專利名稱：一種五自由度混聯(lián)數(shù)控機床的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)控機床，特別是涉及一種五自由度混聯(lián)數(shù)控機床。
背景技術(shù)：
近十幾年來，并聯(lián)/混聯(lián)數(shù)控機床是國內(nèi)外數(shù)控機床研究領(lǐng)域非常關(guān)注的熱點課題。并聯(lián)/混聯(lián)機床與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控機床相比具有許多優(yōu)點。傳統(tǒng)機床為串聯(lián)、開鏈式結(jié)構(gòu)，為了實現(xiàn)五軸加工，需要在傳統(tǒng)數(shù)控機床上再增加兩個軸控制刀具姿態(tài)或者控制工作臺位姿，并且這些軸都是按串聯(lián)形式布置的，因此在五軸聯(lián)動時運動慣性大，剛度較弱，動態(tài)性能較差，末端切削精度較低。而并聯(lián)機床由動平臺、靜平臺和幾條簡單的串聯(lián)支鏈組成，混聯(lián)機床為并聯(lián)機構(gòu)和串聯(lián)定位頭組成，結(jié)構(gòu)簡單、工作空間與機構(gòu)體積之比大，剛度高，精度高，靈活性好，適合做復(fù)雜空間曲面的數(shù)控加工。由現(xiàn)有專利文獻 CN1958229A、CN2476392A、CN1788899A 和 CN201744858U 可知，現(xiàn)有的一類并聯(lián)機床，由靜平臺、動平臺和幾條伸縮支鏈組成，這幾個專利存在的一個關(guān)鍵問題是:它們過多地使用了球鉸，導(dǎo)致整機剛度低、精度低?，F(xiàn)有專利文獻CN101774128A所述的并聯(lián)機床，使用的桿件和鉸鏈較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，剛度不高，工作空間較小?，F(xiàn)有專利文獻CN201324943Y和CN201833184U所述的并聯(lián)機床，大量采用虎克鉸、三自由度轉(zhuǎn)動鉸或球鉸，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整機剛度差。由現(xiàn)有專利文獻 GB2173472 (或 EP0200369、US4790718)、SE8502327 (或US4732525)、CN1524662、CN1709657A、CN1439492A可知，現(xiàn)有一類帶定位頭的空間混聯(lián)機器人用于數(shù)控加工，包括幾個可沿軸向伸長或縮短的調(diào)節(jié)裝置；所述調(diào)節(jié)裝置的一端通過虎克鉸連接在固定架上，所述調(diào)節(jié)裝置的另一端通過三轉(zhuǎn)動自由度鉸鏈與動平臺相連，導(dǎo)致機構(gòu)的整體剛度較低，負載能力較差；有的專利中還附加了被動支鏈與動平臺剛性連接，并通過虎克鉸與固定架相連接，以限制定位頭的某幾個自由度。在這類機器人結(jié)構(gòu)中，被動支鏈不僅使機構(gòu)變得復(fù)雜，而且運動構(gòu)件數(shù)量多，使其在運動過程中容易發(fā)生干涉，減小了工作空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種五自由度混聯(lián)數(shù)控機床，該機床具有較高整機剛度、精度和負載能力，并且結(jié)構(gòu)簡單，成本低，工作空間大，能夠有效提高機械加工效率。