专利名称：索驱动并联雕刻机的制作方法
技术领域：
本实用新型属于雕刻机技术领域，具体涉及一种索驱动并联雕刻机。
背景技术：
雕刻加工是一项饱含着人类高智能和高技能的工匠型劳动，但手工雕刻需要专业 的技术人员，并且生产效率低，导致雕刻产品昂贵。传统的数控铣床、CNC加工中心虽然可 以取代人工雕刻来提高效率，但其加工铜、铝等软质材料时存在着加工表面光洁度低、加工 效率不高等缺点，而高速CNC加工中心虽然可以克服以上的缺点但价格昂贵，一般的厂家 难以接受。随着计算机数控(CNC)技术及相关技术的发展，电脑雕刻机应运而生，和传统的 CNC数控设备相比，其有着转速高、加工软质材料效率高、表面光洁度高、性价比高等优点， 故当代雕刻制造技术正经历着从手工雕刻向电脑雕刻的变革[1]。特别是对于美术品的雕刻 加工，其加工关键技术包括实现自由轨迹的雕刻以及多坐标联动控制等，现有的数控设备 难以适于复杂型面的雕刻加工[1]，而柔索驱动并联机器人系统具有结构简单、重量轻、惯性 小、响应快、工作空间大、驱动器并联工作、精度高、机械效率高、柔性大等优点[2_5]。雕刻机种类繁多，按用途可分为广告雕刻机、激光雕刻机、木工雕刻机、建筑模型 雕刻机、激光打标机等，按结构可以分为悬臂雕刻机和龙门雕刻机两种，悬臂雕刻机采用 串联刚性杆支撑机构，与并联机构相比，刚性小，结构不稳定，相同自重或体积下，承载能力 弱；而且串联式末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大，因而误差大而精度低；悬 臂雕刻机的驱动电机及传动系统不固定，增大了系统的运动负荷。龙门结构虽然被广泛应 用到各种用途的雕刻机上，但其体积庞大，灵活性弱，其驱动部分一般为液压缸、气缸或由 电机带动的齿轮齿条，因而其附加装置复杂，控制系统实现困难，制造成本高，并不能适应 日益发展的多样性需求。参考文献[1] 吴光明.CNC电脑雕刻机及其与数控铣床和加工中心的联合应用策略 [J]· CAD/CAM 与制造业信息化，2005，(11): 94-97[2] Sims' an N, Glozman D, Shoharn Μ. Design considerations of new six degrees of freedom parallel robots [A]. In: Proceeding of the 1998 IEEE International Conference on Robotics and Automation [C]. Leuven, Belgium, 1998: 1327-1333[3] Albus J S, Bostelman R V, Dagalakis N G. The NIST Robocrane [J], Journal of Robotics System. 1993, 10(5): 709-724[4] Kawamura S, Choe W, Tanaka S, et al. Development of an ultrahigh speed robot FALCON using wire drive system [A]· In: Proceeding of the 1995 IEEE Int. Conference on Robotics and Automation [C], Nagoya, 1995: 215-220[5]Motoji Y, Noritaka Y, Akira M. Trajectory control of incompletely restrained parallel wire-suspended mechanism based on inverse
