一种球面并联机构及球面雕刻机的制作方法

本发明属于球面雕刻的技术领域，具体涉及一种球面并联机构及球面雕刻机。

背景技术：

雕刻机是一种钻铣组合加工机器，多用于雕刻木材、玉石、贵金属等工艺品。随着社会的发展，物质的极大丰富，人们不再满足于在平面上的雕刻，而在曲面、球面上雕刻文字图画的工艺品越来越受人们喜爱。但现有的球面雕刻机负载性能差，结构复杂，驱动较多，控制复杂，且精度较低。本发明设计了一种基于球面并联机构的少自由度球面雕刻机，将球面并联机构应用到雕刻机领域，能大大提高雕刻机的负载性能，且机构简单，驱动数目少，精度较高。

专利（2013200560402.8）公开了一种简易雕刻机，该发明设计一种框体机架，在框体机架两侧设置有丝杠，并在两丝杠上设置一横梁，横梁上有雕刻机，在机架底端有一横梁，横梁上有加工平台，此机构能够实现雕刻刀沿x、y、z方向上运动，但不能实现在球面上的雕刻，且机构复杂。

专利（201320135311.x）公开了一种球体内雕刻机，其结构为：工作平台、设于工作平台上的球座及设于工作平台下方的运动平台，工作平台设有一个通孔，球座盖在通孔上，球座是个透明块体，透明块体上设有一个球面形凹槽，球面形凹槽和通孔同轴，运动平台上设有激光器和振镜、透镜，激光器发出的激光依次经振镜中的y振镜片、x振镜片和透镜后穿过工作平台上的通孔，激光器、运动平台分别和一控制电路相连。但此机构结构复杂，制作成本较高，且对环境因素要求较高。

专利（201520575758.8）公开了一种球头雕刻机，包括机架，机架上水平固连有基板，球头雕刻机还包括转动环、导向杆和摆动杆，转动环转动连接在基板上，机架上设有周向驱动件，导向杆的两端均固连在转动环上，摆动杆的两端均铰接在转动环上，导向杆上设有能够驱动摆动杆往复摆动的横向驱动件，摆动杆上滑动连接有移动块，移动块上连接刀头，摆动杆上设有能够驱动移动块往复移动的纵向驱动件。但此发明所述机构较为复杂，且加工精度较低。

另外现有的球面并联机构一般为3自由度，3支链，工作空间小，且不可变，驱动数目较多，控制复杂，制作成本高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种基于球面并联机构的少自由度简易球面雕刻机。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

一种球面并联机构，包括对称设置的同形的圆弧杆ⅰ和圆弧杆ⅱ，圆弧杆ⅰ和圆弧杆ⅱ的顶端铰接，圆弧杆ⅰ和圆弧杆ⅱ上分别设置有滑块ⅰ和滑块ⅱ并分别形成滑动副，滑块ⅰ和滑块ⅱ分别连接撑杆ⅰ与撑杆ⅱ的一端，撑杆ⅰ与撑杆ⅱ的另一端分别连接各自的转动轴并以转动轴为转动中心，转动轴连接驱动，所述的圆弧杆ⅰ和圆弧杆ⅱ的圆心和撑杆ⅰ与撑杆ⅱ的转动中心重合。

基于球面并联机构的球面雕刻机，包括雕刻部分和支撑台，雕刻部分设置于支撑台上，所述的雕刻部分包括球面并联机构，球面并联机构的圆弧杆ⅰ和圆弧杆ⅱ的铰接处设置外雕刻刀和内雕刻刀，所述的圆弧杆ⅰ在上、圆弧杆ⅱ在下进行铰接连接，并且圆弧杆ⅰ和圆弧杆ⅱ的铰接处有内螺纹，电动伸缩杆底端通过螺纹与圆弧杆ⅰ固接，电动伸缩杆的顶端通过螺纹与内雕刻刀固接，外雕刻刀通过螺纹与圆弧杆ⅱ固接。

所述的球面并联机构的撑杆ⅰ的转动轴安装于固定杆，撑杆ⅱ的转动轴安装于转动杆，固定杆相对于支撑台固定设置，转动杆相对于支撑台转动设置，转动杆的转动中心连接于伺服电机ⅲ。

所述的固定杆包括一体结构的竖段和横段，转动杆也包括竖段和横段，固定杆的竖段通过螺栓固定在支撑台上，伺服电机ⅲ通过螺钉固定在固定杆的竖段，伺服电机ⅲ的转轴与转动杆的竖段固接，转动杆的竖段与固定杆的竖段之间通过轴承连接；伺服电机ⅰ通过螺钉固接在固定杆的横段末端，伺服电机ⅱ通过螺钉固接在转动杆的横段的末端，伺服电机ⅱ的转轴与撑杆ⅰ的末端固接，并驱动撑杆ⅱ摆动，伺服电机ⅱ的转轴与撑杆ⅱ的末端固接，并驱动撑杆ⅰ摆动，撑杆ⅰ与固定杆横段之间通过轴承连接，撑杆ⅱ与转动杆间通过轴承连接，撑杆ⅰ与撑杆ⅱ的另一端通过螺钉分别与滑块ⅰ和滑块ⅱ固接。