本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:一種五自由度混聯(lián)數(shù)控機床，包括立柱、床身、工作臺和加工單元；所述立柱垂直固定在所述床身上，所述工作臺固定連接在所述床身上；所述加工單元包括支撐架、動平臺、第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈和定位頭，所述支撐 架垂直轉(zhuǎn)動連接在所述床身上，位于所述立柱的右側(cè)；所述第一支鏈包括一支鏈水平連接銷軸、一支鏈托板、一支鏈支座和一支鏈直線驅(qū)動裝置，所述一支鏈直線驅(qū)動裝置的輸出端與所述一支鏈托板連接；所述一支鏈支座與所述支撐架通過與它們均垂直的兩個所述一支鏈水平連接銷軸轉(zhuǎn)動連接，所述一支鏈支座的轉(zhuǎn)動軸線與所述一支鏈直線驅(qū)動裝置的驅(qū)動方向和所述支撐架的轉(zhuǎn)動軸線均垂直，所述一支鏈托板的一個端部與所述動平臺的下側(cè)固接；所述第二支鏈包括二支鏈水平連接銷軸、二支鏈托板、二支鏈支座和二支鏈直線驅(qū)動裝置，所述二支鏈直線驅(qū)動裝置的輸出端與所述二支鏈托板連接；所述二支鏈支座與所述支撐架通過與它們均垂直的兩個所述二支鏈水平連接銷軸轉(zhuǎn)動連接，所述二支鏈支座的轉(zhuǎn)動軸線與所述二支鏈直線驅(qū)動裝置的驅(qū)動方向和所述支撐架的轉(zhuǎn)動軸線均垂直，所述二支鏈托板的一個端部與所述動平臺的上側(cè)鉸接；所述第三支鏈包括第一叉形結(jié)構(gòu)、三支鏈連接銷軸、三支鏈托板、三支鏈支座和三支鏈直線驅(qū)動裝置，所述三支鏈直線驅(qū)動裝置的輸出端與所述三支鏈托板連接；所述第一叉形結(jié)構(gòu)設(shè)有叉部和柄部，所述第一叉形結(jié)構(gòu)的叉部在其內(nèi)部通過兩個所述三支鏈連接銷軸與所述三支鏈支座鉸接，所述第一叉形結(jié)構(gòu)的柄部與所述立柱的左側(cè)通過轉(zhuǎn)動副連接，所述三支鏈托板的一個端部與所述動平臺通過第二叉形結(jié)構(gòu)連接，所述第二叉形結(jié)構(gòu)設(shè)有叉部和柄部，所述第二叉形結(jié)構(gòu)的叉部通過左端鉸鏈與所述三支鏈托板連接，所述第二叉形結(jié)構(gòu)的柄部通過轉(zhuǎn)動副與所述動平臺的左側(cè)連接，所述三支鏈連接銷軸的轉(zhuǎn)動軸線與所述左端鉸鏈的轉(zhuǎn)動軸線均與所述三支鏈直線驅(qū)動裝置的驅(qū)動方向垂直；所述定位頭包括外支撐框架、內(nèi)支撐框架和電主軸，所述外支撐框架采用叉形結(jié)構(gòu)，所述外支撐框架在叉形結(jié)構(gòu)的外部設(shè)有與所述動平臺垂直轉(zhuǎn)動連接的定位頭外部鉸鏈，所述定位頭外部鉸鏈由第一伺服電機驅(qū)動，所述第一伺服電機安裝在所述動平臺上；所述外支撐框架在叉形結(jié)構(gòu)的內(nèi)部通過定位頭內(nèi)部鉸鏈與所述內(nèi)支撐框架連接，所述內(nèi)支撐框架與第二伺服電機通過傳動機構(gòu)連接，所述第二伺服電機安裝在所述外支撐框架上；所述定位頭內(nèi)部鉸鏈的轉(zhuǎn)動軸線和所述定位頭外部鉸鏈的轉(zhuǎn)動軸線垂直；所述電主軸垂直安裝在所述內(nèi)支撐框架上。所述一支鏈直線驅(qū)動裝置包括與所述一支鏈支座通過法蘭盤固接的空心軸電機、絲杠、螺母、螺母支撐座和直線導(dǎo)軌；所述絲杠的兩端均固定在所述一支鏈托板上；所述螺母與所述空心軸電機的輸出端連接，所述螺母通過螺紋連接在所述絲杠上，所述螺母通過轉(zhuǎn)動副連接在所述螺母支撐座上，所述螺母支撐座的底部固接有滑塊，所述滑塊安裝在與其適配的所述直線導(dǎo)軌上，所述直線導(dǎo)軌固定在所述一支鏈托板上；所述絲杠穿過所述空心軸電機、所述一支鏈支座和所述螺母支撐座。

