一種無伴隨運動的並聯式三軸主軸頭結構的製作方法
2023-07-13 20:01:16 2
專利名稱：一種無伴隨運動的並聯式三軸主軸頭結構的製作方法
技術領域：
. 本發明屬於數控工具機製造領域，特別涉及一種既能獨立使用又能配合其它裝置進行復 合加工的並聯式三軸主軸頭結構。
背景技術：
在現代飛機設計中，廣泛採用的是先進的整體結構設計，其優點是不僅縮短加工裝配 周期和物流鏈，同時也減輕了結構件的重量。由於航空整體結構件具有尺寸大、壁薄、易 變形，切削加工難度很大、零件精度高等工藝特點，五軸聯動加工是目前航空結構件加工 的主要加工方式。五軸聯動可以使刀具以最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高、表面粗 糙度好而且效率也大幅度提高。近年來，由於傳統的五坐標聯動加工設備己經越來越不能 滿足現代航空結構件高速加工的需要，國內外工具機廠家和航空製造商正致力於研製新型航 空結構件高速加工設備，其中，五軸聯動串並聯(混聯)高速加工設備是目前各國工具機行 業研究的一個新方向，此類加工設備的核心功能部件是能夠實現一個移動和兩個聯動轉動 運動或者純粹的兩個聯動轉動運動的並聯主軸頭。實踐證明，三自由度的並聯主軸頭可以 克服傳統主軸頭的一些運動學缺陷，代表了主軸頭的最高水平和發展趨勢。目前，許多公 司都在開發類似的基於三自由度並聯主軸頭的五軸聯動加工設備。
德國DS- Technologie公司按照飛機結構件加工工藝的特點，獨創性地推出了採用並 聯運動機構的Sprint Z3型主軸頭。該公司在Sprint Z3主軸頭的基礎上，推出了加工飛機 結構件的高性能數控加工中心Ecospeed。Ecospeed數控加工中心具有加工效率和加工精度 高、表面質量好、加工後的飛機結構件無需手動打磨等一系列優點，在歐洲許多飛機製造 廠獲得了應用。為了適應這類工具機的發展趨勢和提高在行業內的競爭力，美國Cincinnati 工具機公司也從德國引進了 Sprint Z3主軸頭製造技術。
SprintZ3主軸頭採用3-PRS並聯機構，三條支鏈對稱分布，每條支鏈分別由移動副、 轉動副和球鉸連接，具有支鏈結構相同，模塊化程度高的優點，降低了設計、加工製造成 本，在實際應用中獲得了巨大的成功。儘管如此，SprintZ3主軸頭仍然存在一些缺陷，比 如它的三條支鏈結構相同，對稱分布，導致機構運動上的強耦合性，增加了控制的難度。
在中國也有人提出了數種並聯式三軸主軸頭結構，典型的如專利CN200810104938、 CN200810106395所示的結構。總的來看，這一類主軸頭結構無一例外的在機構運動學特 性、製造和應用上均具有一定的缺陷和不足，主要體現在1、該類主軸頭結構具有無法 避免的伴隨運動，即在實現兩個轉動運動的時候動平臺中心的軌跡不是一條直線，導致運動學複雜，需要工具機實時補償其伴隨運動；2、伴隨運動大大地增加了標定的難度，而標 定的困難又限制了工具機精度水平的提高；3、工程應用中該類主軸頭結構製造和裝配工藝 複雜，不符合中國目前的製造工藝水平現狀，限制了該類主軸頭的推廣應用。因此，克服 這些缺陷，開發出新型的三軸主軸頭具有重要的意義。
發明內容
本發明的目的在於克服現有並聯式主軸頭運動學上的缺陷，在並聯機構構型上尋求突 破，利用虛擬中心並聯機構沒有伴隨運動的優點設計出一種無伴隨運動的並聯式三軸主軸 頭結構。這種主^頭能實現一個移動和二個轉動自由度，而且二個轉動自由度的轉動中心 無伴隨運動，可i接測量並由此達到高精度的控制。該結構具有高剛度、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、靈活度較高以及軌跡規劃簡單 等特點，並能配合其它裝置進行複合加工。
本發明提出的一種無伴隨運動的並聯式三軸主軸頭結構，該結構包括一個安裝主軸的 動平臺、 一個定平臺，以及連接所述動平臺與定平臺之間的第一、第二和第三分支機構， 其特徵在於，所述第一分支機構包括第一輸入件、第一連接件以及三個運動副，該三個運
動副分別是連接於所述第一輸入件與定平臺之間的移動副、連接於所述第一輸入件與第
一連接件之間的第一轉動副和連接於所述第一連接件與動平臺之間的第二轉動副；所述第 二分支機構包括第二輸入件、第二連接件及三個運動副，所述三個運動副分別是連接於 所述第二輸入件與定平臺之間的移動副、連接於所述第二輸入件與第二連接件之間的第一
轉動副和連接於所述第二連接件與所述第一連接件之間的第二轉動副；所述第三分支機構
