CN206343904U - 一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，包括龙门架、直线模组、第一支链组、第二支链组、第三支链组、动平台、工作台；龙门架包括第一侧柱、第二侧柱和顶座，直线模组包括导轨和滑块；龙门架和工作台下端用地脚螺栓固定，直线模组安装在顶座上，支链组一、支链组二、支链组三是由三组结构相同的伸缩杆构成，第一支链组、第三支链组的一端均安装在顶座上，另一端均与动平台相连，第二支链组的一端安装在直线模组上，另一端与动平台相连，组成空间并联闭环结构；在三个支链组的伸缩和直线模组冗余驱动的作用下，形成一种结构紧凑、运动灵活、可规避奇异位形、具备大工作空间的龙门并联机床，特别适合大型工件的加工作业。

Description

一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床

技术领域

本实用新型属于数控制造装备领域，特别是一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床。

背景技术

在宏大制造领域，传统的单柱式镗铣床、大型龙门铣床等一类机床由于动态性能差、精度低、机身庞大以及造价高等问题，已难以满足现今大型工件的加工要求；并联机床作为一种新概念机床，与传统数控机床相比有其独特的优势。

中国专利CN105818137A公开了一种具有三维平动的并联机构，包括动平台、定平台与三组支链，该机构使用三个伺服电机同步驱动一组可伸缩支链，但该机构工作空间小，不适合大范围作业的情形；中国专利CN103240729A公开了一种空间三平动并联机械手，包括固定机架、动平台以及对称布置在固定机架与动平台之间的三条支链组，每组支链分为近架杆和远架杆，形成空间轴对称多连杆结构，局限性在于刚度较差，工作空间较小；德国Reichenbacher公司推出的Pegasus型木材加工中心，采用三组固定杆长且两端装有万向铰链的杆系，借助铰链将杆系分别与三块移动滑板和动平台相连，作业限于狭长的工作空间且刚度低、加工精度无法满足对金属大工件加工的要求；德国斯图加特大学的S.Johannesson于2003年提出、并与澳大利亚的昆士兰大学、挪威的阿格德学院和瑞典的ABB公司联合研究一种名为Gantry-Tau的三自由度大工作空间并联机构，该机构采用定杆长加三滑座的布局，第一个滑座有一组平行杆，第二个个滑座安装三根杆组成两个平行四边形，第三个滑座上装一根杆件，三条水平导轨固定在机架上，通过数控***控制三滑座的运动使动平台从左侧空间转换到右侧空间，从而比其他并联机构有着较大的工作空间。但该机构存在两个问题：一，想要得到更大的工作空间就必须增加导轨的长度，而且该机构的横向工作范围较小，二，动平台在左右空间倒换的控制算法异常复杂，且可通过的路径有限。清华大学与齐二机床、江东机床等公司合作研发的XNZ2430重型龙门式五轴混联机床，主要是将传统龙门机床的横向和竖向的直线模组替换为并联结构，该机床是局部并联机构与传统机床结构的结合，但这种结构并不能增大机床的工作空间，因此为了增大机床的工作空间，就必须要增加机床工作台的尺寸，这就使得机床的整体尺寸大大增加。

发明内容

本实用新型所解决的技术问题在于提供一种运动灵活、结构紧凑、可规避奇异位形、具备大工作空间的并联机床，特别适合大型工件的加工作业。

一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，包括龙门架、直线模组、第一支链组、第二支链组、第三支链组、动平台、工作台；所述龙门架包括第一侧柱、第二侧柱和顶座；所述第一侧柱、第二侧柱安装在工作台的两端，顶座安装在第一侧柱与第二侧柱的顶端；所述直线模组包括导轨和滑块，直线模组安装在顶座上，滑块沿导轨滑动；

所述第一支链组、第三支链组的一端均安装在顶座上，另一端均与动平台相连；所述第二支链组的一端安装在直线模组上，另一端与动平台相连，组成空间并联闭环结构。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点：

(1)采用封闭式龙门架的设计有利于提高并联机床的刚度和精度。

(2)少自由度并联机构结构简单紧凑，便于装配且整机重量轻，易于控制。

(3)根据并联机床的位姿描述及空间坐标变换理论，由于本机床在空间上只有三个平动的自由度，无转动自由度，故其姿态矩阵为单位矩阵，运动学正解和反解都比较容易，因此该机床数控***的控制算法相对简单。

(4)采用附加冗余的直线模组，提高了动平台的运动范围，而龙门架和工作台采用固定方式，进而减小了机床占用空间；

(5)采取附加冗余直线滑动的设计有利于规避奇异位形，提高并联机床的运动性能与刚度，并且有利于增大并联机床的工作空间，实现工作空间的成倍放大，能够满足对大工件加工的要求。

