CN200951497Y - 两维移动两维转动并联平台机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种两维移动两维转动并联平台机构以及由此形成的五轴和五轴以上混联机床。其基本结构由固定平台、动平台和连接两个平台的五个分支组成。其中四个结构相同的分支位于平台的四周，与动平台和固定平台通过球铰或虎克铰相连，在两个平台上的铰点可分别按照矩形、梯形等任意几何形状布置，铰点可以选择水平布置或者上下错落布置；另一个约束分支位于并联平台的中央。四个分支中每个分支具有六个或六个以上自由度，这样整个并联平台的自由度数取决于中央约束支链的自由度数。由于中央约束支链提供两维移动和两维转动自由度，该机构具有五个分支四个自由度。本实用新型具有结构简单、刚性好、易于控制以及动态性能好等特点。根据本实用新型可以设计出多种五轴和五轴以上加工机床。

Description

两维移动两维转动并联平台机构

技术领域

本实用新型属于机械制造技术领域，涉及一类两维移动两维转动并联平台机构以及与此相关的五轴和五轴以上混联机床。

背景技术

传统的数控机床采用串联式结构，造成机床体积大、零部件多、结构复杂，由于各传动链串联而成，因而存在误差累积，加工精度难以提高。并联机器人机构由于具有刚度重量比大、承载能力强、误差累积小、动态性能好、结构紧凑等特点，近年来被广泛应用于数控机床、微动操作台、模拟器及航天器对接等技术领域。在并联机床应用方面，目前，三自由度和六自由度并联机床的应用已经非常广泛，能够提供五自由度的并联机床机构也已经得到重视。具有两维移动两维转动的四自由度并联机构，由于需要附加一维平动才可实现五坐标加工运动，因此一直没有得到重视。

无论是串联式结构、并联式结构或混联式结构，绝大多数机床的加工原理都是以刀具的运动为主运动完成加工，即通过主轴电机带动刀具按照一定的加工轨迹运动，从而实现对工件的加工，可称之为“刀具主运动型加工机床”。而“工件主运动型加工机床”则是将工件放置到活动平台上，通过活动平台作加工主运动再配合刀具的辅助运动来实现对复杂曲面工件的加工，这类机床是并联机床结构技术的新发展，目前用于工件主运动型加工机床的少自由度并联运动平台还比较少。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种两维移动两维转动并联运动机构，该机构具有结构简单、刚性好、易于控制以及动态性能好等特点。以此机构为基础推演出的并联运动平台和混联机床作为该机构的实际应用实例。

为达到上述目的，本实用新型可通过下述方案加以实现。并联运动机构包括固定平台、动平台和连接于固定平台和动平台之间的五个分支组成。平台几何形状不限。五个分支中的四个驱动分支位于平台的四周，与动平台和固定平台通过球铰或虎克铰相连，平台上的铰点可分别按照矩形、梯形等任意几何形状布置，铰点可以选择水平布置或者上下错落布置。四个驱动分支可由电机加丝杠螺母传动副驱动或由液压传动装置驱动或由直线运动模块驱动，使动平台获得两维移动和两维转动自由度。五个分支中的约束分支位于机构的中央，其结构为通过移动副相连的两根连杆。该支链的一端与动平台通过虎克铰相连，另一端可沿导轨移动，导轨固联在固定平台或固定框架上。

根据四个驱动分支的结构及其与固定平台、动平台的连接方式的不同，该并联运动平台有两种实现方案：即驱动分支为伸缩杆(如图1)和驱动分支为定长杆(如图2)。

驱动分支为伸缩杆是指：驱动支链结构为通过移动副连接的两根连杆，与动平台通过球铰相连，与固定平台通过球铰或虎克铰连接，动平台和固定平台上的铰点可分别按照矩形、梯形等任意几何形状布置。通过四根驱动杆的伸缩运动，动平台获得指定的位置和姿态。

驱动分支为定长杆是指：驱动支链结构为一定长连杆，其一端与动平台通过球铰相连，另一端通过球铰或虎克铰连接滑块，该滑块可沿滑道移动，滑道可以垂直于水平面或与水平面倾斜一定角度安装。动平台和各滑块上的铰点可分别按照矩形、梯形等任意几何形状布置。通过四个滑块的运动带动定长杆运动，动平台可获得指定的位置和姿态。

