CN103252683A - 一种五自由度混联数控机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五自由度混联数控机床，包括立柱、床身、工作台和加工单元；所述加工单元包括支撑架、动平台、第一支链、第二支链、第三支链和定位头，支撑架、第一支链、第二支链、第三支链和动平台形成三自由度并联机构，再在动平台上串联一个具有两自由度的定位头，机床在加工时有五个驱动装置驱动加工单元调整末端姿态，从而实现五轴联动加工。本发明结构简单、工作空间与机构体积之比大，具有高刚度、高精度和五自由度，可以实现五轴联动，适合做复杂空间曲面的数控加工；并且成本低。

Description

一种五自由度混联数控机床

技术领域

本发明涉及一种数控机床，特别是涉及一种五自由度混联数控机床。

背景技术

近十几年来，并联/混联数控机床是国内外数控机床研究领域非常关注的热点课题。并联/混联机床与传统结构形式的数控机床相比具有许多优点。传统机床为串联、开链式结构，为了实现五轴加工，需要在传统数控机床上再增加两个轴控制刀具姿态或者控制工作台位姿，并且这些轴都是按串联形式布置的，因此在五轴联动时运动惯性大，刚度较弱，动态性能较差，末端切削精度较低。而并联机床由动平台、静平台和几条简单的串联支链组成，混联机床为并联机构和串联定位头组成，结构简单、工作空间与机构体积之比大，刚度高，精度高，灵活性好，适合做复杂空间曲面的数控加工。

由现有专利文献CN1958229A、CN2476392A、CN1788899A和CN201744858U可知，现有的一类并联机床，由静平台、动平台和几条伸缩支链组成，这几个专利存在的一个关键问题是：它们过多地使用了球铰，导致整机刚度低、精度低。现有专利文献CN101774128A所述的并联机床，使用的杆件和铰链较多，结构复杂，刚度不高，工作空间较小。现有专利文献CN201324943Y和CN201833184U所述的并联机床，大量采用虎克铰、三自由度转动铰或球铰，导致结构复杂、整机刚度差。

由现有专利文献GB2173472（或EP0200369、US4790718）、SE8502327（或US4732525）、CN1524662、CN1709657A、CN1439492A可知，现有一类带定位头的空间混联机器人用于数控加工，包括几个可沿轴向伸长或缩短的调节装置；所述调节装置的一端通过虎克铰连接在固定架上，所述调节装置的另一端通过三转动自由度铰链与动平台相连，导致机构的整体刚度较低，负载能力较差；有的专利中还附加了被动支链与动平台刚性连接，并通过虎克铰与固定架相连接，以限制定位头的某几个自由度。在这类机器人结构中，被动支链不仅使机构变得复杂，而且运动构件数量多，使其在运动过程中容易发生干涉，减小了工作空间。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种五自由度混联数控机床，该机床具有较高整机刚度、精度和负载能力，并且结构简单，成本低，工作空间大，能够有效提高机械加工效率。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种五自由度混联数控机床，包括立柱、床身、工作台和加工单元；所述立柱垂直固定在所述床身上，所述工作台固定连接在所述床身上；所述加工单元包括支撑架、动平台、第一支链、第二支链、第三支链和定位头，所述支撑架垂直转动连接在所述床身上，位于所述立柱的右侧；所述第一支链包括一支链水平连接销轴、一支链托板、一支链支座和一支链直线驱动装置，所述一支链直线驱动装置的输出端与所述一支链托板连接；所述一支链支座与所述支撑架通过与它们均垂直的两个所述一支链水平连接销轴转动连接，所述一支链支座的转动轴线与所述一支链直线驱动装置的驱动方向和所述支撑架的转动轴线均垂直，所述一支链托板的一个端部与所述动平台的下侧固接；所述第二支链包括二支链水平连接销轴、二支链托板、二支链支座和二支链直线驱动装置，所述二支链直线驱动装置的输出端与所述二支链托板连接；所述二支链支座与所述支撑架通过与它们均垂直的两个所述二支链水平连接销轴转动连接，所述二支链支座的转动轴线与所述二支链直线驱动装置的驱动方向和所述支撑架的转动轴线均垂直，所述二支链托板的一个端部与所述动平台的上侧铰接；所述第三支链包括第一叉形结构、三支链连接销轴、三支链托板、三支链支座和三支链直线驱动装置，所述三支链直线驱动装置的输出端与所述三支链托板连接；所述第一叉形结构设有叉部和柄部，所述第一叉形结构的叉部在其内部通过两个所述三支链连接销轴与所述三支链支座铰接，所述第一叉形结构的柄部与所述立柱的左侧通过转动副连接，所述三支链托板的一个端部与所述动平台通过第二叉形结构连接，所述第二叉形结构设有叉部和柄部，所述第二叉形结构的叉部通过左端铰链与所述三支链托板连接，所述第二叉形结构的柄部通过转动副与所述动平台的左侧连接，所述三支链连接销轴的转动轴线与所述左端铰链的转动轴线均与所述三支链直线驱动装置的驱动方向垂直；所述定位头包括外支撑框架、内支撑框架和电主轴，所述外支撑框架采用叉形结构，所述外支撑框架在叉形结构的外部设有与所述动平台垂直转动连接的定位头外部铰链，所述定位头外部铰链由第一伺服电机驱动，所述第一伺服电机安装在所述动平台上；所述外支撑框架在叉形结构的内部通过定位头内部铰链与所述内支撑框架连接，所述内支撑框架与第二伺服电机通过传动机构连接，所述第二伺服电机安装在所述外支撑框架上；所述定位头内部铰链的转动轴线和所述定位头外部铰链的转动轴线垂直；所述电主轴垂直安装在所述内支撑框架上。

