兩維移動兩維轉動四軸並聯工具機結構的製作方法
2023-06-12 04:17:11 2
專利名稱：兩維移動兩維轉動四軸並聯工具機結構的製作方法
技術領域：
本發明屬於機械製造領域，特別涉及一種能夠設計成立、臥式的兩維移動兩維轉動的四軸並聯工具機。
近十年來，國際上出現了一種新概念工具機——虛擬軸工具機(Virtual Axis MachineTool)，也稱之為六條腳工具機(6-Leg Machine Tool)或並聯工具機(Parallel MachineTool)。虛擬軸工具機是國際上數控研究領域非常關注的熱點課題，國內外學者作大量的研究工作。虛擬軸數控工具機是知識密集、智力密集、技術密集的機電一體化高技術產品，是並聯機器人、數控機械、計算機控制、精密測量、數控加工等多學科應用技術的交叉。並聯工具機採用並聯結構，可以實現多坐標聯動數控加工、裝配和測量等多種功能，具有模塊化程度高、運動部件質量輕、精度高，響應快，製造成本低等優點。與傳統工具機相比，虛擬軸工具機因採用了刀具運動的形式，從而改善了其速度、加速度、精度和剛度等性能。
並聯機械結構在40年代末就已經提出，在60年被重新發掘出來應用在飛行模擬器上，在70年代末、80年代初開始成為研究熱點。隨著理論研究的不斷深入以及並聯機構所具有的明顯的優點，國際上的一些大公司及相關院校相繼提出把並聯機構用於製造行業的加工工具機上，這是對具有200餘年歷史的一成不變按笛卡兒坐標體系設計工具機的傳統的強烈衝擊，人們認為並聯工具機將是21世紀新概念工具機的形式。在1994年芝加哥國際製造技術展覽會(IMTS』94)上，美國積仃斯與萊威斯(Giddings Lewis)公司和因閣塞耳(Ingersoll)公司第一次在世界上展出了VARIAX和HOH600虛擬軸工具機。在這之後國內外許多學者和著名的工具機製造廠都非常關注虛擬軸工具機的設計理論研究和樣機的研製。在97年的歐洲國際工具機展覽會(EMO』97)上，美國、日本、德國、瑞士、俄羅斯等大學和工具機製造商展出了10餘臺並聯工具機樣機。
從國內外並聯工具機產品與技術發展的概況看，大多採用一般的斯帝瓦特(Stewart)六自由度並聯機器人機構來實現五軸運動，例如美國專利US5354158所陳述的並聯工具機，如圖1所示，該工具機裝有刀具133的動平臺134通過六個可伸縮連杆與固定平臺132相聯接，每個連杆(如連杆136)連接動平臺134的鉸鏈為球鉸鏈(或虎克鉸)135，連接固定平臺132的鉸鏈為虎克鉸(或球鉸鏈)137，刀具的運動通過六個杆件的伸縮來實現，這種構型不僅運動學、動力學、精度、誤差分析等關鍵技術難以解決，而且浪費了一個軸的驅動與傳動裝置增加了製造成本。近幾年來，少自由度(自由度少於6)的並聯構型製造裝備越來越得到人們的重視，並且這類產品在生產中更有應用前景。現有專利和產品中，還沒有出現四自由度四軸並聯工具機，更缺乏把空間移動和轉動結合起來的四軸並聯工具機裝備。另外，現有工具機中，多採用立式結構，只有因閣塞耳(Ingersoll)公司研製出了一臺臥式工具機。
本發明的目的在於克服現有技術中的不足之處而提供一種兩維移動兩維轉動四軸並聯工具機結構，可設計成立式和臥式的四軸並聯工具機，具有高剛度，高精度，低運動質量，高動態性能，構造簡單，相同零件數量多，成本低，易製造等特點。
本發明提出的一種兩維移動兩維轉動四軸並聯工具機結構，包括固定臺、運動臺、連接固定臺與運動臺的分支，其特徵在於運動臺通過四個分支與固定臺連接，所說的四個分支中的兩支分支各含有一個三自由度球鉸和兩個單自由度運動副；另外的兩個分支各含有一個單自由度運動副和兩個球鉸鏈或一個球鉸鏈和一個虎克鉸；所說的運動臺上裝有刀具，所說的四個分支與運動臺和固定臺連接的各四個鉸鏈呈交叉布置。
