專利名稱：五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機械制造領域，特別涉及一種五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床。
數(shù)控機床是機械制造的重要設備，其性能的好壞標志著一個國家制造業(yè)的水平。近十年來，國際上出現(xiàn)了一種新概念機床——虛擬軸機床(VirtualAxis Machine Tool)，也稱之為六條腳機床(6-Leg Machine Tool)或并聯(lián)機床(Parallel Machine Tool)。虛擬軸機床是國際上數(shù)控研究領域非常關注的熱點課題，國內(nèi)外學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、技術密集的機電一體化高技術產(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)控加工等多學科應用技術的交叉。虛擬軸機床采用并聯(lián)結構，具有模塊化程度高、運動部件質量輕、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。
在《機電信息》1998(1)25-24中報道，1994年，在芝加哥國際制造技術展覽會(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虛擬軸機床。在這之后國內(nèi)外許多學者和著名的機床制造廠都非常關注虛擬軸機床的設計理論研究和樣機的研制?！妒澜缰圃旒夹g與裝備市場》1998(1)17-21中報道，在97年的歐洲國際機床展覽會(EMO’97)上，美國、日本、德國、瑞士、俄羅斯等大學和機床制造商展出了10余臺虛擬軸機床樣機。
《制造技術與機床》1998(2)42-45中報道，清華大學研制了VAMTIY型，哈爾濱工業(yè)大學研制了六自由度虛擬軸機床樣機，天津大學研制了三自由度虛擬軸機床樣機。這些虛擬軸機床強烈地沖擊了近代機床200余年一直不變按笛卡兒坐標體系設計機床的傳統(tǒng)，人們認為虛擬軸機床將是21世紀新概念機床的形式。
盡管國內(nèi)外有許多學者、學校和機床制造商研制出了多種虛擬軸機床樣機，但是這些虛擬軸機床樣機都是采用六自由度并聯(lián)機構來實現(xiàn)五軸運動，不僅浪費了一個軸的驅動與傳動裝置，而且使機床造價相對提高，并增加了控制與制造難度。另外國內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)五自由度五軸并聯(lián)機構。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足之處而提供一種五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床(FG5VPMT)。
本發(fā)明的技術解決方案如下五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床的結構是，運動臺通過五支連桿與固定臺連接，五支連桿與運動臺的連接是分布在運動臺上的鉸鏈，五支連桿與固定臺的連接是分布在固定臺上的運動副。運動臺上裝著電主軸和刀具。
五支連桿中每支連桿可以是伸縮連桿，也可以是定長連桿。
固定臺上的運動副是鉸鏈或移動副或轉動副。
移動副是由固定臺面板上的滑道和滑塊組成，滑塊裝在滑道上，滑塊上裝著鉸鏈，定長連桿通過鉸鏈與滑塊連接。
轉動副是在固定臺的固定軸上連接著曲柄，曲柄的另一端裝著鉸鏈，定長連桿通過鉸鏈與曲柄連接。
鉸鏈可以是球鉸，也可以是虎克鉸。
五支連桿中必須有一支連桿與運動臺和固定臺連接的兩端都是虎克鉸，其余四支連桿中每支連桿與運動臺和固定臺或固定臺上滑塊的連接兩端必須都是球鉸，或一端是球鉸，另一端是虎克鉸。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有如下優(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，低運動質量，高動態(tài)性能，構造簡單，相同零件數(shù)量多，成本低，易制造等特點。
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，結構簡單、系統(tǒng)運動非線性度和耦合度明顯降低，控制算法簡單，造價低。
3、本發(fā)明五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床加工裝配工藝性好。
4、本發(fā)明五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床在空間曲面加工中有著廣泛的應用前景。
附圖的圖面說明如下