所述一支链直线驱动装置包括与所述一支链支座通过法兰盘固接的空心轴电机、丝杠、螺母、螺母支撑座和直线导轨；所述丝杠的两端均固定在所述一支链托板上；所述螺母与所述空心轴电机的输出端连接，所述螺母通过螺纹连接在所述丝杠上，所述螺母通过转动副连接在所述螺母支撑座上，所述螺母支撑座的底部固接有滑块，所述滑块安装在与其适配的所述直线导轨上，所述直线导轨固定在所述一支链托板上；所述丝杠穿过所述空心轴电机、所述一支链支座和所述螺母支撑座。

所述一支链托板的背面设有筋板，使所述一支链托板的横截面呈T形。

所述二支链直线驱动装置的结构和所述三支链直线驱动装置的结构均与所述一支链直线驱动装置的结构相同。

所述一支链直线驱动装置、所述二支链直线驱动装置和所述三支链直线驱动装置为直线电机、液压缸和气缸中的任意一种。

本发明具有的优点和积极效果是：

一）和串联机床相比，结构简单、工作空间与机构体积之比大，刚度高，精度高，灵活性好，适合做复杂空间曲面的数控加工；

二）由于只有三条主动支链，减少了被动支链，因而减少了运动构件数量，降低了机构的复杂程度，降低了成本；

三）由于第一支链与动平台刚性连接，可以实现直接测量，因而使整机具有高精度的特点；

四）具有高刚度、高精度和五自由度，可以实现五轴联动数控加工。

附图说明

图1（a）和图1（b）为本发明的结构示意图；

图2为本发明第一支链的结构示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1（a）和图1（b），下文中的方向均以图1（a）中的方向为准。一种五自由度混联数控机床，包括立柱1、床身8、工作台10和加工单元；所述立柱1垂直固定在所述床身8上，所述工作台10固定连接在所述床身8上；所述加工单元包括支撑架2、动平台5、第一支链3、第二支链4、第三支链7和定位头9，所述支撑架2垂直转动连接在所述床身8上，位于所述立柱1的右侧。在本实施例中，所述支撑架2通过推力球轴承与床身8相连，支撑架2具有一个旋转自由度，旋转轴线与床身8垂直。

