、工作台。固定平台与动平台之间通过含有移动副的五条腿相联，其中一条腿位于动平台的中央位置，其余四条腿位于动平台周围，中间一条腿包含有三个移动副和一个虎克铰，三个移动副的移动方向互相垂直，移动副之一与固定平台相联，该腿与动平台通过虎克铰相联；周围四条腿与固定平台之间通过虎克铰相联，与动平台之间通过球铰相联。通过改变五条腿的伸缩量可以使动平台上的刀具实现不同的位置和姿态，从而实现五轴加工。本发明具有结构简单、制造容易、成本低、加工工艺性好、结构抗震性与切削稳定性好、加工精度高、刀具作业灵活、可以实现大倾角加工以及数控编程容易等优点。

Description

新型三维移动两维转动并联机床

一、技术领域

本发明属于数控机床制造技术领域，特别是涉及一种新型并联数控机床结构设计。

二、背景技术

传统的数控机床采用串联式的机械结构，这种机床结构的缺点是机构笨重、零部件多、传动链长、体积庞大、结构复杂、造价昂贵，机床各部分受力、热变形不均匀，加工过程中在拉力、压力、弯矩、扭矩的共同作用下机床易产生变形、震动，加上误差累积导致加工精度降低。此外由于部件重体积大，限制了加工过程中速度和加速度的提高。

现有的以6-SPS并联机构为原型的并联机床，由于基座与主轴动平台之间是由六条可伸缩腿联接的，由六条腿同时相互耦合地作伸缩运动来确定动平台的运动。主轴动平台的受力由六条腿分摊，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以6-SPS并联机构为原型的并联机床的突出优点。但基于6-SPS并联机构的并联机床也存在工作空间小、难以实现大倾角加工、数控编程复杂和困难以及各腿之间容易发生干涉等缺点。

三、发明内容

本发明设计的并联机床发挥了现有并联机构的优点，克服了现有技术的不足之处，使得本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、控制编程容易等优点，可以满足用户对大型的包含有复杂曲面类零件的多轴数控加工的要求。

本发明设计的并联机床结构，包括机架、固置在机架上的固定平台、安装切削刀具的动平台、工作台，固定平台与动平台之间通过五条联接腿相联形成空间并联闭链结构，五条联接腿均设计有配有驱动装置的移动副，其中一条联接腿位于动平台中央位置，设计有三个移动副和一个虎克铰或设计成两个移动副、一个转动副和一个虎克铰，通过一个移动副与固定平台相联，通过虎克铰与动平台相联；另外四条联接腿位于动平台周围，且每条联接腿均设计有一个移动副，通过虎克铰或球铰与固定平台相联，通过球铰与动平台相联。通过改变五条联接腿的伸缩量，可以控制动平台上刀具的位置与姿态。

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：

上述位于动平台中央位置的联接腿，当其结构为三个移动副和一个虎克铰时，其三个移动副设计成：一个为配有驱动装置的移动副，另二个为随动移动副。配有驱动装置的移动副最好设计为外置的移动副，通过该移动副与固定平台相联，另两个移动副为随动内置的移动副。三个移动副的移动方向考虑为相互垂直。

上述位于动平台周围的四条联接腿，每条腿均设计有一个配有驱动装置的移动副，移动副可为内置的移动副与外置的移动副中的一种，最好为内置的移动副。四条联接腿优先选择对称布置。

上述五条联接腿中的驱动装置可为液压油缸驱动装置与伺服电机和传动丝杠螺母构成的驱动装置中的一种。

上述所说的动平台，其中心设计有用于安装主轴驱动装置的空腔。

联接固定平台与动平台的五条联接腿均可为伸缩结构联接腿，也可设计成使其位于动平台中央位置的一条联接腿为伸缩结构联接腿，另外四条腿均由定长杆和一个外置的移动副构成。对于后一种结构形式，所说的外置的移动副由设置在机架上的导轨、丝杠以及与导轨和丝杠相配置的螺母滑块构成，定长杆一端通过虎克铰与螺母相联，另一端通过球铰与动平台相联。

上述位于动平台中央位置的联接腿，当其结构为两个移动副、一个转动副和一个虎克铰时，其结构可设计成：与固定平台联接的外置的一个移动副配有驱动装置，另一个移动副和转动副为随动运动副，联接方式可采取随动移动副与虎克铰联接或随动转动副与虎克铰联接。运动副之间的运动方向可设计为：配有驱动装置的移动副的移动方向与随动转动副的轴线平行，与随动移动副的移动方向垂直。

本发明具有以下的优点与效果：

1、固定平台与动平台之间通过五条腿相联，其中一条腿位于动平台中央位置，其余四条腿位于动平台周围，形成了空间并联闭链结构，该框架结构具有较高的刚度，可以大大减小由于机床受力变形引起的加工误差，从而有效地保证了机床的加工精度。在保证相同刚度的情况下，机床的重量也将大为减轻。