3dynamics [J]. IEEE transactions on robotics. 2004, 20(5): 840—850。 发明内容本实用新型的目的是提供一种索驱并联雕刻机，以克服现有雕刻机难以适应复杂 曲面的雕刻加工的问题。本实用新型所采用的技术方案是，一种索驱动并联雕刻机，包括基座、动平台、刀 具和柔索驱动臂系统；动平台包括设置刀具上端的刀具移动端、设置在刀具移动端上端的 支杆和设置在支杆顶端的顶盘；柔索驱动臂系统包括至少三根悬索、设置在基座上的至少 三个定滑轮和控制每根悬索收放的滚筒排索机构；每根悬索绕过一个定滑轮一端连接在刀 具移动端或顶盘上，另一端连接在滚筒排索机构上。其中，柔索驱动臂系统包括设置在刀具移动端上的三根悬索，设置顶盘上的四根 悬索，设置在基座上的七个定滑轮和分别设置在每根悬索端部的七个滚筒排索机构；每根 悬索绕过一个定滑轮，一端连接在刀具移动端或顶盘上，另一端连接在一个滚筒排索机构 上。其特征在于滚筒排索机构包括滚索套、滚筒轴、轴套和滚筒座；滚筒座包括底座 和与底座呈垂直设置的立座，滚筒轴一端设置在立座上；滚筒轴上设置有滚索套和轴套； 滚索套与滚筒轴通过键连接，轴套与滚筒轴通过螺纹连接；滚索套的一端与轴套的一端连 接，滚索套靠近轴套一侧端部的外圆周面上设置有卡圈，轴套靠近滚索套一侧的端部上设 置有与卡圈对应的卡槽，轴套的该端部上还设置挡板，该挡板将卡圈限制在卡槽里；底座上 设置有与滚筒轴平行的直线长条凸块，轴套的外圆周面上设置有与凸块对应的滑槽，长条 凸块内嵌在滑槽里。其中，滚筒排索机构上连接有驱动滚筒轴转动的驱动装置。其特征还在于，滚筒排索机构包括滚索套、滚筒轴、轴套和与滚筒轴呈垂直设置的 端盖；滚索套固定连接在滚筒轴上，位于滚索套一侧的滚筒轴与端盖连接，位于滚索套另一 侧的滚筒轴上设置有轴套；滚筒轴的一端与端盖通过螺纹连接，滚筒轴的另一端上设置有 长条导行键，轴套内圆周面上设置有与长条导行键对应的长条导行槽，长条导行键内嵌在 长条导行槽内。其中，滚筒排索机构上连接有驱动轴套转动的驱动装置。其特征进一步在于，悬索的一端通过球铰装置与刀具移动端连接；球铰装置包括 球铰套和设置在球铰套内的球铰球，球铰球上设置有中心孔；球铰套通过设置其外部的螺 纹与刀具移动端连接，悬索穿过球铰球的中心孔，悬索末端设置有防止悬索从中心孔抽出 的索结。本实用新型的有益效果是，在电机的驱动下，借助于球铰装置及多根并联的悬索 进行力的传递，最终实现末端(动平台)位姿的控制，也就是说通过多根悬索的收放来协调 控制刀具实现任意轨迹的雕刻，与刚性杆支撑的并联机构相比，具有工作空间大、易于可重 构、响应速度快的特点。本实用新型结构简单、重量轻、体积小、惯性小、安装方便、使用便 捷，能保证复杂曲面的加工，且能保证加工精度，能够实现任意曲面任意轨迹的雕刻，还可 以更改电机、滚筒排索机构的摆放位置和个数，可形成不同的自由度约束形式，从而实现机 构的可重构。
图1是本实用新型雕刻机的结构示意图；图2是本实用新型球铰装置的结构示意图；图3是本实用新型滚筒排索机构的结构示意图；图4是图3的A向视图；图5是本实用新型滚筒排索机构的另一种结构示意图；图6是图5的B视图；图7是图6的C-C视图；图8是动平台沿着圆周运动所对应的索长变化原理图。图中，1.基座，2.刀具移动端，3.刀具，4.定滑轮，5.悬索，6.滚筒排索机构，7.驱 动装置，8.支杆，9.顶盘，10.滚索套，11.滚筒轴，12.轴套，13.滚筒座，14.底座，15.立 座，16.卡圈，17.卡槽，18.挡板，19.凸块，20.长条导行键，21.长条导行槽，22.球铰套， 23.球铰球，24.中心孔，25.索结，26.端盖。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。如图1所示，本实用新型公开一种索驱动并联雕刻机，包括基座1、动平台、刀具3 和柔索驱动臂系统；基座1是用角钢连接成四方体构架，当然也可以采用其它形状。动平台 包括设置刀具3上端的刀具移动端2、设置在刀具移动端2上端的支杆8和设置在支杆8顶 端的顶盘9。柔索驱动臂系统包括定滑轮4、悬索5和滚筒排索机构6 ；顶盘9上设置有四 根悬索5，与之对应地在四方体基座1上端的四个端角上各设置有四个定滑轮4。刀具移动 端2上设置有三根悬索，相应地，在基座1上又另外设置有三个定滑轮4，每根悬索5端部各 连接有一个滚筒排索机构6。每根悬索5绕过一个定滑轮4，一端连接在刀具移动端2或顶 盘9上，另一端连接在一个滚筒排索机构6上。