所述一支鏈托板的背面設(shè)有筋板，使所述一支鏈托板的橫截面呈T形。所述二支鏈直線驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)和所述三支鏈直線驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)均與所述一支鏈直線驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)相同。所述一支鏈直線驅(qū)動裝置、所述二支鏈直線驅(qū)動裝置和所述三支鏈直線驅(qū)動裝置為直線電機、液壓缸和氣缸中的任意一種。本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是:一)和串聯(lián)機床相比，結(jié)構(gòu)簡單、工作空間與機構(gòu)體積之比大，剛度高，精度高，靈活性好,適合做復(fù)雜空間曲面的數(shù)控加工；二)由于只有三條主動支鏈，減少了被動支鏈，因而減少了運動構(gòu)件數(shù)量，降低了機構(gòu)的復(fù)雜程度，降低了成本；三)由于第一支鏈與動平臺剛性連接，可以實現(xiàn)直接測量，因而使整機具有高精度的特點；
四)具有高剛度、高精度和五自由度，可以實現(xiàn)五軸聯(lián)動數(shù)控加工。


圖1 (a)和圖1 (b)為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明第一支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為能進一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下:請參閱圖1 (a)和圖1 (b)，下文中的方向均以圖1 (a)中的方向為準。一種五自由度混聯(lián)數(shù)控機床，包括立柱1、床身8、工作臺10和加工單元；所述立柱I垂直固定在所述床身8上，所述工作臺10固定連接在所述床身8上；所述加工單元包括支撐架2、動平臺5、第一支鏈3、第二支鏈4、第三支鏈7和定位頭9，所述支撐架2垂直轉(zhuǎn)動連接在所述床身8上，位于所述立柱I的右側(cè)。在本實施例中，所述支撐架2通過推力球軸承與床身8相連，支撐架2具有一個旋轉(zhuǎn)自由度，旋轉(zhuǎn)軸線與床身8垂直。請參閱圖2，所述第一支鏈3包括一支鏈水平連接銷軸36、一支鏈托板32、一支鏈支座35和一支鏈直線驅(qū)動裝置，所述一支鏈直線驅(qū)動裝置的輸出端與所述一支鏈托板32連接；所述一支鏈支座35與所述支撐架2通過與它們均垂直的兩個所述一支鏈水平連接銷軸36轉(zhuǎn)動連接，一支鏈水平連接銷軸36的一端與所述一支鏈支座35固接，另一端通過軸承與所述支撐架2轉(zhuǎn)動連接。所述一支鏈支座35的轉(zhuǎn)動軸線與所述一支鏈直線驅(qū)動裝置的驅(qū)動方向和所述支撐架2的轉(zhuǎn)動軸線均垂直，所述一支鏈托板32的一個端部與所述動平臺5的下側(cè)固接。在本實施例中，所述一支鏈直線驅(qū)動裝置包括與所述一支鏈支座35固接的空心軸電機34、絲杠 31、螺母37、螺母支撐座38和直線導(dǎo)軌33，所述絲杠31的兩端均固定在所述一支鏈托板32上，所述螺母37與所述空心軸電機34的輸出端連接，所述螺母37通過螺紋連接在所述絲杠31上，所述螺母37通過轉(zhuǎn)動副連接在所述螺母支撐座38上，所述螺母支撐座38的底部固接有滑塊，所述滑塊安裝在與其適配的直線導(dǎo)軌38上，所述直線導(dǎo)軌38固定在所述一支鏈托板32上；所述絲杠31穿過所述空心軸電機34、所述一支鏈支座35和所述螺母支撐座38。空心軸電機34帶動螺母37旋轉(zhuǎn)，螺母37驅(qū)動絲杠31移動，絲杠31帶動一支鏈托板32移動，這樣就實現(xiàn)了第一支鏈的伸縮驅(qū)動。