CN103240614A - 一种冗余驱动五轴联动混联机床 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冗余驱动五轴联动混联机床，包括床身以及固结于床身上的立柱外延、一个安装主轴的动平台、一个安装被切削工件的工作台，连接所述动平台和床身及其立柱外延之间的第一、第二、第三和第四支链，可实现五轴联动控制。该机床具有结构简洁紧凑、运动学相对简单、刚度高、重复定位精度好、工作空间与机床体积比相对较大等优点。

Description

一种冗余驱动五轴联动混联机床

技术领域

本发明属于数控机床领域，特别涉及一种能够满足对复杂自由曲面类零件进行多轴联动数控加工的新型五轴联动冗余混联机床。

背景技术

传统数控机床的机械结构大多采用串联形式实现，这种串联结构形式使得其运动输出端更容易产生误差积累、整体刚度不高、运动惯量大以及动态响应特性差。相比而言，上世纪90年代出现的基于并联机构的新型机床具有结构紧凑、刚度高、无误差积累、运动部件质量小、易于实现高速运动以及具有较高的动态响应特性等优点，在一定程度上弥补了传统数控机床的不足，迎合了机械加工领域对高速切削的需求，进而得到了广泛关注和研究。然而，并联机床也有其先天的局限性，尤其是六自由度全并联机床，其运动耦合性强、工作空间小、运动学复杂以及数控编程复杂等缺点限制了并联机床的广泛推广应用。随着并联机构的应用以及并联机构学的不断发展进步，少自由度并联机构越来越受到研究者的重视和青睐。相对于全并联六自由度机构而言，少自由度并联机构具有运动学简单、耦合性弱、容易模块化等优点，一些少自由度并联机构已经在工业领域中得到了成功应用。

在机械加工领域，随着现代机械零部件的设计越来越复杂，空间自由曲面类零部件已广泛应用于各个重点关键领域，如航空航天、汽车等。此类应用，对现代加工工艺以及制造加工设备提出了更高的需求，为了满足以上功能配置，结合了串联机床和并联机床优点的混联机床在工业中取得了相对广泛的应用，此类机床兼具串联机床工作空间大以及并联机床结构紧凑、动态响应特性好、易于实现高速运动等优点，更适合应用于空间自由曲面类零部件的高速切削加工。以上优点使得混联机床在机械制造领域中具有广泛的应用前景，而其中的五轴联动混联机床更是各个重点行业急需的关键制造装备。而在机床中引入冗余驱动可以进一步提高机床的综合性能，尤其是刚度和精度特性。因此，五轴联动冗余驱动混联机床将为自由曲面类零件的切削加工提高更好的解决方案。

发明内容

为了满足现代复杂自由曲面类零件的多轴联动数控加工需求，本发明提出了一种新型冗余驱动五轴联动混联机床，该机床综合了串联机床和并联机床的优势，具有结构紧凑、工作空间大、动态响应特性好等优点。同时，由于在其随动关节中引入冗余驱动，该机床具有更好的刚度和精度性能。

根据本发明的一个技术方案，本发明的一种冗余驱动五轴联动混联机床，包括床身、三个固结于床身上的立柱外延、一个冗余滑台、一个安装主轴的动平台、一个安装被切削工件的工作台，连接所述动平台和床身及其立柱外延之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链，第一支链、第二支链、第三支链和第四支链与动平台的铰接中心点将圆盘形动平台呈90°等分布置；

第一支链、第二支链和第三支链结构相同，均包括：滑块、连杆以及运动副，所述运动副有三个，一个是连接于床身立柱外延和滑块之间的移动副P，一个是连接于滑块和连杆之间的球铰S，一个是连接于连杆和动平台之间的球铰S；

所述第四支链包括冗余滑台、滑块、连杆以及运动副，所述运动副有四个，一个是连接于床身和冗余滑台之间的移动副P，一个是连接于冗余滑台和滑块之间的移动副P，一个是连接于滑块和连杆之间的转动副R，一个是连接于连杆和动平台之间的转动副R；

所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链分别与床身、立柱外延、冗余滑台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，该空间并联闭环机构通过五个输入运动驱动动平台运动，实现三个平动自由度和一个转动自由度；所述的安装被切削工件的工作台可实现一维转动自由度，与空间并联闭链机构结合可实现五轴联动控制。

根据本发明所述的冗余驱动五轴联动混联机床，连接于床身立柱外延和滑块之间的移动副是主动驱动的，该支链为PSS型运动支链。

根据本发明所述的冗余驱动五轴联动混联机床，连接于床身和冗余滑台之间的移动副以及连接于冗余滑台和滑块之间的移动副均是主动驱动的，该支链为PPRR型运动支链。

该机床具有结构简洁紧凑、运动学相对简单、工作空间与机床体积比相对较大等优点。同时，由于采用了冗余驱动技术，该机床具有较高的刚度和较好的重复定位精度。这些优点使得该机床在满足复杂自由曲面类零件的五轴联动数控加工要求的同时，具有良好的刚度和精度性能。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明的一种新型冗余驱动五轴联动混联机床结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的一种新型冗余驱动五轴联动混联机床，包括床身以及三个固结于床身上的立柱外延、一个冗余滑台、一个安装主轴的圆盘形动平台、一个安装被切削工件的工作台，连接所述动平台和床身及其立柱外延之间的第一、第二、第三和第四支链，第一、第二、第三和第四支链与动平台分别铰接，各个铰接中心点将圆盘形动平台呈90°等分，这样动平台能够实现平行四边形结构的特征，操作更灵活、平稳。

