CN1491775A - 多轴式工具机的并联式机构装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种多轴工具机的并联式机构装置，该装置设有以一结合于固定平台的拘束机构及三支并联于拘束机构与固定平台的驱动轴；该拘束机构设有三个线性独立的滑行对，限制拘束机构的运动平台只能产生三个方向的平移运动自由度，利用CNC控制器来控制三个并联的驱动轴的杆长变化或位置变化，达到控制拘束机构的运动平台于三个互相正交方向产生线性平移运动的效能。

Description

多轴式工具机的并联式机构装置

技术领域

本发明涉及一种运用于多轴工具机的并联式机构装置，尤其是能单独运用于三轴加工应用，并且只允许运动平台于空间进行线性位移的新型多轴工具机并联式机构装置。

背景技术

随着高速切削技术的不断进展，传统以串联方式将线性轴和旋转轴结合组成的串联式机构装置工具机，其结构刚性与移动台高速化逐渐成为技术发展的瓶颈，因此设计人员开始寻求其它适合于高速化的可能机器构型，其中的并联式机构装置工具机即成为设计人员心目中一个绝佳的候选对象。并联式机构装置工具机具有高刚性、高精度、高速等优点，适合于高精度与高速切削场合；并联式机构装置工具机容易做成一个五轴工具机，适合于3D曲面的模具加工场合，并且并联式机构装置工具机尚具有制造成本低、容易组装、容易维修、容易模块化等优点，适合于DIY；因此，并联式机构装置工具机近年来已成为工具机制造业者争相开发的方向之一。

现有并联式机构装置工具机的结构设计主要是如美国第4732525号专利及中国第97229311号专利等资料所示；其中：

美国第4732525号专利的并联式三轴运动平台，是将三个可主动控制的伸缩杆运动轴与一个拘制机构以并联方式连接组成，现有的拘束机构是使用一个滑行对(T对)与万向接头(RR对)组成，该拘束机构让运动平台具有TRR型式的三个运动自由度〔T表示线性移动(translation)、R表示旋转运动(rotation)〕，由于该拘束机构具有旋转的自由度，因此运动平台的角度方位(orientation)在工作空间时会持续改变。惟其并联运动平台的拘束机构在使用实施上，至少尚存在以下几项缺点：

1.无法单独运用于三轴加工的工具机：受限于三轴并联运动平台具有旋转的自由度，其必须再搭配一个二个自由度的运动轴，造成应用领域局限于五轴工具机的加工型态，无法单独运用于三轴加工的工具机，由于五轴工具机的价格昂贵，在许多只需三轴工具机的场合并不适用。

2.拘束机构的万向接头的刚性不易提升：其三轴并联运动平台的拘束机构是使用万向接头，由于万向接头的制造精度及刚性较差，造成工具机的刚性容易受到限制。

3.运动平台的运动精度不易控制：其三轴并联运动平台作为运动平台的回馈控制讯号，主要是量测拘束机构的TRR三个运动讯号作为三个主动伸缩杆的控制讯号，但是使用旋转讯号(rotation signal)作为回馈讯号的缺点是：万向接头的制造误差或受力变形所产生的旋转讯号会被拘束杆的杆长放大，造成运动平台的运动精度不易控制。

中国第97229311号专利的并联式三轴运动平台，其运作原理类似于前述美国专利的设计，两者的差异在于其拘束机构是使用类似平行四连杆机构原理，该平行四连杆是类似传统万能制图仪的原理，由旋转接头与杆件组成平行四连杆机构，可以限制运动平台的自由度为平移运动而不能旋转，中国第97229311号专利的优点是可以独立作为三轴工具机，惟其结构设计的缺点及限制为：

1.拘束机构的刚性不易提升：其拘束机构由三维的平行四连杆组成，整个拘束机构设具有许多的旋转接头，让拘束机构的刚性容易受限于旋转接头的刚性，造成工具机的刚性不易提升，其拘束机构的力流线较前述美国专利的拘束机构的力流线长，进一步对工具机的刚性产生负面的影响。

2.运动平台的运动精度不易控制：其拘束机构设有许多的旋转接头，由于旋转接头的制造误差或受力变形所产生的误差会被杆长放大，造成工具机运动平台的运动精度不易控制。

发明内容

为了克服现有的工具机的并联式机构装置设计的缺点与不足，本发明提供一种多轴式工具机的并联式机构装置，该多轴式工具机的并联式机构装置能够单独使用于三轴加工应用，并且具有高刚性及高精确度等特点。

