CN1470359A - 基于并联机构的混合机构五自由度专用刃磨机工作头 - Google Patents

Abstract

基于并联机构的混合机构五自由度专用刃磨机工作头，用于刀具的刃磨。包括有运动平台、固定平台及连接两者的三条运动链。每条运动链都是由一个滑动副、一个转副、一根连杆和一个球副组成；三条运动链的中心分别位于一个等边三角形的三个顶点；滑动副由滑块和两根平行导杆组成；导杆的两端分别与固定平台和回转平台上的回转盘固定连接；连杆的一端通过转副与滑块连接，另一端经球副与运动平台连接，运动平台中心安装着夹持被刃磨刀具的夹头，夹头可以相对运动平台回转。固定平台上的螺旋测微头通过驱动杆驱动滑块，滑块在导杆上滑动时通过转副推动连杆并通过连杆推动运动平台。本发明实现了刃磨群钻、球头刀具的空间运动，控制方便，经济适用。

Description

基于并联机构的混合机构五自由度专用刃磨机工作头

技术领域

本发明涉及一种以并联机构为基础的混合机构五自由度专用刃磨机工作头。用于模拟人手的灵活动作，实现复杂刀具的刃磨运动。

背景技术

孔加工是机械加工中的一种重要工艺方法，几乎应用于任何零件的加工工序。目前用于孔加工的刀具主要是麻花钻，它是一种经济实用且适应性很强的工具，占孔加工刀具使用量的约80％以上。

普通麻花钻结构上存在诸多缺点，如工作状态变化剧烈，主刃上切削条件差，定心不好，切削抗力大，排屑不顺利等，影响了加工效率和质量。而且目前随着医疗、航空、航天等先进制造业的发展，难加工材料被大量应用，如复合材料、钛合金、耐热合金等，使用传统的麻花钻加工这些难加工材料，刀具损耗严重，甚至无法加工。

群钻(***钻头)是针对普通麻花钻所存在的问题，进行合理修磨而创制的新钻型。它自1953年诞生以来，就在生产中显示出很强的生命力。通过生产实践，钻型不断演进、扩展、创新，形成了一套新钻型型谱。国内外一些大学和公司也对群钻的切削机理进行研究，开发了许多新钻型，称为修磨钻头。

长期以来钻头的刃磨靠操作者的经验技艺，刃磨的结果因人而异。刃磨的技术只有少数人能够掌握，限制了群钻的普及。群钻的机械化刃磨多年来一直受到重视。美、日、德等国先后开发了刃磨修磨钻头的专用机床。国内1989年湖南大学曹正铨等成功地建立了群钻数学模型并设计制造了七坐标数控群钻刃磨机，随后北京航空航天大学也开发了六坐标数控群钻刃磨机。这些机床在原理上都属于串联式结构，工作台一层层重叠。结构复杂，成本高。

90年代中期出现的虚轴机床引起了整个制造业的关注。这种机床实际是一种空间并联连杆机构，其基本结构是一个运动平台、一个固定平台和连接两个平台的六根连杆。不断改变六根连杆的长度，运动平台便产生六自由度的空间运动，带动刀具在工件上加工出复杂的三维曲面。北京航空航天大学利用虚轴机床的原理，开发了基于六自由度并联机构的钻头刃磨机。将钻头安装在运动平台上，砂轮安装在固定平台上。

俄罗斯ЛAПИК公司生产的KIM-750虚拟轴加工中心是一台集六自由度精密坐标测量和加工为一体的设备。其六杆结构方案见图3，它的六杆结构方案大大减少了外界因素对加工和测量的精度影响。工件可以在一次装卡下完成复杂表面的加工。在本机床中，将驱动***和测量***分开，从而消除了动力装置对测量过程的影响。由六个激光干涉仪组成的***可高精度地确定从基准铰链到托架上的铰链的距离，并算出当前的工具坐标。托架运动时机械结构中产生的变形对激光干涉仪的工作没有影响，因而能使工具达到很高的定位精度(2μm)。

在本发明设计过程中，对使用KIM-750虚拟轴加工中心实现群钻的机械化刃磨进行研究中发现，将钻头安装在运动平台上，砂轮安装在固定平台上，只需要四个自由度就可以实现群钻的刃磨运动，用这样复杂、昂贵的设备刃磨钻头不经济，六自由度并联机构的控制算法也很复杂。另外KIM-750运动平台绕参考坐标系的X轴、Y轴的最大回转范围为45度，绕Z轴回转范围60度。即从可达空间一边的边界到另一边的边界，运动平台的法线(该法线是被刃磨刀具的中心线)转过45度。因为在可达空间的边界附近机构负载能力较差，因此工作空间小于可达空间。这样，有些钻头就不能磨出完整的曲面。

