专利名称：新型混联五自由度虚拟轴机床的制作方法
技术领域：
本发明属于数控机床制造技术领域，特别是属于一种虚拟轴数控机床。
传统的数控机床采用串联式的机械结构，这种机床结构的缺点是机构笨重、零部件多、传动链长、体积庞大、结构复杂、造价昂贵，机床各部分受力、热变形不均匀，在加工过程中受拉力、压力、弯矩、扭矩的共同作用下使机床产生变形、震动，加上误差累积导致加工精度的降低。此外由于部件的重量与体积大，限制了加工过程中的速度和加速度提高。
现有的以6-SPS并联机构为原型的虚拟轴机床，由于基座与主轴动平台之间是由六条可伸缩腿联接的，并由六条腿同时相互耦合地作伸缩运动来确定动平台的运动，主轴动平台的受力由六条腿分摊，所以每条腿的受力要小很多，且只受拉力或压力，不受弯矩或扭矩，因此刚度高、移动部件质量小、结构简单和相同零件数量多成为以6-SPS并联机构为原型的虚拟轴机床的突出优点。但基于6-SPS并联机构的虚拟轴机床也存在工作空间小、难以实现大倾角加工、位置和姿态耦合，以及数控编程复杂和困难等缺点。因此，现有的虚拟轴机床不太适合加工大型、具有复杂曲面类型的零件本发明的目的是设计一种既借鉴了传统数控机床和现有虚拟轴机床的优点，同时又克服了现有技术的不足之处，将串联结构与并联结构有机融合在一起的虚拟轴机床，使得本虚拟轴机床具有结构简单、加工灵活、加工精度高、加工速度快、加工工艺性好、数控编程容易等优点，可以满足用户对大型零件和复杂曲面类零件的多轴联动数控加工的要求。
本发明设计的虚拟轴机床，包括机床机架、固定平台、安装切削刀具的动平台、可带动被切削工件双向移动的工作台，固定平台和工作台安置在机架上，其特征在于，固定平台与动平台之间通过三条腿相联形成空间并联闭链机构，其中，一条腿与固定平台刚性固联，与动平台通过虎克铰相联，另外两条腿与固定平台之间通过虎克铰相联，与动平台之间通过球铰相联，三条腿均含有移动副及移动副驱动装置。通过改变三条腿的伸缩量可以控制动平台上刀具的位置与姿态，以及与双向移动工作台的配合，可实现五轴联动加工。所说的双向移动工作台在结构上与并联闭链机构相互独立，在控制上实行联动控制。
为了更好地实现上述发明目的，还可进一步采取以下技术措施1、所说的一端与固定平台固联的一条腿其移动副为内移动副；另外两条腿的移动副可以是内移动副与外移动副中的一种。
2、所说的三条腿的移动副驱动装置为液压油缸驱动装置与伺服电机和传动丝杠螺母构成的驱动装置中的一种。
3、所说的双向移动工作台所含的运动系统由伺服电机、导轨、滚珠丝杠、滚珠螺母等组成，可带动被切削工件沿X、Y轴方向平动。
4、所说的动平台的中心设计有用于安装主轴驱动装置的空腔。
5、三条腿均可设计成伸缩结构杆，也可将与固定平台固联的一条腿设计成伸缩结构杆，另外两条腿设计成定长结构杆，定长结构杆一端与滑块为虎克铰联接，并通过滑块导轨与固定平台相联，滑块由伺服电机带动的丝杠螺母驱动，而另一端通过球铰与动平台相联。
6、所说的一端与固定平台固联的腿中的虎克铰与另外两条腿之一中的虎克铰可一起分别用球铰和转动副来代替。
附图简要说明附
图1为本发明实施例一总体结构示意图。
附图2为空间三自由度并联机构的示意图。
附图3为本发明实施例二总体结构示意图。
附图4为本发明实施例三总体结构示意图。
附图5为本发明的一端与固定平台相固联的一条腿的外形图。
附图6为一端与固定平台相固联的一条腿的剖视结构示意图。
附图7为附图5中的A-A向剖视结构示意图。
附图8为结构相同两条腿的外形图。
附图9为结构相同两条腿的剖视结构示意图。
附图10为附图8中的A-A向剖视结构示意图。
下面结合附图，详细介绍本发明的四种基于三自由度并联机构的虚拟轴机床实施例的结构及工作原理。