本发明进一步的目的是提供一种多轴式工具机的并联式机构装置，该多轴式工具机的并联式机构装置能够进行实时(real-time)或在线(on-line)方式来控制或补偿制造组装误差、热变形和受力变形等定位误差。

为达上述目的，本发明解决技术问题所采用的技术方案是：本发明主要的构成包括：

一设于工具机的固定平台；

一结合于固定平台的拘束机构：该拘束机构设有三个线性独立的滑行对，用以限制拘束机构相对于固定平台只能产生三个方向的平移运动自由度，于拘束机构的自由端设有一运动平台，于该运动平台设有供刀具安装的主轴；

三支以并联型态连设于拘束机构与固定平台的驱动轴：各驱动轴的第一端是可转动型态分别连结于拘束机构的运动平台，各驱动轴的第二端是以拘束机构为中心而以可转动或可移动型态连结于固定平台。

本发明进一步于拘束机构的各滑行对及三支驱动轴均安装传感器，同时提供CNC控制器控制运动平台位置的两类回馈讯号，配合三轴运动平台的机构运动方程式，可以作为并联式机构几何参数的补偿校正之用。

本发明的有益效果是：

1.可单独使用于三轴加工应用：本发明可以利用CNC控制器来控制三个并联的驱动轴的杆长变化或位置变化，控制拘束机构的运动平台于三个互相正交方向产生线性平移运动，不仅能够限制运动平台的角度方位(orientation)于工作空间时不会改变，让本发明可以单独使用于三轴工具机，并且让整体的刚性较现有的拘束机构为佳。

2.让拘束机构具有高刚性的特点：本发明的拘束机构均由线性滑行对组成，相较于现有具旋转对的拘束机构，本发明具有较佳的刚性。

3.让拘束机构具有高精确度的特点：本发明可以于拘束机构的各滑行对或三支驱动轴分别安装传感器，提供CNC控制器控制运动平台位置的回馈讯号，作为三支驱动轴的运动控制讯号，由于没有现有的拘束机构因旋转接头的分辨率及误差放大问题，可以大幅提升控制精确度。

4.提供以实时或在线方式来校正定位误差的机能：本发明可以于拘束机构的各滑行对及三支驱动轴均安装传感器，提供CNC控制器控制运动平台位置定位误差的两类回馈讯号，配合三轴运动平台的机构运动逆转换方程式，达到以离线方式校正机构组装误差参数或以在线方式实时补偿热变形、轴受力或运动所造成的定位误差。

附图说明

图1是本发明第一个实施例的组合构造示意图；

图2是本发明第一个实施例的拘束机构的构造图；

图3是本发明第一个实施例的驱动轴的构造图；

图4是本发明第一个实施例运用为第一种五轴工具机型态的应用实施例图；

图5是本发明第一个实施例运用为第二种五轴工具机型态的应用

实施例图；

图6是本发明第二个实施例的组合构造示意图；

图7是本发明第三个实施例的组合构造示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示的第一个实施例，该并联式机构装置的构成包括：

一安装于工具机的机架10，该机架10设有一水平的基座11，于该基座11的顶面中央设有一供工件安置的工作台15，该工作台15可以设为可滑动或可交换的型式，以便于工件的安置；再以等角度间隔型态于基座11接近周缘位置固设有三支垂直竖立的梁柱12，再将一固定平台13以水平型态固设于该三支梁柱12的顶端，该固定平台13的中央位置开设有一框孔14；

一以垂直型态结合于固定平台的拘束机构20：如图1、2所示，该拘束机构20设有一垂直于固定平台13且为滑动杆构造的轴柱21，该轴柱21的顶端以可滑动型态穿设于一滚珠轴套22中，该滚珠轴套22固设于一滑座25，该轴柱21底端设有一运动平台23，再于该运动平台23的底部设有一可供加工刀具安装的主轴24，该主轴24的位置恰对应设于基座11的工作台15；

前述的滑座25是一矩形板块，于矩形滑座25的顶面四端角位置设有四支相互平行的第一导轨251，于固定平台13底面的相对应位置分别设有四支与前述第一导轨251形成互相正交的第二导轨253，再利用四个分别滑设咬合于相对应第一、二导轨251253的双向滑块252，让滑座25以可双向平移型态结合于固定平台13的底面；同时该拘束机构20可设于较接近机体前侧的位置，以利于工件的安置；

