索驅動並聯雕刻機的製作方法

2023-09-19 14:55:35 4

專利名稱：索驅動並聯雕刻機的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於雕刻機技術領域，具體涉及一種索驅動並聯雕刻機。
背景技術：
雕刻加工是一項飽含著人類高智能和高技能的工匠型勞動，但手工雕刻需要專業 的技術人員，並且生產效率低，導致雕刻產品昂貴。傳統的數控銑床、CNC加工中心雖然可 以取代人工雕刻來提高效率，但其加工銅、鋁等軟質材料時存在著加工表面光潔度低、加工 效率不高等缺點，而高速CNC加工中心雖然可以克服以上的缺點但價格昂貴，一般的廠家 難以接受。隨著計算機數控(CNC)技術及相關技術的發展，電腦雕刻機應運而生，和傳統的 CNC數控設備相比，其有著轉速高、加工軟質材料效率高、表面光潔度高、性價比高等優點， 故當代雕刻製造技術正經歷著從手工雕刻向電腦雕刻的變革[1]。特別是對於美術品的雕刻 加工，其加工關鍵技術包括實現自由軌跡的雕刻以及多坐標聯動控制等，現有的數控設備 難以適於複雜型面的雕刻加工[1]，而柔索驅動並聯機器人系統具有結構簡單、重量輕、慣性 小、響應快、工作空間大、驅動器並聯工作、精度高、機械效率高、柔性大等優點[2_5]。雕刻機種類繁多，按用途可分為廣告雕刻機、雷射雕刻機、木工雕刻機、建築模型 雕刻機、雷射打標機等，按結構可以分為懸臂雕刻機和龍門雕刻機兩種，懸臂雕刻機採用 串聯剛性杆支撐機構，與並聯機構相比，剛性小，結構不穩定，相同自重或體積下，承載能力 弱；而且串聯式末端件上的誤差是各個關節誤差的積累和放大，因而誤差大而精度低；懸 臂雕刻機的驅動電機及傳動系統不固定，增大了系統的運動負荷。龍門結構雖然被廣泛應 用到各種用途的雕刻機上，但其體積龐大，靈活性弱，其驅動部分一般為液壓缸、氣缸或由 電機帶動的齒輪齒條，因而其附加裝置複雜，控制系統實現困難，製造成本高，並不能適應 日益發展的多樣性需求。參考文獻[1] 吳光明.CNC電腦雕刻機及其與數控銑床和加工中心的聯合應用策略 [J]· CAD/CAM 與製造業信息化，2005，(11): 94-97[2] Sims' an N, Glozman D, Shoharn Μ. Design considerations of new six degrees of freedom parallel robots [A]. In: Proceeding of the 1998 IEEE International Conference on Robotics and Automation [C]. Leuven, Belgium, 1998: 1327-1333[3] Albus J S, Bostelman R V, Dagalakis N G. The NIST Robocrane [J], Journal of Robotics System. 1993, 10(5): 709-724[4] Kawamura S, Choe W, Tanaka S, et al. Development of an ultrahigh speed robot FALCON using wire drive system [A]· In: Proceeding of the 1995 IEEE Int. Conference on Robotics and Automation [C], Nagoya, 1995: 215-220[5]Motoji Y, Noritaka Y, Akira M. Trajectory control of incompletely restrained parallel wire-suspended mechanism based on inverse
