专利名称：一种运动解耦并联式a/b轴主轴头结构的制作方法
技术领域：
本发明属于机械制造领域，特别涉及一种能配合其它装置进行复合加工的运动解耦并 联式A/B轴主轴头结构。
背景技术：
规定绕机床的X轴回转的坐标轴为A轴，绕机床的Y轴回转的坐标轴为B轴，绕机 床的Z轴回转的坐标轴称为C轴。 一般把能够绕X轴和Y轴转动的主轴头称为A/B轴主 轴头(或称A/B摆头)，把能够绕X轴和Z轴转动的主轴头称为A/C轴主轴头(或A/C摆 头)。图1所示为一个A/C轴主轴头结构，主轴头能够绕A轴和C轴转动。图2所示为一 个串联式A/B轴主轴头结构，主轴头能够绕A轴和B轴转动。目前，大量的多功能铣床均安装有一个可以实现连续回转的两轴主轴头，这些主轴头 多采用双摆角或者叉形头的串联式结构，如专利ZL03278067.2描述了一种A/C轴主轴头 以及专利US 3483796提出的一种叉行头主轴头以及图2所示的典型的串联式A/B轴主轴 头等。这些主轴头往往传动系统复杂、结构庞大、运动质量大，而且难以安装，制造成本 高，维护费用也较高。在工程实际应用中这种串联式结构有很多弊端，如不便于轨迹规 划、实现简单运动的控制过程复杂；过象限加工时摆角自动回转铣伤零件、加工中无效路 径长造成摆角速度与线性轴速度不匹配而出现机床报警，加大了产品质量控制难度；在加 工过程中，电机和主轴用的管道和电缆随着摆角的运动而往复回转，极易造成这些管路和 电缆的磨损而出现故障，且维护极其不便。与串联A/C轴和A/B轴主轴头相比，并联式A/B轴主轴头虽然具有摆角较小的缺点，但 是它具有加工效率高、使工件变形较小等优点，尤其在大型薄壁飞机复杂结构件等需要大 量切削的零部件的加工中具有明显的优势。近年来，高灵活性并联式A/B摆头在很多关键 结构件加工领域已经成为最为关键的基础部件。例如，德国DSTechnologie公司基于并联 机构研制的Z3三轴主轴头在数控加工中心中获得了巨大的成功，这种主轴头具有沿Z方 向的移动和沿A、 B轴的转动三个自由度。然而，在某些加工中心装备，往往只需要具有 沿A、 B轴转动的两轴主轴头。因此，为了降低制造成本，节约维护费用，开发一种只具 有沿A、 B轴转动的两轴主轴头显得很有意义。本发明人已经申请了"一种并联式A/B轴主轴头结构"专利(专利号为CN101003118)， 该结构如图3所示，包括一个可以安装刀具的动平台或主轴31、 一个定平台34，以及连 接所述动平台或主轴31与定平台34之间的第一、第二个分支。所述第一分支包含第一输 入件35，以及分别将所述第一输入件35与所述动平台31、定平台34连接的两个单自由度运动副，其中连接第一输入件35与定平台34之间的单自由度运动副是驱动的；所述第 二分支包含第二输入件32， 一个连接件33以及单自由度运动副a、运动副b和运动副c。 该单自由度运动副a连接在所述第二输入件32与定平台34之间，运动副a是转动副或是 移动副，且是驱动的；该运动副b连接在所述第二输入件32与所述连接件33之间；该 运动副c连接在所述连接件33与动平台或主轴31之间。其中，运动副b和运动副c是单 自由度或是多自由度。上述两个分支中与动平台或主轴31相连接的两个运动副都是转动 副，且这两个转动副的轴线是正交且交于一点的。运动解耦的机构容易控制，并且可以达到更高的运动精度，并且解耦运动对机构的运 动控制和轨迹规划都有一定意义。然而随着机构学的不断发展，尤其是随着并联机构的广 泛应用，很多机构不具有运动解耦的性质。发明内容本发明的目的在于克服现有串联式主轴头结构的不足，利用并联机构的结构原理以及 解耦机构的优势，提供一种运动解耦并联式A/B轴主轴头结构。这种主轴头结构能实现二 维转动自由度，而且实现二维转动自由度的两个转动副的轴线是正交的但可以不交于一 点，该结构具有高刚度、低运动质量、高动态性能、构造简单、相同零件数量多、成本低、 易制造、灵活度较高以及轨迹规划简单等特点，并能配合其它装置进行复合加工。本发明提出的一种运动解耦并联式A/B轴主轴头结构，包括一个安装主轴的动平台、 一个定平台，以及连接所述动平台与定平台之间的第一、第二个分支机构，其特征在于， 所述第一分支机构包括第一输入件、 一个连接件、 一个支架以及运动副，所述运动副有五 个， 一个是连接于所述输入件与定平台之间的移动副， 一个是连接于所述第一输入件与连 接件之间转动副， 一个是连接于所述连接件与支架之间的转动副， 一个是连接于所述支架 与动平台之间转动副，另一个是连接于所述支架与定平台之间的转动副；所述第二分支机 构包括第二输入件、 一个虎克铰、 一个连接件及运动副，所述运动副有两个， 一个是连接 于-所述第二输入件与定平台之间的移动副，另一个是连接于所述连接件与动平台之间的转 动副，所述虎克铰一端与第二输入件连接，另一端与连接件连接；其中，所述两个移动副 是驱动的。