特別說明，在一支鏈托板32的背面安裝了一條筋板，形成了橫截面為T形的托板，這是因為第一支鏈3與動平臺5剛性連接，承受著大部分力與力矩，布置T形托板有利于提高整機剛度。第二、三支鏈4、7主要用來調(diào)整動平臺姿態(tài)，承受的力與力矩較小，因此可以使用不帶筋板的托板。一支鏈直線驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)形式并不限于上述結(jié)構(gòu)，還可以是直線電機、液壓缸和氣缸中的任意一種。所述第二支鏈4與所述第一支鏈3的相同之處在于:所述第二支鏈包括二支鏈水平連接銷軸、二支鏈托板、二支鏈支座和二支鏈直線驅(qū)動裝置，所述二支鏈直線驅(qū)動裝置的輸出端與所述二支鏈托板連接；所述二支鏈支座與所述支撐架通過與它們均垂直的兩個所述二支鏈水平連接銷軸轉(zhuǎn)動連接，所述二支鏈支座的轉(zhuǎn)動軸線與所述二支鏈直線驅(qū)動裝置的驅(qū)動方向和所述支撐架的轉(zhuǎn)動軸線均垂直。
所述第二支鏈與所述第一支鏈的不同之處在于:所述二支鏈托板的一個端部與所述動平臺的上側(cè)鉸接，鉸鏈為銷軸與軸承所構(gòu)成的轉(zhuǎn)動副。所述第三支鏈7包括第一叉形結(jié)構(gòu)6、三支鏈連接銷軸、三支鏈托板、三支鏈支座和三支鏈直線驅(qū)動裝置，所述三支鏈直線驅(qū)動裝置的輸出端與所述三支鏈托板連接；所述第一叉形結(jié)構(gòu)設(shè)有叉部和柄部，所述第一叉形結(jié)構(gòu)6的叉部在其內(nèi)部通過兩個所述連接銷軸與所述三支鏈支座鉸接，所述第一叉形結(jié)構(gòu)6的柄部與所述立柱I的左側(cè)通過轉(zhuǎn)動副連接，所述三支鏈托板的一個端部與所述動平臺5通過第二叉形結(jié)構(gòu)連接，所述第二叉形結(jié)構(gòu)設(shè)有叉部和柄部，所述第二叉形結(jié)構(gòu)的叉部通過左端鉸鏈與所述三支鏈托板連接，所述第二叉形結(jié)構(gòu)的柄部通過轉(zhuǎn)動副與所述動平臺5的左側(cè)連接，所述三支鏈連接銷軸的轉(zhuǎn)動軸線與所述左端鉸鏈的轉(zhuǎn)動軸線均與所述三支鏈直線驅(qū)動裝置的驅(qū)動方向垂直。較好的方案是:所述二支鏈直線驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)和所述三支鏈直線驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)均與所述一支鏈直線驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)相同。所述定位頭9包括外支撐框架92、內(nèi)支撐框架95和電主軸94，所述外支撐框架92采用叉形結(jié)構(gòu)，所述外支撐框架92在其叉形結(jié)構(gòu)的外部設(shè)有與所述動平臺5垂直轉(zhuǎn)動連接的定位頭外部鉸鏈，所述定位頭外部鉸鏈由第一伺服電機91驅(qū)動，所述第一伺服電機91安裝在所述動平臺5上；所述外支撐框架92在其叉形結(jié)構(gòu)的內(nèi)部通過定位頭內(nèi)部鉸鏈與所述內(nèi)支撐框架95連接，所述內(nèi)支撐框架95與第二伺服電機93通過傳動機構(gòu)連接，所述第二伺服電機93安裝在所述外支撐框架92上；所述定位頭內(nèi)部鉸鏈的轉(zhuǎn)動軸線和所述定位頭外部鉸鏈的轉(zhuǎn)動軸線垂直；所述電主軸94垂直安裝在所述內(nèi)支撐框架95上。上述定位頭9具有兩個轉(zhuǎn)動自由度，采用模塊化設(shè)計，外支撐框架92與動平臺5通過軸承相連接，由第一伺服電機91驅(qū)動；內(nèi)支撐框架95安裝在外支撐框架92上，通過第二伺服電機93和齒輪傳動來控制內(nèi)支撐框架95旋轉(zhuǎn)，內(nèi)支撐框架95用于安裝電主軸94 ；內(nèi)外支撐框架的旋轉(zhuǎn)軸線垂直。