实施例一实施例一的总体结构如图1所示，由机床机架、空间并联闭链机构和固定被加工工件的工作台10构成，其中空间并联闭链机构又由固定平台24、安装切削刀具的动平台9和分别与固定平台、动平台相联的三条腿构成。三条腿均为伸缩结构杆，其中一条腿5的一端与固定平台24刚性固联，另一端与动平台9通过虎克铰7相联；另外两条结构相同的腿2与固定平台24的通过虎克铰1相联，与动平台9通过球铰4相联。带动被加工工件可沿X、Y方向移动的工作台10，在结构上与空间并联闭链机构相互独立，其运动机构由伺服电机11、导轨、滚珠丝杆、滚珠螺母等构成。空间并联闭链机构结构加上动平台上铰接点的三角形布局所固有的稳定性，使该结构具有良好的刚性、结构抗震性和切削稳定性。固定平台安置在机架顶部14，工作台10安置在机架底部15，12和13是机架的侧壁与后壁。
图2为本实施例的三自由度空间并联机构的示意图。该并联机构是由一固定平台(A1、A2、A3)和一运动平台(B1、B2、B3)组成。动平台与固定平台通过三条伸缩结构的腿相联。其中一条腿一端刚性固联于固定平台的A3点，另一端通过虎克铰B3与动平台相联。另外两条腿与动平台之间通过球铰B1、B2相联，与固定平台之间通过虎克铰A1、A2相联。改变三条腿的伸缩量，可以实现动平台的姿态及沿Z轴方向的位置。
一端与固定平台固联的一条腿为伸缩结构杆，其具体结构如图5-7所示，图6中，32是伺服电机，可以驱动安装在轴承29上的滚珠丝杠28按照要求作旋转运动，伺服电机32与滚珠丝杠28通过联轴器31相联。伺服电机32安装在空心圆柱缸体33内。滚珠螺母26与直线导杆6安装在一起，直线导杆6与端盖27安装在腿的空心圆柱缸体35内。直线导杆6在导槽约束下，只能沿轴向作直线运动而不能绕轴线作回转运动。因此当伺服电机带动滚珠丝杆28旋转时，直线导杆6就在滚珠螺母26的带动下沿轴向作伸缩运动。图6中7为虎克铰，用于连接动平台。安装时，圆柱缸体33与固定平台刚性固联在一起。
结构相同的另外两条腿也为伸缩结构杆，其具体结构如图8-10所示。这两条腿的结构和一端与固定平台固联的一条腿的结构大体相同，不同之处在于结构相同的两条腿的一端为虎克铰1结构，用于联接固定平台，另一端为球铰4结构，用于联接动平台。直线导杆3与端盖27安装在腿的空心圆柱缸体2内。
本虚拟轴机床的工作原理是被加工工件固定在工作台10的台面上，三条腿在伺服电机的驱动下可作伸缩运动，使得动平台9上的切削刀具获得三自由度的运动，即沿Z轴方向的平动以及绕X轴和Y轴的转动。工作台10在伺服电机11的驱动下，可作沿X和Y轴方向的往复运动。以上两个运动的合成，机床便实现了带动切削刀具作相对于工件的五轴联动加工运动。切削刀具在主轴电机8的驱动下作旋转运动，从而实现对任意曲面的加工。
实施例二实施例二总体结构如图3所示，其总体结构大致与实施例一相同，不同之处在于，实施例一中的结构相同的两条腿2在本实施例中被定长结构杆22所取代。其中定长结构杆22的一端通过虎克铰21与滑块20相联，另一端通过球铰23与动平台9相联。滑块20可在伺服电机16带动的丝杠17的驱动下沿导轨19上下移动，两副导轨19分别固定安装在机床机架的侧壁12和后壁13上。18是丝杆17的安装支座。
实施例三实施例三总体结构如图4所示，其总体结构大致与实施例一相同，不同之处在于，本实施例中，采用的是固定工作台，空间并联闭链机构的固定平台24是刚性固联在位于固定工作台上方的双向移动机构25上，而双向移动机构可在伺服电机11驱动的丝杠螺母的带动下沿X、Y方向平动。实施例二、三中的结构给本虚拟轴机床的制造和控制带来了许多方便，可适用于不同的使用场合。
本发明与已有技术相比具有如下比较突出的优点和积极效果1、固定平台与动平台之间通过三条腿相联，形成了空间并联闭链机构结构，该机构具有较高的刚度，可以大大减小由于机床受力变形引起的加工误差，从而有效地保证了机床的加工精度。在保证相同刚度的情况下，机床的重量也将大为减轻。
2、空间并联闭链机构不仅限制了运动平台的多余自由度，增强了机床的刚性，而且使得运动平台的A、B转角彼此独立，方便了热影响校准、误差补偿及控制。
3、切削力由三条腿分担，加上动平台上铰接点的三角形布局所固有的稳定性，使该结构具有良好的结构抗震性和切削稳定性。
