CN101323089B - 一种三轴混联复合主轴头机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴混联复合主轴头机构，该机构由三轴混联进给机构和复合主轴头构成，三轴混联进给机构由一个两轴并联机构和一个回转轴组件串联组成，两轴并联机构由动平台和两个相同的分支组成，各分支包括一个移动副、两个回转副、一个连杆和一个复合杆及虎克铰，动平台上的复合虎克铰与回转副成角度布置，主轴头壳体、电主轴及车刀组成具有复合加工功能的复合主轴头。本发明复合主轴头机构将三轴混联进给机构和复合主轴头组合，具有两个直线和一个回转进给运动，用于铣车复合机床，不增加机床的进给轴，而增设了车削加工的进给运动，同时改善了少自由度机构的受力状况和比刚度。

Description

一种三轴混联复合主轴头机构

技术领域

本发明涉及一种数控机床的主轴头机构，具体涉及一种并联与串联相结合的三轴混联复合主轴头机构。

背景技术

机床的主轴头机构是由实现主运动的主轴组件和直接带动其作进给运动的进给组件组成的独立部件，独立部件中进给组件的运动轴数目称为主轴头机构的轴数。传统机床的主轴头机构采用串联原理机构，例如5轴串联数控铣床(加工中心)的主轴头机构有三种类型：1)仅包括主轴部件，进给运动轴数为零；2)包括主轴组件和A轴回转进给组件，有一个回转进给运动，进给运动轴数为一；3)包括主轴组件和C轴及A轴回转进给组件，具有二个回转进给运动，进给运动轴数为二。

串联原理机构具有作业空间大、运动控制算法简单的优点；但存在各轴运动误差累加、结构刚度弱、运动质量大、进给速度不能太高的缺点。

并联原理主轴头机构有二轴并联和三轴并联，且每种类型的主轴头机构包括多种构型和结构形式，例如德国的三轴并联主轴头机构，由一个直线进给运动和两个回转进给运动构成，日本的二轴并联主轴头机构，包括二个直线进给运动。

六自由度(即六轴)完全并联原理机构具有运动件质量小、速度高、比刚度高、运动误差不累加、精度高的优点；但其作业空间小，尤其是回转运动范围小，运动算法复杂。

完全串联原理机构和六自由度完全并联原理机构的优缺点恰好相反，将二者结合起来形成的兼具两种机构优点的混联原理机构，具有很高的实用价值，因而，各国竞相开展混联原理机构的研究和开发。

混联原理主轴头机构包括串联机构和并联机构，并联机构一般为二轴并联机构或三轴并联机构，属于少自由度(自由度小于六)并联机构。六自由度完全并联原理机构的刚度高，每个连杆只承受拉压力、无弯曲，受力状况明显优于串联原理机构。少自由度并联机构与六自由度完全并联机构相比，作业空间增大，但机构受力状况较差、比刚度较低。因此，如何既能发挥少自由度混联原理机构的优势，又能改善其受力状况，是研究混联原理机构的一个新课题，对推动混联机构的创新研究开发具有重要意义。

复合加工机床具有多种加工功能，能将工件的多道加工工序甚至全部工序集中于一台机床进行，使工件的加工过程集约化，减小工件重复安装定位的误差、减少准备工装的时间、降低工序间转换的等待时间、上下料及装夹等辅助时间，提高了生产率，并缩短了物流***，使得加工***的占地面积大幅减少。多功能复合加工机床具备诸多的优点，使得国内外竞相研究开发，例如日本森精机制作所开发的以车削功能为主、兼有铣削功能的5LC型数控复合车床，意大利Mandelli公司开发的以铣削功能为主、兼有车削功能的Mandelli 800U型卧式加工中心。

现有铣车复合机床的铣削主轴头与车削刀架各自独立设置，需要设置车削刀架的进给运动，增加了数控机床的数控轴数。车削的功能是加工回转面，铣车复合机床主要用于工件的铣削加工，而5轴铣车复合机床采用标准圆柱铣刀，几乎可以代替车削加工所有的回转面，但难以进行回转面的切槽和切断。因此研究开发以铣削功能为主、兼有车削功能，而不增加铣车复合机床运动轴数的复合主轴头机构，对铣车复合机床的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种三轴混联复合主轴头机构，将铣削或磨削主轴头与车削刀架结合起来，在不增加铣车复合机床运动轴数的情况下，实现车削加工的进给运动，同时，实现回转主运动和一个回转及两个直线移动的三轴进给运动，既具有少自由度混联原理机构的优势、又能改善其受力状况，并在保持少自由度并联机构作业空间大的优点的同时，使得机构的受力状况得到改善、比刚度提高。