请参阅图2，所述第一支链3包括一支链水平连接销轴36、一支链托板32、一支链支座35和一支链直线驱动装置，所述一支链直线驱动装置的输出端与所述一支链托板32连接；所述一支链支座35与所述支撑架2通过与它们均垂直的两个所述一支链水平连接销轴36转动连接，一支链水平连接销轴36的一端与所述一支链支座35固接，另一端通过轴承与所述支撑架2转动连接。所述一支链支座35的转动轴线与所述一支链直线驱动装置的驱动方向和所述支撑架2的转动轴线均垂直，所述一支链托板32的一个端部与所述动平台5的下侧固接。在本实施例中，所述一支链直线驱动装置包括与所述一支链支座35固接的空心轴电机34、丝杠31、螺母37、螺母支撑座38和直线导轨33，所述丝杠31的两端均固定在所述一支链托板32上，所述螺母37与所述空心轴电机34的输出端连接，所述螺母37通过螺纹连接在所述丝杠31上，所述螺母37通过转动副连接在所述螺母支撑座38上，所述螺母支撑座38的底部固接有滑块，所述滑块安装在与其适配的直线导轨38上，所述直线导轨38固定在所述一支链托板32上；所述丝杠31穿过所述空心轴电机34、所述一支链支座35和所述螺母支撑座38。空心轴电机34带动螺母37旋转，螺母37驱动丝杠31移动，丝杠31带动一支链托板32移动，这样就实现了第一支链的伸缩驱动。特别说明，在一支链托板32的背面安装了一条筋板，形成了横截面为T形的托板，这是因为第一支链3与动平台5刚性连接，承受着大部分力与力矩，布置T形托板有利于提高整机刚度。第二、三支链4、7主要用来调整动平台姿态，承受的力与力矩较小，因此可以使用不带筋板的托板。

一支链直线驱动装置的结构形式并不限于上述结构，还可以是直线电机、液压缸和气缸中的任意一种。

所述第二支链4与所述第一支链3的相同之处在于：所述第二支链包括二支链水平连接销轴、二支链托板、二支链支座和二支链直线驱动装置，所述二支链直线驱动装置的输出端与所述二支链托板连接；所述二支链支座与所述支撑架通过与它们均垂直的两个所述二支链水平连接销轴转动连接，所述二支链支座的转动轴线与所述二支链直线驱动装置的驱动方向和所述支撑架的转动轴线均垂直。

所述第二支链与所述第一支链的不同之处在于：所述二支链托板的一个端部与所述动平台的上侧铰接，铰链为销轴与轴承所构成的转动副。

所述第三支链7包括第一叉形结构6、三支链连接销轴、三支链托板、三支链支座和三支链直线驱动装置，所述三支链直线驱动装置的输出端与所述三支链托板连接；所述第一叉形结构设有叉部和柄部，所述第一叉形结构6的叉部在其内部通过两个所述连接销轴与所述三支链支座铰接，所述第一叉形结构6的柄部与所述立柱1的左侧通过转动副连接，所述三支链托板的一个端部与所述动平台5通过第二叉形结构连接，所述第二叉形结构设有叉部和柄部，所述第二叉形结构的叉部通过左端铰链与所述三支链托板连接，所述第二叉形结构的柄部通过转动副与所述动平台5的左侧连接，所述三支链连接销轴的转动轴线与所述左端铰链的转动轴线均与所述三支链直线驱动装置的驱动方向垂直。

较好的方案是：所述二支链直线驱动装置的结构和所述三支链直线驱动装置的结构均与所述一支链直线驱动装置的结构相同。

所述定位头9包括外支撑框架92、内支撑框架95和电主轴94，所述外支撑框架92采用叉形结构，所述外支撑框架92在其叉形结构的外部设有与所述动平台5垂直转动连接的定位头外部铰链，所述定位头外部铰链由第一伺服电机91驱动，所述第一伺服电机91安装在所述动平台5上；所述外支撑框架92在其叉形结构的内部通过定位头内部铰链与所述内支撑框架95连接，所述内支撑框架95与第二伺服电机93通过传动机构连接，所述第二伺服电机93安装在所述外支撑框架92上；所述定位头内部铰链的转动轴线和所述定位头外部铰链的转动轴线垂直；所述电主轴94垂直安装在所述内支撑框架95上。

上述定位头9具有两个转动自由度，采用模块化设计，外支撑框架92与动平台5通过轴承相连接，由第一伺服电机91驱动；内支撑框架95安装在外支撑框架92上，通过第二伺服电机93和齿轮传动来控制内支撑框架95旋转，内支撑框架95用于安装电主轴94；内外支撑框架的旋转轴线垂直。

在加工单元中，支撑架2、第一支链3、第二支链4、第三支链7和动平台5形成了三自由度并联机构，再在动平台5上串联一个两自由度定位头9，机床在加工时有五个驱动装置驱动加工单元调整末端姿态，从而实现五轴联动加工。

