CN105690361A

CN105690361A - 一种五轴联动混联机床

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Publication number: CN105690361A
Application number: CN201610075617.9A
Authority: CN
Inventors: 李瑞琴; 王书森; 黄发群
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2016-02-03
Filing date: 2016-02-03
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2036-02-03
Also published as: CN105690361B

Abstract

本发明属于多轴联动装置的技术领域，具体涉及一种五轴联动混联机床，解决了传统数控机床及现有混联机床在加工细长类整体结构件方面存在的弊端。其包括长直导轨以及并联模块，并联模块包括基础平台、动平台以及连接于基础平台和动平台之间的各支链，各部分形成一个空间并联闭环机构，所述的并联模块动平台能实现XZ平面内的两维移动和转轴在动平台平面内的两维转动，并联模块安装在沿Y轴方向的长直导轨上，并在Y轴方向添加有一个使并联模块沿Y轴方向滑动主动驱动。本发明综合了传统串联机床和并联机床的优点，具有工作空间大、刚度高、精度高、Y轴方向驱动负载变化小、动态性能好、可重构性强和模块化程度高等优点，能够实现对复杂细长整体结构件的五轴联动加工。

Description

一种五轴联动混联机床

技术领域

本发明属于多轴联动装置的技术领域，具体涉及一种五轴联动混联机床，是一种能够应用于数控控制装置制造领域的可实现复杂细长整体结构件的多轴联动转置。

背景技术

并联机构是由多个支链构成的闭环机构，相对于传统的串联机构具有以下优点：并联机床作为一种以并联机构为机械本体的制造装备，出现于上世纪90年代末。随着并联机构理论研究的不断深入及数控技术、自动化技术和计算机技术的不断发展，并联机床逐渐成为一种重要的新型制造装备而应用于现代制造业中。并联机床与传统串联机床相比，具有更高的刚度重量比、更快的响应速度、更高的加工精度。从而更适用于高速、精密、重载情况下的加工。并且其模块化程度高、易重构、柔性好，从而更易于降低加工成本。但是并联机床存在着相对工作空间小、加工范围有限等这样的缺点，从而限制了其应用领域。鉴于并联机构与串联机构在构型上面的对偶关系，人们想到了将并联机构和串联机构进行组合，从而提出了混联机构的构型，并将混联机构作为数控机床的机械本体生产新型混联机床。从而使混联机床集并、串联机床的优势于一身，同时又避免并、串联构型各自的缺点，在现在制造业中更具实用性。正因如此，这类基于并联机构或含有并联模块的五轴联动混联加工中心得到了广泛关注和研究，并逐步成为高速、高精度、高灵活度数控机床的发展趋势。

近年来，应用于航空航天、铁路运输、国防军工等领域的细长类整体结构件例如：飞机的机身、机翼、肋条、火车车厢等的整体设计原则越来越受到了重视。整体设计的基本概念是，从一块整体毛坯上将金属切除，从而获得性能优越的整体结构件。它的优点不仅是缩短了加工装配的周期和物流链，同时也减轻了结构件的重量。这种细长类整体结构件大都零件去除率高，且形状复杂、多孔、壁厚薄。为了完成这种复杂加工必须使用五轴联动的数控机床，且对机床性能要求较高。由于传统数控机床在复杂细长整体结构件加工方面存在弊端，寻找新型高效的加工机床成为一个迫切的任务。鉴于混联机床存在着适用于高速、高精、重载加工的优势，发展新型混联机床将成为一种有效的解决措施。

