CN110340874B - 一种三自由度平行驱动并联加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三自由度平行驱动并联加工装置，其包括安装框架、加工头装置，以及连接在他们之间的三个分支机构，每一个分支机构均包括第一转动副、第一连杆、第二转动副、第二连杆、第三转动副、伸出套筒、丝母、丝杠、同步带以及第一驱动机构。第一驱动机构与丝杆下端通过同步带相连，丝杠上端通过轴承与铜套转动相连，伸出套筒的第一端和丝母固连，伸出套筒的第二端通过第三转动副与第二连杆连接，第一连杆的第一端通过第一转动副和上平台连接，第一连杆的第二端通过第二转动副和第二连杆相接。本发明整体结构紧凑、负载能力大、动态性能各项同性好，每一个分支机构的丝杆丝母配合圆柱套筒使用可以增强刚度，提高***加工精度。

Description

一种三自由度平行驱动并联加工装置

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平行驱动并联加工装置。

背景技术

多轴联动数控加工在一个国家的航空航天、军工和科研等领域有着了举足轻重的地位，目前的多轴联动数控机床通常采用串联式，工作台横梁和主轴部件实现X、Y、Z轴移动，再加上摆叉式或者万能摆头，实现AC轴或者AB轴的两个回转运动。串联式机器人虽然主轴偏转角度大、回转速度大，但是传动链较长导致误差累计后增加，整体精度较低。虽然对并联型的研究虽然较串联的起步较晚，由于并联机构具有加工精度高，刚度大，承载能力强，末端件惯性小等优点，在高速、大承载力的场合具有明显的优势。

申请号为CN201810810915的专利提出了一种双驱动五杆滑块并联机构数控加工平台，采用五杆滑块机构进行运动合成，其结构新颖、简单可靠，但是此加工平台只能在平面内实现精确控制，无法满足复杂曲面的加工工作。申请号为CN201810581018的专利提出了一种基于三自由度力控并联模块的移动式混联加工机器人，机器人优质工作空间范围增大，其不足之处在于此种电机成本较高，而且第一驱动机构安装在定平台上形成转动在工程上实现难度较大。

申请号为CN201811202697的专利，装备包括并联承载装置、混联机器人装置、研抛一体化装置和共融控制检测***，本发明具有结构稳定、精度高、刚度大、多设备间协调共融的特点，但是其工作空间同时受限于并联承载装置和混联机器人装置，所以工作空间较小。申请号为CN200910236238的专利提出了一种串并联机器人联合加工***及其控制方法，加工的自动化程度高、生产效率高、承载能力大，且具有一定的智能性，但是加工工件需要放在并联台上，仅能加工较小的工件。

发明内容

本发明的目的在于克服传统串联式加工头结构不足以及一般并联加工头工作空间不足，提出了一种大空间三自由度平行驱动并联加工装置，使整个加工机器人的具有刚度高、运动惯性低，动态性能各项同性好等特点，应用于混联机床上可以实现快速平稳高精度加工。

本发明的技术方案如下：

具体地，本发明提供一种三自由度平行驱动并联加工装置，其包括安装框架、三个均匀分布的结构完全相同的分支机构、动平台以及加工头装置，所述安装框架与所述动平台之间借助于三个分支机构连接；

所述安装框架包括上安装板、三个固定套筒以及下安装板，所述三个固定套筒相互之间均匀分布设置，所述上安装板与所述下安装板之间借助于三个固定套筒进行固定连接，固定套筒的数量与分支机构的数量相对应，

每一个分支机构包括第一转动副、第一连杆、第二转动副、第二连杆、第三转动副、伸出套筒、滑动铜套、轴承、丝母、丝杠、连接机构、编码器、第一驱动机构以及驱动机构安装板，所述第三转动副的轴线和第二转动副的轴线平行，第二转动副的轴线与第一转动副的轴线相交于一点；所述丝杠的第一端通过连接机构和第一驱动机构相连，所述丝杠的第一端的端部连接所述编码器，所述编码器的设置用于反馈丝杠的位移量，所述丝杆的第二端与轴承的内圈固定连接，所述轴承的外圈与滑动铜套的内壁固定连接，所述滑动铜套设置在所述伸出套筒内部，每一个分支机构的伸出套筒设置在一个固定套筒内并且能够在所述固定套筒内部滑动，所述滑动铜套能够在伸出套筒内滑动并且在轴向方向相对于固定套筒静止；所述丝母与所述丝杠之间形成螺旋副，所述伸出套筒的第一端与所述丝母固定连接，所述第二连杆的下端通过第三转动副与伸出套筒的第二端相连，所述第二连杆的上端通过第二转动副与第一连杆相连，第一连杆的上端通过第一转动副与动平台相连，所述第一驱动机构借助于驱动机构安装板进行安装。