所述连接于第一分支机构的支架与定平台之间的转动副和所述连接于第一分支机构的 支架与动平台之间的转动副的轴线正交，所述连接于第一分支机构的支架与定平台之间的 转动副和所述连接于第二分支机构的连接件与动平台之间的转动副的轴线正交，所述第二 分支机构中连接于虎克铰与第二输入件之间的转动副和连接于第一分支中的支架与定平 台之间的转动副同轴。所述平台包括固结在该平台的一个或多个竖直或水平外延部分。所述支架为包括多个 杆件组成的支架。本发明的结构特点及效果本发明的主轴头结构能实现二维转动自由度，而且实现二维转动自由度的两个转动副 的轴线是正交的但可以不交于一点，该结构具有(1)安装主轴的动平台的摆角大(可实 现》±40° ); (2)结构紧凑；(3)刚度高；(4)便于轨迹规划和控制；(5)相应速度快。这 些优点使该结构在机床的主轴头上有广泛的应用。
图1是A/C轴主轴头结构示意图；图2是A/B轴主轴头结构示意图；图3是已有的并联式A/B轴主轴头结构示意图；图4是本发明的第一实施例的结构示意图； 图5是本发明的第二实施例的结构示意图； 图6是本发明的第三实施例的结构示意图； 图7是本发明的第四实施例的结构示意图；图8是本发明的第五实施例的结构示意图。具.体实施方式本发明提出的运动解耦并联式A/B轴主轴头结构结合附图及实施例详细说明如下本发明的第一实施例的结构，如图4所示，该结构包括一个安装主轴的动平台45、 一 个定平台及固结在该定平台的一个或多个竖直或水平外延部分411、 412、 413、 414、 415， 以及连接所述动平台45与定平台之间的第一、第二个分支机构，其特征在于，所述第一 分支机构包括第一输入件42、 一个连接件43、 一个支架44以及运动副，所述运动副有五 个， 一个是连接于所述输入件42与定平台415之间的移动副， 一个是连接于所述第一输 入件42和连接件43之间转动副， 一个是连接于所述连接件43与支架44之间的转动副， 一个是连接于所述支架44与动平台45之间转动副，另一个是连接于所述支架44与定平 台412、 414之间的转动副；所述第二分支包括第二输入件48、 一个虎克铰47、 一个连接 件46及运动副，所述运动副有两个， 一个是连接于所述第二输入件48与定平台4U之间 的移动副，另一个是连接于所述连接件46与动平台45之间的转动副，所述虎克铰47 — 端与第二输入件48连接，另一端与连接件46连接；其中，所述两个移动副是驱动的。所述连接于第一分支机构的支架44与定平台412、 414之间的转动副和所述连接于第 一分支机构的支架44与动平台45之间的转动副的轴线正交，所述连接于第一分支机构的 支架44与定平台412、414之间的转动副和所述连接于第二分支机构的连接件46与动平台 45之间的转动副的轴线正交，所述第二分支机构中连接于虎克铰47与第二输入件48之间 的转动副和连接于第一分支中的支架44与定平台412、 414之间的转动副同轴。所述平台包括平台底座413、立柱412、 414、 415及与立柱412垂直连接的横梁411。所述连接件43为一个A形桁架，所述支架44包括两个A形桁架及两个条形杆件，该条形杆件的两端分别与两个A形桁架同侧的端点连接，所述连接于第一分支机构的两个A 形桁架的顶点与动平台之间为转动副，所述连接于该条形杆件的中点与定平台之间为转动 副。本实施例实现安装主轴的动平台绕A、 B向的转动自由度。本发明的第二实施例的结构，如图5所示，该结构与实施例一不同之处在于立柱511水 平固定连接在该定平台底座512上，该第一分支中的支架包括两个A形桁架521及两个条 形杆件522,该条形杆件522的两端分别与两个A形桁架521同侧的端点连接，该支架还 包括一个倒V形桁架523，该倒V形桁架523的上端的两个端点分别与该条形杆件522的 两个端点连接，连接于连接件53与倒V形桁架522的另一个端点之间为转动副。本实施 例实现安装主轴的动平台绕A、 B向的转动自由度。