一种附加两个冗余滑动的大工作空间三平动并联机床的制作方法

本发明属于数控制造装备领域，特别是一种附加两个冗余滑动的大工作空间三平动并联机床。

背景技术：

在宏大制造领域，传统的单柱式镗铣床、大型龙门铣床等一类机床由于动态性能差、精度低、机身庞大以及造价高等问题，已难以满足现今大型工件的加工要求。并联机床作为一种新概念机床，与传统数控机床相比有其独特的优势，如刚度高、承载能力大、响应速度快、环境适应能力强等。

中国专利CN105818137A公开了一种具有三维平动的并联机构，包括动平台、定平台与三组支链，该机构使用三个伺服电机同步驱动一组可伸缩支链，缺点在于该机构工作空间小，不适合大范围工作的情形；中国专利CN103240729A公开了一种空间三平动并联机械手，包括固定机架、动平台以及对称布置在固定机架与动平台之间的三条支链组，每组支链分为近架杆和远架杆，形成空间轴对称多连杆结构，局限性在于刚度较差，工作空间较小；德国Reichenbacher公司推出的Pegasus型木材加工中心，采用三组固定杆长且两端装有万向铰链的杆系，借助铰链将杆系分别与三块移动滑板和动平台相连，缺点在于工作空间狭长和刚度、精度无法满足对金属大工件加工的要求；德国斯图加特大学与澳大利亚的昆士兰大学、挪威的阿格德学院和瑞典ABB公司联合研究的Gantry-Tau并联机器人，该机构采用定长杆加三滑座的布局，在一个滑座有一组平行杆、一个滑座安装三根杆组成两个平行四边形、第三个滑座上装一根杆件，三条水平导轨固定在机架上，通过规划三滑座的运动使动平台从左侧空间转换到右侧空间，从而比其他并联机构有着较大的工作空间。但该机构存在两个问题：一，想要得到更大的工作空间就必须增加导轨的长度，而且该机构的横向工作范围较小，二，动平台在左右空间倒换的轨迹规划异常复杂，且可通过的路径有限。张传旭.C形龙门并联机床总体技术研究[D].南京：南京理工大学，2013，沈晓健.并联式C形龙门铣床机架结构设计与优化[D].南京：南京理工大学，2015分别公开了一种C形龙门并联机床，是在非对称三平动3-(2SPS)并联机构上附加冗余直线滑动形成大空间并联机床，虽然该机床的可加工的范围较常规并联机床增大，但由于上支链座和下支链座是固定的，动平台不能到达支链座的附近，即工作空间顶部和底部狭小，整个工作空间很不规整，影响机床对高工件或低工件的加工适应性，机床性能优化亦受到限制。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种运动灵活、结构紧凑、可规避奇异位形、工作空间大而且规整的三平动并联机床，特别适合大型工件的加工作业。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种附加两个冗余滑动的大工作空间三平动并联机床，包括机架、纵向线性模组、横向两联动直线模组、第一支链组、第二支链组、第三支链组、动平台和工作台；所述机架包括上支座、主立柱、下支座；所述纵向线性模组包括第五导轨和第五滑块；

所述主立柱上端安装上支座，主立柱的安装板下端安装有下支座，下支座的另一端与工作台连接；纵向线性模组安装在主立柱上，第五滑块沿着第五导轨滑动；所述横向两联动直线模组包括第三滑块、第四滑块、第三导轨、第四导轨；所述第三导轨与下支座固联，第三滑块沿第三导轨滑动；第四导轨与上支座固联，第四滑块沿第四导轨滑动；

所述第一支链组、第二支链组、第三支链组的一端分别与第四滑块、第五滑块、第三滑块相连，另一端均与动平台相连。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)采用开式机架的设计有利于并联机床实现较大的工作空间；

(2)少自由度并联机构结构简单紧凑，便于装配，且整机重量轻，易于控制；

(3)根据并联机床的位姿描述及空间坐标变换理论，由于机床进行三个方向平动，无转动自由度，故姿态矩阵为单位阵，运动学正解也相对容易；

(4)采用附加的冗余直线模组，扩大了动平台的运动范围，而机架与工作台采用固定方式，进而减小了机床占用空间；

(5)采取附加两个冗余滑动的设计有利于规避奇异位形，提高并联机床的运动性能与刚度，并且有利于增大并联机床的工作空间，使工作空间规整，能够满足对大工件加工的要求。

附图说明

图1为本发明机床立体结构示意图。

图2为本发明机架结构示意图。

图3为本发明横向两联动直线模组示意图。

图4为本发明机床机构简图。

图5为本发明动平台立体结构示意图。

图6为本发明虎克铰附加转动副式球铰结构示意图。

图7为本发明虎克铰附加转动副式球铰机构简图。

具体实施方式

下面结合图1至图7对本发明做进一步说明：

结合图1，本发明中的一种附加两个冗余滑动的大工作空间三平动并联机床，包括机架1、纵向线性模组2、横向两联动直线模组3、第一支链组4、第二支链组5、第三支链组6、动平台7和工作台8；