国内外典型的五轴混联机床有：瑞典NeosRobotis公司生产的Tricept系列五轴联动混联机床，Exechon公司生产的Exechon系列五轴联动混联机床。Tricept、Exechon系列混联机床是由能实现两转一移运动的位置型并联机构3-UPS+UP、2-UPR+SPR，串联两自由度A/C轴摆角铣头组成，广泛应用于汽车、航空航天领域轻型高速加工、装配等作业；德国DS-Technologie公司按照飞机结构件加工工艺的特点，独创性地推出了Ecospeed高性能数控加工中心，它采用串联式结构实现五轴中两个移动轴大范围的移动，采用一个基于3-PRS并联机构的摆角头(Z3摆角头)来实现五轴中一个移动轴的移动和两个转动轴的摆动，这种转动不是串联式的，而是并联式耦合联动的，可以绕经过摆角头中心任意轴线进行摆动。这种摆角头类似人手腕的运动学结构，可以实现传统A/B式摆角头的功能，但结构简单，由连杆和移动、转动运动副以及球铰链构成，从而使其动态特性性能更加优越，可以实现更高的速度和加速度。这种机床理念采用并联加串联的混联方式，是世界上切削铝合金结构件最富有成效的方案，切削量最大可达8000cm³/min，大幅度降低了加工时间和成本。国内，齐齐哈尔第二机床集团和清华大学合作研制XNZ2430重型龙门混联机床通过以新型的二自由度并联机构为基础龙门，在主轴箱上串联两个自由度A/C轴摆角铣头，附加工作台的移动，从而实现机床的五轴联动。该机床特别适用于加工带有复杂曲面形状的较大、较长类零件和叶片类零件。综合以上典型混联机床发现Tricept、Exechon系列混联机床虽然能够实现很灵巧的工作形式，但其工作空间相对较小，即使将其串联在导轨上扩大一个轴方向的移动空间但这样做使其运动耦合性明显增强，不利于控制。Ecospeed高性能数控加工中心，其两个移动轴大范围的移动没有主次之分，而对细长类整体结构件加工来说只需在工件长度方向有一个大范围的移动轴其宽度方向没有必要串联另一个移动轴，如果将其宽度方向的移动由并联模块来实现可以使其具有更好的性能。对于XNZ2430重型龙门混联机床，其加工主体部分是不动的，工件长度方向的移动由移动平台来完成，而这种形式对于加工细长工件较工作台不动、机床加工主体移动的形式来说，明显需要更大的加工空间。

本发明针对传统数控机床及现有五轴混联机床在加工细长类整体结构件方面存在的弊端，提出一种以模块化四自由度并联机构为主体辅以长直导轨实现五轴联动加工的混联构型机床。此机床应用于细长类整体结构件加工具有工作空间大、刚度高、精度高、Y轴方向驱动负载变化小、动态性能好、可重构性强和模块化程度高等优点。

发明内容

本发明针对传统数控机床及现有五轴混联机床在加工细长类整体结构件方面存在的弊端，提出一种以模块化四自由度并联机构为主体辅以长直导轨实现五轴联动加工的混联机床。本发明应用于细长类整体结构件加工具有工作空间大、刚度高、精度高、Y轴方向驱动负载变化小、动态性能好、可重构性强和模块化程度高等优点。

本发明采用如下的技术方案实现：

一种五轴联动混联机床，包括长直导轨以及并联模块，所述的并联模块包括基础平台、动平台以及连接于基础平台和动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链，各部分形成一个空间并联闭环机构，第一和第三支链结构相同，第二和第四支链结构相同，第一支链、第二支链、第三支链、第四支链均含有一个主动驱动的运动副，所述的并联模块动平台能实现XZ平面内的两维移动和转轴在动平台平面内的两维转动，并联模块安装在沿Y轴方向的长直导轨上，并在Y轴方向添加有一个使并联模块沿Y轴方向滑动的主动输入。

所述的第一支链包括第一上连杆、第一下连杆、第一连接块以及各运动副，所述运动副有四个，一个是连接于基础平台和第一上连杆之间的转动副，一个是连接于第一上连杆和第一下连杆之间的移动副，一个是连接于第一下连杆和第一连接块之间的转动副，另一个是连接于第一连接块和动平台之间的转动副，其中连接于第一上连杆和第一下连杆之间的移动副是主动输入，连接于第一下连杆和第一连接块之间的转动副与连接于第一连接块和动平台之间的转动副轴线始终垂直。

所述的第二支链结构包括：第二连接块、第二上连杆、第二下连杆、以及各运动副，所述运动副有四个，一个是连接于基础平台和第二连接块之间的转动副，一个是连接于第二上连杆和第二连接块之间的转动副，一个是连接于第二上连杆和第二下连杆之间的移动副，另一个是连接于第二下连杆和动平台之间的球铰副，其中连接于第二上连杆和第二下连杆之间的移动副是主动输入，连接于基础平台和第二连接块之间的转动副与连接于第二上连杆和第二连接块之间的转动副轴线始终垂直。

所述的并联模块中，连接于第一连接块和动平台之间的转动副与连接于第三连接块和动平台之间的转动副轴线始终同轴；连接于基础平台和第一上连杆之间的转动副、连接于基础平台和第三上连杆之间的转动副、连接于第一下连杆和第一连接块之间的转动副及连接于第三下连杆和第三连接块之间的转动副轴线始终同Y轴并行。

基础平台与长直导轨之间通过移动副连接，且该移动副是使并联模块可以沿着Y轴移动的主动输入。

第一支链、第二支链、第三支链、第四支链与动平台铰接中心点在动平台上呈90°等分布置，且各铰点距动平台中心距离相等；第一支链、第二支链、第三支链、第四支链与基础平台铰接中心点在基础平台上呈90°等分布置且分别记为第一铰接中心点、第二铰接中心点、第三铰接中心点、第四铰接中心点，确定基础平台上一点设为点O位于距长直导轨距离相等且距第二、第四铰接中心点距离相等的位置，第二、第三、第四铰接中心点距点O距离相等且与第一铰接点距点O距离不相等。