发明内容

本发明的目的在于在于克服以上不足，设计一种便于控制，经济适用的基于并联机构的混合机构五自由度专用刃磨机工作头。

本发明的技术方案是将KIM-750虚拟轴加工中心的一部分功能分离出来，并增加运动平台绕参考坐标系的X轴、Y轴和Z轴的回转范围。研制一台专用的刃磨机工作头，与现有专用机架组合成一台专用刃磨机。

本发明的技术方案参见结构示意图1，它是基于并联机构的混合机构五自由度专用刃磨机工作头，包括有一个运动平台11、一个固定平台2和连接两个平台的相互并联的运动链，运动链的驱动机构及与之相连的位置测量装置。特征在于，该机构为三自由度并联机构，共有三条运动链，每条运动链都是由一个滑动副、一个转副、一根固定长度的连杆和一个球副组成，滑动副由滑块4和与导杆5组成。运动平台和固定平台之间还设置一回转平台，回转平台由回转盘、支撑盘及两者之间的一圈滚珠构成。其连接构成为：6根导杆5的两端分别与固定平台2和回转平台上的回转盘6固定连接，连杆的一端通过转副与滑块连接，连杆的另一端经所连接的球副固定在运动平台11上，并联机构运动的驱动机构是由安装在固定平台2上的螺旋测微头1联动及与滑块4相连接的驱动杆3构成，螺旋测微头1是常规千分尺中的测量部件，其运动精度为0.001mm。并联机构的运动平台11上安装一个可以相对运动平台回转的夹头12，夹头夹住被刃磨的刀具13。其中并联机构运动的驱动机构也可采用伺服电机加滚珠丝杠螺母驱动。

前述的并联机构每条运动链中的滑动副是由滑块4和两根平行导杆5组成，每根导杆上都套装一个螺旋弹簧，销轴15与销孔组成转副，球副为标准球铰链10。

前述的固定平台2上三个螺旋测微头位于一个等边三角形的三个顶点处，该等边三角形的外接圆与固定平台同心。并联机构中的三条运动链中的六根导杆5与固定平台的连接点也位于该等边三角形的外接圆上并以这个等边三角形的三个顶点为对称中心。

本发明用三自由度并联机构代替六自由度并联机构后，当三个滑块沿同一方向移动相等的距离，运动平台相对于固定平台平动。当三个滑块移动的距离不等时，运动平台相对于固定平台绕两个坐标轴转动。

本发明与一般的三自由度并联机构不同的是：1.让固定平台本身可以回转；2.在运动平台的中心安装一个夹头，夹头可以相对运动平台转动。这样就增加了两个回转自由度。刃磨群钻时需要四个自由度：并联机构运动平台的三个自由度加上固定平台的回转自由度；刃磨球头刀具时也需要四个自由度：并联机构运动平台的三个自由度加上夹头相对于运动平台的回转自由度。

本发明中的并联机构的固定平台可以在刃磨机机架上回转。这一回转运动自由度与上述并联机构的三个自由度相结合，就可以实现刃磨群钻各曲面的空间运动。群钻的数学模型研究发现，群钻各曲面的形成都可以通过让钻头的中心线绕与它既不相交也不平行的另一根轴线回转来实现。当钻头安装在运动平台中心，运动平台相对于固定平台饶两个坐标轴转动，可以使钻头的中心线(运动平台的法线)与固定平台的中心线既不相交也不平行。若同时让固定平台在刃磨机机架上回转即实现了群钻刃磨的空间运动。运动平台相对于固定平台的运动以及固定平台绕自身轴线回转的运动可以分别控制，比让六自由度并联机构实现同样的运动在控制方面要简单得多。

本发明中并联机构的运动平台中心安装一个夹头，夹头夹持被刃磨的刀具，如群钻(***钻头)、球头铣刀等，并可以带着刀具相对运动平台回转。这样刃磨机工作头凭借五个自由度可以模拟人手的灵活动作，实现刃磨复杂刀具的空间运动。

附图说明图1：本发明的五自由度刃磨机工作头结构示意图1螺旋测微头  2固定平台  3驱动杆  4滑块  5导杆  6回转盘  7支撑盘  8滚珠  9连杆  10球铰链  11运动平台  12夹头  13被刃磨刀具  14弹簧  15销轴O-XYZ为建立在固定平台中心的参考坐标系c-xyz为建立在运动平台中心的动坐标系；图2：本发明的三自由度并联机构原理图A₁、A₂、A₃分别表示三个导杆5与固定平台的连接点；a₁、a₂、a₃分别表示三个球铰链在运动平台上的位置；图3：KIM-750结构原理17杆***  18激光干涉测量***  19测量***安装接点  20驱动***铰接点；图4：本发明装有五自由度刃磨机工作头的刃磨机样机整体结构示意图本图中上部的五自由度刃磨机工作头详见图1。下部机架部分的标号为：21上平台  22下平台  23立柱24直线运动单元25砂轮表1刃磨圆弧刃时，钻头加工运动的转角与钻头直径对应关系；表2修磨横刃时，钻头加工运动的转角与钻头直径对应关系。