动平台上设置七根悬索5由七个滚筒排索 机构6控制悬索5的收放，设置七根悬索的原因是对于索牵引并联机构，完全控制末端位姿 的η个自由度至少需要η+1根悬索来实现，因此，对于雕刻机实现χ、y、ζ轴平动及绕x、y、 ζ轴的转动共六个自由度采用七根悬索5控制。悬索5与刀具移动端2通过球铰装置连接， 如图2所示，球铰装置包括球铰套22和设置在球铰套22内的球铰球23，球铰球23上设置 有中心孔24，悬索5穿过中心孔24，悬索5末端的索结25能防止悬索5从中心孔24中抽 出，球铰套22通过螺纹与刀具移动端2连接。设置球铰装置的原因是为了确保机构的完整 性和控制模型的精确性，使得动平台在理论工作空间动作时，悬索5能够在球铰开口锥角 范围内运动，如此构建的结构模型能够接近理论分析模型。如图3所示，滚筒排索机构6包括滚索套10、滚筒轴11、轴套12和滚筒座13 ；滚筒 座13包括底座14和与底座14呈垂直设置的立座15，滚筒轴11的一端设置在立座15上； 滚筒轴11上设置有滚索套10和轴套12，滚索套10通过键连接在滚筒轴11上，轴套12通 过螺纹连接在滚筒轴11上。滚索套10的一端与轴套12的一端连接，滚索套10靠近轴套 12 一侧端部的外圆周面上设置有卡圈16，轴套12靠近滚索套10 —侧的端部上设置有与卡 圈16对应的卡槽17，轴套12的该端部上还设置挡板18，该挡板18将卡圈16限制在卡槽
517里。如图4所示，底座14上设置有与滚筒轴11平行的直线长条凸块19，轴套12的外圆 周面上设置有与长条凸块19对应的滑槽，长条凸块19内嵌在滑槽里。驱动装置7包括电 机、减速器和联轴器。当电机通过减速器和联轴器带动滚筒轴11转动时，滚索套10随着滚 筒轴11做旋转运动。由于轴套12与滚筒轴11通过螺纹连接，滚筒轴11转动时，轴套12 通过螺纹在滚筒轴11上做直线运动，轴套12的外圆周面上的滑槽沿着底座14上的直线长 条凸块19滑动，轴套12通过挡板18带动滚索套10沿着滚筒轴11做直线运动。所以，当 滚筒轴11在电机驱动下转动时，滚索套10既可以通过键随着滚筒轴11做旋转运动，同时 又可以在螺纹及直线滑槽的约束下做直线运动，从而达到滚索套10收、放悬索5的目的。如图5和图6所示，滚筒排索机构6还可以设计成另外一种结构，滚筒排索机构6 包括滚索套10、滚筒轴11、轴套12和与滚筒轴11呈垂直设置的端盖26 ；滚索套10固定连 接在滚筒轴11上，位于滚索套10 —侧的滚筒轴11与端盖26连接，位于滚索套10另一侧 的滚筒轴11上设置有轴套12。滚筒轴11的一端与端盖26通过螺纹连接。如图7所示，滚 筒轴11的另一端上设置有长条导行键20，轴套12内圆周面上设置有与长条导行键20对应 的长条导行槽21，长条导行键20内嵌在长条导行槽21内。驱动装置为伺服电机。在伺服 电机驱动下，轴套12作旋转运动，轴套12带动滚筒轴11旋转，滚筒轴11再带动滚索套10 旋转。由于滚筒轴11与缸盖26是通过螺纹连接的，滚筒轴11边旋转边带动滚索套10作 直线运动。设置在滚筒轴11上的长条导行键20沿着轴套12上的长条导行槽21滑动，约 束滚筒轴11作直线运动。进而实现了滚索套10既作旋转运动又作直线运动的目的，从而 达到滚索套10收、放悬索5的目的。当滚筒轴11上螺纹螺距与悬索5的直径一致时，就可以达到悬索5有序排放且出 索口固定的目的。设置滚筒排索机构6的目的一是实现悬索5的有序排放，避免索紊乱， 提高末端定位精度；二是悬索5出索位置相对地面垂直且固定以避免索倾斜造成理论力学 模型的误差。本实用新型的工作原理为已知刀具3运行的起始点、终止点的位姿，将轨迹点离 散，依据机构运动学逆解模型可以解出离散点下一时刻与前一时刻的索长变化量，将此变 化量转变为电机的控制脉冲信号，各个电机将电机旋转运动传递给各个滚筒排索机构6，各 个滚筒排索机构6协调收、放悬索5，从而实现动平台末端刀具3按照规划轨迹运动的目的。 本实用新型通过多根悬索5的收放来协调控制刀具3实现任意轨迹的雕刻，与刚性杆支撑 的并联机构相比，具有工作空间大、易于可重构、响应速度快的特点。如图8所示，动平台2的下端部带动刀具3运动一个半径为100mm、高度为IOOmm 的圆周，索长变化平稳，验证了所构建模型基于索长控制的方案是可行的。