本发明的第三实施例的结构，如图6所示，该结构与实施例一的不同之处在于该第一 分支中的支架改为U型杆件65，由该输入件61和连接件63来承受部分刚度，本实施例第 一分支机构中连接于该U型杆件65与动平台64之间的转动副的轴线与第二分支机构中连 接于该第二输入件61和虎克铰62之间的转动副的轴线正交于一点。本实施例实现安装主 轴的动平台绕A、 B向的转动自由度。本发明的第四实施例的结构，如图7所示，该结构与第三实施例的不同之处在于，所 述第二分支机构包括驱动输入的伸縮杆72'、-连接体71、连接体75、连接体76及相应的转 动副，包括连接于该连接体71与定平台773之间的转动副，连接于该伸縮杆72与连接体 75之间的螺旋副，连接于该伸縮杆72与连接体76之间的转动副，连接于该连接体75与连 接、体71之间的转动副及连接于该连接体76与动平台73之间的转动副。该结构与第三实施 例的不同之处还在于增加了定平台的一个竖直延伸773。本实施例的连接于该U型杆件74 与定平台771之间的转动副和连接于该连接体71与定平台773之间转动副同轴，连接于 该U型杆件74与定平台773之间的转动副和连接于U型杆件74与动平台73间的转动副 的轴线正交于一点。本实施例实现安装主轴的动平台绕A、 B向的转动自由度。本发明的第五实施例的结构，如图8所示，该结构与第四实施例的不同之处在于，所 述第二分支包括定平台81、第二输入件82、杆件84、杆件85、杆件86、 一个虎克铰83 以及相应的运动副，所述运动副包括连接于该第二输入件82与定平台81之间的移动副、 连接于该杆件84与杆件85之间的转动副，连接于该杆件85与杆件86之间的转动副以及 连接于该杆件86与动平台87之间的转动副，所述虎克铰83 —端与第二输入件82连接， 另一端与杆件84连接。本实施例实现安装主轴的动平台绕A、 B向的转动自由度。
权利要求
1. 一种运动解耦并联式A/B轴主轴头结构，该结构包括一个安装主轴的动平台、一个定平台，以及连接所述动平台与定平台之间的第一、第二个分支机构，其特征在于，所述第一分支机构包括第一输入件、一个连接件、一个支架以及运动副，所述运动副有五个，一个是连接于所述输入件与定平台之间的移动副，一个是连接于所述第一输入件与连接件之间转动副，一个是连接于所述连接件与支架之间的转动副，一个是连接于所述支架与动平台之间转动副，另一个是连接于所述支架与定平台之间的转动副；所述第二分支机构包括第二输入件、一个虎克铰、一个连接件及运动副，所述运动副有两个，一个是连接于所述第二输入件与定平台之间的移动副，另一个是连接于所述连接件与动平台之间的转动副，所述虎克铰一端与第二输入件连接，另一端与连接件连接；其中，所述两个移动副是驱动的。
2、 如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述连接于第一分支机构的支架与定平台 之间的转动副和所述连接于第一分支机构的支架与动平台之间的转动副的轴线正交，所述 连接于第一分支机构的支架与定平台之间的转动副和所述连接于第二分支机构的连接件 与动平台之间的转动副的轴线正交，所述第二分支机构中连接于虎克铰与第二输入件之间 的转动副和连接于第一分支中的支架与定平台之间的转动副同轴。
3、 如权利要求l所述的结构，其特征在于，所述平台包括固结在该平台的一个或多个 竖直或水平外延部分。
4、 如权利要求l所述的结构，其特征在于，所述支架为包括多个杆件组成的支架。
全文摘要
本发明涉及能配合其它装置进行复合加工的运动解耦并联式A/B轴主轴头结构，属于机械制造领域。该结构包括一个安装主轴的动平台、一个定平台，以及连接所述动平台与定平台之间的第一、第二个分支机构，其特征在于，所述第一分支机构包括第一输入件、一个连接件、一个支架以及运动副；所述第二分支包括第二输入件、一个虎克铰、一个连接件及运动副，所述虎克铰一端与第二输入件连接，另一端与连接件连接。本发明实现所述主轴头结构的二维转动自由度，而且实现二维转动自由度的转动副的轴线是正交的但可以不交于一点，具有高刚度、低运动质量、高动态性能、构造简单、成本低、易制造、灵活度较高以及便于轨迹规划和控制等特点。
文档编号B23Q1/26GK101269465SQ20081010639
公开日2008年9月24日 申请日期2008年5月13日 优先权日2008年5月13日
发明者刘辛军, 汪劲松, 谢福贵 申请人:清华大学