本发明相对现有技术具有如下有益效果：（1）结构简单、紧凑；（2）刚度、精度高；（3）工作空间大，尤其是Y轴方向可以根据实际需求来确定长直导轨长度，故柔性好；（4）Y轴方向驱动负载变化小；（5）动态性能好；（6）可重构性强和模块化程度高等优点。能够实现对复杂细长整体结构件的五轴联动加工。可应用于航空航天、铁路运输、国防军工等领域的细长类整体结构件加工，例如：飞机的机身、机翼、肋条、火车车厢等的加工。

附图说明

图1为本发明的实施例的结构示意图。

图2为图1所示的机床结构中的并联模块的结构示意图。

图3为图2所示的并联模块中第三支链的结构示意图。

图4为图2所示的并联模块中第四支链的结构示意图。

图中：1、长直导轨，2、工件，3、夹具，4、工作台，5、刀具，6、基础平台，7、动平台，8、第三上连杆，9、第三下连杆，10、第三连接块，11、第四上连杆，12、第四下连杆，13、第四连接块，14、第一上连杆，15、第一下连杆，16、第一连接块，17、第二上连杆，19、第二连接块，18、第二下连杆。

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1所示，五轴联动混联机床，包括长直导轨1、并联模块、工作台4、夹具3、刀具5等部分。其中并联模块的结构，如图2所示，包括连接基础平台6和动平台7之间结构相同的第一、第三支链，另一结构相同的第二、第四支链，基础平台6及动平台7，各部分形成一个空间并联闭环机构。第一支链、第二支链、第三支链、第四支链均含有一个主动驱动的运动副，且各支链上端与基础平台6及下端与动平台7铰接中心点在各平台上呈90°等分布置。该并联模块动平台能够实现XZ平面内的两维移动和转轴在动平台7平面内的两维转动。将并联模块安装在沿Y轴方向的长直导轨1上，并在Y轴方向添加一个主动输入，使并联模块可以沿Y轴方向滑动。

并联模块的第一支链，如图2、3所示，其结构包括：第一上连杆14、第一下连杆15、第一连接块16以及各运动副。所述运动副有四个，一个是连接于基础平台6和第一上连杆14之间的转动副，一个是连接于第一上连杆14和第一下连杆15之间的移动副，一个是连接于第一下连杆15和第一连接块16之间的转动副，另一个是连接于第一连接块16和动平台7之间的转动副。其中连接于第一上连杆14和第一下连杆15之间的移动副是主动输入，连接于第一下连杆15和第一连接块16之间的转动副与连接于第一连接块16和动平台7之间的转动副轴线始终垂直且可由一个胡克铰代替。

并联模块的第三支链，如图2、3所示，其结构与第一支链相同，包括：第三上连杆8、第三下连杆9、第三连接块10以及各运动副。所述运动副有四个，一个是连接于基础平台6和第三上连杆8之间的转动副，一个是连接于第三上连杆8和第三下连杆9之间的移动副，一个是连接于第三下连杆9和第三连接块10之间的转动副，另一个是连接于第三连接块10和动平台7之间的转动副。其中连接于第三上连杆8和第三下连杆9之间的移动副是主动输入，连接于第三下连杆9和第三连接块10之间的转动副与连接于第三连接块10和动平台7之间的转动副轴线始终垂直且可由一个胡克铰代替。

并联模块的第二支链，如图2、4所示，其结构包括：第二连接块19、第二上连杆17、第二下连杆18、以及各运动副。所述运动副有四个，一个是连接于基础平台6和第二连接块19之间的转动副，一个是连接于第二上连杆17和第二连接块19之间的转动副，一个是连接于第二上连杆17和第二下连杆18之间的移动副，另一个是连接于第二下连杆18和动平台7之间的球铰副。其中连接于第二上连杆17和第二下连杆18之间的移动副是主动输入，连接于基础平台6和第二连接块19之间的转动副与连接于第二上连杆17和第二连接块19之间的转动副轴线始终垂直且可由一个胡克铰代替。

并联模块的第四支链，如图2、4所示，其结构与第二支链相同，包括：第四连接块13、第四上连杆11、第四下连杆12、以及各运动副。所述运动副有四个，一个是连接于基础平台6和第四连接块13之间的转动副，一个是连接于第四上连杆11和第四连接块13之间的转动副，一个是连接于第四上连杆11和第四下连杆12之间的移动副，另一个是连接于第四下连杆12和动平台7之间的球铰副。其中连接于第四上连杆11和第四下连杆12之间的移动副是主动输入；连接于基础平台6和第四连接块13之间的转动副与连接于第四上连杆11和第四连接块13之间的转动副轴线始终垂直且可由一个胡克铰代替。