圖1是本發(fā)明FG5VPMT-1型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床的結構示意圖；圖2是本發(fā)明FG5VPMT-1型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床的機構簡圖；圖3是本發(fā)明FG5VPMT-2型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床的結構示意圖；圖4是本發(fā)明FG5VPMT-2型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床的機構簡圖；圖5是本發(fā)明FG5VPMT-3型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床的結構示意圖；圖6是本發(fā)明FG5VPMT-3型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床的機構簡圖；圖7是本發(fā)明FG5VPMT-4型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床的結構示意圖；圖8是本發(fā)明FG5VPMT-4型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床的機構簡圖。
圖9是本發(fā)明FG5VPMT-5型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床的結構示意圖；圖10是本發(fā)明FG5VPMT-5型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床的機構簡圖；圖11是本發(fā)明FG5VPMT-6型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床的結構示意圖；圖12是本發(fā)明FG5VPMT-6型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床的機構簡圖。
下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步詳述實施例1FG5VPMT-1型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床FG5VPMT-1型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床結構如圖1、圖2所示，運動臺(20)通過五支連桿(3)、(9)、(10)、(16)、(19)與由三個互相垂直的側面板(1)、頂面板(12)、背面板(14)組成的固定臺連接，五支連桿與運動臺連接的運動副分布在運動臺的三個互相垂直平面上。兩個雙支定長連桿(3)和(9)、(16)和(19)分別通過球鉸(2)和(6)、(26)和(27)與運動臺兩個垂直平面連接，兩個雙支定長連桿(3)和(9)、(16)和(19)分別通過虎克鉸(4)和(8)、(24)和(25)與固定臺側面板(1)、背面板(14)上的滑塊(5)和(7)、(15)和(18)連接，滑塊(5)和(7)裝在側面板(1)的滑道上，滑塊(15)和(18)裝在背面板(14)的滑道上。單支定長連桿(10)的一端通過虎克鉸(17)與運動臺的另一個平面連接，單支定長連桿(10)的另一端通過虎克鉸(11)與固定臺頂面板(12)上的滑塊(13)連接，滑塊(13)裝在頂面板(12)的滑道內(nèi)。運動臺上裝著電主軸和刀具(21)，底座(23)上裝著加工工件(22)。
本發(fā)明機床為一體化結構，運動工作臺、固定臺三個互相垂直的平面、三支連桿及其虎克鉸、球鉸、移動副均為一體?；瑝K(5)、(7)、(13)、(15)、(18)、電主軸與外接動力源連接。運動臺(20)和刀具(21)通過滑塊(5)、(7)、(13)、(15)、(18)的移動來實現(xiàn)沿XYZ軸的三維移動和繞X、Y軸的兩維轉動的五軸運動，從而完成對工件(22)的切削加工。
實施例2FG5VPMT-2型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床FG5VPMT-2型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床結構如圖3、圖4所示，運動臺(46)通過五支連桿(30)、(36)、(37)、(42)、(45)與由三個互相垂直的側面板(28)、頂面板(38)、背面板(40)組成的固定臺連接，五支連桿與運動臺連接的運動副分布在運動臺的三個互相垂直平面上。兩個雙支定長連桿(30)和(36)、(42)和(45)分別通過球鉸(29)和(33)、(52)和(53)與運動臺兩個垂直平面連接，兩個雙支定長連桿(30)和(36)、(42)和(45)分別通過虎克鉸(31)和(35)、(50)和(51)與固定臺側面板(28)、背面板(40)上的滑塊(32)和(34)、(41)和(44)連接，滑塊(32)和(34)裝在側面板(28)的滑道上，滑塊(41)和(44)裝在背面板(40)的滑道上。單支伸縮連桿(37)的一端通過虎克鉸(43)與運動臺的另一個平面連接，單支伸縮連桿(37)的另一端通過虎克鉸(39)與固定臺頂面板(38)連接。運動臺上裝著電主軸和刀具(47)，底座(49)上裝著加工工件(48)。滑塊(32)、(34)、(41)、(44)、伸縮連桿(37)、電主軸與外接動力源連接。運動臺(46)和刀具(47)通過滑塊(32)、(34)、(41)、(44)和伸縮連桿(37)的移動來實現(xiàn)沿XYZ軸的三維移動和繞X、Y軸的兩維轉動的五軸運動，從而完成對工件(48)的切削加工。
