CN104553558A - 混联式结构雕刻机 - Google Patents

Abstract

一种混联式结构雕刻机，属于技术领域。包括串联式桁架和并联加工头，所述串联式桁架为实现沿X、Y轴移动的双向可移动龙门结构，所述并联加工头具有三个自由度，悬置于所述可移动龙门结构上，所述双向可移动龙门结构包括龙门框架、凹型底座、水平X轴移动装置和水平Y轴移动装置，所述龙门框架通过水平X轴移动装置连接于凹型底座上，并联加工头通过水平Y轴移动装置悬挂在龙门框架纵梁上。本发明具有五个自由度，可实现三平移、二转动运动，便于次装卡情况下进行五面体加工。本发明可次性完成多角度、复杂曲面的雕刻加工，既能提高加工质量，又能提高生产效率，减少加工时间。

Description

混联式结构雕刻机

技术领域

本发明属于雕刻机械技术领域，特别是涉及一种混联式结构雕刻机。用于木材、石材等装饰材料三维立体雕刻加工的新型设备。

背景技术

现有的雕刻机床的加工头均为串联式结构，只能沿X、Y、Z三个坐标方向的平动，并不能实现绕两个坐标轴方向的转动，这样会使复杂立体型面加工难度加大，会出现多次装夹，浪费加工时间。

现有雕刻机床大多只能用于平面加工，极少能进行三维立体加工，即使有的话，也是在加工台上装转轴夹具，加工头与夹具转台的运动配合不宜实现。而且大多转轴夹具只有一个转动自由度，不能实现双向转动。

串联构型具有结构简单，成本低，控制简单，运动空间大等优点，已成功应用于很多领域，如各种机床，装配车间等。并联构型的研究与串联的相比起步较晚，由于并联构型具有精度高，刚度大，承载能力强，末端件惯性小等优点，在高速，大承载能力的场合具有明显优势。

现在，并联机构已经用于飞行模拟器、数控机床等，但是在雕刻加工中鲜有使用。目前国内外对采用并联机构实现雕刻加工的装置的研究鲜有报道，至今还没有成型的装有并联机构的雕刻机床用于木材、石材的加工。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种混联式结构雕刻机。它能实现五轴联动加工，减少装卡次数，节省工时；提高加工质量、加工精度和加工速度；以高质量和高效率的优势完成装饰制品的三维雕刻和加工。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括串联式桁架和并联加工头，所述串联式桁架为实现沿X、Y轴移动的双向可移动龙门结构，所述并联加工头具有三个自由度，悬置于所述可移动龙门结构上，所述双向可移动龙门结构包括龙门框架、凹型底座、水平X轴移动装置和水平Y轴移动装置，所述龙门框架通过水平X轴移动装置连接于凹型底座上，并联加工头通过水平Y轴移动装置悬挂在龙门框架纵梁上。

进一步地，所述水平X轴移动装置包括凹型底座和龙门框架连接的两边框上分别设有的配合传动的齿轮、两齿条及连接驱动齿轮的伺服电机，两侧伺服电机同步驱动控制。

进一步地，所述水平Y轴移动装置包括安装在纵梁上的滚珠丝杠、丝母、滑轨、连接滑块和第一电机，所述第一电机连接滚珠丝杠，与丝杠配合的丝母固定在连接滑块上，所述连接滑块与纵梁侧上安装的滑轨配合滑动，另一端连接并联加工头。

进一步地，所述并联加工头包括动平台、静平台、电主轴切削刀具、三条主动链与一条约束链，所述约束链为伸缩杆结构，其一端通过虎克铰与静平台相连，另一端通过套筒装置固联于动平台；三条主动链结构相同，沿约束链圆周布置，均为伸缩杆，其一端通过虎克铰与静平台相连，另一端通过球铰链与动平台相连；每个主动链上带有各自的伺服电机，伺服电机驱动伸缩杆转动伸长或缩短，约束链下端的动平台下方连接电主轴切削刀具，约束链与动平台垂直，电主轴轴线与约束链轴线重合。

