CN208483520U - 一种五轴联动高性能混联数控机床 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种五轴联动高性能混联数控机床，其基本结构包括可移动单元、环形导轨框架、传递动力的转接平台、并联机构本体、末端执行器。其中并联机构本体由四条结构两两相同的RPU型第一驱动分支和SPR型第三驱动分支连接其动平台和静平台，该并联机构能够实现空间一维移动和两维转动，属于冗余驱动空间并联机构范畴；该并联机构能在环形导轨内整周回转，辅以自身三维运动，可实现混联机床五轴联动控制加工；并联机构动平台末端安装不同的执行单元可以实现大型管类复杂零件的铣削、焊接、磨削、制孔等作业，具有较好的工程实用前景。本实用新型具有结构紧凑、对称性好、灵活性高、加工精度高、运动学和动力学综合性能优良等优点。

Description

一种五轴联动高性能混联数控机床

技术领域

本实用新型属于数控加工智能装备领域，特别涉及一种能够满足大型管类复杂零部件五轴联动加工的高性能混联数控机床。

背景技术

在航空航天、汽车、船舶制造装备加工领域，对于大型管类复杂异形曲面，具有壁薄、易变形、加工难度大、零件精度要求高等的工艺特点，传统的三轴式数控机床虽具有较大的作业空间，但因其开链结构特性决定该类机床具有误差累计、刚度差、加工精度低的弊端，已经无法满足当下“高精尖”时代的加工任务要求；与之相对的并联机床具有灵活的姿态能力，对于复杂曲面的加工具有天然的优势，因此，并联机床是发展航空制造业和新兴高新技术产业的最基本装备技术。并联机床较传统机床相比，具有刚度大、精度高、运动学性能优等特点，但并联机床加工工作空间较小，加工范围有限等缺陷限制了其快速发展，鉴于并联机床与传统机床的相融合，使五轴联动加工、高速加工、卧式加工混联机床于一体的高技术数控装备成为复杂结构件加工的必然选择。

并联机构作为五轴联动混联数控机床完成加工任务要求的主机构，倘若机构支链得不到妥善配置在运动过程中难免发生奇异，并联机构在奇异位置将无法控制，致使机床刚度非常小，严重影响机床的综合性能。为了克服机构奇异性的影响，本实用新型引入冗余驱动并联机构，冗余驱动的引入能够有效提高机床的加工精度、增大姿态工作空间、减少机构的奇异位形，提高混联数控机床的综合运动学性能和动力学性能。五轴联混联数控机床凭借其加工复杂曲面的优良性能，被广泛应用于航空航天、高精密医疗设备以及汽车机械等行业领域，为提升我国先进关键制造装备的自主研发提供重要的参考依据。

实用新型内容

本实用新型的技术问题在于提供一种五轴联动高性能混联数控机床，解决当前亟待解决的大型管类复杂自由曲面的加工速度低、加工精度低、加工效率低的共性问题，攻克高档数控机床发展的核心关键技术难题，提升我国机床工业的技术和制造水平，提升我国高档数控机床装备产业的综合竞争力。

本实用新型采用如下的技术方案实现：

一种五轴联动高性能混联数控机床，其特征在于：该五轴联动高性能混联数控机床包括可移动单元 (1)、环形导轨框架(2)、传递动力的转接平台(3)、并联机构本体、末端执行器(8)，其中并联机构本体由四条结构两两相同的RPU型第一驱动分支(5)和SPR型第三驱动分支(6)连接其动平台(7)和静平台(4)，该并联机构能够实现空间一维移动和两维转动，属于冗余驱动空间并联机构范畴。

所述RPU型第一驱动分支主要包括第一转动副(501)、第一伺服驱动单元(502)和虎克铰(503)，其第一转动副(501)的转动副轴线与第一伺服驱动单元(502)的移动方向垂直，虎克铰(503)的第一转动副轴线与第一转动副(501)的转动副轴线平行，其第二转动副轴线与第一转动副轴线正交，且第一转动副轴线与第一伺服驱动单元(502)的移动导路方向垂直，虎克铰(503)的第二转动副轴线与动平台 (7)铰接。

所述SPR型第三驱动分支主要包括复合球铰(601)、第三伺服驱动单元(602)和第三转动副(603)，其复合球铰(601)的第一转动副轴线与静平台(4)垂直，第二转动副轴线与第一转动副轴线正交，第三转动副轴线与第二转动副轴线正交，且与第三伺服驱动单元(602)的移动导路方向共线，第三转动副(603) 转动副轴线与第三伺服驱动单元(602)的移动导路方向垂直，其第三转动副(603)的末端与动平台(7) 固接。