本发明所采用的技术方案是，一种三轴混联复合主轴头机构，由三轴混联进给机构和复合主轴头构成，三轴混联进给机构由一个两轴并联机构和一个回转轴组件串联组成。

本发明的特征还在于，

两轴并联机构包括水平设置的直线移动组件I和直线移动组件II，直线移动组件I的滑台上固接有安装块I，安装块I分别通过回转副I、虎克铰II和虎克铰I与连杆I、连杆II和连杆III的一端相连接，连杆I的另一端通过回转副II与动平台连接，连杆II和连杆III的另一端通过复合虎克铰I与动平台连接，直线移动组件II的滑台上固接有安装块II，安装块II分别通过回转副IV、虎克铰IV和虎克铰III与连杆IV、连杆V和连杆VI的一端相连接，连杆IV的另一端通过回转副III与动平台连接，连杆V和连杆VI通过和复合虎克铰II与动平台连接，连杆II和连杆III构成一个复合杆，连杆V和连杆VI构成另一复合杆。

回转轴组件为回转轴A轴组件，回转轴A轴组件与动平台相连接。

复合主轴头包括主轴头壳体，主轴头壳体内固定安装有电主轴，电主轴的一端由主轴头壳体的下面伸出，主轴头壳体的外侧固定安装有车刀，主轴头壳体通过回转轴A轴组件与动平台连接。

电主轴为铣削电主轴或磨削电主轴。

车刀为1把～3把。

本发明的突出特点是：三轴混联复合主轴头机构的进给部分采用了并联与串联并用的三轴混联原理，合理地集成了二者的优点；两轴并联机构中采用了复合杆机构，解决了少自由度并联机构横向承载能力弱的问题；连杆和复合杆与动平台连接的回转副和复合虎克铰在动平台上成角度布置，扩大了并联机构的灵巧度；主轴头部分采用了具有复合加工功能的功能复合原理，不仅具有铣削或磨削和车削复合加工功能，而且不增加机床的进给轴数目；可以作为兼有车削功能的铣削主轴头使用，也可用于磨削主轴头或研抛主轴头。

附图说明

图1是本发明主轴头机构的结构示意图；

图2是本发明主轴头机构的运动原理图。

图中，1.车刀，2.主轴头壳体，3.电主轴，4.动平台，5.复合虎克铰I，6.连杆I，7.连杆II，8.连杆III，9.虎克铰I，10.虎克铰II，11.安装块I，12.直线移动组件I，13.回转副I，14.回转副II，15.回转副III，16.连杆IV，17.回转副IV，18.直线移动组件II，19.安装块II，20.虎克铰III，21.虎克铰IV，22.连杆V，23.连杆VI，24.复合虎克铰II，25.回转轴A轴组件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明复合主轴头机构的结构，如图1所示。三轴混联复合主轴头机构由三轴混联进给机构和复合主轴头组成，三轴混联进给机构由一个两轴并联机构和一个回转轴组件串联组成。

两轴并联机构由两个分支机构组成，一个分支机构由直线移动组件I 12、安装块I 11、连杆I 6、回转副I 13、回转副II 14、连杆II 7、连杆III8、虎克铰I 9、虎克铰II 10和复合虎克铰I 5构成。另一个分支机构由直线移动组件II 18、安装块II 19、回转副III15、连杆IV16、回转副IV17、虎克铰III20、虎克铰IV21、连杆V22、连杆VI23和复合虎克铰II 24构成。

直线移动组件I 12与直线移动组件II 18水平平行设置，直线移动组件I 12的滑台上固定连接有安装块I 11，安装块I 11分别通过回转副I 13、虎克铰II 10和虎克铰I 9与连杆I 6、连杆II 7和连杆III8的一端连接，连杆I 6的另一端通过回转副II 14与动平台4连接，连杆II 7和连杆III8的另一端通过复合虎克铰I 5与动平台4连接。

直线移动组件II 18的滑台上固定连接有安装块II 19，安装块II 19分别通过回转副IV17、虎克铰IV21和虎克铰III20与连杆IV16、连杆V22和连杆VI23的一端连接，连杆IV16的另一端通过回转副III15与动平台4连接，连杆V22和连杆VI23的另一端通过复合虎克铰II 24与动平台4连接。

主轴头壳体2通过回转轴A轴组件25与动平台4相连接，并可随回转轴A组件25转动，主轴头壳体2内设置有电主轴3，电主轴3的一端从主轴头壳体2的下面伸出，主轴头壳体2的外侧设置有车刀1，车刀1为1～3把。

主轴头壳体2、电主轴3及车刀1组成具有复合加工功能的复合主轴头。

回转轴组件为回转轴A轴组件25，包括固接于动平台4的电动机和与电动机相连的轴，回转轴A轴组件25使复合主轴头相对动平台4进行A轴回转运动。

本发明主轴头机构的运动原理，如图2所示。

本发明三轴混联复合主轴头机构的进给机构的并联机构为两轴并联机构，该两轴并联机构中的两个直线移动组件的滑台分别沿水平设置的移动副的导轨作Y₁、Y₂移动，即并联机构的实轴水平运动，直线移动组件的滑台与移动副导轨构成移动关节P；并联机构的两个分支分别通过回转关节R、虎克铰U和连杆，将移动关节P的实轴移动Y₁、Y₂，转变成动平台4沿Y、Z轴方向的虚拟轴移动。