所述机架1包括上支座1-1、主立柱1-2、下支座1-3；所述纵向线性模组2为单自由度的移动副，包括第五导轨2-1和第五滑块2-2；所述主立柱1-2上端安装上支座1-1，主立柱1-2的安装板下端安装有下支座1-3，下支座1-3的另一端与工作台8连接；纵向线性模组2安装在主立柱1-2中间，第五滑块2-2沿着第五导轨2-1平行于工作台8水平滑动；第五滑块2-2上设置两个安装第二支链组5的铰链孔；

所述纵向线性模组2使用伺服电机驱动，从而提供冗余直线滑动，该冗余直线滑动起规避奇异位形，增大机床工作空间的作用；

所述横向两联动直线模组3包括第三滑块3-3、第四滑块3-4、第三导轨3-7、第四导轨3-8；

所述第三导轨3-7与下支座1-3固联，第三滑块3-3沿第三导轨3-7滑动；第四导轨3-8与上支座1-1固联，第四滑块3-4沿第四导轨3-8滑动；第三滑块3-3和第四滑块3-4在相应导轨上的滑动；

所述第一支链组4、第二支链组5、第三支链组6的一端分别与第四滑块3-4、第五滑块2-2、第三滑块3-3相连，另一端均与动平台7相连；

作为优选的实施方式，结合图2，所述主立柱1-2为长方体腔体结构；上端安装上支座1-1，主立柱1-2正对工作台8一端为安装纵向线性模组2和下支座1-3的安装板，安装板下端安装有下支座1-3，下支座1-3的另一端与工作台8连接；上支座1-1、主立柱1-2和下支座1-3一起构成C形结构；上支座1-1为六面体腔体结构，下端与主立柱1-2的上端相连；下支座1-3为六面体腔体结构，且相对主立柱1-2中间对称，对称的两端为直角梯形结构；与主立柱1-2安装板连接的为较大的矩形结构，与工作台8安装为较小的矩形结构；

作为优选的实施方式，所述上支座1-1、下支座1-3与主立柱1-2在工作空间的夹角均为120°；使得第三导轨3-7、第四导轨3-8与主立柱1-2竖直方向夹角均为120°；

在一些实施方式中，结合图3，所述横向两联动直线模组3还包括第一滑块3-1、第二滑块3-2、第一导轨3-5、第二导轨3-6、推杆3-9、第一连杆3-10、第二连杆3-11、导轨连接件3-12；

所述第一导轨3-5与第二导轨3-6均垂直于工作台8且在同一垂直方向上，第一导轨3-5与主立柱1-2固连，下端伸入下支座1-3；第二导轨3-6固定在导轨连接件3-12上，导轨连接件3-12与上支座1-1内部固连；第一滑块3-1和第二滑块3-2通过两根推杆3-9连接；第一滑块3-1、第三滑块3-3上均设置有耳轴座，用于铰接第一连杆3-10，第一滑块3-1、第三滑块3-3通过第一连杆3-10连接，形成下滑块组；当第一滑块3-1沿第一导轨3-5滑动时，第一滑块3-1通过第一连杆3-10带动第三滑块3-3沿第三导轨3-7滑动；第二滑块3-2、第四滑块3-4上均设置有耳轴座，用于铰接第二连杆3-11，第二滑块3-2、第四滑块3-4通过第二连杆3-11连接，形成上滑块组；当第二滑块3-2沿第二导轨3-6滑动时，第二滑块3-2通过第二连杆3-11带动第四滑块3-4沿第四导轨3-8滑动；在推杆3-9的传递作用下，上滑块组与下滑块组形成联动关系，驱动第一滑块3-1，其它各滑块就有相应的运动。第四滑块3-4设有两个连接第一支链组4的铰链孔，第三滑块3-3设有两个连接第三支链组6的铰链孔；

