專利名稱：兩維移動兩維轉(zhuǎn)動四軸并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機械制造領(lǐng)域，特別涉及一種能夠設(shè)計成立、臥式的兩維移動兩維轉(zhuǎn)動的四軸并聯(lián)機床。
近十年來，國際上出現(xiàn)了一種新概念機床——虛擬軸機床(Virtual Axis MachineTool)，也稱之為六條腳機床(6-Leg Machine Tool)或并聯(lián)機床(Parallel MachineTool)。虛擬軸機床是國際上數(shù)控研究領(lǐng)域非常關(guān)注的熱點課題，國內(nèi)外學(xué)者作大量的研究工作。虛擬軸數(shù)控機床是知識密集、智力密集、技術(shù)密集的機電一體化高技術(shù)產(chǎn)品，是并聯(lián)機器人、數(shù)控機械、計算機控制、精密測量、數(shù)控加工等多學(xué)科應(yīng)用技術(shù)的交叉。并聯(lián)機床采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)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(zhì)量輕、精度高，響應(yīng)快，制造成本低等優(yōu)點。與傳統(tǒng)機床相比，虛擬軸機床因采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。
并聯(lián)機械結(jié)構(gòu)在40年代末就已經(jīng)提出，在60年被重新發(fā)掘出來應(yīng)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并聯(lián)機構(gòu)所具有的明顯的優(yōu)點，國際上的一些大公司及相關(guān)院校相繼提出把并聯(lián)機構(gòu)用于制造行業(yè)的加工機床上，這是對具有200余年歷史的一成不變按笛卡兒坐標(biāo)體系設(shè)計機床的傳統(tǒng)的強烈沖擊，人們認(rèn)為并聯(lián)機床將是21世紀(jì)新概念機床的形式。在1994年芝加哥國際制造技術(shù)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虛擬軸機床。在這之后國內(nèi)外許多學(xué)者和著名的機床制造廠都非常關(guān)注虛擬軸機床的設(shè)計理論研究和樣機的研制。在97年的歐洲國際機床展覽會(EMO’97)上，美國、日本、德國、瑞士、俄羅斯等大學(xué)和機床制造商展出了10余臺并聯(lián)機床樣機。
從國內(nèi)外并聯(lián)機床產(chǎn)品與技術(shù)發(fā)展的概況看，大多采用一般的斯帝瓦特(Stewart)六自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)來實現(xiàn)五軸運動，例如美國專利US5354158所陳述的并聯(lián)機床，如圖1所示，該機床裝有刀具133的動平臺134通過六個可伸縮連桿與固定平臺132相聯(lián)接，每個連桿(如連桿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桿件的伸縮來實現(xiàn)，這種構(gòu)型不僅運動學(xué)、動力學(xué)、精度、誤差分析等關(guān)鍵技術(shù)難以解決，而且浪費了一個軸的驅(qū)動與傳動裝置增加了制造成本。近幾年來，少自由度(自由度少于6)的并聯(lián)構(gòu)型制造裝備越來越得到人們的重視，并且這類產(chǎn)品在生產(chǎn)中更有應(yīng)用前景?，F(xiàn)有專利和產(chǎn)品中，還沒有出現(xiàn)四自由度四軸并聯(lián)機床，更缺乏把空間移動和轉(zhuǎn)動結(jié)合起來的四軸并聯(lián)機床裝備。另外，現(xiàn)有機床中，多采用立式結(jié)構(gòu)，只有因閣塞耳(Ingersoll)公司研制出了一臺臥式機床。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處而提供一種兩維移動兩維轉(zhuǎn)動四軸并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)，可設(shè)計成立式和臥式的四軸并聯(lián)機床，具有高剛度，高精度，低運動質(zhì)量，高動態(tài)性能，構(gòu)造簡單，相同零件數(shù)量多，成本低，易制造等特點。
本發(fā)明提出的一種兩維移動兩維轉(zhuǎn)動四軸并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)，包括固定臺、運動臺、連接固定臺與運動臺的分支，其特征在于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采用定長連桿，所說的單自由度運動副可由滑道和滑塊構(gòu)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(zhuǎn)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采用伸縮連桿構(gòu)成單自由度運動副，其中的兩支連桿與固定臺的連接為轉(zhuǎn)動副，與動平臺的連接為三自由度球鉸鏈；另外的兩個連桿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，或兩個連桿的兩端均為球鉸鏈。
本發(fā)明所說的四個分支，其中的兩個分支可采用定長連桿，所說的單自由度運動副由滑道和滑塊構(gòu)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(zhuǎn)動副，另一端通過三自由度球鉸鏈與運動臺相連；另外的兩個分支可采用伸縮連桿構(gòu)成單自由度運動副，該兩個連桿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，或兩個連桿的兩端均為球鉸鏈。
本發(fā)明所說的四個分支，其中的兩個分支可采用伸縮連桿構(gòu)成單自由度運動副，該兩支連桿與固定臺的連接為轉(zhuǎn)動副，與動平臺的連接為三自由度球鉸鏈；另外的兩個分支可采用定長連桿，所說的單自由度運動副由滑道和滑塊構(gòu)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(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點1、本發(fā)明并聯(lián)機床與傳統(tǒng)的串聯(lián)式多軸機床相比，具有高剛度，高精度，低運動質(zhì)量，高動態(tài)性能，構(gòu)造簡單，相同零件數(shù)量多，成本低，易制造。
2、本發(fā)明并聯(lián)機床與現(xiàn)有的六自由度五軸并聯(lián)機床相比，結(jié)構(gòu)簡單系統(tǒng)運動非線性度和耦合度明顯降低，控制簡單，造價低。
3、本發(fā)明四軸并聯(lián)機床加工裝配工藝性好。
4、本發(fā)明四軸并聯(lián)機床的刀具具有兩個移動、兩個轉(zhuǎn)動運動，在空間曲面加工中有著廣泛的應(yīng)用前景。
5、本發(fā)明四軸并聯(lián)機床可以設(shè)計成立式或臥式。


圖1為已有的一種六自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的四軸并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)的實施例之一總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的四軸并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)的實施例之二總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的四軸并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)的實施例之三總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明的四軸并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)的實施例之四總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明的四軸并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)的實施例之五總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是本發(fā)明的四軸并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)的實施例之六總體結(jié)構(gòu)示意圖。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步詳述實施例1四軸立式并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)之一本實施例的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，運動臺16通過四支可伸縮連桿5、6、11、13與由框架9和底座1組成的固定臺相連接，其中連桿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(zhuǎn)動副8、10。連桿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通過四個可伸縮連桿5、6、11、13的移動來實現(xiàn)連桿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(zhuǎn)動的四軸運動，從而完成對工件2的切削加工。