进一步地，所述主动链伸缩杆由内外两个套筒组成，通过滑移副方式连接，具体包括虎克联接头、联接轴、伸缩外套Ⅰ、键槽伸缩内套、伸缩外套Ⅱ、丝杠、定位端盖、联轴器、伺服电机，所述伺服电机通过联轴器连接丝杠一端，丝杠另一端固定有滑动键套，沿伸缩内套内壁滑动；与丝杠配合的螺母连接在伸缩内套的一端，伸缩内套与伸缩外套Ⅰ一端固联，其伸缩外套Ⅰ另一端通过联接轴连接虎克联接头，伸缩外套Ⅱ一端连接在伸缩外套Ⅰ上，另一端通过定位端盖连接丝杠上靠近联轴器端。

进一步地，所述伸缩外套Ⅱ上与伸缩外套Ⅰ连接端设有密封挡板。

进一步地，所述伸缩外套Ⅰ与伸缩内套间通过挡圈连接。

进一步地，所述约束链伸缩杆包括约束链伸缩套、连接杆、导向平键及长螺母，所述连接杆一端置于约束链伸缩套内，另一端通过球铰链与动平台连接，伸缩套上连接长螺母，连接杆上带有与长螺母配合的外螺纹，伸缩套内的连接杆上对称设有导向平键，伸缩套端通过静平台虎克铰固结于静平台；且该端伸出静平台，通过联轴器与伺服电机相联接。

进一步地，所述伸缩套通过一对角接触球轴承安装在静平台虎克铰上。

本发明的有益效果为：

1.本发明采用混联式结构作为雕刻机的主体，具体由串联式桁架和并联加工头两部分组成，串联式桁架采用双向可移动龙门结构，能实现沿X、Y轴的移动；加工头采用一种有约束链的三自由度并联机构，该并联装置能够实现沿Z轴方向平动和沿X和Y轴方向转动。混联式雕刻机整机具有五个自由度，可实现三平移、二转动运动，便于一次装卡情况下进行五面体加工。

2.本发明既保留传统雕刻机的床身直线导轨运动的平稳性，又增加了并联机器人高效、灵活、高精度、高刚度等优点，可一次性完成多角度、复杂曲面的雕刻加工，既能提高加工质量，保证石材、木材等工艺品装饰效果的一致性，又能提高生产效率，减少加工时间。

3.本发明采用串联桁架与并联工作头相结合的结构，改变了原有雕刻机单一的的结构形式，该设备能实现三个平动自由度和两个转动自由度，可实现五轴联动加工，既保留了串联构型的工作空间大等优势，又提高了加工头的灵活性，提高了整机的加工精度、结构刚度和速度，具有控制便捷、惯性力小，加工质量高等优点，能改变传统雕刻机的加工局限性。

附图说明

图1为本发明的三维立体模型图。

图2是图1中并联工作头的三维图。

图3是图2中主动链与铰链装配图。

图4是图3中主动链伸缩杆剖视示意图。

图5是图3中约束链结构剖视示意图。

图中：1.并联工作头；2. 串联式桁架；21. 龙门框架，22.凹型底座，23.水平Y轴移动装置，231.齿条， 24. 水平X轴移动装置，241.第一电机，242.滚珠丝杠，243.滑轨，244.滑块，245.丝母，246.纵梁， 3.静平台；31.静平台虎克铰；4.固定套；5.约束链， 51.约束链伸缩套，52.连接杆，53.长螺母，54.球铰链，55.导向平键；6. 动平台；61.动平台虎克铰；7.电主轴切削刀具；8.主动链伸缩杆； 801.虎克联接头；802.联接轴；803.伸缩外套Ⅰ；804.密封挡板；805.伸缩内套；806.伸缩外套Ⅱ；807.丝杠；808.轴承垫圈；809.定位端盖；810.联轴器；811.伺服电机；812.锁紧螺母；813.轴套；814.轴承端盖；815.角接触球轴承；816.螺母；817.滑动键套，818.挡圈。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步详述。

