CN211219637U - 含过约束少自由度并联模块的混联机床 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种含过约束少自由度并联模块的混联机床，包括机架，机架上部安装有末端执行器的并联模块、下部安装有承载加工件的串联模块，并联模块与串联模块之间设置有用于安装加工刀具的动平台，末端执行器安装在动平台上，并联模块形成末端执行器绕X轴、Y轴转动和沿Z轴移动的三自由度运动，串联模块形成工作台沿X轴、Y轴移动的二自由度运动，并联模块与串联模块通过机架进行集成，使动平台实现相对于串联模块的工件台上的加工件的五自由度运动能力，本设计不仅采用了可以实现大摆角和高刚性的过约束少自由度并联机构模块，还集成了大行程串联机构模块，兼有串、并联机构的优点，不需要串接转动关节模块，也能形成大摆角加工能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种含过约束少自由度并联模块的混联机床。
背景技术
具有五轴及以上加工能力的机床可以实现复杂形面的高精、高效加工，是精密仪器、仪表、航空、航天等先进制造领域不可或缺的高端装备，成为国内外数控机床研发及应用领域的前沿和热点。从机床拓扑结构的角度看，传统串联、开链形式的机床结构具有模块化容易、工作空间大、正向运动学简单等优点以及运动惯性大、逆向运动学困难等缺点，而并联、闭环形式的机床结构，具有高刚度、低惯量、逆向运动学简单等优点以及工作空间受限、正向运动学困难等缺点。因此，结合串联机构模块和并联机构模块的混联机床，成为克服串、并联机构各自缺点并发扬串、并联机构各自优点的有效途径，为实现高性能五轴加工机床提供了可行方案。
发明内容
本发明提出一种含过约束少自由度并联模块的混联机床。
本发明解决技术问题所采用的方案是，一种含过约束少自由度并联模块的混联机床，包括机架，所述机架上部安装有末端执行器的并联模块、下部安装有承载加工件的串联模块，所述并联模块上设置有用于安装加工刀具的动平台，末端执行器安装在动平台上；
所述并联模块包括竖直设置的第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支等三条运动分支，所述第一运动分支、第二运动分支左右对称设置，第三运动分支位于第一运动分支、第二运动分支之间的中部后侧；
第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支均由滑动模组、斜面滑鞍组件、第一被动关节、连杆和第二被动关节依次串接而成，各个模块的第二被动关节与动平台相连接，第一被动关节为转动副，通过转轴分别连接斜面滑鞍组件和连杆；
第一运动分支、第二运动分支的第二被动关节均为由两个转动副交叉构成的虎克铰，一端通过锁定的、不能绕自身轴线转动的长轴A连接连杆，另一端依次通过能绕自身轴线转动的短轴A、横轴A连接动平台；
第三运动分支的第二被动关节为由三个转动副垂直交叉构成的球铰，一端通过不锁定的、能绕自身轴线转动的长轴B连接连杆，另一端依次通过能绕自身轴线转动的短轴B、横轴B连接动平台；
所述滑动模组包括有连接板A、安装在连接板A上的导轨A、丝杆A、伺服电机A，丝杆A两端经轴承座安装在连接板A上，导轨A位于丝杆A内侧，伺服电机A的输出轴经联轴器与丝杆A远离动平台那端连接传动，导轨A与丝杆A相平行，所述斜面滑鞍组件套装在丝杆A上并与其螺纹配合，斜面滑鞍组件与导轨A滑动配合；
所述串联模块由第一滑动模组、平直滑鞍组件、第二滑动模组和工件台依次串接，第一滑动模组、第二滑动模组分别布置于X、Y轴方向，第一滑动模组和第二滑动模组结构相同，均包括连接板B、安装在连接板B上的导轨B、丝杆B、伺服电机B，丝杆B两端经轴承座安装在连接板B上，导轨B位于丝杆B下侧，导轨B与丝杆B相平行，平直滑鞍组件与第一滑动模组上的丝杆A螺纹配合与第一滑动模组上的导轨B滑动配合，工作台与第二滑动模组上的丝杆A螺纹配合与第二滑动模组上的导轨B滑动配合。
进一步的，各个伺服电机分别经电机座安装在对应的连接板上。
