一種大擺角五軸聯動混聯機床制造技術

本發明專利技術屬于機械制造技術領域，具體是一種大擺角五軸聯動混聯機床，解決了現有并/混聯機床在保證剛度前提下刀具擺角受限的弊端。其包括機床底座、并聯模塊、動平臺、底座導軌、移動導軌平臺及轉動工作臺；并聯模塊包括第一分支和第二分支，第一分支連接兩個沿Z軸的主動驅動，第二分支連接一個沿Z軸的主動驅動，并聯模塊與動平臺轉動連接形成空間并聯閉環機構，可實現XOZ平面內的兩維移動和沿X軸的一維轉動。移動導軌平臺連接一個沿底座導軌方向的主動驅動，轉動工作臺連接一個轉動工作臺軸線方向的主動驅動，可實現工件沿Y軸移動和沿Z軸的轉動。本發明專利技術結構簡單、刀具擺角大、剛度精度高、工作空間大，可實現復雜工件的五面精密加工。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于機械制造
，具體涉及一種大擺角五軸聯動混聯機床，是一種能夠應用于數控加工領域的可實現大擺角精密加工的多軸聯動裝置。
技術介紹
并聯機構是由多個支鏈構成的閉環機構，相對于傳統的串聯機構具有以下優點：并聯機床作為一種以并聯機構為機械本體的制造裝備，出現于上世紀90年代末。隨著并聯機構理論研究的不斷深入及數控技術、自動化技術和計算機技術的不斷發展，并聯機床逐漸成為一種重要的新型制造裝備而應用于現代制造業中。并聯機床與傳統串聯機床相比，具有更高的剛度重量比、更快的響應速度、更高的加工精度。從而更適用于高速、精密、重載情況下的加工。并且其模塊化程度高、易重構、柔性好，從而更易于降低加工成本。但是并聯機床存在著相對工作空間小、加工范圍有限等這樣的缺點，從而限制了其應用領域。鑒于并聯機構與串聯機構在構型上面的對偶關系，人們想到了將并聯機構和串聯機構進行組合，從而提出了混聯機構的構型，并將混聯機構作為數控機床的機械本體生產新型混聯機床。混聯機床集并、串聯機床的優勢于一身，同時又避免了并、串聯構型各自的缺點，在現代制造業中更具實用性。正因如此，這類基于并聯機構或含有并聯模塊的五軸聯動混聯加工中心得到了廣泛關注和研究，并逐步成為高速、高精度、高靈活度數控機床的發展趨勢。在2009年初開始實施的“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項中，將三自由度并聯機構功能附件以及裝備有此類功能部件的五軸聯動加工中心作為其中的課題之<br>一。可見，并聯模塊是此類裝備研發的關鍵。從加工靈活度和加工效率的角度講，并聯模塊應具備很高的轉動靈活度，以動平臺轉動能力達到90°為最佳(以期實現立臥轉換、五面加工)，而這恰恰是傳統并聯機構的局限性所在，最具影響力的SprintZ3并聯主軸頭的轉動能力也僅為40°(不能實現嚴格意義上的五面加工)。可見，在保證高剛度的前提下突破傳統并聯機構擺角受限是在此類裝備的研發過程中亟待突破的瓶頸性問題。例如：清華大學的驅動冗余3自由度并聯機構雖然在擺角的范圍得以提升達到-25°~90°，但是采用冗余驅動，這對機構的動力學控制帶來了很大麻煩，且剛度的提升有限。本專利技術提出的大擺角五軸聯動混聯機床的并聯模塊也同屬于少自由度并聯機構中的三自由度并聯機構，能實現兩維移動和一維轉動，但其動平臺可以實現更大的轉動角度。將此并聯模塊與兩自由度運動平臺組合形成大擺角的五軸聯動混聯機床，解決了現有并/混聯機床刀具擺角受限方面存在的弊端。