所說的四個分支可均採用定長連杆，所說的單自由度運動副可由滑道和滑塊構成，所說的滑道可固定在固定臺的臺面板上，所說的滑塊裝在滑道上，其中的兩個分支的滑塊上裝有轉動副，另一端通過三自由度球鉸鏈與運動臺相連；另外的兩個分支的滑塊上裝有球鉸鏈或虎克鉸，另一端通過虎克鉸或球鉸鏈與運動臺相連，或兩個分支的兩端均為球鉸鏈。
所說的四個分支可均採用伸縮連杆構成單自由度運動副，其中的兩支連杆與固定臺的連接為轉動副，與動平臺的連接為三自由度球鉸鏈；另外的兩個連杆分別通過虎克鉸或球鉸鏈與固定臺相連接，另一端通過球鉸鏈或虎克鉸與運動臺相連，或兩個連杆的兩端均為球鉸鏈。
本發明所說的四個分支，其中的兩個分支可採用定長連杆，所說的單自由度運動副由滑道和滑塊構成，所說的滑道固定在固定臺的臺面板上，所說的滑塊裝在滑道上，滑塊上裝有轉動副，另一端通過三自由度球鉸鏈與運動臺相連；另外的兩個分支可採用伸縮連杆構成單自由度運動副，該兩個連杆分別通過虎克鉸或球鉸鏈與固定臺相連接，另一端通過球鉸鏈或虎克鉸與運動臺相連，或兩個連杆的兩端均為球鉸鏈。
本發明所說的四個分支，其中的兩個分支可採用伸縮連杆構成單自由度運動副，該兩支連杆與固定臺的連接為轉動副，與動平臺的連接為三自由度球鉸鏈；另外的兩個分支可採用定長連杆，所說的單自由度運動副由滑道和滑塊構成，所說的滑道固定在固定臺的臺面板上，所說的滑塊裝在滑道上，該兩個分支的滑塊上裝有球鉸鏈或虎克鉸，另一端通過虎克鉸或球鉸鏈與運動臺相連，或兩個分支的兩端均為球鉸鏈。
本發明與現有技術相比有如下優點1、本發明並聯工具機與傳統的串聯式多軸工具機相比，具有高剛度，高精度，低運動質量，高動態性能，構造簡單，相同零件數量多，成本低，易製造。
2、本發明並聯工具機與現有的六自由度五軸並聯工具機相比，結構簡單系統運動非線性度和耦合度明顯降低，控制簡單，造價低。
3、本發明四軸並聯工具機加工裝配工藝性好。
4、本發明四軸並聯工具機的刀具具有兩個移動、兩個轉動運動，在空間曲面加工中有著廣泛的應用前景。
5、本發明四軸並聯工具機可以設計成立式或臥式。
圖1為已有的一種六自由度並聯機器人機構示意圖。
圖2是本發明的四軸並聯工具機結構的實施例之一總體結構示意圖。
圖3是本發明的四軸並聯工具機結構的實施例之二總體結構示意圖。
圖4是本發明的四軸並聯工具機結構的實施例之三總體結構示意圖。
圖5是本發明的四軸並聯工具機結構的實施例之四總體結構示意圖。
圖6是本發明的四軸並聯工具機結構的實施例之五總體結構示意圖。
圖7是本發明的四軸並聯工具機結構的實施例之六總體結構示意圖。
下面結合附圖對本發明的實施例作進一步詳述實施例1四軸立式並聯工具機結構之一本實施例的總體結構如圖2所示，運動臺16通過四支可伸縮連杆5、6、11、13與由框架9和底座1組成的固定臺相連接，其中連杆5、11的一端連接運動臺16的運動副為三自由度球鉸3、14，另一端連接框架9的運動副為轉動副8、10。連杆6、13的一端連接運動臺16的運動副為三自由度球鉸4、15，另一端連接框架9的運動副為虎克鉸或球鉸7、12。運動臺16上安裝切削刀具17，底座1上裝著加工工件2。運動臺16和刀具17通過四個可伸縮連杆5、6、11、13的移動來實現連杆5和11所在平面的二維移動和繞鉸鏈4與15和3與14的軸線的轉動的四軸運動，從而完成對工件2的切削加工。