本实用新型的特点是：实现两维移动和两维转动(若如图设置坐标系应为Y、Z方向移动和绕X、Y轴转动)，机构相对简单，结构对称，且刚度高，动态性能好。在本实用新型所述的并联运动平台上放置加工工件，可使工件作四坐标运动，加上刀具可提供X方向移动，这样可以实现五坐标的加工功能；如果在此基础上再配上转盘，可实现六轴连动。作为工件主运动型加工机床，可克服具有约束分支的刀具主运动型加工机床主轴电机与约束分支发生干涉的可能性。在本实用新型并联运动平台上安装主轴电机，可使切削刀具作四坐标运动，工件放置在可沿X轴移动的工作台上，同样可以实现五坐标的加工功能。作为具有约束分支的刀具主运动型加工机床，需要通过特殊结构避免主轴电机与约束分支发生干涉，这种类型的优点是惯性力相对较小。由于具有中央支链的并联机床机构提供的高刚度，使机床加工的动态性能得到改善，从而使工件获得高的加工精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的结构原理示意图。

图2是本实用新型的结构变形示意图。

图3是本实用新型第一个实施例的结构示意图。

图4是本实用新型第二个实施例的结构示意图。

图5是本实用新型第三个实施例的结构示意图。

图6是本实用新型第四个实施例的结构示意图。

图7是本实用新型第五个实施例的结构示意图。

图中1.固定平台，2.虎克铰(或球铰)，3.连杆，4.连杆，5.动平台，6.虎克铰，7.球铰，8.连杆，9.连杆，10.导轨，11.固定框架，12.被加工件，13.刀具，14.主轴电机和刀具，15.移动平台，16.滑块，17.滑道，18.转盘，19.定长杆，20.虎克铰(或球铰)。

具体实施方式

附图1是本实用新型的结构原理示意图，其本身为两维移动两维转动并联运动平台。该并联运动平台结构包括固定平台1、动平台5和连接两者之间的五个分支，从而构成空间并联闭环结构。其中四个结构相同的驱动分支位于平台的四周，与动平台和固定平台通过球铰或虎克铰相连，在两个平台上的铰点可分别按照矩形、梯形等任意几何形状布置，铰点可以选择水平布置或者上下错落布置。每个分支结构均为通过移动副相连的两根连杆3和4，连杆3通过球铰或虎克铰2与固定平台1相连，连杆4通过球铰7与动平台5相连；约束分支位于并联平台中央，其结构为通过移动副相连的两根连杆8和9，连杆8通过虎克铰6与动平台5相连，连杆9可沿导轨10作Y方向(坐标系设置如图所示)移动，导轨10固联在固定平台上。该并联平台的运动过程为：在伺服电机或直线电机等驱动装置的驱动下四个驱动支链做伸缩或直线运动，中央被动约束支链随动，使得动平台获得两维移动两维转动自由度。

附图2为本实用新型结构变形示意图，同图1一样，可作为两维移动两维转动并联运动平台。其结构包括固定框架11、动平台5和连接两者之间的五个分支，从而构成空间并联闭环结构。其中四个结构相同的驱动分支位于平台的四周，每个分支结构均为一个定长连杆19，其一端通过球铰7与动平台5相连，另一端通过球铰或虎克铰20连接滑块16，滑块16可沿固定框架11上的滑道17移动，滑道17可以垂直于水平面或与水平面倾斜一定角度安装，动平台和各滑块上的铰点可分别按照矩形、梯形等任意几何形状布置，铰点可以水平布置或者上下错落布置；约束分支位于动平台中央，其结构为通过移动副相连的两根连杆8和9，连杆8通过虎克铰6与动平台5相连，连杆9可沿导轨10移动，导轨10固联在固定框架11上。该并联平台的运动过程为：在伺服电机或直线电机等驱动装置的驱动下四个滑块16带动四个驱动支链沿滑道17移动，中央被动约束支链随动，使得动平台获得两维移动两维转动自由度。

附图3为本实用新型的第一个实施例，即在图1所示的并联平台基础上，配合主轴电机所提供的X方向(坐标系设置如图所示)位移，构成五轴混联机床。机床的工作过程为：四自由度并联平台可放置被加工工件12，在驱动装置的驱动下，驱动支链作伸缩运动，中央约束支链随动，使得放置在并联平台上的被加工工件获得两维移动两维转动(Y、Z方向移动和绕X、Y轴转动)自由度；同时并联平台放置于固定框架11中，切削刀具13由主轴电机14驱动，并一起沿固联在机架11上的移动平台15作X方向移动，从而获得五轴联动，实现对复杂曲面的加工。