4、本发明的动平台灵活性好，可以获得较大的姿态角，可以实现大倾角加工，能满足对复杂曲面工件的加工要求，使得本发明的机床适用面更广，加工能力更强。
5、将纵向和横向往复进给运动从并联闭链机构的运动中分离出来，并联闭链机构仅实现刀具的姿态以及Z方向的位移，而X、Y方向的位移由双向移动工作台来实现。因此，拓展了机床的工作空间，适合加工大型工件，同时使得机床操纵方便、装夹灵活。
6、动平台的中心设计有用于安装主轴电机的空腔，减少了动平台的质量，有利于改善动平台的动态性能。
7、由于虎克铰、球铰都易于制造，可达到很高的制造精度，从而有效地保证了机床的装配精度。加上有两条腿结构相同，一端与固定平台固联的一条腿同这两条腿结构相似，动平台的结构也较简单，因此给本机床的加工制造、安装带来了方便，便于标准化专业化生产。
8、由于本虚拟轴机床的工作台可以采用传统数控机床的工作台，降低了设计制造成本，便于迅速产业化。
9、本发明的虚拟轴机床与6-SPS类型的虚拟轴机床相比不仅结构简单、折装方便、体积小、重量轻、加工工艺性好、结构抗震性与切削稳定性好外，还具有位置正解分析容易、计算量小，对元件制造和控制精度要求低，容易进行深入的理论分析与结构优化设计，数控编程方便等优点，通过进一步开发面向此类虚拟轴机床的CAD/CAM系统，能使该虚拟轴机床的应用更为便利。
本发明还具有其他方面的一些优点。
本发明的结构形式不限于上述实施例所描述的形式。
权利要求
1.一种新型混联五自由度虚拟轴机床，包括机架、固定平台、安装切削刀具的动平台、可带动被切削工件双向移动的工作台，固定平台和工作台安置在机架上，其特征在于，固定平台与动平台之间通过三条腿相联形成空间并联闭链机构，其中，一条腿与固定平台刚性固联，与动平台通过虎克铰相联，另外两条腿与固定平台之间通过虎克铰相联，与动平台之间通过球铰相联，三条腿均含有移动副与移动副驱动装置，所说的双向移动工作台在结构上与并联闭链机构相互独立，在控制上实行联动控制。
2.如权利要求1所述的虚拟轴机床，其特征在于，一端与固定平台固联的一条腿，其移动副为内移动副，另外两条腿的移动副可以是内移动副与外移动副中的一种。
3.如权利要求1所述的虚拟轴机床，其特征在于，三条腿的移动副驱动装置为液压油缸驱动装置与伺服电机和传动丝杠螺母构成的驱动装置中的一种。
4.如权利要求1所述的虚拟轴机床，其特征在于，双向移动工作台所含的运动系统由伺服电机、导轨、滚珠丝杠、滚珠螺母等组成，可带动被切削工件沿X、Y轴方向平动。
5.如权利要求1所述的虚拟轴机床，其特征在于，动平台的中心设计有用于安装主轴驱动装置的空腔。
6.如权利要求1或2或3或4或5所述的虚拟轴机床，其特征在于，联接动平台与固定平台的三条腿均可设计成伸缩结构杆。
7.如权利要求1或2或3或4或5所述的虚拟轴机床，其特征在于，其中一端与固定平台刚性固联，另一端与动平台通过虎克铰相联的一条腿可设计成伸缩结构杆，另外两条腿可设计为定长结构杆，一端通过虎克铰与滑块相联，并通过滑块导轨与固定平台相联，滑块由伺服电机带动的滚珠丝杠螺母驱动，另一端通过球铰与动平台相联。
8.如权利要求6所述的虚拟轴机床，其特征在于，一端与固定平台固联的腿中的虎克铰与另外两条腿之一中的虎克铰可一起分别用球铰和转动副来代替。
全文摘要
提出了一种虚拟轴数控机床的新结构,包括机架、固定平台、安装切削刀具的动平台、可带动被切削工件双向移动的工作台,固定平台与动平台之间通过三条腿相联。其中,一条腿与固定平台刚性固联,与动平台通过虎克铰相联,另外两条腿与固定平台之间通过虎克铰相联,与动平台之间通过球铰相联。本发明具有结构抗震性与切削稳定性好,可实现大倾角加工,对元件制造和控制精度要求低,数控编程容易,可以实现五轴联动加工等优点。
文档编号B23Q1/25GK1375379SQ0110724
公开日2002年10月23日 申请日期2001年3月15日 优先权日2001年3月15日
发明者徐礼钜, 范守文, 徐雪梅 申请人:四川大学