CN104625198A - 一种三自由度并联机构及采用该机构的机床 - Google Patents

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吴军
于广
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李铁民
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23C9/00—Details or accessories so far as specially adapted to milling machines or cutter

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Abstract

一种三自由度并联机构及采用该机构的机床，属于机械制造领域。所述机床含有三自由度并联机构、龙门架和基座；龙门架通过丝杠和导轨安装在基座上；三自由度并联机构通过龙门架的两侧立柱内的丝杠和导轨安装在龙门架上。三自由度并联机构包括定平台、动平台、第一分支、第二分支和第三分支。第一分支和第二分支结构完全相同；通过第一分支、第二分支和第三分支的协同运动实现动平台三自由度运动形式。本发明中的三自由度并联机构具有结构简单紧凑、刚度高、负载能力强、运动部件质量小、易于实现高速运动的特点，采用该机构的五轴混联机床能够满足对航空复杂薄壁件零部件的加工要求。

Description

一种三自由度并联机构及采用该机构的机床
技术领域
本发明属于机械制造领域，特别涉及一种三自由度并联机构及采用该机构的机床。
背景技术
从上个世纪80年代以来，大型龙门式五轴联动数控铣床在飞机结构件加工中得到越来越广泛应用。龙门式机床的工作台、横梁和主轴部件实现X、Y、Z轴的移动，再加上摆叉式或万能摆头，实现A/C轴或A/B轴的两个回转运动，构成五轴联动数控机床。摆叉式或万能摆头的优点是主轴的偏转角度较大，可以实现矩形零件的五面加工，尽管摆头在单个轴线上可以达到很高的回转速度和加速度，但刀具空间定向速度仍然较低，因为摆头的两个回转运动是串联的，不能完全同时回转，对机床X、Y、Z轴线的补偿运动也不能及时反映。这种机构运动学上的先天缺陷，使摆叉式的摆头不完全适用于加工飞机结构件。此外，无论摆叉式还是万能式摆头，摆头内部都有3个电动机，每个电动机都需要连接供电、冷却、润滑和位置检测等电缆或管道，相互之间还有位置转动，连接和密封结构非常复杂。加上主轴电动机内部还需要配置刀具夹紧装置，导致摆头尾部各种电缆和管道多达数十根，维护极其不便。
并联机构具有多个闭合支链子结构，与传统的机构(串联机构)相比有很多优势。如高刚度、低惯性、高动态性能和高精度。由于并联机构具有这些优点，利用并联机构开发主轴头具有很多优点。这种主轴头可以配置在可在X轴向移动的立柱上，并且可沿立柱上的线性导轨作Y向移动，构成五轴联动数控机床。
这种机床具有并联机构和串联机构的优势，串联部分可以获得较大的工作空间，实现对大尺度零件的一次装夹、切削加工；摆头(并联部分)具有高刚度、高动态性能等特点，实现对自由曲面的高精度切削。同时，并联机构摆头可以克服传统的摆叉式或万能式摆头在运动学上的先天缺陷。利用这种五轴联动数控机床加工飞机结构件，加工过程中所有加工运动都通过加工刀具的移动或转动完成，而工件不动，这对大型飞机结构件加工非常有利。
然而，现有的并联机构主轴头构型较少，并且一些构型对装配精度要求高、工作空间较小等缺陷，导致具有工程实用价值的主轴头构型更少，阻碍了并联机构主轴头及配置该主轴头的五轴联动数控机床的发展。
发明内容
本发明的目的是提出一种具有高刚度、低惯性、高动态性能、高精度特性，并且具有工程实用价值的三自由度并联机构及采用该机构的机床，克服传统的摆叉式或万能式摆头在运动学上的先天缺陷，满足表面曲线形状复杂、工艺路径复杂、自由曲面多和尺寸精度高等航空薄壁件的加工要求。
本发明技术方案是：
一种三自由度并联机构，其特征在于，三自由度并联机构包括定平台、动平台、第一分支、第二分支和第三分支；所述的第一分支包括第一连杆、第一滑块和第一球铰和第一转动副；第一分支和第二分支结构完全相同；第三分支包括第三连杆、第三滑块、第一虎克铰和第二虎克铰；所述的定平台包括底座、第一机架、第二机架和第三机架；第一机架、第二机架和第三机架分别安装有直线导轨和丝杠；第一滑块安装在第一机架的导轨和丝杠上，第一连杆的一端通过第一转动副与第一滑块相铰接；第一连杆的另一端通过第一球铰与动平台铰接；第三滑块安装在第三机架的导轨和丝杠上，第三连杆的一端通过第一虎克铰与第三滑块相铰接；第三连杆的另一端通过第二虎克铰与动平台铰接。
所述的第一分支中的第一连杆采用矩形截面的V型结构。
所述的第三分支中的第三连杆的横截面采用中空矩形结构。