实施例：如图1所示，本发明包括串联式桁架2和并联加工头1，所述串联式桁架2为实现沿X、Y轴移动的双向可移动龙门结构，所述并联加工头1具有三个自由度，悬置于所述可移动龙门结构上，所述双向可移动龙门结构包括龙门框架21、凹型底座22、水平X轴移动装置24和水平Y轴移动装置23，所述龙门框架21通过水平X轴移动装置连接于凹型底座22上，并联加工头1通过水平Y轴移动装置悬挂在龙门框架21的纵梁23上。

所述水平X轴移动装置23包括凹型底座22和龙门框架21连接的两边框上分别设有的配合传动的齿轮、两齿条231及连接驱动齿轮的伺服电机，两侧伺服电机同步驱动控制。

所述水平Y轴移动装置24包括安装在龙门框架纵梁246上的滚珠丝杠242、丝母245、滑轨243、连接滑块245和第一电机241，所述第一电机241连接滚珠丝杠242，与丝杠242配合的丝母245固定在连接滑块244上，所述连接滑块244与纵梁246侧上安装的滑轨243配合滑动，另一端连接并联加工头1。

如图2、图3所示，所述并联加工头1包括动平台6、静平台3、电主轴切削刀具7、三条主动链5与一条约束链5，所述约束链5为伸缩杆结构，其一端通过静平台虎克铰31与静平台3相连，另一端通过套筒装置固联于动平台6；三条主动链8结构相同，沿约束链5圆周布置，均为伸缩杆，主动链8一端通过静平台虎克铰31与静平台3相连，另一端通过球铰链与动平台6相连；每个主动链8上带有各自的伺服电机，伺服电机驱动伸缩杆转动伸长或缩短，约束链5下端的动平台6下方通过固定套安装电主轴切削刀具7，约束链4的方向与动平台6方向始终保持垂直，电主轴切削刀具7的轴线与约束链5轴线重合。约束链5起到约束并联机构沿X、Y平移和绕Z轴转动的作用。

如图4所示，所述主动链伸缩杆8由内外两个套筒组成，通过滑移副方式连接，具体包括虎克联接头801、联接轴802、伸缩外套Ⅰ803、伸缩内套805、伸缩外套Ⅱ806、丝杠807、定位端盖809、联轴器810、伺服电机811，所述伺服电机811通过联轴器810连接丝杠807一端，丝杠807另一端固定有滑动键套817，沿伸缩内套805内壁滑动；与丝杠807配合的螺母16连接在伸缩内套805的一端，伸缩内套805与伸缩外套Ⅰ803一端固联，其伸缩外套Ⅰ803另一端通过联接轴802连接虎克联接头801，伸缩外套Ⅱ806一端连接在伸缩外套Ⅰ803上，另一端通过定位端盖809连接丝杠807上靠近联轴器802端。

所述伸缩外套Ⅱ806上与伸缩外套Ⅰ803连接端设有密封挡板4。

所述伸缩外套Ⅰ803与伸缩内套805间通过挡圈818连接。

如图5所示，所述约束链伸缩杆5包括约束链伸缩套51、连接杆52、导向平键55及长螺母53，所述连接杆52一端置于约束链伸缩套51内，另一端通过球铰链54与动平台6连接，伸缩套51上连接长螺母53，连接杆52上带有与长螺母53配合的外螺纹，约束链伸缩套51内的连接杆52上对称设有导向平键55，约束链伸缩套51端通过静平台虎克铰31固结于静平台3；且该端伸出静平台3，通过联轴器与伺服电机相联接。

所述约束链伸缩套51通过一对角接触球轴承安装在静平台虎克铰31上，连接杆52端配合连接的导向平键，使连接杆52的下端就在约束链伸缩套51中浮动支承，自由滑动，实现将旋转运动转化为直线运动，以确保并联机构不能实现绕约束链5的相互转动。