技術實現思路
本專利技術為了解決現有并/混聯機床在保證剛度前提下刀具擺角受限方面存在的弊端，提供了一種大擺角五軸聯動混聯機床，具有剛度高、精度高、動態性能好、可重構性強和模塊化程度高、刀具擺動角度大等優點，能夠實現對復雜工件的大擺角五軸聯動立臥加工。本專利技術采用如下的技術方案實現：一種大擺角五軸聯動混聯機床，包括機床底座、并聯模塊以及安裝刀具的動平臺，機床底座上有底座導軌、底座導軌通過移動副連接移動導軌平臺，移動導軌平臺上有固定工件的轉動工作臺；所述的并聯模塊包括第一分支和第二分支，第一分支連接兩個沿Z軸的主動驅動，第二分支連接一個沿Z軸的主動驅動，并聯模塊與動平臺轉動連接形成空間并聯閉環機構，并聯模塊和動平臺實現在XOZ平面內的兩維移動和沿X軸的一維轉動，移動導軌平臺連接一個沿底座導軌方向的主動驅動，轉動工作臺連接一個轉動工作臺軸線方向的主動驅動，移動導軌平臺及轉動工作臺實現工件沿Y軸的移動和沿Z軸的轉動。所述的并聯模塊的第一分支為2-PRR&2-PRR+R型混聯運動支鏈（P代表移動副，R代表轉動副），其包括2-PRR&2-PRR型平面并聯閉環機構以及平面并聯閉環機構連接動平臺的轉動副R；平面并聯閉環機構包括：立柱Ⅱ、連桿Ⅰ、連桿Ⅱ、滑塊Ⅰ、立柱Ⅲ、連桿Ⅲ、連桿Ⅳ、滑塊Ⅱ以及連接塊，其中連桿Ⅰ、連桿Ⅱ兩端分別通過轉動副R分別與滑塊Ⅰ、連接塊連接，連桿Ⅲ、連桿Ⅳ兩端分別通過轉動副R分別與滑塊Ⅱ、連接塊連接，滑塊Ⅰ、滑塊Ⅱ分別通過移動副P與立柱、立柱連接，且此處移動副P都為主動驅動；連桿Ⅰ、連桿Ⅱ、連桿Ⅲ以及連桿Ⅳ結構相同，平面并聯閉環機構所有轉動副R軸線相互平行，連桿Ⅰ12、連桿Ⅱ13、連桿Ⅲ18以及連桿Ⅳ19上下兩端鉸接點間距離都相等，平面并聯閉環機構所有轉動副R的軸線與平面并聯閉環機構連接動平臺的轉動副R的軸線相互垂直，此平面并聯閉環機構可以實現連接塊在XOZ平面的兩維移動。所述并聯模塊的第二分支為PUU型運動支鏈（U代表虎克鉸），包括：連桿Ⅴ、滑塊Ⅲ、虎克鉸Ⅰ、虎克鉸Ⅱ以及連接滑塊Ⅲ與立柱的移動副P，連桿Ⅴ兩端分別通過虎克鉸Ⅰ、虎克鉸Ⅱ連接動平臺和滑塊Ⅲ，連接滑塊Ⅲ與立柱的移動副P是主動驅動；與連桿Ⅴ兩端連接的虎克鉸兩條軸線平行、且分別垂直于各自虎克鉸的另一條軸線。所述的移動導軌平臺通過與底座導軌之間的沿Y軸方向的移動副P實現沿Y軸運動且其移動輸入是主動驅動；轉動平臺轉軸沿Z軸方向，通過轉動副R與移動導軌平臺連接且其轉動輸入是主動驅動。動平臺一端通過轉動副R與并聯模塊的連接塊連接、動平臺另一端通過虎克鉸Ⅰ的一軸與第二分支連接，兩端連接的轉動軸線相互平行；并聯模塊的立柱Ⅰ、立柱Ⅱ、立柱Ⅲ垂直于機床底座設置。本專利技術是一種能夠應用于零部件五面加工及實現較大擺角的裝置。本專利技術混聯機床并聯模塊中的第一分支為混聯支鏈，通過滑塊、滑塊上的伺服電機驅動滑塊沿立柱、立柱運動，實現第一分支沿Z軸方向的移動，第一分支上連接塊、轉動副Ⅰ、連桿、連桿、連桿、連桿及連桿兩端運動副可實現X軸的移動，第二分支為單一連桿，滑塊上的伺服電機控制連桿沿Z軸的移動，通過虎克鉸和虎克鉸兩個萬向鉸運動副實現繞X轉動。自此，在第一分支、第二分支共同作用下，以伺服電機作為動力源驅動立柱上的各個滑塊，實現該混聯機床刀具沿X、Z軸的移動及X軸的轉動。移動導軌平臺及轉動工作臺通過導軌方向的伺服電機驅動和轉動工作臺軸線方向的伺服電動機驅動；實現工件沿Y軸移動和沿Z軸的轉動，從而實現大擺角的五面加工工作。