包括第三輸入件、第三連接件和三個運動副，所述三個運動副分別是連接於所述第三輸 入件和定平臺之間的移動副、連接於所述第三輸入件和第三連接件之間的球鉸或虎克鉸，
以及連接於所述第三連接件和動平臺之間的虎克鉸或球鉸；其中，所述三個分支機構中的
移動副是驅動的。
所述第一分支機構中的第一轉動副與第二轉動副的軸線是垂直的，而且與第二分支機 構中的兩個轉動副的軸線是平行的。
所述動平臺可以為包括多個杆件組成的支架。
本發明提出的另一種無伴隨運動的並聯式三軸主軸頭結構，該結構包括一個安裝主軸 的動平臺、 一個定平臺，以及連接所述動平臺與定平臺之間的第一、第二和第三分支機構， 其特徵在於，所述第一分支機構包括第一輸入件、第一連接件以及三個運動副，該三個運
動副分別是連接於所述第一輸入件與定平臺之間的移動副、連接於所述第一輸入件與第 一連接件之間的第一轉動副和連接於所述第一連接件與動平臺之間的第二轉動副；所述第 二分支機構包括第二連接件、第二輸入件及三個運動副，所述三個運動副分別是連接於所述第二連接件與定平臺之間的第一轉動副、連接於所述第二連接件與第二輸入件之間的 移動副和連接於所述第二輸入件與所述第一連接件之間的第二轉動副；所述第三分支機構 包括第三連接件、第三輸入件和三個運動副，所述三個運動副分別是連接於所述第三連 接件和定平臺之間的球鉸或虎克鉸、連接於所述第三連接件和第三輸入件之間的移動副， 以及連接於所述第三輸入件和動平臺之間的虎克鉸或球鉸；其中，所述三個分支機構中的 移動副是驅動的。
本發明的結構特點及效果
本發明使安裝主軸的動平臺具有一個移動自由度和兩個獨立的轉動自由度，並且因其 結構上的特殊性，即第一分支機構中的第一轉動副與第二轉動副的軸線垂直，而且與第二 分支機構中的兩個轉動副的軸線平行，使得動平臺的轉動中心的軌跡是一個點，這樣的機 構在並聯機構學研究中被稱為"虛擬中心並聯機構"，它使動平臺轉動時無伴隨運動，利 於精確測量從而達到高的精度。
該主軸頭結構具有以下優點(1)安裝主軸的動平臺的擺角大(可實現》土40。)； (2)結構緊湊；(3)剛度高；(4)便於軌跡規劃和控制；(5)響應速度快。這些優點使該結 構在五軸聯動工具機的主軸頭上有廣泛的應用。
圖1是本發明的第一實施例的結構示意圖
圖2是本發明的第二實施例的結構示意圖
具體實施例方式
本發明提出的一種無伴隨運動的並聯式三軸主軸頭結構結合附圖及實施例詳細說明 如下。
本發明的第一實施例的結構，如圖1所示，該結構包括一個安裝主軸的動平臺17、 一個定平臺，該定平臺由固結成一體的平臺底座13、立柱ll、 12、 14組成；以及連接所述 動平臺17與定平臺之間的第一、第二和第三個分支機構，所述第一分支機構包括第一輸 入件15、第一連接件16以及運動副，所述運動副有三個， 一個是連接於所述第一輸入件 15與定平臺立柱14之間的移動副， 一個是連接於所述第一輸入件15與第一連接件16之 間的第一轉動副， 一個是連接於所述第一連接件16與動平臺17之間的第二轉動副；所述 第二分支機構包括第二輸入件lll、第二連接件19及運動副，所述運動副有三個， 一個是 連接於所述第二輸入件111與定平臺立柱12之間的移動副， 一個是連接於所述第二輸入 件111與第二連接件19之間的第一轉動副， 一個是連接所述第二連接件19與第一連接件 16之間的第二轉動副；所述第三分支機構包括第三輸入件110、第三連接件18及運動副，所述運動副有三個， 一個是連接於所述第三輸入件110和定平臺立柱11之間的移動副， 一個是連接於所述第三輸入件110和第三連接件18之間的球鉸， 一個是連接於所述第三 連接件18與動平臺17之間的虎克鉸；其中，所述三個分支機構中的移動副是驅動的。
所述第一分支機構中的第一轉動副與第二轉動副的軸線是垂直的，而且與第二分支機 構中的兩個轉動副的軸線是平行的。