进一步的，所述斜面滑鞍组件包括斜面滑鞍、安装在斜面滑鞍上的滑块A、丝杆螺母A，丝杆螺母A与对应的丝杆螺纹配合，滑块A与对应的导轨滑动配合，平直滑鞍组件包括平直滑鞍、安装在平直滑鞍上的滑块B、丝杆螺母B，丝杆螺母B与对应的丝杆螺纹配合，滑块B与对应的导轨滑动配合, 工件台上安装有滑块C、丝杆螺母C，丝杆螺母C与对应的丝杆螺纹配合，滑块C与对应的导轨滑动配合。
进一步的，所述第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支上的第一被动关节的几何中心在水平面的投影形成等腰直角三角形A，且第三运动分支上的第一被动关节的几何中心位于该等腰直角三角形A的直角处，动平台上连接的三个第二被动关节的几何中心形成等腰直角三角形B，且第三运动分支上的第二被动关节的几何中心位于该等腰直角三角形B的直角处。
进一步的，所述第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支上的连接动平台的第二被动关节的横轴的轴线相互平行，动平台上连接的三个第二被动关节的长轴的轴线垂直于交叉短轴。
进一步的，所述动平台上连接的三个第二被动关节的长轴的轴线垂直于短轴和第一被动关节的轴线，且各个分支中短轴和横轴的轴线相互垂直。
进一步的，所述第一运动分支和第二运动分支上的第一被动关节的轴线和该分支上第二被动关节中短轴的轴线相互平行，并同时垂直于第三运动分支上的第一被动关节的轴线。
进一步的，所述第三运动分支在动平台上形成一个过该运动分支上第二被动关节几何中心并平行于第一被动关节轴线方向的约束力；所述第一运动分支和第二运动分支分别在动平台上形成一个约束力和一个约束力偶，约束力过各运动分支上第二被动关节几何中心并平行于第一被动关节轴线方向，约束力偶同时垂直于各运动分支上第二被动关节中短轴和横轴轴线方向，第一运动分支和第二运动分支的约束力和约束力偶分别平行，形成两对过约束；所述第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支的约束使动平台形成绕X轴、Y轴转动和沿Z轴方向移动的三自由度运动能力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：结构简单，设计合理，提供了一种低惯量、高精度、高刚度、大工作空间的五轴联动加工方案，不仅采用了可以实现大摆角和高刚性的过约束少自由度并联机构模块，还集成了大行程串联机构模块，兼有串、并联机构的优点，不需要串接转动关节模块，也能形成大摆角加工能力。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1是本混联机床采用立式布局的构造示意图；
图2是本混联机床采用卧式布局的构造示意图；
图3为运动分支的结构示意图；
图4为滑动模组的结构示意图；
图5为斜面滑鞍组件的结构示意图；
图6为并联模块的结构示意图；
图7为串联模块的结构示意图；
图8为平直滑鞍组件的结构示意图。
图中： 1-机架的床身；2-并联模块；3-串联模块；31-第一滑动模组；311-连接板B；312-导轨B；313-丝杆B；314-前轴承座B；315-后轴承座B；316-联轴器B；317-电机座B；318-伺服电机B；32-平直滑鞍组件；321-平直滑鞍；322-滑块B；323-丝杆螺母B；33-第二滑动模组；34-工件台；4-基座；5-连接肋板；6-支撑梁；7-第一运动分支；71-滑动模组；711-连接板A；712-导轨A；713-丝杆A；714-前轴承座A；715-后轴承座A；751-长轴；752-短轴；753-横轴；716-联轴器A；717-电机座A；718-伺服电机A；72-斜面滑鞍组件；721-斜面滑鞍；722-滑块A；723-丝杆螺母A；73-第一被动关节；74-连杆；75-第二被动关节；8-第二运动分支；9-第三运动分支；10-动平台；11-末端执行器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。图中的OXYZ表示坐标系，O表示坐标原点、X、Y和Z分别表示坐标不同方向。
如图1-8所示，一种含过约束少自由度并联模块的混联机床，包括机架，所述机架上部安装有末端执行器的并联模块、下部安装有承载加工件的串联模块，所述并联模块上设置有用于安装加工刀具的动平台，末端执行器安装在动平台上；