實施例2四軸立式并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)之二本實施例的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，運動臺36通過四支連桿23、24、33、34與由框架27、兩側(cè)滑板20與31和底座18組成的固定臺相連接，其中兩個定長連桿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(zhuǎn)動副25、32，滑塊26、30裝在兩側(cè)滑板20、31的滑道內(nèi)；兩個可伸縮連桿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通過兩個可伸縮連桿24、34和滑塊26、30的移動來實現(xiàn)連桿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(zhuǎn)動的四軸運動，從而完成對工件19的切削加工。
實施例3四軸立式并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)之三本實施例的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，運動臺59通過四支定長連桿44、45、56、57與由上滑板49、兩側(cè)滑板41與54和底座39組成的固定臺相連接，其中連桿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(zhuǎn)動副46、55，滑塊47、53裝在兩側(cè)滑板41、54的滑道內(nèi)；連桿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(nèi)。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(xiàn)連桿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(zhuǎn)動的四軸運動，從而完成對工件40的切削加工。
實施例4四軸立式并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)之四本實施例的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示，運動臺83通過四支定長連桿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，其中連桿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(zhuǎn)動副68、78，滑塊69、73裝在滑道74內(nèi)；連桿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(nèi)。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(xiàn)連桿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(zhuǎn)動的四軸運動，從而完成對工件63的切削加工。
實施例5四軸立式并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)之五本實施例的總體結(jié)構(gòu)如圖6所示，運動臺107通過四支定長連桿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，其中連桿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(zhuǎn)動副91、97，滑塊93、98裝在滑板87、99的滑道內(nèi)；連桿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(nèi)。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(xiàn)連桿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(zhuǎn)動的四軸運動，從而完成對工件86的切削加工。
實施例6四軸臥式并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)本實施例的總體結(jié)構(gòu)如圖7所示，運動臺130通過四支定長連桿113、115、121、126與由上滑板118、兩側(cè)滑板109與125和底座128組成的固定臺相連接，其中連桿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(zhuǎn)動副112、123，滑塊111、124裝在兩側(cè)滑板109、125的滑道內(nèi)；連桿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(nèi)。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(xiàn)連桿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(zhuǎn)動的四軸運動，從而完成對工件127的切削加工。
權(quán)利要求
1.一種兩維移動兩維轉(zhuǎn)動四軸并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)，包括固定臺、運動臺、連接固定臺與運動臺的分支，其特征在于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(quán)利要求1所說的四軸并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的四個分支均采用定長連桿，所說的單自由度運動副由滑道和滑塊構(gòu)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(zhuǎn)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(quán)利要求1所說的空間四軸并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的四個分支均采用伸縮連桿構(gòu)成單自由度運動副，其中的兩支連桿與固定臺的連接為轉(zhuǎn)動副，與動平臺的連接為三自由度球鉸鏈；另外的兩個連桿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(quán)利要求1所說的空間三軸并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)，其特征在于其中的兩個分支采用定長連桿，所說的單自由度運動副由滑道和滑塊構(gòu)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(zhuǎn)動副，另一端通過三自由度球鉸鏈與運動臺相連；另外的兩個分支采用伸縮連桿構(gòu)成單自由度運動副，該兩個連桿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(quán)利要求1所說的空間三軸并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)，其特征在于其中的兩個分支采用伸縮連桿構(gòu)成單自由度運動副，該兩支連桿與固定臺的連接為轉(zhuǎn)動副，與動平臺的連接為三自由度球鉸鏈；另外的兩個分支采用定長連桿，所說的單自由度運動副由滑道和滑塊構(gòu)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(fā)明屬機械制造領(lǐng)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(fā)明具有高剛度,高精度,低運動質(zhì)量,高動態(tài)性能,構(gòu)造簡單,成本低,易制造等特點。
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(yōu)先權(quán)日2000年4月21日
發(fā)明者汪勁松, 劉辛軍, 段廣洪, 葉佩青 申請人:清華大學(xué)