2、切削力由五条腿分担，加上动平台上铰接点的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、动平台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。

4、由于移动副、虎克铰和球铰都易于制造，可达到很高的制造精度，从而有效地保证机床的装配精度。加上有四条腿结构相同，动平台的结构也较简单，因此给本机床的加工制造、安装带来了方便，便于标准化专业化生产。

5、本发明的并联机床与6-SPS类型的并联机床相比具有工作空间大、结构简单、数控编程容易以及不易发生干涉等优点，因此给本并联机床的使用带来了许多方便。

综上所述，本发明的主要效果特征体现在：并联闭链框架结构、结构抗震、切削稳定、工作空间大、结构简单、制造容易、控制方便、数控编程容易等方面。

本发明的并联机床的原型为空间并联机构，较目前流行的并联机床的原型，即6-SPS机构在结构上简单，容易进行深入的理论分析、结构优化设计，也给机床的数控编程带来了方便，进一步可开发面向此类并联机床的CAD/CAM系统，为该并联机床的应用带来便利。

四、附图说明

附图1为本发明的结构原理示意图。

附图2为本发明第1个实施例的总体结构示意图。

附图3为本发明第2个实施例的总体结构示意图。

附图4为附图2和附图3中的联接腿7的随动移动副和虎克铰的结构示意图。

附图5为附图4中A-A向断面结构示意图。

附图6为附图2和附图3中与外置的移动副4相联的随动移动副5的剖视结构示意图。

附图7为附图6中的D-D向阶梯剖视结构示意图。

附图8为附图2和附图3中与固定平台3相联的外置的移动副4的驱动装置的剖视结构示意图。

附图9为附图8中的B-B向断面结构示意图。

附图10为附图8中的移动副的俯视图。

附图11为附图2中含有一个移动副的联接腿6的外形图。

附图12为附图11中C-C向断面结构示意图。

附图13为附图11中联接腿的剖视结构示意图。

附图简要说明：

1伺服电机，2机架，3固定平台，4外置的移动副，5随动移动副，6位于动平台周围的联接腿，7位于动平台中央位置的联接腿，8动平台，9切削刀具，10工作台，11伺服电机，12滑块，13滚珠丝杆，14定长杆，15导轨，16滑轴，17圆柱缸体，18虎克铰球，19滚珠螺母，20滚珠丝杆，21圆柱缸体，22联轴器，23伸缩腿体，24虎克铰球，25端盖，26导向套杆，27滚珠丝杆，28滚珠螺母，29轴承，30伺服电机，31滑轴，32滑台，33随动滑台。

五、具体实施方式

下面结合附图，详细介绍本发明的2个基于五自由度并联机构的并联机床实施例的结构及工作原理。

实验例1：

实施例1的原理如附图1所示，总体结构如图2所示。本实施例的并联机床由机架2、固置在机架上的固定平台3、安装切削刀具9的动平台8、工作台10，以及两端分别联接着固定平台与动平台的5条联接腿构成。5条联接腿与动平台和固定平台构成空间并联闭链结构。其中联接腿7位于动平台中央位置，设计有三个移动副，其中的一个移动副为外置的移动副4，由伺服电机1作为驱动装置，通过该移动副的构件与固定平台3相联。该联接腿在外置的移动副4的作用下，可进行伸缩运动。另外两个移动副是随动内置的移动副，该条腿与动平台8通过虎克铰相联。另外四条结构相同的联接腿6位于动平台周围。与固定平台3通过虎克铰相联，与动平台8通过球铰相联，该四条腿均设计有一个移动副，该移动副为配有驱动装置的内置的移动副，在移动副的作用下伸缩运动。工作台10安置在机架2的底部。切削刀具9在伺服电机和传动主轴的驱动下作切削运动。改变5条腿的伸缩量，动平台上的刀具可以实现不同的空间位置和姿态。空间并联闭链框架结构加上动平台上铰接点的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。

含有三个移动副的一条联接腿7，其腿体部分的结构如附图4和附图5所示，由与动平台相联的虎克铰球18、圆柱缸体17和可在缸体17内可伸缩滑动的滑轴16构成，铰球18固置在圆柱缸体17的一端，滑轴16的外端面设计有与随动滑台33相联接的结构，缸体17与滑轴构成该腿的内置的移动副。与外置的移动副4相联的随动移动副5，其结构如附图6和附图7所示，由滑轴31与随动滑台33构成移动副。与固定平台3相联的外置的移动副4，为由在滑台32上设计的导轨座，与安装在固定平台3上的导轨构成。附图8、附图9和附图10为外置移动副的驱动装置，由圆柱缸体21，通过轴承安置在圆柱缸体21内的滚珠丝杆20，滚珠螺母19，伺服电机1以及联轴器22等构成，滚珠螺母19通过其上设计的联接结构与滑台32上的凸台面联成一体。工作时，滚珠螺母19在滚珠丝杆的带动下移动，从而带动两个随动移动副运动。