优选地，所述加工头装置安装有打磨头，所述打磨头包括磨头、皮带、安装架以及第二驱动机构，所述第二驱动机构和磨头借助于所述皮带连接在一起。

优选地，所述上安装板和下安装板通过三个均匀分布的的固定套筒连接，每一个固定套筒连接一个分支机构的伸出套筒，所述伸出套筒能够在所述固定套筒内部滑动。

优选地，所述连接机构为同步带，所述丝杠的第一端通过同步带和第一驱动机构相连。

优选地，所述安装框架还包括同步带预紧板，所述同步带预紧板与驱动机构安装板之间通过调节螺栓来调节同步带的预紧力。

优选地，所述驱动机构安装板上设置有长孔，所述长孔能够配合调节螺栓来实现对预紧力的调节。

优选地，所述连接机构为联轴器，所述丝杠的第一端通过联轴器和第一驱动机构直接连接。

优选地，所述第一驱动机构和第二驱动机构为电机或液压缸。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本***并联的三个分支机构采用均匀分布的方式进行布置，使其负载能力强，动态性能各向同性好。

2.由于本机构采用伸出套筒在固定套筒内滑动，丝杠的安装方式采用一端固定一端游动的固定方式，大大提高了机构刚度和加工精度。

3.本发明的第一驱动机构和丝杠位于同一侧使整体结构变得十分紧凑，最大限度的提高装置的工作空间。

4.本发明巧妙地采用紧定螺钉来调节同步带的预紧力，适当调节预紧力不仅可以减少摩擦增加使用寿命，还可以减小传动噪音提高传动精度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的安装框架的整体结构示意图；

图3为本发明的内部三维示意图；

图4a为本发明中第一分支机构的三维示意图；

图4b为本发明的图4a的A部分的剖视图；

图5为本发明的仰视示意图。

图中部分标号如下：

1-打磨头，2-动平台，3-第一分支机构，4-第二分支机构，5-第三分支机构，6-安装框架，7-加工头装置；101-磨头，102-皮带，103-安装架，104-第二驱动机构；301-第一转动副，302-第一连杆，303-第二转动副，304-第二连杆，305-第三转动副，306-伸出套筒，307-滑动铜套，308-轴承，309-丝母，310-丝杠，311-同步带，312-编码器，313-驱动机构安装板，314-第一驱动机构；601-上安装板，602-固定套筒，603-同步带预紧板，604-下安装板。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明提供一种三自由度平行驱动并联加工装置，如图1至图5所示，其包括安装框架6、三个分支机构、动平台2以及加工头装置7，安装框架6与动平台2之间借助于三个分支机构连接。每一个分支机构的结构完全相同，且在空间上均匀分布。

安装框架6包括上安装板601、三个固定套筒602、同步带预紧板603以及下安装板604，三个固定套筒602相互之间均匀分布设置，上安装板601与下安装板604之间借助于三个固定套筒602进行固定连接，固定套筒602的数量与分支机构的数量相对应。

每一个分支机构包括第一转动副301、第一连杆302、第二转动副303、第二连杆304、第三转动副305、伸出套筒306、滑动铜套307、轴承308、丝母309、丝杠310、同步带311、编码器312、驱动机构安装板313以及第一驱动机构314。

第三转动副305的轴线和第二转动副303的轴线平行，第二转动副303的轴线与第一转动副301的轴线相交于一点；丝杠310的第一端通过连接机构和第一驱动机构相连，丝杠310的第一端的端部连接编码器312，编码器312的设置用于反馈丝杠的位移量，丝杆310第二端与轴承308的内圈固定连接，轴承308的外圈与滑动铜套307的内壁固连，滑动铜套307设置在伸出套筒内部，每一个分支机构的伸出套筒设置在一个固定套筒602内并且能够在固定套筒602内部滑动，滑动铜套能够在伸出套筒内滑动并且在轴向方向相对于固定套筒602静止。