所述的球面雕刻机，还包括夹持部分，加持部分也设置于支撑台，

所述的夹持部分包括圆弧导轨、圆弧滑块、齿槽立柱、定位螺钉、齿轮驱动电机、立柱滑块、齿轮、伺服电机ⅳ、电动伸缩杆ⅰ、夹持器，

所述的圆弧导轨焊接在支撑台的上表面上，圆弧滑块装在圆弧导轨上，齿槽立柱焊接在圆弧滑块上，立柱滑块装在齿槽立柱上，齿轮装在立柱滑块的背面，齿轮与齿槽立柱形成齿轮副，驱动齿轮转动的齿轮驱动电机固定在立柱滑块的侧面，伺服电机ⅳ通过螺钉固定在立柱滑块的正面，电动伸缩杆固接在伺服电机ⅳ的电机轴上，夹持器固接在电动伸缩杆内杆的末端，在圆弧滑块上表面的两侧装有定位螺钉。

所述的夹持部分设置两组。

本发明的优点和积极效果是：

1.本发明机构简单，负载能力强，驱动少，控制简单，雕刻精度高；

2.本发明在雕刻刀处增加了电动伸缩杆，可以在任意球径的球面上进行雕刻；

3.本发明可通过更换雕刻刀的位置，在外球面和内球面上进行雕刻；

4.本发明通过调节转动杆和固定杆间的角度来调节雕刻机可雕刻的面积。

附图说明

图1为球面并联机构的结构示意图

图2为球面雕刻机的底座结构示意图；

图3为球面雕刻机的夹持结构示意图；

图4为球面雕刻机的雕刻机装置机构示意图；

图5为球面雕刻机的雕刻刀示意图；

图6为球面雕刻机的电动伸缩杆示意图；

图7为球面雕刻机的正等轴侧视图；

图8为球面雕刻机的工作状态示意图。

图中：1-支撑台，1.1-圆弧轨道，2-伺服电机ⅲ，3-固定杆，4-圆弧滑块，4.1-齿槽立柱，5-定位螺钉，6-齿轮驱动电机，7-立柱滑块，8-齿轮，9-伺服电机ⅳ，10-电动伸缩杆ⅰ，11-夹持器，12.1-伺服电机ⅰ，12.2-伺服电机ⅱ，13.1-撑杆ⅰ，13.2-撑杆ⅱ，14.1-滑块ⅰ，14.2-滑块ⅱ，15-圆弧杆ⅰ，16.1-外雕刻刀，16.2-内雕刻刀，17-电动伸缩杆ⅱ，18-圆弧杆ⅱ，19-转动杆，20-外表面雕刻球件，21-内表面雕刻球件。

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1所示，球面并联机构，包括对称设置的同形的圆弧杆ⅰ15和圆弧杆ⅱ18，圆弧杆ⅰ15和圆弧杆ⅱ18的顶端铰接，圆弧杆ⅰ15和圆弧杆ⅱ18上分别设置有滑块ⅰ14.1和滑块ⅱ14.2并分别形成滑动副，滑块ⅰ14.1和滑块ⅱ14.2分别连接撑杆ⅰ13.1与撑杆ⅱ13.2的一端，撑杆ⅰ13.1与撑杆ⅱ13.2的另一端分别连接各自的转动轴并以转动轴为转动中心，转动轴连接驱动，所述的圆弧杆ⅰ15和圆弧杆ⅱ18的圆心和撑杆ⅰ13.1与撑杆ⅱ13.2的转动中心重合。