附图说明

图1为本实用新型机床立体结构示意图。

图2为本实用新型的机床总体结构的***结构示意图。

图3为本实用新型机床机构简图。

图4为本实用新型动平台立体结构示意图。

图5为本实用新型虎克铰附加转动副式球铰结构示意图。

图6为本实用新型虎克铰附加转动副式球铰机构简图。

1.龙门架，2.直线模组，3.第一支链组，4.第二支链组，5.第三支链组，6.动平台

1-1.第一侧柱，1-2.顶座，1-3.第二侧柱，1-4.工作台，2-1.导轨，2-2.滑块

6-1.第一铰链孔，6-2.第二铰链孔，6-3.第三铰链孔，6-4.第四铰链孔，6-5.第五铰链孔，6-6.第六铰链孔

具体实施方式

下面结合图1至图6对本实用新型做进一步说明：

结合图1，本实用新型中的一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，包括龙门架1、直线模组2、第一支链组3、第二支链组4、第三支链组5、动平台6、工作台1-4；

结合图2，所述龙门架1包括第一侧柱1-1、第二侧柱1-3和顶座1-2；所述第一侧柱、第二侧柱安装在工作台的两端，顶座安装在第一侧柱与第二侧柱的顶端；

作为优选的实施方案，所述第一侧柱1-1与第二侧柱1-3结构相同，所述第一侧柱1-1为立方体框架结构，中间设有槽孔，以减轻整体重量，底端设有固定的安装座；所述顶座1-2为C形圆弧框架结构，与第一侧柱1-1、第二侧柱1-3和顶座1-2整体构成拱形结构；

所述工作台与第一侧柱1-1与第二侧柱1-3下端均固连；

所述直线模组2为单自由度的移动副，包括导轨2-1和滑块2-2；所述直线模组2安装在顶座1-2内圆弧顶端中部；滑块2-2由伺服电机驱动沿着导轨2-1平行于工作台1-4水平滑动；所述滑块2-2上设有两个连接第一支链组3的铰链孔；直线模组2使用伺服电机驱动，从而提供冗余直线滑动，该冗余直线滑动起规避奇异位形，增大机床工作空间的作用；

作为优选的实施方式，结合图3，图5，图6，所述第一支链组3、第二支链组4、第三支链组5结构相同，每组支链组均由两个结构相同的伸缩杆组成；伸缩杆的两端均为球铰；伸缩杆的内部采用的滚珠丝杠传动，每组支链的两个伸缩杆在机床中始终保持平行且等长，每组支链采用一个伺服电机同步驱动两根伸缩杆；

作为对上述实施方式的进一步改进，所述球铰是一种经过改进的虎克铰，通过在传统虎克铰的底座上增加一个转动副来代替普通球铰，转动范围可达-70°—70°。

在一些实施方式中，每组支链采用两个伺服电机同步驱动两根伸缩杆。

所述第一支链组3的两个伸缩杆的一端均通过铰连接与顶座1-2相连，另一端均通过铰连接与动平台6相连；所述第二支链组4的两个伸缩杆的一端均通过铰连接与直线模组2的滑块2-2相连，另一端均通过铰连接与动平台6相连；所述第三支链组5的两个伸缩杆的一端均通过铰连接与顶座1-2相连，另一端均通过铰连接与动平台6相连，从而组成空间并联闭环结构；所述第一支链组3与第三支链组5对称的安装在顶座1-2内圆弧底部两端；

作为优选的实施方式，结合图4，所述动平台6为五面体腔体结构，动平台6与第一支链组3和第三支链组5相连接端均为四边形结构；动平台6与第一支链组3相连上设有用于连接第一支链组3两根伸缩杆的第一铰链孔6-1和第二铰链孔6-2，两孔的孔心连线与顶座1-2上连接第一支链组3的两铰链孔的孔心连线平行且孔距相等；

动平台6与第三支链组5相连端上设有用于连接第三支链组5两根伸缩杆的第五铰链孔6-5和第六铰链孔6-6，两孔的孔心连线与顶座1-2上连接第三支链组5的两铰链孔的孔心连线平行且孔距相等；

动平台6与第一支链组和第三支链组5相连的两个端面相交，且在两个端面上分别设有一个与第二支链组4相连的凸台面，两个凸台面在同一平面，且分别设有第三铰链孔6-3和第四铰链孔6-4，两孔的孔心连线与滑块2-2上的两个铰链孔的孔心连线平行且孔距相等；与凸台面平行相对的另一端为长方形平面结构，且中间设有用于安装电主轴的安装孔；动平台6另外两个端面为等腰梯形结构，均分别与凸台面和长方形结构相交；