現有清華大學專利技術的驅動冗余3自由度并聯機構轉角范圍為-25°~90°，本專利技術的可達負角相較于此提升了，達到了，進一步將擺角范圍提升，可以應用于具有復雜曲面及需要大擺角加工的零件。本專利技術相對現有技術具有如下有益效果：所述的并聯模塊動平臺能實現XOZ平面內的兩維移動和沿X軸的一維轉動，機床刀具可實現較大擺角的加工工作，刀具的擺角可達（-40°~90°）。相較于現有清華大學專利技術的驅動冗余3自由度并聯機構擺角-25°~90°提升了，由于機床采本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種大擺角五軸聯動混聯機床，其特征在于包括機床底座（2）、并聯模塊（1）以及安裝刀具的動平臺（3），機床底座（2）上有底座導軌（6）、底座導軌（6）通過移動副連接移動導軌平臺（30），移動導軌平臺（30）上有固定工件（31）的轉動工作臺（5）；所述的并聯模塊（1）包括第一分支和第二分支，第一分支連接兩個沿Z軸的主動驅動，第二分支連接一個沿Z軸的主動驅動，并聯模塊（1）與動平臺（3）轉動連接形成空間并聯閉環機構，并聯模塊和動平臺實現在XOZ平面內的兩維移動和沿X軸的一維轉動，移動導軌平臺（30）連接一個沿底座導軌方向的主動驅動，轉動工作臺（5）連接一個轉動工作臺（5）軸線方向的主動驅動，移動導軌平臺（30）及轉動工作臺（5）實現工件（31）沿Y軸的移動和沿Z軸的轉動。

【技術特征摘要】
1.一種大擺角五軸聯動混聯機床，其特征在于包括機床底座（2）、并聯模塊（1）以及安
裝刀具的動平臺（3），機床底座（2）上有底座導軌（6）、底座導軌（6）通過移動副連接移動導
軌平臺（30），移動導軌平臺（30）上有固定工件（31）的轉動工作臺（5）；所述的并聯模塊（1）
包括第一分支和第二分支，第一分支連接兩個沿Z軸的主動驅動，第二分支連接一個沿Z軸
的主動驅動，并聯模塊（1）與動平臺（3）轉動連接形成空間并聯閉環機構，并聯模塊和動平
臺實現在XOZ平面內的兩維移動和沿X軸的一維轉動，移動導軌平臺（30）連接一個沿底座導
軌方向的主動驅動，轉動工作臺（5）連接一個轉動工作臺（5）軸線方向的主動驅動，移動導
軌平臺（30）及轉動工作臺（5）實現工件（31）沿Y軸的移動和沿Z軸的轉動。
2.根據權利要求1所述的大擺角五軸聯動混聯機床，其特征在于：所述的并聯模塊（1）
的第一分支為2-PRR&2-PRR+R型混聯運動支鏈，其包括2-PRR&2-PRR型平面并聯閉環
機構以及平面并聯閉環機構連接動平臺的轉動副R（10）；平面并聯閉環機構包括：立柱Ⅱ
（8）、連桿Ⅰ（12）、連桿Ⅱ（13）、滑塊Ⅰ（15）、立柱Ⅲ（9）、連桿Ⅲ（18）、連桿Ⅳ（19）、滑塊Ⅱ（21）
以及連接塊（25），其中連桿Ⅰ（12）、連桿Ⅱ（13）兩端分別通過轉動副R分別與滑塊Ⅰ（15）、連
接塊（25）連接，連桿Ⅲ（18）、連桿Ⅳ（19）兩端分別通過轉動副R分別與滑塊Ⅱ（21）、連接塊
（25）連接，滑塊Ⅰ（15）、滑塊Ⅱ（21）分別通過移動副P與立柱（8）、立柱（9）連接，且此處移
動副P都為主動驅動；連桿Ⅰ（12...

【專利技術屬性】
技術研發人員：薄瑞峰，魯巖，王書森，董亞峰，馬長安，王俊彥，
申請(專利權)人：中北大學，
類型：發明
國別省市：山西;14