3dynamics [J]. IEEE transactions on robotics. 2004, 20(5): 840—850。 發明內容本實用新型的目的是提供一種索驅並聯雕刻機，以克服現有雕刻機難以適應複雜 曲面的雕刻加工的問題。本實用新型所採用的技術方案是，一種索驅動並聯雕刻機，包括基座、動平臺、刀 具和柔索驅動臂系統；動平臺包括設置刀具上端的刀具移動端、設置在刀具移動端上端的 支杆和設置在支杆頂端的頂盤；柔索驅動臂系統包括至少三根懸索、設置在基座上的至少 三個定滑輪和控制每根懸索收放的滾筒排索機構；每根懸索繞過一個定滑輪一端連接在刀 具移動端或頂盤上，另一端連接在滾筒排索機構上。其中，柔索驅動臂系統包括設置在刀具移動端上的三根懸索，設置頂盤上的四根 懸索，設置在基座上的七個定滑輪和分別設置在每根懸索端部的七個滾筒排索機構；每根 懸索繞過一個定滑輪，一端連接在刀具移動端或頂盤上，另一端連接在一個滾筒排索機構 上。其特徵在於滾筒排索機構包括滾索套、滾筒軸、軸套和滾筒座；滾筒座包括底座 和與底座呈垂直設置的立座，滾筒軸一端設置在立座上；滾筒軸上設置有滾索套和軸套； 滾索套與滾筒軸通過鍵連接，軸套與滾筒軸通過螺紋連接；滾索套的一端與軸套的一端連 接，滾索套靠近軸套一側端部的外圓周面上設置有卡圈，軸套靠近滾索套一側的端部上設 置有與卡圈對應的卡槽，軸套的該端部上還設置擋板，該擋板將卡圈限制在卡槽裡；底座上 設置有與滾筒軸平行的直線長條凸塊，軸套的外圓周面上設置有與凸塊對應的滑槽，長條 凸塊內嵌在滑槽裡。其中，滾筒排索機構上連接有驅動滾筒軸轉動的驅動裝置。其特徵還在於，滾筒排索機構包括滾索套、滾筒軸、軸套和與滾筒軸呈垂直設置的 端蓋；滾索套固定連接在滾筒軸上，位於滾索套一側的滾筒軸與端蓋連接，位於滾索套另一 側的滾筒軸上設置有軸套；滾筒軸的一端與端蓋通過螺紋連接，滾筒軸的另一端上設置有 長條導行鍵，軸套內圓周面上設置有與長條導行鍵對應的長條導行槽，長條導行鍵內嵌在 長條導行槽內。其中，滾筒排索機構上連接有驅動軸套轉動的驅動裝置。其特徵進一步在於，懸索的一端通過球鉸裝置與刀具移動端連接；球鉸裝置包括 球鉸套和設置在球鉸套內的球鉸球，球鉸球上設置有中心孔；球鉸套通過設置其外部的螺 紋與刀具移動端連接，懸索穿過球鉸球的中心孔，懸索末端設置有防止懸索從中心孔抽出 的索結。本實用新型的有益效果是，在電機的驅動下，藉助於球鉸裝置及多根並聯的懸索 進行力的傳遞，最終實現末端(動平臺)位姿的控制，也就是說通過多根懸索的收放來協調 控制刀具實現任意軌跡的雕刻，與剛性杆支撐的並聯機構相比，具有工作空間大、易於可重 構、響應速度快的特點。本實用新型結構簡單、重量輕、體積小、慣性小、安裝方便、使用便 捷，能保證複雜曲面的加工，且能保證加工精度，能夠實現任意曲面任意軌跡的雕刻，還可 以更改電機、滾筒排索機構的擺放位置和個數，可形成不同的自由度約束形式，從而實現機 構的可重構。
圖1是本實用新型雕刻機的結構示意圖；圖2是本實用新型球鉸裝置的結構示意圖；圖3是本實用新型滾筒排索機構的結構示意圖；圖4是圖3的A向視圖；圖5是本實用新型滾筒排索機構的另一種結構示意圖；圖6是圖5的B視圖；圖7是圖6的C-C視圖；圖8是動平臺沿著圓周運動所對應的索長變化原理圖。圖中，1.基座，2.刀具移動端，3.刀具，4.定滑輪，5.懸索，6.滾筒排索機構，7.驅 動裝置，8.支杆，9.頂盤，10.滾索套，11.滾筒軸，12.軸套，13.滾筒座，14.底座，15.立 座，16.卡圈，17.卡槽，18.擋板，19.凸塊，20.長條導行鍵，21.長條導行槽，22.球鉸套， 23.球鉸球，24.中心孔，25.索結，26.端蓋。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。如圖1所示，本實用新型公開一種索驅動並聯雕刻機，包括基座1、動平臺、刀具3 和柔索驅動臂系統；基座1是用角鋼連接成四方體構架，當然也可以採用其它形狀。動平臺 包括設置刀具3上端的刀具移動端2、設置在刀具移動端2上端的支杆8和設置在支杆8頂 端的頂盤9。柔索驅動臂系統包括定滑輪4、懸索5和滾筒排索機構6 ；頂盤9上設置有四 根懸索5，與之對應地在四方體基座1上端的四個端角上各設置有四個定滑輪4。刀具移動 端2上設置有三根懸索，相應地，在基座1上又另外設置有三個定滑輪4，每根懸索5端部各 連接有一個滾筒排索機構6。每根懸索5繞過一個定滑輪4，一端連接在刀具移動端2或頂 盤9上，另一端連接在一個滾筒排索機構6上。