所述的三自由度并联机构及采用该机构的机床包括三自由度并联机构、龙门架和基座；动平台的前端装有铣刀和主轴电机，基座上设置有滚珠丝杠和直线导轨，龙门架通过滚珠丝杠和直线导轨安装在基座上，龙门架的两侧立柱内分别设置有滚珠丝杠和直线导轨，所述三自由度并联机构通过龙门架两侧立柱内的滚珠丝杠和直线导轨安装在龙门架上。
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：由于本发明采用了三自由度并联机构，该机构具有结构简单紧凑、刚度高、负载能力强、运动部件质量小、易于实现高速运动的特点，克服了传统的摆叉式或万能式摆头在运动学上的先天缺陷，因此，使得该机床能够满足对航空薄壁件、表面曲线形状复杂、加工质量和精度要求高部件的加工要求。
附图说明
图1为本发明提供的三自由度并联机构实施例的三维结构示意图。
图2为本发明的定平台实施例结构示意图。
图3为本发明的第一分支实施例结构示意图。
图4为本发明的第三分支实施例结构示意图。
图5为采用三自由度并联机构的机床实施例的三维结构示意图。
图中：1-定平台、2-动平台、3-第一分支、4-第二分支、5-第三分支、6-龙门架、7-基座、101-第一机架、102-第二机架、103-第三机架、104-底座、301-第一连杆、302-第一滑块、303-第一驱动器、304-第一球副、305-第一转动副、501-第三连杆、502-第三滑块、503-第一虎克铰、504-第二虎克铰、505-第三驱动器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、原理和具体实施方式进进一步说明。
图1为本发明提供的三自由度并联机构实施例的三维结构示意图，三自由度并联机构包括定平台1、动平台2、第一分支3、第二分支4和第三分支5；定平台1通过第一分支3、第二分支4、第三分支5的协同运动实现动平台2三自由度运动。图2为本发明的定平台实施例结构示意图，所述的定平台1包括第一机架101、第二机架102、第三机架103和底座104，三个机架呈等边三角形顶点布置固定安装在底座104上，第一机架101、第二机架102和第三机架103上分别设有直线导轨和滚珠丝杠。图3为本发明的第一分支实施例结构示意图，第一分支3包括第一分支3包括第一连杆301、第一滑块302和第一球铰304和第一转动副305；第一滑块302安装在第一机架101的直线导轨和滚珠丝杠上，第一连杆301的一端通过第一转动副305与第一滑块302相铰接；第一连杆301的另一端通过第一球铰304与动平台2铰接；第一分支3和第二分支4结构完全相同；图4为本发明的第三分支实施例结构示意图，所述的第三分支5包括第三连杆501、第三滑块502、第一虎克铰503和第二虎克铰504；第三滑块502安装在第三机架103的直线导轨和滚珠丝杠上，第三连杆501的一端通过第一虎克铰503与第三滑块502铰接；第三连杆501的另一端通过第二虎克铰504与动平台2铰接；所述的第一分支3中，第一连杆301采用矩形截面的V型结构，采用该结构可以提高机构的刚度；所述的第三分支5中，第三连杆501的横截面为中空矩形结构,可以提高杆件的转动刚度；第三滑块502可由第三驱动器505驱动沿导轨相对于第三机架103进行平移运动。所述的第一分支3中，第一滑块302可由第一驱动器303驱动沿导轨相对于第一机架101进行平移运动。上述的定平台1、动平台2、第一分支3、第二分支4和第三分支5共同组成了空间三自由度并联机构。
图5为采用三自由度并联机构的机床实施例的三维结构示意图，该机床包括定平台1、动平台2、第一分支3、第二分支4、第三分支5、龙门架6和基座7。基座7上设有直线导轨、滚珠丝杠和驱动器，龙门架6通过滚珠丝杠和直线导轨安装在基座7上，驱动器驱动丝杠实现龙门架6沿直线导轨方向的移动，龙门架6的两侧立柱分别设有直线导轨、滚珠丝杠和驱动器，定平台1通过滚珠丝杠和直线导轨安装在龙门架6内，驱动器带动滚珠丝杠实现沿龙门架6竖直方向的移动，这样可以完成定平台1两个方向的移动；再与三自由度并联机构相配合，使机床的动平台2具有五自由度的加工能力，实现对待加工工件的自由曲面加工。
工作过程中，第一分支3的第一驱动器303通过丝杠驱动第一分支3的第一滑块302在第一机架101上作往复直线移动，同理，第二分支4的驱动器通过丝杠驱动第二分支4的滑块在第二机架102上作往复移动，第三分支5的第三驱动器505通过丝杠驱动第三分支5的第三滑块502在第三机架103上作往复直线移动。
本实施例的工作原理是：上述的第一分支3、第二分支4和第三分支5中的滑块由驱动器驱动沿导轨相对于各自机架进行平移运动；通过第一分支3、第二分支4和第三分支5中滑块的移动，实现第一分支3、第二分支4、第三分支5的协同运动，进而控制动平台2的三自由度运动。龙门架6通过直线导轨和滚珠丝杠布置在基座7上；定平台1同样通过直线导轨和滚珠丝杠布置在龙门架6的两侧实现定平台的二自由度平面运动，此时，实现动平台2的五自由度运动。