實施例2四軸立式並聯工具機結構之二本實施例的總體結構如圖3所示，運動臺36通過四支連杆23、24、33、34與由框架27、兩側滑板20與31和底座18組成的固定臺相連接，其中兩個定長連杆23、33的一端連接運動臺36的運動副為三自由度球鉸21、25，另一端連接滑塊26、30的運動副為轉動副25、32，滑塊26、30裝在兩側滑板20、31的滑道內；兩個可伸縮連杆24、34的一端連接運動臺36的運動副為三自由度球鉸22、37，另一端連接框架27的運動副為虎克鉸或球鉸28、29。運動臺36上安裝切削刀具38，底座18上裝著加工工件19。運動臺36和刀具38通過兩個可伸縮連杆24、34和滑塊26、30的移動來實現連杆23和33所在平面的二維移動和繞鉸鏈21與35和22與37的軸線的轉動的四軸運動，從而完成對工件19的切削加工。
實施例3四軸立式並聯工具機結構之三本實施例的總體結構如圖4所示，運動臺59通過四支定長連杆44、45、56、57與由上滑板49、兩側滑板41與54和底座39組成的固定臺相連接，其中連杆44、56的一端連接運動臺59的運動副為三自由度球鉸42、58，另一端連接滑塊47、53的運動副為轉動副46、55，滑塊47、53裝在兩側滑板41、54的滑道內；連杆45、57的一端連接運動臺59的運動副為三自由度球鉸43、60，另一端連接滑塊50、51的運動副為虎克鉸或球鉸48、52，滑塊50、51裝在上滑板49的滑道內。運動臺59上安裝切削刀具61，底座39上裝著加工工件40。運動臺59和刀具61通過四個滑塊47、53、50、51的移動來實現連杆44和56所在平面的二維移動和繞鉸鏈42與58和43與60的軸線的轉動的四軸運動，從而完成對工件40的切削加工。
實施例4四軸立式並聯工具機結構之四本實施例的總體結構如圖5所示，運動臺83通過四支定長連杆66、67、79、80與由上滑道71、74、75和底座62組成的固定臺相連接，其中連杆66、80的一端連接運動臺83的運動副為三自由度球鉸64、81，另一端連接滑塊69、73的運動副為轉動副68、78，滑塊69、73裝在滑道74內；連杆67、79的一端連接運動臺83的運動副為三自由度球鉸65、82，另一端連接滑塊72、76的運動副為虎克鉸或球鉸70、77，滑塊72、76裝在滑道71、75內。運動臺83上安裝電主軸和切削刀具84，底座62上裝著加工工件63。運動臺83和刀具84通過四個滑塊69、73、72、76的移動來實現連杆66和80所在平面的二維移動和繞鉸鏈65與82和64與81的軸線的轉動的四軸運動，從而完成對工件63的切削加工。
實施例5四軸立式並聯工具機結構之五本實施例的總體結構如圖6所示，運動臺107通過四支定長連杆90、92、102、103與由滑板87、95、99、105和底座85組成的固定臺相連接，其中連杆90、102的一端連接運動臺107的運動副為三自由度球鉸88、104，另一端連接滑塊93、98的運動副為轉動副91、97，滑塊93、98裝在滑板87、99的滑道內；連杆92、103的一端連接運動臺107的運動副為三自由度球鉸89、106，另一端連接滑塊94、100的運動副為虎克鉸或球鉸98、101，滑塊94、100裝在滑板95、105的滑道內。運動臺107上安裝切削刀具108，底座85上裝著加工工件86。運動臺107和刀具108通過四個滑塊93、98、94、100的移動來實現連杆90和102所在平面的二維移動和繞鉸鏈89與106和88與104的軸線的轉動的四軸運動，從而完成對工件86的切削加工。