P为直线移动组件的滑台与移动副导轨构成的移动关节。

Y₁、Y₂是沿坐标系Y轴正负方向的移动，为移动副的实轴直线进给运动。

Y、Z为动平台的虚拟轴运动。

A为回转轴A轴组件绕X轴的回转运动。

本发明主轴头机构具有Y、Z、A三轴进给运动。

θ₁、θ₂为复合虎克铰与回转副在动平台上的安装角，与并联机构的杆长等参数优化设计，可扩大并联机构的灵巧度。其中，θ₁为回转副III15与复合虎克铰II 24之间的夹角，θ₂为回转副II 14与复合虎克铰I 5之间的夹角。

n为电主轴3的回转主运动。

本发明主轴头机构中的连杆II 7和连杆III8组成一个复合杆，连杆V22和连杆VI23组成另一个复合杆，两个复合杆分别通过虎克铰与安装块连接，并分别通过复合虎克铰与动平台连接，通过两个复合杆可增强少自由度并联机构的横向承载能力。

复合主轴头通过回转轴A轴组件25的A轴转动，可以实现电主轴3轴端安装的回转类刀具，采用立式、卧式及A轴转动范围内任意倾斜方向的铣削或磨削加工，本发明三轴混联复合主轴头机构与机床的C轴配合，可进行任意复杂曲面的加工；还可用非回转车刀与机床的C轴配合进行车削加工，具有复合加工功能。

实施例1

本发明三轴混联复合主轴头机构的结构，如图1所示。三轴混联复合主轴头机构由三轴混联进给机构和具有复合加工功能的复合主轴头组成。三轴混联进给机构由一个两轴并联的直线移动机构和一个回转轴进给组件串联组成。两轴并联机构的直线移动组件I 12和直线移动组件II 18采用伺服电机通过滚珠丝杠副驱动，实现两个移动副的Y₁、Y₂水平移动。回转轴A轴组件25采用伺服电机通过减速机构驱动，实现A轴回转运动。主轴头壳体2上安装有铣削电主轴3和三把车刀1。

实施例2

与实施例1的实施方法相似，不同的是两轴并联机构移动副的Y₁、Y₂移动采用直线电机直接驱动，A轴回转运动采用力矩电机直接驱动，以满足高精度和高速加工的需要。主轴头壳体2上安装有磨削电主轴和一把车刀，与相应刀库配套使用。

Claims (4)

1.一种三轴混联复合主轴头机构，其特征在于，该机构由三轴混联进给机构和复合主轴头构成，所述的三轴混联进给机构由一个两轴并联机构和一个回转轴组件串联组成；所述的两轴并联机构包括水平设置的直线移动组件I(12)和直线移动组件II(18)，直线移动组件I(12)的滑台上固接有安装块I(11)，安装块I(11)分别通过回转副I(13)、虎克铰II(10)和虎克铰I(9)与连杆I(6)、连杆II(7)和连杆III(8)的一端相连接，连杆I(6)的另一端通过回转副II(14)与动平台(4)连接，连杆II(7)和连杆III(8)的另一端通过复合虎克铰I(5)与动平台(4)连接，直线移动组件II(18)的滑台上固接有安装块II(19)，安装块II(19)分别通过回转副IV(17)、虎克铰IV(21)和虎克铰III(20)与连杆IV(16)、连杆V(22)和连杆VI(23)的一端相连接，连杆IV(16)的另一端通过回转副III(15)与动平台(4)连接，连杆V(22)和连杆VI(23)的另一端通过复合虎克铰II(24)与动平台(4)连接，所述的连杆II(7)和连杆III(8)构成一个复合杆，所述的连杆V(22)和连杆VI(23)构成一个复合杆。

2.根据权利要求1所述的三轴混联复合主轴头机构，其特征在于，所述的回转轴组件为回转轴A轴组件(25)；所述的复合主轴头包括主轴头壳体(2)，主轴头壳体(2)内固定安装有电主轴(3)，电主轴(3)的一端由主轴头壳体(2)的下面伸出，主轴头壳体(2)的外侧固定安装有车刀(1)，主轴头壳体(2)通过回转轴A轴组件(25)与动平台(4)连接。

3.根据权利要求2所述的三轴混联复合主轴头机构，其特征在于，所述的电主轴(3)为铣削电主轴或磨削电主轴。

4.根据权利要求2所述的三轴混联复合主轴头机构，其特征在于，所述的车刀(1)为1把～3把。

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