具体实施方式

本发明的实施方案参见附图1、4；五自由度刃磨机工作头中的回转机构可借鉴坦克炮塔在车身上的回转方式，并联机构相当于炮塔，刃磨机支架相当于车身。五自由度刃磨机的工作头结构图参见1，这是一个按比例缩小的实施例，用来对设计方案进行实验验证。参考坐标系O-XYZ建立在固定平台2的中心，X轴通过一个螺旋测微头的中心，Z轴与固定平台垂直。动坐标系c-xyz建立在运动平台11的中心，初始状态时两个坐标系对应的坐标轴相互平行。当滑块4在导杆5上滑动时通过销轴15推动连杆9运动，连杆通过球铰链10推动运动平台11。运动平台具有3个运动自由度：绕参考坐标系X轴转动；绕参考坐标系Y轴转动，沿参考坐标系Z轴平动。

实施例中滑块4的运动由安装在固定平台2上的螺旋测微头1通过驱动杆3驱动。三个螺旋测微头位于等边三角形的三个顶点。螺旋测微头是普通千分尺中的测量部件，其运动精度为0.001mm。每根导杆上都套装一个螺旋弹簧，使滑块复位并消除驱动杆与滑块之间的接触间隙。每个滑块由两根平行的导杆导向。六根导杆的两端分别与固定平台2和回转盘6固定连接，以增加刚性。

当制造用于实际生产的专用刃磨机时，可以做以下结构转换，参见图4，具体实施如下：

1.驱动控制方式。可采用伺服电机、滚珠丝杠螺母驱动。数控***是刃磨机的控制中枢，由于并联机构运动过程中存在运动耦合问题，其运动轨迹控制须采用间接方式，分别控制三个滚珠丝杠螺母副，以实现各滑动体与导轨的相对位置和运动速度不同组合，控制动运动平台在空间的不同姿态。

2.回转盘与支撑盘之间有一圈滚珠，象一个大型的止推轴承。回转盘相当于止推轴承的动环，支撑盘相当于止推轴承的定环，安装在机架的上平台上。回转盘边沿用三个辊子压住，以防止其受力倾覆。辊子由支架支撑，辊子支架安装在机架的上平台上。

3.滑动副，为减少摩擦可采用滚动导轨，市场上已有成熟产品可供选用。

4.球铰链，本实施例中采用超弹性材料加工出的柔性铰链，刃磨机中可采用标准球铰链，市场上已有成熟产品可供选用。

5.如图4所示安装，其中上部为五自由度刃磨机工作头；下部为机架，机架包括上平台21、下平台22及连接两平台的四根立柱23。上平台与刃磨机工作头连接；下平台作为工作台，工作台上安装砂轮25，当刃磨尺寸较长的刀具时砂轮也需要相应的位移，工作台上两个相互垂直的直线运动单元24可以带动砂轮在工作台上沿两坐标直线运动。

从对本发明样机进行的计算与测量的数据，可以证明本发明的实用效果如下，其中最大偏转角度的计算：

根据本实施例的结构参数：连杆长度150mm，运动平台直径为80mm，固定平台直径为170mm，当三条运动链中两条不动，一条运动链达到最大行程，机构将会有最大偏转角度。现设2、3运动链不动，运动链1为最大行程，设滑块1初始位置c₀为一临时坐标原点(0，0，0)，则滑块运动到最大位置c₁的坐标为(0，0，25)。

因为运动平台直径为80mm，滑块所在位置直径为170mm，每个连杆长度为150mm，所以每个连杆与导轨之间初始夹角

所以设计的动平台边缘有17.5°的倾角，保证在初始位置(3个滑块的行程均为零)时3个球铰链都处于中间位，以使动平台获得最大倾角。

初始位置，运动平台到固定平台的距离 $l=\sqrt{{150}^2-{\left(\frac{170-80}{2}\right)}^2}=139\mathrm{mm},$ 球铰链a₁坐标为(45，0，139)，当滑块1运动到最大行程，a₁点的新坐标应为以c₁为圆心、150为半径的圆与以 的中点P为圆心、60为半径的圆的交点

对应方程为

解得a₁新坐标为(5 1，0，166)

所以运动平台单边最大偏转角为

最大可达空间转角为单边最大偏转角的两倍，即53.48度。比KIM-750虚拟轴加工中心的对应参数增加了8.48度。运动平台可以绕Z轴旋转360度，比KIM-750对应参数增加了300度。这些参数均与实验模型实测角度一致。