所述传递动力的转接平台(3)由谐波减速电机和齿轮啮合环形导轨的齿条带动并联机构本体整周回转。

所述并联机构本体的四条驱动分支的铰点均匀分布在动平台(7)和静平台(4)的外接圆上，所述 RPU型第一驱动分支和SPR型第三驱动分支的伺服驱动单元由伺服电机和高精密滚珠丝杠传递力和运动，且RPU型第一驱动分支中虎克铰(503)的第二转动副轴线与末端执行器(8)的轴线始终垂直。

本实用新型与现有技术相比具有如下有益效果：(1)支链拓扑构型简单紧凑，对称性好，易于实现模块化生产；(2)工作空间大、灵活性高，调姿能力强，可规避奇异位形；(3)多联动，五轴联动加工能够解决大型管类复杂零件的加工效率问题；(4)刚度高，并联机床具有较好的静态刚度和动态刚度，能够抵抗零部件加工时引起的机床变形，以保证加工表面的质量；(5)互换性程度高，更换动平台末端执行器的种类，可以实现不同的作业，如铣削、磨削、焊接、制孔等；(6)动态系统响应快，并联机床采用伺服电机驱动直线轴运动，抑制加工过程中的谐振，能够获取较高的动态响应特性和实现驱动的平稳性，完成复杂型面频繁、高效的进给加工。

附图说明

图1是本实用新型的一种五轴联动高性能混联数控机床的整体结构示意图；

图2是本实用新型的一种五轴联动高性能混联数控机床可移动环形导轨框架结构示意图；

图3是本实用新型的一种五轴联动高性能混联数控机床水平移动单元的结构示意图；

图4是本实用新型的一种五轴联动高性能混联数控机床的并联机床结构示意图；

图5是本实用新型的一种五轴联动高性能混联数控机床RPU型第一驱动分支的结构示意图；

图6是本实用新型的一种五轴联动高性能混联数控机床SPR型第三驱动分支的结构示意图；

图7是本实用新型的一种五轴联动高性能混联数控机床转动副的结构简图；

图8是本实用新型的一种五轴联动高性能混联数控机床虎克铰的结构简图；

图9是本实用新型的一种五轴联动高性能混联数控机床复合球铰的结构简图；

1.移动单元，2.环形导轨框架，3.传递动力的转接平台，4.静平台，5.RPU型第一驱动分支，6.SPR型第三驱动分支，7.动平台，8.末端执行器

101.伺服电机，102.电机支座，103.联轴器，104.带轴承支座，105.滚珠丝杠，106.滚珠丝杠螺母副，107. 带轴承支座，108.直线导轨，109.滑块

501.第一转动副，502.第一伺服驱动单元，503.虎克铰

601.复合球铰，602.第三伺服驱动单元，603.第三转动副

具体实施方式

为进一步了解本实用新型提供的一种五轴联动高性能混联数控机床，下面结合附图和详细实施例对本实用新型进行具体阐述。

图1为本实用新型提供的一种五轴联动高性能混联数控机床整体结构示意图，其特征在于：该五轴联动高性能混联数控机床包括可移动单元(1)、环形导轨框架(2)、传递动力的转接平台(3)、并联机构本体、末端执行器(8)，其中并联机构本体由四条结构两两相同的RPU型第一驱动分支(5)和SPR型第三驱动分支(6)连接其动平台(7)和静平台(4)，该并联机构能够实现空间一维移动和两维转动，属于冗余驱动空间并联机构范畴。

图2和图3是本实用新型的一种五轴联动高性能混联数控机床环形导轨框架结构示意图，所述的可移动环形导轨框架模块由移动单元(1)和环形导轨框架(2)组成，其中所述的移动单元(1)包括伺服电机(101)、电机支座(102)、联轴器(103)、带轴承支座(104)和(107)、高精密滚珠丝杠(105)、滚珠丝杠螺母副(106)、直线导轨(108)、滑块(109)。伺服电机(101)通过电机支座(102)将其固定在地板上，伺服电机(101)通过联轴器(103)连接高精密滚珠丝杠(105)，将伺服电机(101)的旋转运动转换为滚珠丝杠螺母副(106)的直线运动，滚珠丝杠螺母副(106)与环形导轨框架(2)的底部通过螺栓相连接，同时高精密滚珠丝杠(105)采用两端固定的安装方式，通过带轴承支座(104)和(107) 固定在地板上。为了防止环形导轨(2)过重，影响工作精度，在其下方固结四个结构等同的滑块(109)，使得环形导轨框架能够在两个结构对称的直线导轨(108)上灵活移动。

图4是本实用新型的一种五轴联动高性能混联数控机床的并联机床结构示意图，所述的并联机床包括传递动力的转接平台(3)、并联机构本体和末端执行器(8)，所述传递动力的转接平台(3)由谐波减速电机和齿轮啮合环形导轨的齿条带动并联机构本体整周回转。所述的并联机构本体由静平台(4)、动平台 (7)和连接动平台(7)、静平台(4)的四条结构两两相同的驱动分支构成。