丝母309与丝杠310之间形成螺旋副，伸出套筒306的第一端与丝母固定连接，第二连杆304的下端通过第三转动副与伸出套筒的第二端相连，第二连杆304的上端通过第二转动副与第一连杆相连，第一连杆302的上端通过第一转动副301与动平台2相连，第一驱动机构借助于驱动机构安装板进行安装。

优选地，加工头装置7安装有打磨头，打磨头包括磨头101、皮带102、安装架103和第二驱动机构104，其中第二驱动机构104和磨头101通过皮带102连接在一起。皮带102可以缓和冲击和振动，而且载荷过大时皮带102在轮上打滑进而防止其他零件损坏，起到安全保护作用。

优选地，三个固定套筒602均匀分布设置，上安装板601和下安装板604通过三个均匀分布的的固定套筒602连接，每一个固定套筒602连接一个分支机构的伸出套筒306，伸出套筒306能够在固定套筒602内部滑动。

优选地，连接机构为同步带311，丝杠310的第一端通过同步带311和第一驱动机构314相连。

优选地，安装框架6还包括同步带预紧板603，同步带预紧板603与驱动机构安装板313之间通过调节螺栓来调节同步带的预紧力。

优选地，驱动机构安装板313上设置有长孔，长孔能够配合调节螺栓来实现对预紧力的调节。

第一驱动机构314和丝杆310通过同步带311连接，使第一驱动机构314和丝杠310均位于下安装板604的上方，这种安装方式使结构更加紧凑，占用的安装空间变小，第一驱动机构314和丝杠310也可通过联轴器直接连接。

在本发明中，驱动机构为电机驱动、液压驱动或其他驱动方式。

具体实施例

本发明的实施例提供一种三自由度平行驱动并联加工装置，其包括打磨头1、动平台2、第一分支机构3、第二分支机构4、第三分支机构5、安装框架6，安装框架6和动平台2之间通过对称的第一分支机构3、第二分支机构4和第三分支机构5连接在一起。

安装框架包括上安装板601、固定套筒602、同步带预紧板603以及下安装板604，其中上安装板601和下安装板604通过三个均布的固定套筒602固连在一起使其负载能力强，动态性能各向同性好。

第二分支机构4、第三分支机构5与第一分支机构3的结构完全相同，在本实施例中，以第一分支机构为例，第一分支机构3包括第一转动副301、第一连杆302、第二转动副303、第二连杆304、第三转动副305、伸出套筒306、滑动铜套307、轴承308、丝母309、丝杠310、同步带311、编码器312、驱动机构安装板313以及第一驱动机构314。

第一驱动机构314和丝杆310通过同步带311连接，使第一驱动机构314和同步带311均位于上安装板601的一侧，第一驱动机构314和丝杠310位于同一侧使整体结构变得十分紧凑，最大限度的提高装置的工作空间。

丝杆310第一端与同步带311相连，丝杠第一端的伸出轴同时连有编码器312，编码器的配置用于反馈丝杆的位移参数，可以清楚地知道丝杆转动的圈数，进而确定伸出套筒306伸出的长度。

丝杆310第二端与轴承308内圈固连，轴承308外圈与滑动铜套307内圈固连，滑动铜套307可以在伸出套筒306内滑动，由于采用伸出套筒在固定套筒内滑动，丝杠的安装方式采用一端固定另一端游动的固定方式，大大提高了机构刚度和加工精度。

丝母309与丝杠310间形成螺旋副，伸出套筒306的第一端和丝母309固连，伸出套筒306的第二端通过第三转动副305与第二连杆304连接，第一连杆302的第一端通过第一转动副301和动平台2相连接，第一连杆302的第二端通过第二转动副310和第二连杆302连接。

其中打磨用的加工装置包括磨头101、皮带102、安装架103和第二驱动机构104，其中第二驱动机构104和磨头101通过皮带102连接在一起。皮带可以缓和冲击和振动，而且载荷过大时皮带在轮上打滑进而防止其他零件损坏，起到安全保护作用。