實施例3FG5VPMT-五型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床FG5VPMT-3型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床結構如圖5、圖6所示，運動臺(71)通過五支連桿(56)、(60)、(61)、(67)、(70)與由三個互相垂直的側面板(54)、頂面板(63)、背面板(65)組成的固定臺連接，五支連桿與運動臺連接的運動副分布在運動臺的三個互相垂直平面上。兩個雙支伸縮連桿(56)和(60)、(67)和(70)分別通過球鉸(55)和(58)、(76)和(75)與運動臺兩個垂直平面連接，兩個雙支伸縮連桿(56)和(60)、(67)和(70)分別通過虎克鉸(57)和(59)、(66)和(69)與固定臺側面板(54)、背面板(65)連接。單支定長連桿(61)的一端通過虎克鉸(68)與運動臺的另一個平面連接，單支定長連桿(61)的另一端通過虎克鉸(62)與固定臺頂面板(63)上的滑塊(64)連接，滑塊(64)裝在頂面板(63)的滑道內(nèi)。運動臺上裝著電主軸和刀具(72)，底座(74)上裝著加工工件(73)。伸縮連桿(56)、(60)、(67)、(70)、滑塊(64)、電主軸與外接動力源連接。運動臺(71)和刀具(72)通過滑塊(64)、四支伸縮連桿(56)和(60)、(67)和(70)的移動來實現(xiàn)沿XYZ軸的三維移動和繞X、Y軸的兩維轉動的五軸運動，從而完成對工件(73)的切削加工。
實施例4FG5VPMT-4型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床FG5VPMT-4型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床結構如圖7、圖8所示，運動臺(93)通過五支連桿(79)、(83)、(84)、(89)、(92)與由三個互相垂直的側面板(77)、頂面板(85)、背面板(87)組成的固定臺連接，五支伸縮連桿與運動臺連接的運動副分布在運動臺的三個互相垂直平面上。五支伸縮連桿(79)、(83)、(84)、(89)、(92)分別通過虎克鉸(80)、(82)、(86)、(88)、(91)與固定臺側面板(77)、頂面板(85)、背面板(87)連接。兩個雙支伸縮連桿(79)和(83)、(89)和(92)分別通過球鉸(78)和(81)、(98)和(97)與運動臺兩個垂直平面連接。單支伸縮連桿(84)通過虎克鉸(90)與運動臺的另一個平面連接。運動臺上裝著電主軸和刀具(94)，底座(96)上裝著加工工件(95)。五支伸縮連桿(79)、(83)、(84)、(89)、(92)、電主軸與外接動力源連接。運動臺(93)和刀具(94)通過五支伸縮連桿(79)和(83)、(84)、(89)和(92)的移動來實現(xiàn)沿XYZ軸的三維移動和繞X、Y軸的兩維轉動的五軸運動，從而完成對工件(95)的切削加工。
實施例5FG5VPMT-5型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床FG5VPMT-5型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床結構如圖9、圖10所示，任意形狀的運動臺(119)通過五支定長連桿(103)、(104)、(105)、(115)、(116)與由側面板(99)和(117)、頂面板(110)組成的任意形狀的固定臺連接，五支定長連桿與運動臺連接的運動副分布在運動臺上。四支定長連桿(103)、(104)、(115)、(116)分別通過球鉸(100)、(101)、(125)、(118)和(106)、(123)、(111)、(114)與運動臺(119)和固定臺側面板(99)、(117)上的滑塊(107)、(124)、(112)、(113)連接，滑塊(107)、(124)、(112)、(113)在側面板(99)、(117)的滑道上，定長連桿(105)通過虎克鉸(102)和(108)與固定臺頂面板(110)上的滑塊(109)連接，滑塊(109)在頂面板(110)的滑道內(nèi)。運動臺上裝著電主軸和刀具(120)，底座(122)上裝著加工工件(121)。五支定長連桿(103)、(104)、(105)、(115)、(116)、電主軸與外接動力源連接。運動臺(119)和刀具(120)通過滑塊(107)、(124)、(109)、(112)、(113)的移動來實現(xiàn)沿XYZ軸的三維移動和繞X、Y軸的兩維轉動的五軸運動，從而完成對工件(121)的切削加工。