对于群钻的外刃后刀面，其半锋角约为62.5度，采用锥面刃磨法，需将砂轮倾斜以实现刃磨；而采用螺旋面刃磨法，只需把砂轮加工面的斜度修整为半锋角的值，通过轴向进给即可完成刃磨。

加工分屑槽的运动和加工外刃后刀面的相同，加工时其各参数由砂轮圆角决定，因此将砂轮倾斜至半锋角，单纯通过轴向进给也可实现。

在刃磨圆弧刃(月牙槽)时，钻头绕三个坐标轴转动，其转角与钻头直径对应关系如表1，

由表1可见，在整个群钻直径范围内(4＜d＜60)，圆弧刃的刃磨加工运动绕X轴的转角为12-18度；Y轴为18.77-22.74度；Z轴为-1.39-17.27度，而本发明机构运动平台绕X、Y轴最大转角为53.48度，绕Z轴最大转角360度，因此符合群钻圆弧刃刃磨运动的要求。

修磨横刃时，钻头绕两个坐标轴转动，形成内刃前刀面。其转角与钻头直径对应关系如表2，

由表2可见，在整个群钻直径范围内(4＜d＜60)，横刃的加工运动绕X轴的转角为10.94-13.10度；Z轴为-5.84-15.56度，故本发明机构运动符合群钻圆弧刃刃磨运动的要求。

通过以上分析和实测验证，证明此专用刃磨机工作头符合群钻加工运动的要求。表1刃磨圆弧刃时，钻头加工运动的转角与钻头直径对应关系

钻头直径(mm)	加工运动绕各坐标轴转角(度)
				X轴	Y轴	Z轴
	4	18.00	18.77				-17.27
15				18.00	18.77	-17.27
	30	15.00	20.50				-9.69
60				12.00	22.74	-1.39

表2修磨横刃时，钻头加工运动的转角与钻头直径对应关系

钻头直径(mm)	加工运动绕各坐标轴转角(度)
			X轴	Z轴
	4	13.10			-5.84
15			13.10	-5.84
	30	12.51			-10.49
60			10.94	-15.56

Claims (6)

1.基于并联机构的混合机构五自由度专用刃磨机工作头，它包括有一个运动平台(11)、一个固定平台(2)和连接两个平台的三条运动链，驱动并联机构运动的驱动机构，及与驱动机构相关联的、使工具准确定位的精度测量***，本发明的特征在于，以三自由度并联机构为基础，并联机构的固定平台也可以回转；并联机构的运动平台(11)上安装一个可以相对运动平台回转的夹头(12)，夹头夹住被刃磨的刀具(13)。

2、根据权利要求1所述的基于并联机构的混合机构五自由度专用刃磨机工作头，其特征在于，并联机构共有三条运动链，每条运动链都是由一个滑动副、一个转副、一根固定长度的连杆(9)和一个球副(10)组成，滑动副由滑块(4)和与其配合的两根导杆(5)组成，转副由销轴(15)与销孔组成。运动平台和固定平台之间还设置一回转平台，其连接构成为：6根导杆(5)的两端分别与固定平台(2)和回转平台上的回转盘(6)固定连接，连杆的一端通过转副与滑块连接，连杆的另一端通过球副与运动平台(11)连接，并联机构运动的驱动机构是由安装在固定平台(2)上的螺旋测微头(1)联动与滑块(4)相固定的驱动杆(3)构成，螺旋测微头(1)是常规千分尺的测量部件，其运动精度为0.001mm。

3、根据权利要求1所述的基于并联机构的混合机构五自由度专用刃磨机工作头，其特征在于，所述的并联机构每条运动链中的滑动副是由滑块4和两根平行导杆组成5组成，每根导杆上都套装一个螺旋弹簧，销轴(15)与销孔组成转副、球副为标准球铰链(10)。

4、根据权利要求1所述的基于并联机构的混合机构五自由度专用刃磨机工作头，其特征在于，固定平台(2)上三个螺旋测微头位于一个等边三角形的三个顶点处，该等边三角形的外接圆与固定平台同心；并联机构的三条运动链中的六根导杆(5)与固定平台的连接点也位于该等边三角形的外接圆上并以这个等边三角形的三个顶点为对称中心。

5、根据权利要求1所述的基于并联机构的混合机构五自由度专用刃磨机工作头，其特征在于，所述的并联机构运动的驱动机构也可采用伺服电机或滚珠丝杠螺母驱动。

6、根据权利要求1所述的基于并联机构的混合机构五自由度专用刃磨机工作头，其特征在于，所述的回转平台由回转盘、支撑盘及两者之间的一圈滚珠构成。

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