本发明工作原理如下：

动平台借助于三个分支机构伸出套筒的伸缩运动实现其在空间三个自由度的运动,绕X轴转动,绕Y轴转动和沿Z方向移动。

每一个分支机构的伸出套筒设置在一个固定套筒602内并且能够在固定套筒602内部滑动，滑动铜套能够在伸出套筒内滑动并且在轴向方向相对于固定套筒602静止。

电机通过同步带可以带动丝杆转动，丝母将丝杠的旋转运动转化为直线运动进而和伸出套筒实现沿轴向方向的直线运动，伸出套筒在固定套筒内滑动，大大提高了机构刚度和加工精度。

加工头装置固接在动平台上，通过第一分支机构、第二分支机构、第三分支机构的协同运动，即通过电机的转动来实现加工头的位姿改变，即绕X轴转动,绕Y轴转动和沿Z方向移动三自由度运动，由于三个分支机构采用均匀分布的方式进行布置，使其负载能力强，动态性能各向同性好。

最后应说明的是：以上所述各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种三自由度平行驱动并联加工装置，其特征在于：其包括安装框架、三个均匀分布的结构完全相同的分支机构、动平台以及加工头装置，所述安装框架与所述动平台之间借助于三个分支机构连接；

所述安装框架包括上安装板、三个固定套筒以及下安装板，所述三个固定套筒相互之间均匀分布设置，所述上安装板与所述下安装板之间借助于三个固定套筒进行固定连接，

每一个分支机构均包括第一转动副、第一连杆、第二转动副、第二连杆、第三转动副、伸出套筒、滑动铜套、轴承、丝母、丝杠、连接机构、编码器、第一驱动机构以及驱动机构安装板，所述第三转动副的轴线和第二转动副的轴线平行，第二转动副的轴线与第一转动副的轴线相交于一点；所述连接机构为同步带，所述丝杠的第一端通过同步带和第一驱动机构相连，所述丝杠的第一端的端部连接所述编码器，所述编码器的设置用于反馈丝杠的位移量，所述丝杠的第二端与轴承的内圈固定连接，所述轴承的外圈与滑动铜套的内壁固定连接，所述滑动铜套设置在所述伸出套筒内部，每一个分支机构的伸出套筒设置在一个固定套筒内并且能够在所述固定套筒内部滑动，所述滑动铜套能够在伸出套筒内滑动并且在轴向方向相对于固定套筒静止；所述丝母与所述丝杠之间形成螺旋副，所述伸出套筒的第一端与所述丝母固定连接，所述第二连杆的下端通过第三转动副与伸出套筒的第二端相连，所述第二连杆的上端通过第二转动副与第一连杆相连，第一连杆的上端通过第一转动副与动平台相连，所述第一驱动机构借助于驱动机构安装板安装在所述下安装板上；

第一驱动机构通过同步带带动丝杠转动，丝母将丝杠的旋转运动转化为直线运动进而使伸出套筒在固定套筒内滑动，从而实现伸出套筒沿Z方向的直线运动；

动平台借助于三个分支机构的伸出套筒的伸缩运动实现其在空间三个自由度的运动,所述空间三个自由度的运动分别为绕X轴转动,绕Y轴转动和沿Z方向移动。

2.根据权利要求1所述的三自由度平行驱动并联加工装置，其特征在于：所述加工头装置安装有打磨头，所述打磨头包括磨头、皮带、安装架以及第二驱动机构，所述第二驱动机构和磨头借助于所述皮带连接在一起。

3.根据权利要求2所述的三自由度平行驱动并联加工装置，其特征在于：所述安装框架还包括同步带预紧板，所述同步带预紧板与驱动机构安装板之间通过调节螺栓来调节同步带的预紧力。

4.根据权利要求1所述的三自由度平行驱动并联加工装置，其特征在于：所述驱动机构安装板上设置有长孔，所述长孔能够配合调节螺栓来实现对预紧力的调节。

5.根据权利要求2所述的三自由度平行驱动并联加工装置，其特征在于：所述第一驱动机构和第二驱动机构为电机或液压缸。

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