以上对本发明及其实施方式的描述是示意性的，没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其他形式的支链、驱动装置、铰链连接以及定位头，不经过创造性设计，提出与上述技术方案相似的结构方式及实施方式，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种五自由度混联数控机床，其特征在于，包括立柱、床身、工作台和加工单元；所述立柱垂直固定在所述床身上，所述工作台固定连接在所述床身上；

所述加工单元包括支撑架、动平台、第一支链、第二支链、第三支链和定位头，所述支撑架垂直转动连接在所述床身上，位于所述立柱的右侧；

所述第一支链包括一支链水平连接销轴、一支链托板、一支链支座和一支链直线驱动装置，所述一支链直线驱动装置的输出端与所述一支链托板连接；所述一支链支座与所述支撑架通过与它们均垂直的两个所述一支链水平连接销轴转动连接，所述一支链支座的转动轴线与所述一支链直线驱动装置的驱动方向和所述支撑架的转动轴线均垂直，所述一支链托板的一个端部与所述动平台的下侧固接；

所述第二支链包括二支链水平连接销轴、二支链托板、二支链支座和二支链直线驱动装置，所述二支链直线驱动装置的输出端与所述二支链托板连接；所述二支链支座与所述支撑架通过与它们均垂直的两个所述二支链水平连接销轴转动连接，所述二支链支座的转动轴线与所述二支链直线驱动装置的驱动方向和所述支撑架的转动轴线均垂直，所述二支链托板的一个端部与所述动平台的上侧铰接；

所述第三支链包括第一叉形结构、三支链连接销轴、三支链托板、三支链支座和三支链直线驱动装置，所述三支链直线驱动装置的输出端与所述三支链托板连接；所述第一叉形结构设有叉部和柄部，所述第一叉形结构的叉部在其内部通过两个所述三支链连接销轴与所述三支链支座铰接，所述第一叉形结构的柄部与所述立柱的左侧通过转动副连接，所述三支链托板的一个端部与所述动平台通过第二叉形结构连接，所述第二叉形结构设有叉部和柄部，所述第二叉形结构的叉部通过左端铰链与所述三支链托板连接，所述第二叉形结构的柄部通过转动副与所述动平台的左侧连接，所述三支链连接销轴的转动轴线与所述左端铰链的转动轴线均与所述三支链直线驱动装置的驱动方向垂直；

所述定位头包括外支撑框架、内支撑框架和电主轴，所述外支撑框架采用叉形结构，所述外支撑框架在叉形结构的外部设有与所述动平台垂直转动连接的定位头外部铰链，所述定位头外部铰链由第一伺服电机驱动，所述第一伺服电机安装在所述动平台上；所述外支撑框架在叉形结构的内部通过定位头内部铰链与所述内支撑框架连接，所述内支撑框架与第二伺服电机通过传动机构连接，所述第二伺服电机安装在所述外支撑框架上；所述定位头内部铰链的转动轴线和所述定位头外部铰链的转动轴线垂直；所述电主轴垂直安装在所述内支撑框架上。

2.根据权利要求1所述的五自由度混联数控机床，其特征在于，所述一支链直线驱动装置包括与所述一支链支座固接的空心轴电机、丝杠、螺母、螺母支撑座和直线导轨；

所述丝杠的两端均固定在所述一支链托板上；

所述螺母与所述空心轴电机的输出端连接，所述螺母通过螺纹连接在所述丝杠上，所述螺母通过转动副连接在所述螺母支撑座上，所述螺母支撑座的底部固接有滑块，所述滑块安装在与其适配的所述直线导轨上，所述直线导轨固定在所述一支链托板上；

所述丝杠穿过所述空心轴电机、所述一支链支座和所述螺母支撑座。

3.根据权利要求1所述的五自由度混联数控机床，其特征在于，所述一支链托板的背面设有筋板，使所述一支链托板的横截面呈T形。

4.根据权利要求1或2所述的五自由度混联数控机床，其特征在于，所述二支链直线驱动装置的结构和所述三支链直线驱动装置的结构均与所述一支链直线驱动装置的结构相同。

5.根据权利要求1所述的五自由度混联数控机床，其特征在于，所述一支链直线驱动装置、所述二支链直线驱动装置和所述三支链直线驱动装置为直线电机、液压缸和气缸中的任意一种。

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