在加工單元中，支撐架2、第一支鏈3、第二支鏈4、第三支鏈7和動平臺5形成了三自由度并聯(lián)機構(gòu)，再在動平臺5上串聯(lián)一個兩自由度定位頭9，機床在加工時有五個驅(qū)動裝置驅(qū)動加工單元調(diào)整末端姿態(tài)，從而實現(xiàn)五軸聯(lián)動加工。以上對本發(fā)明及其實施方式的描述是示意性的，沒有限制性，附圖中所示的也只是本發(fā)明的實施方式之一，實際結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，采用其他形式的支鏈、驅(qū)動裝置、鉸鏈連接以及定位頭，不經(jīng)過創(chuàng)造性設(shè)計，提出與上述技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實施方式，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種五自由度混聯(lián)數(shù)控機床，其特征在于，包括立柱、床身、工作臺和加工單元；所述立柱垂直固定在所述床身上，所述工作臺固定連接在所述床身上； 所述加工單元包括支撐架、動平臺、第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈和定位頭，所述支撐架垂直轉(zhuǎn)動連接在所述床身上，位于所述立柱的右側(cè)； 所述第一支鏈包括一支鏈水平連接銷軸、一支鏈托板、一支鏈支座和一支鏈直線驅(qū)動裝置，所述一支鏈直線驅(qū)動裝置的輸出端與所述一支鏈托板連接；所述一支鏈支座與所述支撐架通過與它們均垂直的兩個所述一支鏈水平連接銷軸轉(zhuǎn)動連接，所述一支鏈支座的轉(zhuǎn)動軸線與所述一支鏈直線驅(qū)動裝置的驅(qū)動方向和所述支撐架的轉(zhuǎn)動軸線均垂直，所述一支鏈托板的一個端部與所述動平臺的下側(cè)固接； 所述第二支鏈包括二支鏈水平連接銷軸、二支鏈托板、二支鏈支座和二支鏈直線驅(qū)動裝置，所述二支鏈直線驅(qū)動裝置的輸出端與所述二支鏈托板連接；所述二支鏈支座與所述支撐架通過與它們均垂直的兩個所述二支鏈水平連接銷軸轉(zhuǎn)動連接，所述二支鏈支座的轉(zhuǎn)動軸線與所述二支鏈直線驅(qū)動裝置的驅(qū)動方向和所述支撐架的轉(zhuǎn)動軸線均垂直，所述二支鏈托板的一個端部與所述動平臺的上側(cè)鉸接； 所述第三支鏈包括第一叉形結(jié)構(gòu)、三支鏈連接銷軸、三支鏈托板、三支鏈支座和三支鏈直線驅(qū)動裝置，所述三支鏈直線驅(qū)動裝置的輸出端與所述三支鏈托板連接；所述第一叉形結(jié)構(gòu)設(shè)有叉部和柄部，所述第一叉形結(jié)構(gòu)的叉部在其內(nèi)部通過兩個所述三支鏈連接銷軸與所述三支鏈支座鉸接，所述第一叉形結(jié)構(gòu)的柄部與所述立柱的左側(cè)通過轉(zhuǎn)動副連接，所述三支鏈托板的一個端部與所述動平臺通過第二叉形結(jié)構(gòu)連接，所述第二叉形結(jié)構(gòu)設(shè)有叉部和柄部，所述第二叉形結(jié)構(gòu)的叉部通過左端鉸鏈與所述三支鏈托板連接，所述第二叉形結(jié)構(gòu)的柄部通過轉(zhuǎn)動副與所述動平臺的左側(cè)連接，所述三支鏈連接銷軸的轉(zhuǎn)動軸線與所述左端鉸鏈的轉(zhuǎn)動軸線均與所述三支鏈直線驅(qū)動裝置的驅(qū)動方向垂直； 