Claims (4)

1.一种三自由度并联机构，其特征在于，三自由度并联机构包括定平台(1)、动平台(2)、第一分支(3)、第二分支(4)和第三分支(5)；所述的第一分支(3)包括第一连杆(301)、第一滑块(302)和第一球铰(304)和第一转动副(305)；第一分支(3)和第二分支(4)结构完全相同；第三分支(5)包括第三连杆(501)、第三滑块(502)、第一虎克铰(503)和第二虎克铰(504)；所述的定平台(1)包括底座(104)、第一机架(101)、第二机架(102)和第三机架(103)；第一机架(101)、第二机架(102)和第三机架(103)分别安装有直线导轨和丝杠；第一滑块(302)安装在第一机架(101)的导轨和丝杠上，第一连杆(301)的一端通过第一转动副(305)与第一滑块(302)相铰接；第一连杆(301)的另一端通过第一球铰(304)与动平台(2)铰接；第三滑块(502)安装在第三机架(103)的导轨和丝杠上，第三连杆(501)的一端通过第一虎克铰(503)与第三滑块(502)相铰接；第三连杆(501)的另一端通过第二虎克铰(504)与动平台(2)铰接。
2.如权利要求1所述的一种三自由度并联机构，其特征在于，所述的第一分支(3)中的第一连杆(301)采用矩形截面的V型结构。
3.如权利要求1所述的一种三自由度并联机构，其特征在于，所述的第三分支(5)中的第三连杆(501)的横截面采用中空矩形结构。
4.一种采用如权利要求1～3任一项所述的三自由度并联机构及采用该机构的机床，其特征在于，所述的机床包括三自由度并联机构、龙门架(6)和基座(7)；动平台(2)的前端装有铣刀和主轴电机，基座(7)上设置有滚珠丝杠和直线导轨，龙门架(6)通过滚珠丝杠和直线导轨安装在基座(7)上，龙门架(6)的两侧立柱内分别设置有滚珠丝杠和直线导轨，所述三自由度并联机构通过龙门架(6)两侧立柱内的滚珠丝杠和直线导轨安装在龙门架(6)上。
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