三支以并联型态连设于拘束机构20与固定平台13的驱动轴30：如图1、3所示，各驱动轴30设有一滚珠螺杆31，于滚珠螺杆31套设有一滚珠螺帽33，该滚珠螺帽33固设一支撑轴承组35，该支撑轴承组35设有一伺服马达36，并可利用一皮带轮组34带动滚珠螺帽33转动，该伺服马达36以线路连设于工具机的CNC控制器；

承前所述，三支驱动轴30的滚珠螺杆31第一端是利用一球接头32以等角度的间隔型态分别连结于拘束机构20的运动平台23，三支驱动轴30的支撑轴承组35是分别利用万向接头37以可转动型态连设于固定平台13，三支驱动轴30连设于固定平台13的位置以拘束机构20为中心，并且保持等距离、等角度的间隔型态。

如图1所示，本发明的拘束机构20的轴柱21以可滑动型态垂直穿设于滑座25的滚珠轴套22，并且滑座25以可双向平移型态结合于固定平台13，让拘束机构20的运动平台23只能于三个互相正交方向产生线性平移运动，同时可以利用工具机的CNC控制器来控制三个并联的驱动轴30的伺服马达36改变驱动轴30的杆长变化，控制运动平台23三个互相正交方向的线性平移运动；如此，本发明不仅能够限制拘束机构20的运动平台23的角度方位于工作空间时不会改变，可以单独使用于三轴工具机，并且让本发明的拘束机构20的刚性较现有具旋转对的拘束机构为佳。

本发明可以于拘束机构20的轴柱21、滑座25的第一导轨251及第二导轨253等三个滑行对，安装连通工具机CNC控制器的传感器，提供CNC控制器控制运动平台23位置的回馈讯号，作为三个驱动轴30的运动控制讯号；又，本发明可以于三支驱动轴30分别安装连通工具机CNC控制器的传感器，量测驱动轴30的杆长变化或角度变化等几何变化讯号，提供CNC控制器控制运动平台23位置的回馈讯号，作为三个驱动轴30的运动控制讯号。

前述的两类控制讯号源可独立使用，亦即只需使用拘束机构20讯号源或只需使用三支驱动轴30讯号源，即可提供CNC控制器来控制运动平台23的运动，由于本发明的结构设计没有现有拘束机构因旋转接头的分辨率及误差放大问题，可以大幅提升并联式机构装置的控制精确度。

本发明可以进一步将前述的两类控制讯号源合并使用，亦即将拘束机构20的三个滑行对运动感测讯号及三支驱动轴30几何变化讯号合并使用，同时提供CNC控制器控制运动平台23位置的回馈讯号，利用三轴运动平台23机构运动的三角几何联立方程式，配合数值解析法及非线性最小平方误差法的运用，由CNC控制器分别解出两类控制讯号源计算出的运动平台23位置且进行比对补偿校正，让本发明的并联式机构装置具有以实时real-time或在线on-line的方式，来控制或补偿制造组装误差、热变形和受力变形等定位误差。

如图4所示，本发明的并联式机构装置可以于拘束机构20的运动平台23再设一双旋转轴26，并将供加工刀具安装的主轴24设于该双旋转轴26，让本发明的并联式机构装置应用为一种五轴工具机型态。

如图5所示，本发明的并联式机构装置可以于设于基座11的工作台15，再设一具双向自由度的转动平台16，让本发明的并联式机构装置应用为一种五轴工具机型态。

如图6所示的本发明第二个实施例，该较佳实施例的拘束机构20A设有一可供运动平台23轴向滑动的轴柱21A，该轴柱21A的顶端固设于一滑座25，该滑座25滑设咬合于一单向滑块254相对应固设的第一导轨251，该单向滑块254再滑设咬合于固设在固定平台13底面的相对应位置的第二导轨253，该第二导轨253与第一导轨251呈互相正交型态，让滑座25以可双向平移型态结合于固定平台13的底面；

该第二个实施例的驱动轴30A设有一可为油压缸等型态的伸缩式轴杆31A，该伸缩式轴杆31A的第一端利用一球接头32连结于拘束机构20的运动平台23，该伸缩式轴杆31A的第二端同样是利用一万向接头37以可转动型态连设于固定平台13。

如图7所示的第三个实施例，其拘束机构20A的设计相同于如图6所示的第二个实施例，容不赘述；该第三个实施例的驱动轴30B设有一固定长度的轴杆31B，该轴杆31B的第一端利用一球接头32连结于拘束机构20的运动平台23，该轴杆31B的第二端利用一万向接头37以可转动型态固设于一脚座38，该脚座38以可滑动型态结合于固定平台13相对应位置的导轨382。