所述定位頭包括外支撐框架、內(nèi)支撐框架和電主軸，所述外支撐框架采用叉形結(jié)構(gòu)，所述外支撐框架在叉形結(jié)構(gòu)的外部設(shè)有與所述動平臺垂直轉(zhuǎn)動連接的定位頭外部鉸鏈，所述定位頭外部鉸鏈由第一伺服電機驅(qū)動，所述第一伺服電機安裝在所述動平臺上；所述外支撐框架在叉形結(jié)構(gòu)的內(nèi)部通過定位頭內(nèi)部鉸鏈與所述內(nèi)支撐框架連接，所述內(nèi)支撐框架與第二伺服電機通過傳動機構(gòu)連接，所述第二伺服電機安裝在所述外支撐框架上；所述定位頭內(nèi)部鉸鏈的轉(zhuǎn)動軸線和所述定位頭外部鉸鏈的轉(zhuǎn)動軸線垂直；所述電主軸垂直安裝在所述內(nèi)支撐框架上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的五自由度混聯(lián)數(shù)控機床，其特征在于，所述一支鏈直線驅(qū)動裝置包括與所述一支鏈支座固接的空心軸電機、絲杠、螺母、螺母支撐座和直線導(dǎo)軌； 所述絲杠的兩端均固定在所述一支鏈托板上； 所述螺母與所述空心軸電機的輸出端連接，所述螺母通過螺紋連接在所述絲杠上，所述螺母通過轉(zhuǎn)動副連接在所述螺母支撐座上，所述螺母支撐座的底部固接有滑塊，所述滑塊安裝在與其適配的所述直線導(dǎo)軌上，所述直線導(dǎo)軌固定在所述一支鏈托板上； 所述絲杠穿過所述空心軸電機、所述一支鏈支座和所述螺母支撐座。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的五自由度混聯(lián)數(shù)控機床，其特征在于，所述一支鏈托板的背面設(shè)有筋板，使所述一支鏈托板的橫截面呈T形。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的五自由度混聯(lián)數(shù)控機床，其特征在于，所述二支鏈直線驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)和所述三支鏈直線驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)均與所述一支鏈直線驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的五自由度混聯(lián)數(shù)控機床，其特征在于，所述一支鏈直線驅(qū)動裝置、所述二支鏈直線驅(qū)動裝置和所述三支鏈直線驅(qū)動裝置為直線電機、液壓缸和氣缸中的任意一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種五自由度混聯(lián)數(shù)控機床，包括立柱、床身、工作臺和加工單元；所述加工單元包括支撐架、動平臺、第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈和定位頭，支撐架、第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈和動平臺形成三自由度并聯(lián)機構(gòu)，再在動平臺上串聯(lián)一個具有兩自由度的定位頭，機床在加工時有五個驅(qū)動裝置驅(qū)動加工單元調(diào)整末端姿態(tài)，從而實現(xiàn)五軸聯(lián)動加工。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、工作空間與機構(gòu)體積之比大，具有高剛度、高精度和五自由度，可以實現(xiàn)五軸聯(lián)動，適合做復(fù)雜空間曲面的數(shù)控加工；并且成本低。
文檔編號B25J9/00GK103252683SQ20131016450
公開日2013年8月21日 申請日期2013年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月7日
發(fā)明者羅振軍, 黃田, 田永利, 陳落根, 馬躍 申請人:天津大學(xué)