實施例6FG5VPMT-6型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床FG5VPMT-6型五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床結構如圖11、圖12所示，任意形狀的運動臺(149)通過五支定長連桿(130)、(131)、(132)、(145)、(146)與由兩個側面板(126)、(147)和滑桿(138)、(140)、(141)組成的固定臺連接，五支定長連桿與運動臺連接的運動副分布在運動臺上。四支定長連桿(130)、(132)、(145)、(146)分別通過球鉸(127)、(129)、(154)、(148)和(133)、(153)、(143)、(144)與運動臺(149)和固定臺滑桿(138)、(141)上的滑塊(135)、(137)、(139)、(142)連接，定長連桿(131)通過虎克鉸(128)和(134)與固定臺滑桿(140)上的滑塊(136)連接。運動臺上裝著電主軸和刀具(150)，底座(152)上裝著加工工件(151)。五支定長連桿(130)、(131)、(132)、(145)、(146)、電主軸與外接動力源連接。運動臺(149)和刀具(150)通過滑塊(135)、(137)、(139)、(136)、(142)的移動來實現(xiàn)沿XYZ軸的三維移動和繞X、Y軸的兩維轉動的五軸運動，從而完成對工件(151)的切削加工。
權利要求
1.一種五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床，包括固定臺、運動臺、連接固定臺與運動臺的連桿，其特征在于運動臺通過五支連桿與固定臺連接，五支連桿與運動臺的連接是分布在運動臺上的鉸鏈，五支連桿與固定臺的連接是分布在固定臺上的運動副，運動臺上裝著電主軸和刀具。
2.按照權利要求1所說的五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床，其特征在于五支連桿中每支連桿可以是伸縮連桿，也可以是定長連桿。
3.按照權利要求1所說的五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床，其特在于固定臺上的運動副是鉸鏈或移動副或轉動副。
4.按照權利要求3所說的移動副，其特征在于移動副是由固定臺面板上的滑道和滑塊組成，面板上有滑道，滑道上裝著滑塊，滑塊上裝著鉸鏈，定長連桿通過鉸鏈與滑塊連接。
5.按照權利要求3所說的轉動副，其特征在于轉動副是在固定臺的固定軸上連接著曲柄，曲柄的另一端裝著鉸鏈，定長連桿通過鉸鏈與曲柄連接。
6.按照權利要求1至5所說的五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床，其特征在于鉸鏈可以是球鉸，也可以是虎克鉸。
7.按照權利要求1至5所說的五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床，其特征在于五支連桿中必須有一支連桿與運動臺和固定臺或固定臺上的滑塊的連接都是虎克鉸，其余四支連桿中每支連桿與運動臺和固定臺或固定臺上的滑塊的連接兩端都是球鉸。
8.按照權利要求1至5所說的五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床，其特征在于五支連桿中必須有一支連桿與運動臺和固定臺或固定臺上的滑塊的連接都是虎克鉸，其余四支連桿中每支連桿與運動臺和固定臺或固定臺上滑塊的連接兩端一端是球鉸，另一端是虎克鉸。
9.按照權利要求6所說的五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床，其特征在于五支連桿中必須有一支連桿與運動臺和固定臺或固定臺上的滑塊的連接都是虎克鉸，其余四支連桿中每支連桿與運動臺和固定臺或固定臺上的滑塊的連接兩端都是球鉸。
10.按照權利要求6所說的五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床，其特征在于五支連桿中必須有一支連桿與運動臺和固定臺或固定臺上的滑塊的連接都是虎克鉸，其余四支連桿中每支連桿與運動臺和固定臺或固定臺上滑塊的連接兩端一端是球鉸，一端是虎克鉸。
全文摘要
一種五自由度五軸并聯(lián)虛擬軸機床,其結構是運動臺通過五支連桿與固定臺連接,五支連桿通過鉸鏈與運動臺連接,五支連桿通過運動副與固定臺連接,每支連桿可以是伸縮連桿,也可以是定長連桿。運動臺上裝著電主軸和刀具。本發(fā)明系統(tǒng)運動非線性度和耦合度明顯降低、加工裝配工藝性好、造價低,可廣泛用于空間曲面(如模具、葉輪、螺旋齒輪等)的加工中。
文檔編號B23Q1/25GK1258585SQ0010019
公開日2000年7月5日 申請日期2000年1月17日 優(yōu)先權日2000年1月17日
發(fā)明者高峰, 劉辛軍, 金振林, 趙現(xiàn)朝 申請人:河北工業(yè)大學