本发明的工作原理：

如图1所示，每个主动链8上带有各自的伺服电机，伺服电机驱动伸缩杆内的丝杠807转动，与其配合的螺母816旋转，通过两者的螺纹副将旋转运动转变为直线伸缩运动。当其中一个或者二个主动链8伸长，另外两个或者一个主动链8缩短时，就能实现动平台的左右或者前后的摆动，从而带动电主轴切削刀具7的左右或者前后的摆动；当三个主动链8同时、同距离伸长或者缩短时，实现动平台沿约束链5方向平动，从而带动电主轴切削刀具7上下移动。

Claims (9)

1.一种混联式结构雕刻机，其特征在于：包括串联式桁架和并联加工头，所述串联式桁架为实现沿X、Y轴移动的双向可移动龙门结构，所述并联加工头具有三个自由度，悬置于所述可移动龙门结构上，所述双向可移动龙门结构包括龙门框架、凹型底座、水平X轴移动装置和水平Y轴移动装置，所述龙门框架通过水平X轴移动装置连接于凹型底座上，并联加工头通过水平Y轴移动装置悬挂在龙门框架纵梁上。

2.根据权利要求1所述混联式结构雕刻机，其特征在于：所述水平X轴移动装置包括凹型底座和龙门框架连接的两边框上分别设有的配合传动的齿轮、两齿条及连接驱动齿轮的伺服电机，两侧伺服电机同步驱动控制。

3.根据权利要求1所述混联式结构雕刻机，其特征在于：所述水平Y轴移动装置包括安装在纵梁上的滚珠丝杠、丝母、滑轨、连接滑块和第一电机，所述第一电机连接滚珠丝杠，与丝杠配合的丝母固定在连接滑块上，所述连接滑块与纵梁侧上安装的滑轨配合滑动，另一端连接并联加工头。

4.根据权利要求1所述混联式结构雕刻机，其特征在于：所述并联加工头包括动平台、静平台、电主轴切削刀具、三条主动链与一条约束链，所述约束链为伸缩杆结构，其一端通过虎克铰与静平台相连，另一端通过套筒装置固联于动平台；三条主动链结构相同，沿约束链圆周布置，均为伸缩杆，其一端通过虎克铰与静平台相连，另一端通过球铰链与动平台相连；每个主动链上带有各自的伺服电机，伺服电机驱动伸缩杆转动伸长或缩短，约束链下端的动平台下方连接电主轴切削刀具，约束链与动平台垂直，电主轴轴线与约束链轴线重合。

5.根据权利要求1所述混联式结构雕刻机，其特征在于：所述主动链伸缩杆由内外两个套筒组成，通过滑移副方式连接，具体包括虎克联接头、联接轴、伸缩外套Ⅰ、键槽伸缩内套、伸缩外套Ⅱ、丝杠、定位端盖、联轴器、伺服电机，所述伺服电机通过联轴器连接丝杠一端，丝杠另一端固定有滑动键套，沿伸缩内套内壁滑动；与丝杠配合的螺母连接在伸缩内套的一端，伸缩内套与伸缩外套Ⅰ一端固联，其伸缩外套Ⅰ另一端通过联接轴连接虎克联接头，伸缩外套Ⅱ一端连接在伸缩外套Ⅰ上，另一端通过定位端盖连接丝杠上靠近联轴器端。

6.根据权利要求5所述混联式结构雕刻机，其特征在于：所述伸缩外套Ⅱ上与伸缩外套Ⅰ连接端设有密封挡板。

7.根据权利要求5所述混联式结构雕刻机，其特征在于：所述伸缩外套Ⅰ与伸缩内套间通过挡圈连接。

8.根据权利要求1所述混联式结构雕刻机，其特征在于：所述约束链伸缩杆包括约束链伸缩套、连接杆、导向平键及长螺母，所述连接杆一端置于约束链伸缩套内，另一端通过球铰链与动平台连接，伸缩套上连接长螺母，连接杆上带有与长螺母配合的外螺纹，伸缩套内的连接杆上对称设有导向平键，伸缩套端通过静平台虎克铰固结于静平台；且该端伸出静平台，通过联轴器与伺服电机相联接。

9.根据权利要求8所述混联式结构雕刻机，其特征在于：所述伸缩套通过一对角接触球轴承安装在静平台虎克铰上。