附图4为本实用新型的第二个实施例，即在图3所示的并联机床基础上，将固定平台1安装在可以绕Z轴(坐标系设置如图所示)转动的转盘18上，从而构成六轴混联机床。该机床的工作过程为：四自由度并联平台可放置被加工工件12，在驱动装置的驱动下，驱动支链做伸缩运动，中央约束支链随动，使得放置在并联平台上的被加工工件获得两维移动两维转动(Y、Z方向移动和绕X、Y轴转动)自由度；同时平台与工件一起随转盘18绕Z轴转动；切削刀具13由主轴电机14驱动，并一起沿固联在机架11上的移动平台15作X方向移动，从而获得六轴联动，实现对复杂曲面的加工。

附图5为本实用新型的第三个实施例，即在图2所示并联平台基础上，配合主轴电机所提供的X方向(坐标系设置如图所示)位移，构成五轴混联机床。机床的工作过程为：四自由度并联平台可放置被加工工件12，在驱动装置的驱动下，四个滑块16带动四个驱动支链沿滑道17移动，中央约束支链随动，使得放置在并联平台上的被加工工件获得两维移动两维转动(Y、Z方向移动和绕X、Y轴转动)自由度；同时，切削刀具13由主轴电机14驱动，并一起沿固联在机架11上的移动平台15作X方向移动，从而获得五轴联动，实现对复杂曲面的加工。

附图6为本实用新型的第四个实施例，即在图1所示并联平台基础上，配合移动平台15所提供的X方向(坐标系设置如图所示)位移，构成五轴混联机床。机床的工作过程为：四自由度并联平台如图倒置固定于固定框架11上，主轴电机14安装在动平台上。在驱动装置的驱动下，驱动支链做伸缩运动，中央约束支链随动，使得主轴电机14及其所驱动的切削刀具13获得两维移动两维转动(Y、Z方向移动和绕X、Y轴转动)自由度；同时被加工工件12固定在移动平台15上，并随之一起沿X向移动，从而获得5轴联动，实现对复杂曲面的加工。

附图7为本实用新型的第五个实施例，即在图2所示的并联平台基础上，配合移动平台15所提供的X方向(坐标系设置如图所示)位移，构成五轴混联机床。机床的工作过程为：四自由度并联平台如图倒置，主轴电机14安装在动平台上。在驱动装置的驱动下，四个滑块16带动四个驱动支链沿滑道17移动，中央约束支链随动，使得主轴电机14及其所驱动的切削刀具13获得两维移动两维转动(Y、Z方向移动和绕X、Y轴转动)自由度；同时被加工工件12固定在移动平台15上，并随之一起沿X向移动，从而获得五轴联动，实现对复杂曲面的加工。

本实用新型的结构型式不限于实施例中描述的型式。

Claims (5)

1、一种两维移动两维转动并联平台机构，包括固定平台(1)、动平台(5)和连接于固定平台(1)和动平台(5)之间的五个分支组成，其特征在于：固定平台(1)通过四个结构相同的驱动分支以及一个被动约束分支与动平台(5)相连，构成空间并联闭环结构，其中四个驱动分支位于平台的四周；约束分支位于并联平台中央，其结构为通过移动副连接的两根连杆(8)和(9)，连杆(8)通过虎克铰(6)连接到动平台(5)的上，连杆(9)可沿导轨(10)方向移动，导轨(10)固联在固定平台(1)或固定框架上。

2、根据权利要求1所述的并联平台机构，其特征在于：四个驱动分支的结构为伸缩杆，即通过移动副连接的两根连杆，与动平台(5)通过球铰(7)相连，与固定平台(1)通过虎克铰或球铰(2)连接，动平台(5)和固定平台(1)上的铰点分别按照矩形或梯形布置，铰点选择水平布置或者上下错落布置。

3、根据权利要求1所述的并联平台机构，其特征在于：驱动分支的结构为一定长杆(19)，其一端与动平台通过球铰(7)相连，另一端通过球铰或虎克铰(20)连接滑块(16)，滑块(16)可沿滑道(17)移动，滑道(17)以垂直于水平面或与水平面倾斜一定角度安装；动平台(5)和各滑块(16)上的铰点分别按照矩形或梯形布置，铰点选择水平布置或者上下错落布置。

4、根据权利要求2或3所述的并联平台机构，其特征在于：位于动平台(5)中央的约束分支为随动支链，包含一个虎克铰(6)和两个移动副，与固定平台(1)固联的移动副布置在水平面内，由两根连杆构成的移动副的移动方向与水平面垂直。

5、根据权利要求4所述的并联平台机构，其特征在于：四个结构相同的驱动分支位于平台的四周，所包含的驱动装置由电机加丝杠螺母传动副、液压传动装置或直线运动模块驱动实现。

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