Claims (10)

1.一种多轴式工具机的并联式机构装置，其包括有：一固定平台、一结合于固定平台的拘束机构及三支以并联型态连设于拘束机构与固定平台的驱动轴，其特征在于：

所述的固定平台固设于一具CNC控制器的工具机；

所述的拘束机构设有三个线性独立的滑行对，用以限制该拘束机构相对于固定平台只能产生三个方向的平移运动自由度，于该拘束机构的自由端设有一运动平台，于该运动平台设有供刀具安装的主轴；

所述的三支驱动轴的第一端是可转动型态分别连结于拘束机构的运动平台，三支驱动轴的第二端是以拘束机构为中心而以可变动型态连结于固定平台。

2.根据权利要求1所述的多轴式工具机的并联式机构装置，其特征在于，所述的拘束机构设有一垂直于固定平台且为滑动杆构造的轴柱，该轴柱以可滑动型态穿设于一滚珠轴套，该滚珠轴套固设于一滑座，该滑座是一矩形板块，于滑座的四端角位置设有四支相互平行的第一导轨，于固定平台的相对应位置分别设有四支与前述第一导轨形成互相正交的第二导轨，利用四个分别滑设咬合于相对应第一、二导轨的双向滑块，让滑座以可双向平移型态结合于固定平台。

3.根据权利要求1所述的多轴式工具机的并联式机构装置，其特征在于，所述的拘束机构设有一可供运动平台轴向滑动的轴柱，该轴柱的顶端固设于一滑座，该滑座滑设咬合于一单向滑块相对应固设的第一导轨，该单向滑块滑设咬合于固设在固定平台的相对应位置的第二导轨，该第二导轨与第一导轨呈互相正交型态，让滑座以可双向平移型态结合于固定平台。

4.根据权利要求1或2或3所述的多轴式工具机的并联式机构装置，其特征在于，所述的拘束机构于运动平台设一双旋转轴，所述的主轴设于该双旋转轴，所述的固定平台固设于三支垂直竖立的梁柱顶端，该三支梁柱的底端固设于一基座，该基座的顶面设有一对应于拘束机构主轴的工作台，于该工作台设一具双向自由度的转动平台。

5.根据权利要求1或2或3所述的多轴式工具机的并联式机构装置，其特征在于，所述的驱动轴设有一滚珠螺杆，于滚珠螺杆套设有一滚珠螺帽，该滚珠螺帽固设一支撑轴承组，该支撑轴承组设有一伺服马达且以一皮带轮组带动滚珠螺帽，该伺服马达以线路连设于CNC控制器。

6.根据权利要求5所述的多轴式工具机的并联式机构装置，其特征在于，所述的三支驱动轴的滚珠螺杆的第一端利用一球接头以等角度的间隔型态连结于拘束机构的运动平台，三支驱动轴的支撑轴承组利用万向接头以可转动型态连设于固定平台，并以拘束机构为中心而保持等距离、等角度的间隔型态。

7.根据权利要求1或2或3所述的多轴式工具机的并联式机构装置，其特征在于，所述的驱动轴设有一伸缩式轴杆，该伸缩式轴杆的第一端利用一球接头以可转动型态连设于拘束机构的运动平台，该伸缩式轴杆的第二端利用一万向接头以可转动型态连设于固定平台。

8.根据权利要求1或2或3所述的多轴式工具机的并联式机构装置，其特征在于，所述的驱动轴设有一固定长度的轴杆，该轴杆的第一端利用一球接头以可转动型态连结于拘束机构的运动平台，该轴杆的第二端利用一万向接头以可转动型态固设于一脚座，该脚座以可滑动型态结合于固定平台相对应位置的导轨。

9.根据权利要求1所述的多轴式工具机的并联式机构装置，其特征在于，所述的拘束机构于三个滑行对分别安装有可以量测线性位移量的传感器，各传感器连通工具机的CNC控制器，提供CNC控制器控制运动平台位置的回馈讯号。

10.根据权利要求1或9所述的多轴式工具机的并联式机构装置，其特征在于，所述的三支驱动轴分别安装有可以量测长度、角度及位置变化的传感器，各传感器连通工具机的CNC控制器，提供CNC控制器控制运动平台位置的回馈讯号。

Images