并联模块中，连接于第一连接块16和动平台7之间的转动副与连接于第三连接块10和动平台7之间的转动副轴线始终同轴，连接于基础平台6和第一上连杆14之间的转动副、连接于基础平台6和第三上连杆8之间的转动副、连接于第一下连杆15和第一连接块16之间的转动副及连接于第三下连杆9和第三连接块10之间的转动副轴线始终同时Y轴并行。

基础平台6与长直导轨1之间通过移动副连接，且该移动副是主动输入，使并联模块可以沿着Y轴移动。

第一支链、第二支链、第三支链、第四支链与动平台7铰接中心点在动平台7上呈90°等分布置，且各铰点矩动平台7中心距离相等，第一支链、第二支链、第三支链、第四支链与基础平台6铰接中心点在基础平台6上呈90°等分布置且记为第一铰接中心点、第二铰接中心点、第三铰接中心点、第四铰接中心点，确定基础平台6上一点设为点O位于距长直导轨1距离相等且距第二、第四铰接中心点距离相等的位置。则第二、第三、第四铰接中心点距点O距离相等且与第一铰接点距点O距离不相等，这样布局可以避免机构的奇异性。

Claims

1.一种五轴联动混联机床，其特征在于包括长直导轨以及并联模块，所述的并联模块包括基础平台、动平台以及连接于基础平台和动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和第四支链，各部分形成一个空间并联闭环机构，第一和第三支链结构相同，第二和第四支链结构相同，第一支链、第二支链、第三支链、第四支链均含有一个主动驱动的运动副，所述的并联模块动平台能实现XZ平面内的两维移动和转轴在动平台平面内的两维转动，并联模块安装在沿Y轴方向的长直导轨上，并在Y轴方向添加有一个使并联模块沿Y轴方向滑动的主动输入。

2.根据权利要求1所述的五轴联动混联机床，其特征在于所述的第一支链包括第一上连杆、第一下连杆、第一连接块以及各运动副，所述运动副有四个，一个是连接于基础平台和第一上连杆之间的转动副，一个是连接于第一上连杆和第一下连杆之间的移动副，一个是连接于第一下连杆和第一连接块之间的转动副，另一个是连接于第一连接块和动平台之间的转动副，其中连接于第一上连杆和第一下连杆之间的移动副是主动输入，连接于第一下连杆和第一连接块之间的转动副与连接于第一连接块和动平台之间的转动副轴线始终垂直。

3.根据权利要求1或2所述五轴联动混联机床，其特征在于所述的第二支链结构包括：第二连接块、第二上连杆、第二下连杆、以及各运动副，所述运动副有四个，一个是连接于基础平台和第二连接块之间的转动副，一个是连接于第二上连杆和第二连接块之间的转动副，一个是连接于第二上连杆和第二下连杆之间的移动副，另一个是连接于第二下连杆和动平台之间的球铰副，其中连接于第二上连杆和第二下连杆之间的移动副是主动输入，连接于基础平台和第二连接块之间的转动副与连接于第二上连杆和第二连接块之间的转动副轴线始终垂直。

4.根据权利要求3所述五轴联动混联机床，其特征在于并联模块中，连接于第一连接块和动平台之间的转动副与连接于第三连接块和动平台之间的转动副轴线始终同轴；连接于基础平台和第一上连杆之间的转动副、连接于基础平台和第三上连杆之间的转动副、连接于第一下连杆和第一连接块之间的转动副及连接于第三下连杆和第三连接块之间的转动副轴线始终同Y轴并行。

5.根据权利要求4所述五轴联动混联机床，其特征在于基础平台与长直导轨之间通过移动副连接，且该移动副是使并联模块可以沿着Y轴移动的主动输入。

6.根据权利要求5所述五轴联动混联机床，其特征在于第一支链、第二支链、第三支链、第四支链与动平台铰接中心点在动平台上呈90°等分布置，且各铰点距动平台中心距离相等；第一支链、第二支链、第三支链、第四支链与基础平台铰接中心点在基础平台上呈90°等分布置且分别记为第一铰接中心点、第二铰接中心点、第三铰接中心点、第四铰接中心点，确定基础平台上一点设为点O位于距长直导轨距离相等且距第二、第四铰接中心点距离相等的位置，第二、第三、第四铰接中心点距点O距离相等且与第一铰接点距点O距离不相等。