该第一、第二和第三支链均含有一个主动驱动的运动副；其特征在于：所述第四支链含有两个主动驱动的运动副；所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链分别与床身及其立柱外延以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，第一支链、第二支链、第三支链和第四支链与动平台的铰接中心点将圆盘形动平台呈90°等分布置，该空间并联闭环机构通过五个输入运动驱动动平台运动，实现三个平动自由度和一个转动自由度；所述的安装被切削工件的工作台可实现一维转动自由度，与空间并联闭链机构结合可实现五轴联动控制。

本发明的一种新型冗余驱动五轴联动混联机床，第一、第二和第三支链结构相同，均为PSS型运动支链(其中，P代表移动副，S代表球铰，且P代表该运动副是主动驱动的)，第四支链为PPRR型运动支链。具体说明如下：

第一、第二和第三支链均包括：滑块、连杆以及运动副。所述运动副有三个，一个是连接于床身立柱外延和滑块之间的移动副P，一个是连接于滑块和连杆之间的球铰S，一个是连接于连杆和动平台之间的球铰S。其中，连接于床身立柱外延和滑块之间的移动副P是主动驱动的，该支链为PSS型运动支链。第四支链包括：冗余滑台、滑块、连杆以及运动副。所述运动副有四个，一个是连接于床身和冗余滑台之间的移动副P，一个是连接于冗余滑台和滑块之间的移动副P，一个是连接于滑块和连杆之间的转动副R，一个是连接于连杆和动平台之间的转动副R。其中，连接于床身和冗余滑台之间的移动副P以及连接于冗余滑台和滑块之间的移动副P均是主动驱动的，该支链为PPRR型运动支链。

实施例：

本实施例的一种新型冗余驱动五轴联动混联机床的结构如图1所示，包括床身11以及固结于床身上的立柱外延15、立柱外延19、立柱外延110、冗余滑台17、安装主轴的动平台114、安装被切削工件的工作台115，连接所述动平台114和床身11及其立柱外延15、立柱外延19、立柱外延110之间的第一、第二、第三和第四支链，所述第一、第二、第三和第四支链分别与床身11以及固结于床身上的立柱外延15、立柱外延19、立柱外延110以及动平台114连接形成一个空间并联闭环机构，所述的安装被切削工件的工作台115与床身11通过转动副连接。

所述第一、第二和第三支链结构相同，均为PSS型运动支链，包括：滑块14、滑块18、滑块111、连杆13、连杆113、连杆112以及运动副。所述运动副有三个，一个是连接于床身立柱外延15、立柱外延19、立柱外延110和滑块14、滑块18、滑块111之间的移动副P，一个是连接于滑块14、滑块18、滑块111和连杆13、连杆113、连杆112之间的球铰S，一个是连接于连杆13、连杆113、连杆112和动平台114之间的球铰S。其中，连接于床身立柱外延15、立柱外延19、立柱外延110和滑块14、滑块18、滑块111之间的移动副P是主动驱动的。所述第四支链包括：冗余滑台17、滑块16、连杆12以及运动副。所述运动副有四个，一个是连接于床身11和冗余滑台17之间的移动副P，一个是连接于冗余滑台17和滑块16之间的移动副P，一个是连接于滑块16和连杆12之间的转动副R，一个是连接于连杆12和动平台114之间的转动副R。其中，连接于床身11和冗余滑台17之间的移动副P以及连接于冗余滑台17和滑块16之间的移动副P是主动驱动的。

所述第一、第二、第三和第四支链与动平台分别铰接，各个铰接中心点将圆盘形动平台呈90°等分，这样动平台能够实现平行四边形结构的特征，既能实现对动平台平面的灵活调节，又能保证操作的平稳性。

Claims (3)

1.一种冗余驱动五轴联动混联机床，包括床身、三个固结于床身上的立柱外延、一个冗余滑台、一个安装主轴的动平台、一个安装被切削工件的工作台，连接所述动平台和床身及其立柱外延之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链，第一支链、第二支链、第三支链和第四支链与动平台的铰接中心点在圆盘形动平台上呈90°等分布置；

第一支链、第二支链和第三支链结构相同，均包括：滑块、连杆以及运动副，所述运动副有三个，一个是连接于床身立柱外延和滑块之间的移动副P，一个是连接于滑块和连杆之间的球铰S，一个是连接于连杆和动平台之间的球铰S；

所述第四支链包括冗余滑台、滑块、连杆以及运动副，所述运动副有四个，一个是连接于床身和冗余滑台之间的移动副P，一个是连接于冗余滑台和滑块之间的移动副P，一个是连接于滑块和连杆之间的转动副R，一个是连接于连杆和动平台之间的转动副R；

所述第一支链、第二支链、第三支链和第四支链分别与床身、立柱外延、冗余滑台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，该空间并联闭环机构通过五个输入运动驱动动平台运动，实现三个平动自由度和一个转动自由度；所述的安装被切削工件的工作台可实现一维转动自由度，与空间并联闭链机构结合可实现五轴联动控制。

2.根据权利要求1所述的冗余驱动五轴联动混联机床，连接于床身立柱外延和滑块之间的移动副是主动驱动的，该支链为PSS型运动支链。

3.根据权利要求1或2所述的冗余驱动五轴联动混联机床，连接于床身和冗余滑台之间的移动副以及连接于冗余滑台和滑块之间的移动副均是主动驱动的，该支链为PPRR型运动支链。