图5是本实用新型的一种五轴联动高性能混联数控机床RPU型第一驱动分支的结构示意图，所述RPU 型第一驱动分支主要包括第一转动副(501)、第一伺服驱动单元(502)和虎克铰(503)，其第一转动副 (501)的转动副轴线与第一伺服驱动单元(502)的移动方向垂直，虎克铰(503)的第一转动副轴线与第一转动副(501)的转动副轴线平行，其第二转动副轴线与第一转动副轴线正交，且第一转动副轴线与第一伺服驱动单元(502)的移动导路方向垂直，虎克铰(503)的第二转动副轴线与动平台(7)铰接，且其轴线与末端执行器(8)的轴线始终垂直。

图6是本实用新型的一种五轴联动高性能混联数控机床SPR型第三驱动分支的结构示意图，所述SPR 型第三驱动分支主要包括复合球铰(601)、第三伺服驱动单元(602)和第三转动副(603)，其复合球铰 (601)的第一转动副轴线与静平台(4)垂直，第二转动副轴线与第一转动副轴线正交，第三转动副轴线与第二转动副轴线正交，且与第三伺服驱动单元(602)的移动导路方向共线，第三转动副(603)转动副轴线与第三伺服驱动单元(602)的移动方向垂直，其第三转动副(603)的末端与动平台(7)固接。

图7是本实用新型的一种五轴联动高性能混联数控机床转动副的结构简图，所述转动副主要由传递运动的两连接部件、转轴、轴承、轴承端盖组成。

图8是本实用新型的一种五轴联动高性能混联数控机床虎克铰的结构简图，所述虎克铰主要由两正交的转轴、连接部件、轴承、轴承端盖、固接法兰组成。

图9是本实用新型的一种五轴联动高性能混联数控机床复合球铰的结构简图，所述复合球铰主要由三个两两相交的空间转轴、连接部件、轴承、轴承端盖、固接法兰组成。

本实用新型所述的一种五轴联动高性能混联数控机床的实施方式不局限于以上具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的，而不是限制性的。根据本实用新型公开的内容，所属技术领域的技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本实用新型权利要求所保护的范围内，还可以采取其他的具体方式进行实施，因此，实施例不能理解为本实用新型仅可以实施的具体实施方式。

Claims (5)

1.一种五轴联动高性能混联数控机床，其特征在于：该五轴联动高性能混联数控机床包括可移动单元(1)、环形导轨框架(2)、传递动力的转接平台(3)、并联机构本体、末端执行器(8)，其中并联机构本体由四条结构两两相同的RPU型第一驱动分支(5)和SPR型第三驱动分支(6)连接其动平台(7)和静平台(4)，该并联机构本体能够实现空间一维移动和两维转动，属于冗余驱动空间并联机构范畴。

2.根据权利要求1所述的五轴联动高性能混联数控机床，其特征在于：所述RPU型第一驱动分支主要包括第一转动副(501)、第一伺服驱动单元(502)和虎克铰(503)，其第一转动副(501)的转动副轴线与第一伺服驱动单元(502)的移动方向垂直，虎克铰(503)的第一转动副轴线与第一转动副(501)的转动副轴线平行，其第二转动副轴线与第一转动副轴线正交，且第一转动副轴线与第一伺服驱动单元(502)的移动导路方向垂直，虎克铰(503)的第二转动副轴线与动平台(7)铰接。

3.根据权利要求1所述的五轴联动高性能混联数控机床，其特征在于：所述SPR型第三驱动分支主要包括复合球铰(601)、第三伺服驱动单元(602)和第三转动副(603)，其复合球铰(601)的第一转动副轴线与静平台(4)垂直，第二转动副轴线与第一转动副轴线正交，第三转动副轴线与第二转动副轴线正交，且与第三伺服驱动单元(602)的移动导路方向共线，第三转动副(603)转动副轴线与第三伺服驱动单元(602)的移动导路方向垂直，其第三转动副(603)的末端与动平台(7)固接。

4.根据权利要求1所述的五轴联动高性能混联数控机床，其特征在于：所述传递动力的转接平台(3)由谐波减速电机和齿轮啮合环形导轨的齿条带动并联机构整周回转。

5.根据权利要求1所述的五轴联动高性能混联数控机床，其特征在于：所述并联机构本体的四条驱动分支的铰点均匀分布在动平台(7)和静平台(4)的外接圆上，所述RPU型第一驱动分支和SPR型第三驱动分支的伺服驱动单元由伺服电机和高精密滚珠丝杠传递力和运动，且RPU型第一驱动分支中虎克铰(503)的第二转动副轴线与末端执行器(8)的轴线始终垂直。