動平臺上設置七根懸索5由七個滾筒排索 機構6控制懸索5的收放，設置七根懸索的原因是對於索牽引並聯機構，完全控制末端位姿 的η個自由度至少需要η+1根懸索來實現，因此，對於雕刻機實現χ、y、ζ軸平動及繞x、y、 ζ軸的轉動共六個自由度採用七根懸索5控制。懸索5與刀具移動端2通過球鉸裝置連接， 如圖2所示，球鉸裝置包括球鉸套22和設置在球鉸套22內的球鉸球23，球鉸球23上設置 有中心孔24，懸索5穿過中心孔24，懸索5末端的索結25能防止懸索5從中心孔24中抽 出，球鉸套22通過螺紋與刀具移動端2連接。設置球鉸裝置的原因是為了確保機構的完整 性和控制模型的精確性，使得動平臺在理論工作空間動作時，懸索5能夠在球鉸開口錐角 範圍內運動，如此構建的結構模型能夠接近理論分析模型。如圖3所示，滾筒排索機構6包括滾索套10、滾筒軸11、軸套12和滾筒座13 ；滾筒 座13包括底座14和與底座14呈垂直設置的立座15，滾筒軸11的一端設置在立座15上； 滾筒軸11上設置有滾索套10和軸套12，滾索套10通過鍵連接在滾筒軸11上，軸套12通 過螺紋連接在滾筒軸11上。滾索套10的一端與軸套12的一端連接，滾索套10靠近軸套 12 一側端部的外圓周面上設置有卡圈16，軸套12靠近滾索套10 —側的端部上設置有與卡 圈16對應的卡槽17，軸套12的該端部上還設置擋板18，該擋板18將卡圈16限制在卡槽
517裡。如圖4所示，底座14上設置有與滾筒軸11平行的直線長條凸塊19，軸套12的外圓 周面上設置有與長條凸塊19對應的滑槽，長條凸塊19內嵌在滑槽裡。驅動裝置7包括電 機、減速器和聯軸器。當電機通過減速器和聯軸器帶動滾筒軸11轉動時，滾索套10隨著滾 筒軸11做旋轉運動。由於軸套12與滾筒軸11通過螺紋連接，滾筒軸11轉動時，軸套12 通過螺紋在滾筒軸11上做直線運動，軸套12的外圓周面上的滑槽沿著底座14上的直線長 條凸塊19滑動，軸套12通過擋板18帶動滾索套10沿著滾筒軸11做直線運動。所以，當 滾筒軸11在電機驅動下轉動時，滾索套10既可以通過鍵隨著滾筒軸11做旋轉運動，同時 又可以在螺紋及直線滑槽的約束下做直線運動，從而達到滾索套10收、放懸索5的目的。如圖5和圖6所示，滾筒排索機構6還可以設計成另外一種結構，滾筒排索機構6 包括滾索套10、滾筒軸11、軸套12和與滾筒軸11呈垂直設置的端蓋26 ；滾索套10固定連 接在滾筒軸11上，位於滾索套10 —側的滾筒軸11與端蓋26連接，位於滾索套10另一側 的滾筒軸11上設置有軸套12。滾筒軸11的一端與端蓋26通過螺紋連接。如圖7所示，滾 筒軸11的另一端上設置有長條導行鍵20，軸套12內圓周面上設置有與長條導行鍵20對應 的長條導行槽21，長條導行鍵20內嵌在長條導行槽21內。驅動裝置為伺服電機。在伺服 電機驅動下，軸套12作旋轉運動，軸套12帶動滾筒軸11旋轉，滾筒軸11再帶動滾索套10 旋轉。由於滾筒軸11與缸蓋26是通過螺紋連接的，滾筒軸11邊旋轉邊帶動滾索套10作 直線運動。設置在滾筒軸11上的長條導行鍵20沿著軸套12上的長條導行槽21滑動，約 束滾筒軸11作直線運動。進而實現了滾索套10既作旋轉運動又作直線運動的目的，從而 達到滾索套10收、放懸索5的目的。當滾筒軸11上螺紋螺距與懸索5的直徑一致時，就可以達到懸索5有序排放且出 索口固定的目的。設置滾筒排索機構6的目的一是實現懸索5的有序排放，避免索紊亂， 提高末端定位精度；二是懸索5出索位置相對地面垂直且固定以避免索傾斜造成理論力學 模型的誤差。本實用新型的工作原理為已知刀具3運行的起始點、終止點的位姿，將軌跡點離 散，依據機構運動學逆解模型可以解出離散點下一時刻與前一時刻的索長變化量，將此變 化量轉變為電機的控制脈衝信號，各個電機將電機旋轉運動傳遞給各個滾筒排索機構6，各 個滾筒排索機構6協調收、放懸索5，從而實現動平臺末端刀具3按照規劃軌跡運動的目的。 本實用新型通過多根懸索5的收放來協調控制刀具3實現任意軌跡的雕刻，與剛性杆支撐 的並聯機構相比，具有工作空間大、易於可重構、響應速度快的特點。如圖8所示，動平臺2的下端部帶動刀具3運動一個半徑為100mm、高度為IOOmm 的圓周，索長變化平穩，驗證了所構建模型基於索長控制的方案是可行的。