权利要求一种索驱动并联雕刻机，其特征在于包括基座(1)、动平台、刀具(3)和柔索驱动臂系统；所述的动平台包括设置刀具(3)上端的刀具移动端(2)、设置在刀具移动端(2)上端的支杆(8)和设置在支杆(8)顶端的顶盘(9)；所述的柔索驱动臂系统包括至少三根悬索(5)、设置在基座(1)上的至少三个定滑轮(4)和控制每根悬索(5)收放的滚筒排索机构(6)；每根悬索(5)绕过一个定滑轮(4)一端连接在刀具移动端(2)或顶盘(9)上，另一端连接在滚筒排索机构(6)上。
2.根据权利要求1所述的并联雕刻机，其特征在于所述柔索驱动臂系统包括设置在 刀具移动端(2)上的三根悬索(5)，设置顶盘(9)上的四根悬索(5)，设置在基座(1)上的七 个定滑轮(4 )和分别设置在每根悬索(5 )端部的七个滚筒排索机构(6 )；每根悬索(5 )绕过 一个定滑轮(4)，一端连接在刀具移动端(2)或顶盘(9)上，另一端连接在一个滚筒排索机 构(6)上。
3.根据权利要求1或2所述的并联雕刻机，其特征在于所述的滚筒排索机构(6)包 括滚索套(10)、滚筒轴(11 )、轴套(12)和滚筒座(13);滚筒座(13)包括底座(14)和与底座 (14)呈垂直设置的立座(15)，滚筒轴(11) 一端设置在立座(15)上；滚筒轴(11)上设置有 滚索套(10)和轴套(12);所述的滚索套(10)与滚筒轴(11)通过键连接，轴套(12)与滚筒 轴(11)通过螺纹连接；滚索套(10)的一端与轴套(12)的一端连接，滚索套(10)靠近轴套 (12)—侧端部的外圆周面上设置有卡圈(16)，轴套(12)靠近滚索套(10) —侧的端部上设 置有与卡圈(16)对应的卡槽(17)，轴套(12)的该端部上还设置挡板(18)，该挡板(18)将卡 圈(16)限制在卡槽(17)里；底座(14)上设置有与滚筒轴(11)平行的直线长条凸块(19)， 轴套(12)的外圆周面上设置有与凸块(19)对应的滑槽，长条凸块(19)内嵌在滑槽里。
4.根据权利要求3所述的并联雕刻机，其特征在于所述的滚筒排索机构(6)上连接 有驱动滚筒轴(11)转动的驱动装置(J)。
5.根据权利要求1或2所述的并联雕刻机，其特征在于所述的滚筒排索机构(6)包 括滚索套(10)、滚筒轴(11)、轴套(12)和与滚筒轴(11)呈垂直设置的端盖(26);滚索套 (10)固定连接在滚筒轴(11)上，位于滚索套(10)—侧的滚筒轴(11)与端盖(26)连接，位于 滚索套(10)另一侧的滚筒轴(11)上设置有轴套(12);所述滚筒轴(11)的一端与端盖(26) 通过螺纹连接，滚筒轴(11)的另一端上设置有长条导行键(20)，轴套(12)内圆周面上设置 有与长条导行键(20)对应的长条导行槽(21)，所述的长条导行键(20)内嵌在长条导行槽 (21)内。
6.根据权利要求5所述的并联雕刻机，其特征在于所述的滚筒排索机构(6)上连接 有驱动轴套(12 )转动的驱动装置(7 )。
7.根据权利要求1所述的并联雕刻机，其特征在于所述悬索(5)的一端通过球铰装 置与刀具移动端(2)连接；所述的球铰装置包括球铰套(22)和设置在球铰套内的球铰球 (23)，球铰球(23)上设置有中心孔(24);球铰套(22)通过设置其外部的螺纹与刀具移动端 (2)连接，悬索(5)穿过球铰球(23)的中心孔(24)，悬索(5)末端设置有防止悬索(5)从中 心孔(24)抽出的索结(25)。
专利摘要本实用新型提供一种索驱动并联雕刻机，包括基座、动平台、刀具和柔索驱动臂系统；动平台包括设置刀具上端的刀具移动端、设置在刀具移动端上端的支杆和设置在支杆顶端的顶盘；柔索驱动臂系统包括至少三根悬索、设置在基座上的至少三个定滑轮和控制每根悬索收放的滚筒排索机构；每根悬索绕过一个定滑轮一端连接在刀具移动端或顶盘上，另一端连接在滚筒排索机构上。有益效果是，在电机的驱动下，借助于球铰装置及多根并联的悬索进行力的传递，最终实现动平台位姿的控制，能够实现任意曲面任意轨迹的雕刻。
文档编号B44B1/00GK201659821SQ20102015063
公开日2010年12月1日 申请日期2010年4月6日 优先权日2010年4月6日
发明者侯晓莉, 孔令飞, 李言, 汤奥斐, 肖继明, 袁启龙, 高新勤 申请人:西安理工大学