所述机架的床身通过安装在床身上的基座，安装在基座上的连接肋板同并联模块相连，机床的床身通过支撑梁固定并定位基座与串联模块之间的相对位置，形成立式或卧式机床布局，卧式布局能使加工排屑更容易，有利于复杂下凹、模具内腔和箱体类工件；
所述并联模块包括竖直设置的第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支等三条运动分支，所述第一运动分支、第二运动分支左右对称设置，第三运动分支支位于第一运动分支、第二运动分支之间的中部后侧，各个运动分支均通过一连接肋板安装在基座上；
第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支均由滑动模组、斜面滑鞍组件、第一被动关节、连杆和第二被动关节依次串接而成，各个模块的第二被动关节与动平台相连接，第一被动关节为转动副，通过转轴分别连接斜面滑鞍组件和连杆；
第一运动分支、第二运动分支的第二被动关节均为由两个转动副交叉构成的虎克铰，一端通过锁定的、不能绕自身轴线转动的长轴A连接连杆，另一端依次通过能绕自身轴线转动的短轴A、横轴A连接动平台；
第三运动分支的第二被动关节为由三个转动副垂直交叉构成的球铰，一端通过不锁定的、能绕自身轴线转动的长轴B连接连杆，另一端依次通过能绕自身轴线转动的短轴B、横轴B连接动平台；
所述滑动模组包括有连接板A、安装在连接板A上的导轨A、丝杆A、伺服电机A，丝杆A两端经轴承座安装在连接板A上，导轨A位于丝杆A内侧，伺服电机A的输出轴经联轴器与丝杆A远离动平台那端连接传动，导轨A与丝杆A相平行，所述斜面滑鞍组件套装在丝杆A上并与其螺纹配合，斜面滑鞍组件与导轨A滑动配合；
所述串联模块由第一滑动模组、平直滑鞍组件、第二滑动模组和工件台依次串接，第一滑动模组、第二滑动模组分别布置于X、Y轴方向，第一滑动模组和第二滑动模组结构相同，均包括连接板B、安装在连接板B上的导轨B、丝杆B、伺服电机B，丝杆B两端经轴承座安装在连接板B上，导轨B位于丝杆B下侧，导轨B与丝杆B相平行，平直滑鞍组件与第一滑动模组上的丝杆A螺纹配合与第一滑动模组上的导轨B滑动配合，工作台与第二滑动模组上的丝杆A螺纹配合与第二滑动模组上的导轨B滑动配合；
所述并联模块为三自由度，串联模块为二自由度，通过机架进行集成，使并动平台上的末端执行器实现相对于工件台上的加工件的五自由度运动能力，即绕X、Y轴方向转动和沿X、Y、Z轴方向移动的五轴加工能力。
在本实施例中，所述串、并联模块中由伺服电机驱动丝杆和丝杆螺母实现的直线运动，还能采用液压或气压驱动方式进行代替。
在本实施例中，所述动平台上的末端执行器可以根据具体使用场合，在电主轴、机械主轴、激光和超声发射器等模块之间进行切换。
在本实施例中，各个伺服电机分别经电机座安装在对应的连接板上。
在本实施例中，所述斜面滑鞍组件包括斜面滑鞍、安装在斜面滑鞍上的滑块A、丝杆螺母A，丝杆螺母A与对应的丝杆螺纹配合，滑块A与对应的导轨滑动配合，平直滑鞍组件包括平直滑鞍、安装在平直滑鞍上的滑块B、丝杆螺母B，丝杆螺母B与对应的丝杆螺纹配合，滑块B与对应的导轨滑动配合, 工件台上安装有滑块C、丝杆螺母C，丝杆螺母C与对应的丝杆螺纹配合，滑块C与对应的导轨滑动配合。
在本实施例中，所述第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支上的第一被动关节的几何中心在XOY平面的投影形成等腰直角三角形A，且第三运动分支上的第一被动关节的几何中心位于该等腰直角三角形A的直角处，动平台上连接的三个第二被动关节的几何中心形成等腰直角三角形B，且第三运动分支上的第二被动关节的几何中心位于该等腰直角三角形B的直角处。
在本实施例中，所述第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支上的连接动平台的第二被动关节的横轴的轴线相互平行，动平台上连接的三个第二被动关节的长轴的轴线垂直于交叉短轴。
在本实施例中，所述动平台上连接的三个第二被动关节的长轴的轴线垂直于短轴和第一被动关节的轴线，且各个分支中短轴和横轴的轴线相互垂直。
在本实施例中，所述第一运动分支和第二运动分支上的第一被动关节的轴线和该分支上第二被动关节中短轴的轴线相互平行，并同时垂直于第三运动分支上的第一被动关节的轴线。