權利要求一種索驅動並聯雕刻機，其特徵在於包括基座(1)、動平臺、刀具(3)和柔索驅動臂系統；所述的動平臺包括設置刀具(3)上端的刀具移動端(2)、設置在刀具移動端(2)上端的支杆(8)和設置在支杆(8)頂端的頂盤(9)；所述的柔索驅動臂系統包括至少三根懸索(5)、設置在基座(1)上的至少三個定滑輪(4)和控制每根懸索(5)收放的滾筒排索機構(6)；每根懸索(5)繞過一個定滑輪(4)一端連接在刀具移動端(2)或頂盤(9)上，另一端連接在滾筒排索機構(6)上。
2.根據權利要求1所述的並聯雕刻機，其特徵在於所述柔索驅動臂系統包括設置在 刀具移動端(2)上的三根懸索(5)，設置頂盤(9)上的四根懸索(5)，設置在基座(1)上的七 個定滑輪(4 )和分別設置在每根懸索(5 )端部的七個滾筒排索機構(6 )；每根懸索(5 )繞過 一個定滑輪(4)，一端連接在刀具移動端(2)或頂盤(9)上，另一端連接在一個滾筒排索機 構(6)上。
3.根據權利要求1或2所述的並聯雕刻機，其特徵在於所述的滾筒排索機構(6)包 括滾索套(10)、滾筒軸(11 )、軸套(12)和滾筒座(13);滾筒座(13)包括底座(14)和與底座 (14)呈垂直設置的立座(15)，滾筒軸(11) 一端設置在立座(15)上；滾筒軸(11)上設置有 滾索套(10)和軸套(12);所述的滾索套(10)與滾筒軸(11)通過鍵連接，軸套(12)與滾筒 軸(11)通過螺紋連接；滾索套(10)的一端與軸套(12)的一端連接，滾索套(10)靠近軸套 (12)—側端部的外圓周面上設置有卡圈(16)，軸套(12)靠近滾索套(10) —側的端部上設 置有與卡圈(16)對應的卡槽(17)，軸套(12)的該端部上還設置擋板(18)，該擋板(18)將卡 圈(16)限制在卡槽(17)裡；底座(14)上設置有與滾筒軸(11)平行的直線長條凸塊(19)， 軸套(12)的外圓周面上設置有與凸塊(19)對應的滑槽，長條凸塊(19)內嵌在滑槽裡。
4.根據權利要求3所述的並聯雕刻機，其特徵在於所述的滾筒排索機構(6)上連接 有驅動滾筒軸(11)轉動的驅動裝置(J)。
5.根據權利要求1或2所述的並聯雕刻機，其特徵在於所述的滾筒排索機構(6)包 括滾索套(10)、滾筒軸(11)、軸套(12)和與滾筒軸(11)呈垂直設置的端蓋(26);滾索套 (10)固定連接在滾筒軸(11)上，位於滾索套(10)—側的滾筒軸(11)與端蓋(26)連接，位於 滾索套(10)另一側的滾筒軸(11)上設置有軸套(12);所述滾筒軸(11)的一端與端蓋(26) 通過螺紋連接，滾筒軸(11)的另一端上設置有長條導行鍵(20)，軸套(12)內圓周面上設置 有與長條導行鍵(20)對應的長條導行槽(21)，所述的長條導行鍵(20)內嵌在長條導行槽 (21)內。
6.根據權利要求5所述的並聯雕刻機，其特徵在於所述的滾筒排索機構(6)上連接 有驅動軸套(12 )轉動的驅動裝置(7 )。
7.根據權利要求1所述的並聯雕刻機，其特徵在於所述懸索(5)的一端通過球鉸裝 置與刀具移動端(2)連接；所述的球鉸裝置包括球鉸套(22)和設置在球鉸套內的球鉸球 (23)，球鉸球(23)上設置有中心孔(24);球鉸套(22)通過設置其外部的螺紋與刀具移動端 (2)連接，懸索(5)穿過球鉸球(23)的中心孔(24)，懸索(5)末端設置有防止懸索(5)從中 心孔(24)抽出的索結(25)。
專利摘要本實用新型提供一種索驅動並聯雕刻機，包括基座、動平臺、刀具和柔索驅動臂系統；動平臺包括設置刀具上端的刀具移動端、設置在刀具移動端上端的支杆和設置在支杆頂端的頂盤；柔索驅動臂系統包括至少三根懸索、設置在基座上的至少三個定滑輪和控制每根懸索收放的滾筒排索機構；每根懸索繞過一個定滑輪一端連接在刀具移動端或頂盤上，另一端連接在滾筒排索機構上。有益效果是，在電機的驅動下，藉助於球鉸裝置及多根並聯的懸索進行力的傳遞，最終實現動平臺位姿的控制，能夠實現任意曲面任意軌跡的雕刻。
文檔編號B44B1/00GK201659821SQ20102015063
公開日2010年12月1日 申請日期2010年4月6日 優先權日2010年4月6日
發明者侯曉莉, 孔令飛, 李言, 湯奧斐, 肖繼明, 袁啟龍, 高新勤 申請人:西安理工大學