本實施例實現安裝主軸的動平臺的一個移動自由度和兩個轉動自由度。 本發明的第二實施例的結構，如圖2所示，該結構包括一個安裝主軸的動平臺29、 一個定平臺，以及連接所述動平臺29與定平臺之間的第一、第二和第三個分支機構，其 中，本實施例結構的第二分支機構和第三分支機構中運動副的順序與實施例一中不同，第 一分支機構與實施例一中一樣，此外，本實施例的定平臺包括固結成一體的平臺底座22、 底座連接件21、 23及立柱25組成。具體詳細說明如下該第一分支機構由第一輸入件 27、第一連接件28及運動副組成，所述運動副有三個， 一個是連接所述第一輸入件27與 定平臺立柱25之間的移動副， 一個是連接所述第一輸入件27與所述第一連接件28之間 的轉動副， 一個是連接所述第一連接件28與動平臺29之間的轉動副；該第二分支機構由 第二連接件24、第二輸入件26和運動副組成，所述運動副有三個， 一個是定平臺底座連 接件23與所述第二連接件24之間的轉動副， 一個是所述第二連接件24與所述第二輸入 件26之間的移動副， 一個是所述第二輸入件26與所述第一連接件28之間的轉動副；該 第三分支機構由第三連接件211、第三輸入件210及運動副組成，所述運動副有三個，一 個是所述第三連接件211與定平臺底座連接件21之間的球鉸，一個是所述第三連接件211 與所述第三輸入件210之間的移動副， 一個是連接所述第三輸入件210與動平臺29之間 的虎克鉸。
本實施例實現安裝主軸的動平臺的一個移動自由度和兩個轉動自由度。
權利要求
1、一種無伴隨運動的並聯式三軸主軸頭結構，該結構包括一個安裝主軸的動平臺、一個定平臺，以及連接所述動平臺與定平臺之間的第一、第二和第三分支機構，其特徵在於，所述第一分支機構包括第一輸入件、第一連接件以及三個運動副，該三個運動副分別是連接於所述第一輸入件與定平臺之間的移動副、連接於所述第一輸入件與第一連接件之間的第一轉動副和連接於所述第一連接件與動平臺之間的第二轉動副；所述第二分支機構包括第二輸入件、第二連接件及三個運動副，所述三個運動副分別是連接於所述第二輸入件與定平臺之間的移動副、連接於所述第二輸入件與第二連接件之間的第一轉動副和連接於所述第二連接件與所述第一連接件之間的第二轉動副；所述第三分支機構包括第三輸入件、第三連接件和三個運動副，所述三個運動副分別是連接於所述第三輸入件和定平臺之間的移動副、連接於所述第三輸入件和第三連接件之間的球鉸或虎克鉸，以及連接於所述第三連接件和動平臺之間的虎克鉸或球鉸；其中，所述三個分支機構中的移動副是驅動的。
2、 如權利要求1所述的結構，其特徵在於，所述第一分支機構中的第一轉動副與第 二轉動副的軸線是垂直的，而且與第二分支機構中的兩個轉動副的軸線是平行的。
3、 如權利要求l所述的結構，其特徵在於，所述動平臺為包括多個杆件組成的支架。
4、 一種無伴隨運動的並聯式三軸主軸頭結構，該結構包括一個安裝主軸的動平臺、 一個定平臺，以及連接所述動平臺與定平臺之間的第一、第二和第三分支機構，其特徵在 於，所述第一分支機構包括第一輸入件、第一連接件以及三個運動副，該三個運動副分別 是連接於所述第一輸入件與定平臺之間的移動副、連接於所述第一輸入件與第一連接件 之間的第一轉動副和連接於所述第一連接件與動平臺之間的第二轉動副；所述第二分支機 構包括第二連接件、第二輸入件及三個運動副，所述三個運動副分別是連接於所述第二 連接件與定平臺之間的第一轉動副、連接於所述第二連接件與第二輸入件之間的移動副和 連接於所述第二輸入件與所述第一連接件之間的第二轉動副；所述第三分支機構包括第三 連接件、第三輸入件和三個運動副，所述三個運動副分別是連接於所述第三連接件和定 平臺之間的球鉸或虎克鉸、連接於所述第三連接件和第三輸入件之間的移動副，以及連接 於所述第三輸入件和動平臺之間的虎克鉸或球鉸；其中，所述三個分支機構中的移動副是 驅動的。
5、 如權利要求4所述的結構，其特徵在於，所述第一分支機構中的第一轉動副與第 二轉動副的軸線是垂直的，而且與第二分支機構中的兩個轉動副的軸線是平行的。
6、 如權利要求4所述的結構，其特徵在於，所述動平臺為包括多個杆件組成的支架。
全文摘要
本發明涉及一種無伴隨運動的並聯式三軸主軸頭結構，屬於數控工具機製造領域。該結構包括一個安裝主軸的動平臺、一個定平臺，以及連接所述動平臺與定平臺之間的第一、第二和第三分支機構，所述第一分支機構包括第一輸入件、第一連接件以及一個移動副和二個轉動副，所述第二分支機構包括第二輸入件、第二連接件及一個移動副和二個轉動副，所述第三分支機構包括第三輸入件、第三連接件及一個移動副和二個球鉸或虎克鉸；且三個分支機構中的移動副是驅動的。本發明實現轉動時無伴隨運動，利於精確測量從而達到高的精度；且具有高剛度、低運動質量、高動態性能、構造簡單、成本低、易製造、靈活度較高以及便於軌跡規劃和控制等特點。
文檔編號B23Q1/48GK101497167SQ200910079838
公開日2009年8月5日 申請日期2009年3月13日 優先權日2009年3月13日
發明者劉辛軍, 李枝東, 汪勁松, 謝福貴 申請人:清華大學