在本实施例中，所述第三运动分支在动平台上形成一个过该运动分支上第二被动关节几何中心并平行于第一被动关节轴线方向的约束力；所述第一运动分支和第二运动分支分别在动平台上形成一个约束力和一个约束力偶，约束力过各运动分支上第二被动关节几何中心并平行于第一被动关节轴线方向，约束力偶同时垂直于各运动分支上第二被动关节中短轴和横轴轴线方向，第一运动分支和第二运动分支的约束力和约束力偶分别平行，形成两对过约束；所述第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支的约束使动平台形成绕X轴、Y轴转动和沿Z轴方向移动的三自由度运动能力。
在本实施例中，第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支与动平台构成闭环运动链，并将三条运动分支沿Z轴的主动直线运动耦合，形成末端执行器绕X轴、Y轴转动和沿Z轴移动的三自由度运动，串联模块形成工作台沿X轴、Y轴移动的二自由度运动，并联模块与串联模块通过机架进行集成，使动平台实现相对于串联模块的工件台上的加工件的五自由度运动能力。
在本实施例中，各个运动分支中只有斜面滑鞍组件、连杆和两个被动关节沿导轨运动，而质量占比较大的滑动模组固定于基座之上，使得该混联机床的运动惯量更低，动态加工性能更好。
在本实施例中，动平台通过被动关节和连杆作用于连接板被固定的滑动模组，使得该混联机床整机刚性更好，且由于连杆长度固定，使得运动平台在工作空间内的刚度性能波动较小，动平台的约束为过约束，且通过定长度的连杆作用于滑动模组，提高了机构可能的加工精度、也减少了有效形变长度，改善了该混联机床在其工作空间内的刚度平稳性。
在本实施例中，动平台的两个转动轴线相交，且位于运动平台上连接的三个第二被动关节的几何中心所在的平面，使得该并联模块的功能可以等效二自由度串联摆角头的功能，不需要串接转动关节模块即可使该混联机床实现大摆角加工能力。
在本实施例中，混联机床集成了过约束少自由度并联模块和大行程串联模块，充分发挥了串、并联模块的高刚度、低惯量、大工作空间等优点，可以实现空间复杂工件的高性能五轴联动加工。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种含过约束少自由度并联模块的混联机床，包括机架，其特征在于：所述机架上部安装有末端执行器的并联模块、下部安装有承载加工件的串联模块，所述并联模块上设置有用于安装加工刀具的动平台，末端执行器安装在动平台上；所述并联模块包括竖直设置的第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支，所述第一运动分支、第二运动分支左右对称设置，第三运动分支位于第一运动分支、第二运动分支之间的中部后侧；
第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支均由滑动模组、斜面滑鞍组件、第一被动关节、连杆和第二被动关节依次串接而成，各个模块的第二被动关节与动平台相连接，第一被动关节为转动副，通过转轴分别连接斜面滑鞍组件和连杆；
第一运动分支、第二运动分支的第二被动关节均为由两个转动副交叉构成的虎克铰，一端通过锁定的、不能绕自身轴线转动的长轴A连接连杆，另一端依次通过能绕自身轴线转动的短轴A、横轴A连接动平台；
第三运动分支的第二被动关节为由三个转动副垂直交叉构成的球铰，一端通过不锁定的、能绕自身轴线转动的长轴B连接连杆，另一端依次通过能绕自身轴线转动的短轴B、横轴B连接动平台；
所述滑动模组包括有连接板A、安装在连接板A上的导轨A、丝杆A、伺服电机A，丝杆A两端经轴承座安装在连接板A上，导轨A位于丝杆A内侧，伺服电机A的输出轴经联轴器与丝杆A远离动平台那端连接传动，导轨A与丝杆A相平行，所述斜面滑鞍组件套装在丝杆A上并与其螺纹配合，斜面滑鞍组件与导轨A滑动配合；
所述串联模块由第一滑动模组、平直滑鞍组件、第二滑动模组和工件台依次串接，第一滑动模组、第二滑动模组分别布置于X、Y轴方向，第一滑动模组和第二滑动模组结构相同，均包括连接板B、安装在连接板B上的导轨B、丝杆B、伺服电机B，丝杆B两端经轴承座安装在连接板B上，导轨B位于丝杆B下侧，导轨B与丝杆B相平行，平直滑鞍组件与第一滑动模组上的丝杆A螺纹配合与第一滑动模组上的导轨B滑动配合，工作台与第二滑动模组上的丝杆A螺纹配合与第二滑动模组上的导轨B滑动配合。