所述第一侧柱1-1、第二侧柱1-3、工作台1-4均设有地脚螺栓安装孔，安装机床时，通过地脚螺栓固定机床，以增加机床的整体稳定性；且龙门架1与工作台1-4不会像传统机床那样有大范围的相对运动，节约了机床的占地空间，也减轻了机床的整体重量。

作为优选的实施方式，顶座1-2内圆弧底部连接第一支链组3与第三支链组5的两端均为平面，两平面与导轨所在平面的夹角均为120°；动平台6与第一支链组3和第三支链组5相连接的两个端面相交且夹角为60°；上述角度在满足三个支链组自由转动的前提下，均可做适当的调整；

由于本实用新型中并联机床动平台6无姿态变化，机床在空间上只有三个平动的自由度，无转动自由度，故其姿态矩阵为单位矩阵，运动学正解和反解都比较容易，因此该机床数控***的控制算法相对简单。

Claims (9)

1.一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，其特征在于包括龙门架(1)、直线模组(2)、第一支链组(3)、第二支链组(4)、第三支链组(5)、动平台(6)工作台(1-4)；所述龙门架(1)包括第一侧柱(1-1)、第二侧柱(1-3)和顶座(1-2)；所述第一侧柱(1-1)、第二侧柱(1-3)安装在工作台(1-4)的两端，顶座(1-2)安装在第一侧柱(1-1)与第二侧柱(1-3)的顶端；所述直线模组(2)包括导轨(2-1)和滑块(2-2)，直线模组(2)安装在顶座(1-2)上，滑块(2-2)沿导轨(2-1)滑动；

所述第一支链组(3)、第三支链组(5)的一端均安装在顶座(1-2)上，另一端均与动平台(6)相连；所述第二支链组(4)的一端安装在直线模组(2)上，另一端与动平台(6)相连，组成空间并联闭环结构。

2.如权利要求1所述的一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，其特征在于所述第一侧柱(1-1)与第二侧柱(1-3)结构相同，所述第一侧柱(1-1)为立方体框架结构；所述顶座(1-2)为C形圆弧框架结构，第一侧柱(1-1)、第二侧柱(1-3)和顶座(1-2)整体构成拱形结构。

3.如权利要求1所述的一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，其特征在于所述直线模组(2)为单自由度的移动副，滑块(2-2)由伺服电机驱动沿着导轨(2-1)平行于工作台(1-4)水平滑动。

4.如权利要求1所述的一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，其特征在于所述第一支链组(3)、第二支链组(4)、第三支链组(5)结构相同，每组支链组均由两个结构相同的伸缩杆组成；伸缩杆的两端均与球铰连接，伸缩杆的内部采用滚珠丝杠传动，每组支链的两个伸缩杆在机床中始终保持平行且等长，每组支链采用一个伺服电机同步驱动两根伸缩杆。

5.如权利要求4所述的一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，其特征在于，所述球铰是一种经过改进的虎克铰，通过在传统虎克铰的底座上增加一个转动副来代替普通球铰，转动范围可达-70°—70°。

6.如权利要求1或4所述的一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，其特征在于每组支链采用两个伺服电机同步驱动两根伸缩杆。

7.如权利要求1所述的一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，其特征在于所述动平台(6)为五面体腔体结构，动平台(6)上，与第一支链组(3)和第三支链组(5)相连接的两个端面相交，且在两个端面上分别设有一个与第二支链组(4)相连的凸台面，两个凸台面在同平面上；与凸台面平行的另一端端面设有安装工作装置的安装孔。

8.如权利要求1或7所述的一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，其特征在于所述动平台(6)与第一支链组(3)相连端上设有用于连接第一支链组3两根伸缩杆的第一铰链孔(6-1)和第二铰链孔(6-2)，两孔的孔心连线与顶座(1-2)上的铰链孔的孔心连线平行且孔距相等；动平台(6)与第三支链组(5)相连端上设有用于连接第三支链组(5)两根伸缩杆的第五铰链孔(6-5)和第六铰链孔(6-6)，两孔的孔心连线与顶座(1-2)上连接第三支链组(5)的两铰链孔的孔心连线平行且孔距相等；与第二支链组(4)两根伸缩杆相连的两个凸台面分别设有第三铰链孔(6-3)和第四铰链孔(6-4)，两孔的孔心连线与滑块(2-2)上的两个铰链孔的两孔孔心连线平行且孔距相等。

9.如权利要求1所述的一种附加冗余直线滑动的三平动龙门并联机床，其特征在于所述顶座(1-2)内圆弧底部连接第一支链组(3)与第三支链组(5)的两端均为平面，两平面与导轨所在平面的夹角均为120°；动平台(6)与第一支链组(3)和第三支链组(5)相连接的两个端面相交且夹角为60°。