设计有1个内置的移动副的四条结构相同的联接腿6，具体结构如附图11、附图12和附图13所示，由铰球、伸缩腿体23和虎克铰球24构成，伸缩腿体的具体结构为：30是伺服电机，可以驱动安装在轴承29上的滚珠丝杠27按照要求作旋转运动，伺服电机30与滚珠丝杠27通过联轴器相联。伺服电机30安装在圆柱缸体内。滚珠螺母28与直线导向套杆26安装在一起，直线导向套杆26与端盖25安装在圆柱缸体内。直线导向套杆26在导向槽约束下，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27旋转时，直线导向套杆26就在滚珠螺母28的带动下沿轴向作伸缩运动。与端盖25固置在一起的铰球用于联接动平台。与圆柱缸体固置在一起的虎克铰球24用于联接固定平台。

机床的工作过程：被加工工件固定在工作台10的台面上，五条腿在伺服电机的驱动下可作伸缩运动，使得动平台8上的切削刀具获得三维移动和两维转动的运动，即：沿X、Y、Z轴方向的平动以及绕X、Y轴的转动。切削刀具在主轴电机的驱动下作旋转切削运动，从而实现对任意曲面的加工。

实施例2：

本实施例的并联机床的总体结构如附图3所示，其整体结构和含有三个移动副的一条联接腿7的结构与实施例1相同，所不同的是设计有一个移动副的结构相同的四条腿，该结构腿均由定长杆14和一个外移动副构成。外移动副由设置在机架2上的导轨15，滚珠丝杠13以及与导轨、滚珠丝杠相配置的滚珠螺母滑块12构成，滑块12在伺服电机11和滚珠丝杠13的带动下可沿导轨上下滑动。定长杆14的一端通过虎克铰与滑块12相联，另一端通过球铰与动平台8相联。本实施例同样可使动平台上的切削刀具获得三维移动和两维转动的运动。

本发明的结构形式不限于上述实施例所描述的形式。

Claims (10)

1、一种三维移动两维转动并联机床，包括机架(2)、固置在机架上的固定平台(3)、安装切削刀具(9)的动平台(8)、工作台(10)，其特征在于，固定平台与动平台之间通过五条联接腿相联形成空间并联闭链结构，五条联接腿均设计有配有驱动装置的移动副，其中一条腿(7)位于动平台中央位置，其构成可为三个移动副和一个虎克铰或两个移动副、一个转动副和一个虎克铰，且通过一个移动副与固定平台(3)相联，通过虎克铰与动平台相联，其余四条腿位于动平台周围，且每条腿(6)均设计有一个移动副，通过虎克铰或球铰与固定平台(3)相联，通过球铰与动平台相联。

2、如权利要求1所述的并联机床，其特征在于所说的位于动平台中央位置的联接腿(7)由三个移动副和一个虎克铰构成，三个移动副的移动方向互相垂直，其中一个移动副配有驱动装置(1)，另两个移动副为随动移动副。

3、如权利要求2所述的并联机床，其特征在于位于动平台中央位置的联接腿(7)配有驱动装置的移动副(4)为外置的移动副，通过该移动副与固定平台相联，另两个移动副为随动内置的移动副。

4、如权利要求3所述的并联机床，其特征在于位于动平台周围的均设计有一个移动副的四条联接腿(6)为对称布置，其移动副可为内置的移动副与外置的移动副中的一种，移动副配有驱动装置。

5、如权利要求4所述的并联机床，其特征在于所说的五条腿的驱动装置可为液压油缸驱动装置与伺服电机和传动丝杠螺母构成的驱动装置中的一种，动平台(8)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5所述的并联机床，其特征在于所说的五条联接腿均为可伸缩的联接腿。

7、如权利要求5所述的并联机床，其特征在于位于动平台中央位置的一条联接腿为可伸缩的联接腿，另外四条联接腿均由定长杆(14)和一个外移动副构成，所说的外移动副由设置在机架上的导轨(15)、丝杠(13)以及与导轨和丝杠相配置的螺母滑块(12)构成，定长杆一端通过虎克铰与螺母相联，定长杆的另一端通过球铰与动平台相联。

8、如权利要求1所述的并联机床，其特征在于位于动平台中央位置的联接腿设计有两个移动副和一个转动副的一条联接腿，其中外置的移动副配有驱动装置，另一个移动副和转动副为随动运动副。

9、如权利要求8所述的并联机床，其特征在于位于动平台中央位置的联接腿，其联接方式可为随动移动副与虎克铰联接或随动转动副与虎克铰联接。

10、如权利要求9所述的并联机床，其特征在于位于动平台中央位置的联接腿，其配有驱动装置的移动副的移动方向与其随动转动副的轴线平行，与其随动移动副的移动方向垂直。

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