2.根据权利要求1所述的含过约束少自由度并联模块的混联机床，其特征在于：各个伺服电机分别经电机座安装在对应的连接板上。
3.根据权利要求1所述的含过约束少自由度并联模块的混联机床，其特征在于：所述斜面滑鞍组件包括斜面滑鞍、安装在斜面滑鞍上的滑块A、丝杆螺母A，丝杆螺母A与对应的丝杆螺纹配合，滑块A与对应的导轨滑动配合，平直滑鞍组件包括平直滑鞍、安装在平直滑鞍上的滑块B、丝杆螺母B，丝杆螺母B与对应的丝杆螺纹配合，滑块B与对应的导轨滑动配合,工件台上安装有滑块C、丝杆螺母C，丝杆螺母C与对应的丝杆螺纹配合，滑块C与对应的导轨滑动配合。
4.根据权利要求1所述的含过约束少自由度并联模块的混联机床，其特征在于：所述第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支上的第一被动关节的几何中心在水平面的投影形成等腰直角三角形A，且第三运动分支上的第一被动关节的几何中心位于该等腰直角三角形A的直角处，动平台上连接的三个第二被动关节的几何中心形成等腰直角三角形B，且第三运动分支上的第二被动关节的几何中心位于该等腰直角三角形B的直角处。
5.根据权利要求1所述的含过约束少自由度并联模块的混联机床，其特征在于：所述第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支上的连接动平台的第二被动关节的横轴的轴线相互平行，动平台上连接的三个第二被动关节的长轴的轴线垂直于交叉短轴。
6.根据权利要求5所述的含过约束少自由度并联模块的混联机床，其特征在于：所述动平台上连接的三个第二被动关节的长轴的轴线垂直于短轴和第一被动关节的轴线，且各个分支中短轴和横轴的轴线相互垂直。
7.根据权利要求6所述的含过约束少自由度并联模块的混联机床，其特征在于：所述第一运动分支和第二运动分支上的第一被动关节的轴线和该分支上第二被动关节中短轴的轴线相互平行，并同时垂直于第三运动分支上的第一被动关节的轴线。
8.根据权利要求7所述的含过约束少自由度并联模块的混联机床，其特征在于：所述第三运动分支在动平台上形成一个过该运动分支上第二被动关节几何中心并平行于第一被动关节轴线方向的约束力；所述第一运动分支和第二运动分支分别在动平台上形成一个约束力和一个约束力偶，约束力过各运动分支上第二被动关节几何中心并平行于第一被动关节轴线方向，约束力偶同时垂直于各运动分支上第二被动关节中短轴和横轴轴线方向，第一运动分支和第二运动分支的约束力和约束力偶分别平行，形成两对过约束；所述第一运动分支、第二运动分支和第三运动分支的约束使动平台形成绕X轴、Y轴转动和沿Z轴方向移动的三自由度运动能力。
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| CN110774015A (zh) * | 2019-12-02 | 2020-02-11 | 福州大学 | 含过约束少自由度并联模块的混联机床及运动方法 |
| CN110774015B (zh) * | 2019-12-02 | 2024-06-04 | 福州大学 | 含过约束少自由度并联模块的混联机床及运动方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
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| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20200811 Effective date of abandoning: 20240604 |
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| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20200811 Effective date of abandoning: 20240604 |