實施例6四軸臥式並聯工具機結構本實施例的總體結構如圖7所示，運動臺130通過四支定長連杆113、115、121、126與由上滑板118、兩側滑板109與125和底座128組成的固定臺相連接，其中連杆113、126的一端連接運動臺130的運動副為三自由度球鉸110、129，另一端連接滑塊111、124的運動副為轉動副112、123，滑塊111、124裝在兩側滑板109、125的滑道內；連杆115、121的一端連接運動臺130的運動副為三自由度球鉸114、122，另一端連接滑塊117、119的運動副為虎克鉸或球鉸116、120，滑塊117、119裝在上滑板118的滑道內。運動臺130上安裝切削刀具131，底座128上裝著加工工件127。運動臺130和刀具131通過四個滑塊111、124、117、119的移動來實現連杆113和126所在平面的二維移動和繞鉸鏈110與129和114與122的軸線的轉動的四軸運動，從而完成對工件127的切削加工。
權利要求
1.一種兩維移動兩維轉動四軸並聯工具機結構，包括固定臺、運動臺、連接固定臺與運動臺的分支，其特徵在於運動臺通過四個分支與固定臺連接，所說的四個分支中的兩支分支各含有一個三自由度球鉸和兩個單自由度運動副；另外的兩個分支各含有一個單自由度運動副和兩個球鉸鏈或一個球鉸鏈和一個虎克鉸；所說的運動臺上裝有刀具，所說的四個分支與運動臺和固定臺連接的各四個鉸鏈呈交叉布置。
2.按照權利要求1所說的四軸並聯工具機結構，其特徵在於所說的四個分支均採用定長連杆，所說的單自由度運動副由滑道和滑塊構成，所說的滑道固定在固定臺的臺面板上，所說的滑塊裝在滑道上，其中的兩個分支的滑塊上裝有轉動副，另一端通過三自由度球鉸鏈與運動臺相連；另外的兩個分支的滑塊上裝有球鉸鏈或虎克鉸，另一端通過虎克鉸或球鉸鏈與運動臺相連。
3.按照權利要求1所說的空間四軸並聯工具機結構，其特徵在於所說的四個分支均採用伸縮連杆構成單自由度運動副，其中的兩支連杆與固定臺的連接為轉動副，與動平臺的連接為三自由度球鉸鏈；另外的兩個連杆分別通過虎克鉸或球鉸鏈與固定臺相連接，另一端通過球鉸鏈或虎克鉸與運動臺相連。
4.按照權利要求1所說的空間三軸並聯工具機結構，其特徵在於其中的兩個分支採用定長連杆，所說的單自由度運動副由滑道和滑塊構成，所說的滑道固定在固定臺的臺面板上，所說的滑塊裝在滑道上，滑塊上裝有轉動副，另一端通過三自由度球鉸鏈與運動臺相連；另外的兩個分支採用伸縮連杆構成單自由度運動副，該兩個連杆分別通過虎克鉸或球鉸鏈與固定臺相連接，另一端通過球鉸鏈或虎克鉸與運動臺相連。
5.按照權利要求1所說的空間三軸並聯工具機結構，其特徵在於其中的兩個分支採用伸縮連杆構成單自由度運動副，該兩支連杆與固定臺的連接為轉動副，與動平臺的連接為三自由度球鉸鏈；另外的兩個分支採用定長連杆，所說的單自由度運動副由滑道和滑塊構成，所說的滑道固定在固定臺的臺面板上，所說的滑塊裝在滑道上，該兩個分支的滑塊上裝有球鉸鏈或虎克鉸，另一端通過虎克鉸或球鉸鏈與運動臺相連。
全文摘要
本發明屬機械製造領域,包括固定臺、運動臺、連接固定臺與運動臺的分支,運動臺通過四個分支與固定臺連接,四個分支中的兩支分支各含有一個三自由度球鉸和兩個單自由度運動副;另外的兩個分支各含有一個單自由度運動副和兩個球鉸鏈或一個球鉸鏈和一個虎克鉸;運動臺上裝有刀具,四個分支與運動臺和固定臺連接的各四個鉸鏈呈交叉布置。本發明具有高剛度,高精度,低運動質量,高動態性能,構造簡單,成本低,易製造等特點。
文檔編號B23Q1/25GK1267582SQ0010593
公開日2000年9月27日 申請日期2000年4月21日 優先權日2000年4月21日
發明者汪勁松, 劉辛軍, 段廣洪, 葉佩青 申請人:清華大學