如图7所示，球面雕刻机由底座、夹持装置、雕刻机装置组成。

雕刻机装置由伺服电机ⅲ2、固定杆3、转动杆19、伺服电机ⅰ12.1、伺服电机ⅱ12.2、撑杆ⅰ13.1、撑杆ⅱ13.2、滑块ⅰ14.1、滑块ⅱ14.2，圆弧杆15，圆弧杆ⅱ18，电动伸缩杆ⅱ17、外雕刻刀16.1以及内雕刻刀16.2组成。所述的固定杆3包括一体结构的竖段和横段，转动杆19也包括竖段和横段。固定杆3通过螺栓固定在支撑台1上，伺服电机ⅲ2通过螺钉固定在固定杆3上，伺服电机ⅲ2的转动轴与转动杆19固接，并驱动转动杆19转动，转动杆19与固定杆3之间通过轴承连接，伺服电机ⅰ12.1通过螺钉固接在固定杆3横段的末端，伺服电机ⅱ12.2通过螺钉固接在转动杆19横段的末端，伺服电机ⅱ12.1与撑杆ⅰ13.1的末端固接，并驱动撑杆ⅰ13.1摆动，伺服电机ⅱ12.2与撑杆ⅱ13.2的末端固接，并驱动撑杆ⅱ13.2摆动，撑杆ⅰ13.1与固定杆3间通过轴承连接，撑杆ⅱ13.2与转动杆19间通过轴承连接，撑杆ⅰ13.1与撑杆ⅱ13.2的另一端通过螺钉分别与滑块ⅰ14.1和滑块ⅱ14.2固接，滑块ⅰ14.1与滑块ⅱ14.2分别装在圆弧杆ⅰ15与圆弧杆ⅱ18上，并可通过在圆弧杆ⅰ15和圆弧杆ⅱ18上的滑动来驱动圆弧杆ⅰ15和圆弧杆ⅱ18运动，圆弧杆ⅰ15和圆弧杆ⅱ18的一端通过轴承连接在一起，圆弧杆ⅰ15末端的轴承连接处通过螺纹固接电动伸缩杆ⅱ17，电动伸缩杆ⅱ17的顶端通过螺纹固接内雕刻刀16.2，内雕刻刀16.2用于加工球型件的内表面，圆弧杆ⅱ18末端的轴承连接处通过螺纹固接外雕刻刀16.1，也可固接电动伸缩杆，外雕刻刀16.1用于加工外球型件的外表面。当机构运行时，首先伺服电机ⅲ2驱动转动杆19运动，使转动杆19和固定杆3间的夹角达到合适的位置，使得雕刻机可雕刻的面积能够符合雕刻要求，伺服电机ⅰ12.1与伺服电机ⅱ12.2通过协同运动驱动撑杆ⅰ13.1与撑杆ⅱ13.2运动，撑杆ⅰ13.1与撑杆ⅱ13.2分别带动滑块ⅰ14.1与滑块ⅱ14.2，滑块ⅰ14.1与滑块ⅱ14.2分别驱动圆弧杆ⅰ15和圆弧杆ⅱ18运动，圆弧杆ⅰ15和圆弧杆ⅱ18的运动带动外雕刻刀16.1和内雕刻刀16.2的运动，完成雕刻任务，电动伸缩杆ⅱ17通过改变其长度来调节内雕刻刀16.2的在不同球径的球形工件的内表面雕刻。

如图1，底座由支撑台1和圆弧轨道1.1组成，圆弧轨道1.1焊接在支撑台1的台面边缘。

夹持装置由圆弧滑块4、齿槽立柱4.1、定位螺钉5、齿轮驱动电机6、立柱滑块7、齿轮8、伺服电机ⅳ9，电动伸缩杆ⅰ10以及夹持器11组成，如图2。圆弧滑块4装在圆弧轨道1.1上，齿槽立柱4.1焊接在圆弧滑块4上平面的中心位置，齿槽立柱4.1两侧的圆弧滑块4表面有对称的两个螺纹孔，定位螺钉5装配在螺纹孔内，立柱滑块7装在齿槽立柱4.1上，可沿齿槽立柱4.1上下滑动，齿轮8装在立柱滑块7的背面，并与齿槽立柱4.1上的齿槽配合，齿轮驱动电机6通过螺钉固定在立柱滑块7的侧面，齿轮驱动电机6的电机轴与齿轮8固接，用来驱动齿轮8，伺服电机ⅳ9通过螺钉固定在立柱滑块7的正面，电动伸缩杆ⅰ10的末端固接在伺服电机ⅳ9的转轴上，夹持器11的末端固接在电动伸缩杆ⅰ10的内杆的末端。夹持装置用来调节和夹持外球面加工件的位置，圆弧滑块4可在圆弧轨道1.1上移动，以调节整个夹持装置的位置，使得被加工件上的不同位置可被加工，当夹持装置调整到合适位置后，通过两个定位螺钉，使夹持装置的位置固定，之后齿轮驱动电机6驱动齿轮8转动，齿轮8带动立柱滑块7上下移动，以调节被加工件与外雕刻刀16.1间的距离，伺服电机ⅳ9可驱动电动伸缩杆ⅰ10转动，使外雕刻刀16.1在被加工件圆周方向上的不同位置加工，电动伸缩杆ⅰ10可以伸长缩短，使雕刻刀可在被加工件沿电动伸缩杆ⅰ10轴线方向上的不同位置上加工，夹持器用来夹持需加工球形外表面的工件。