所述横向两联动直线模组3使用伺服电机-丝杠螺母驱动，丝杠螺母带动第一滑块3-1滑动，推杆3-9推动第二滑块3-2运动，使得第三滑块3-3、第四滑块3-4随之运动；在所述各导轨角度关系下，设置第一滑块3-1上的耳轴处于第三导轨3-7与第一导轨3-5交汇点为初始位置，当第一滑块3-1连带第二滑块3-2从初始位置向上滑动时，第三滑块3-3移动距离显著，而第四滑块3-4移动距离很小，反之，第一滑块3-1连带第二滑块3-2从初始位置向下滑动时，第四滑块3-4移动距离显著，而第三滑块3-3移动距离很小，正因为驱动第一滑块3-1引起第三滑块3-3、第四滑块3-4的差别化两联动，该运动特性用于填补机床的作业盲区，有利于增大并联机床的工作空间，使工作空间规整，能够满足对大工件加工的要求；

纵向线性模组2的第五导轨2-1与横向两联动直线模组3的第一导轨3-5垂直安装在主立柱1-2上；所述纵向线性模组2、横向两联动直线模组3，其中机床的纵向和横向是以其坐标系来定义的，在水平方向，机床加工范围大，定义其为纵向，竖直方向相应定义为横向；

作为优选的实施方式，结合图4、图6、图7，所述第一支链组4、第二支链组5、第三支链组6结构相同，每组支链组均由两根结构相同的伸缩杆组成；伸缩杆的两端均为球铰；伸缩杆的内部采用的滚珠丝杠传动，每组支链的两根伸缩杆在机床工作状态下始终保持平行且等长，每组支链采用一个伺服电机同步驱动两根伸缩杆；

在一些是实施方式中，每组支链采用两个伺服电机分别驱动两根伸缩杆；

作为对上述实施方式的进一步改进，所述球铰是一种经过改进的虎克铰，通过在传统虎克铰的底座上增加一个转动副来代替普通球铰，转动范围可达-70°—70°；

第一支链组4的两根伸缩杆的一端均通过球铰与第四滑块3-4相连，另一端均通过球铰与动平台7相连；所述第二支链组5的两根伸缩杆的一端均通过球铰与第五滑块2-2相连，另一端均通过球铰与动平台7相连；所述第三支链组6的两根伸缩杆的一端均通过球铰与第三滑块3-3相连，另一端均通过球铰与动平台7相连，从而组成空间并联闭环结构；

作为优选的实施方式，结合图5，所述动平台7为五面体腔体结构，动平台7与第一支链组4和第三支链组6相连接端均为四边形结构，两端面相交且夹角为60°；动平台7与第一支链组4相连端上设有用于连接第一支链组4两根伸缩杆的第一铰链孔7-1和第二铰链孔7-2，两孔的孔心连线与第四滑块3-4上连接第一支链组4的两铰链孔的孔心连线平行且孔距相等；

动平台7与第三支链组6相连端上设有用于连接第三支链组6两根伸缩杆的第五铰链孔7-5和第六铰链孔7-6，两孔的孔心连线与第三滑块3-3上两铰链孔的孔心连线平行且孔距相等；

动平台7与第一支链组4和第三支链组6相连接处的两端均设有与第二支链组5相连的凸台面，两个凸台面同平面，且分别设有第三铰链孔7-3和第四铰链孔7-4，两孔的孔心连线与第五滑块2-2上两铰链孔的孔心连线平行且孔距相等；与凸台面平行相对的另一端为长方形平面结构，且中间设有安装工作装置电主轴的安装孔；动平台7另外两个端面为等腰梯形结构，均分别与凸台面和长方形结构相交；

所述动平台7上安装第一支链组4的端面与第四滑块3-4的端面保持平行，动平台7安装第三支链组6的端面与第三滑块3-3的端面保持平行，动平台7安装第二支链组5的端面与第五滑块2-2的端面保持平行；

机架1的主立柱1-2、下支座1-3、工作台8均设有地脚螺栓安装孔，安装机床时，通过地脚螺栓固定，以增加机床的整体稳定性；且机架1与工作台8不会像传统机床做大范围的相对运动，节约了机床的占用空间，也减轻了机床的整体重量；

在本发明中，上述上支座1-1、下支座1-3与主立柱1-2在工作空间的夹角可做适当调整；动平台7与第一支链组4和第三支链组6相连接的两个端面的夹角，在保证：动平台7上安装第一支链组4的端面与第四滑块3-4的端面保持平行，动平台7安装第三支链组6的端面与第三滑块3-3的端面保持平行，动平台7安装第二支链组5的端面与第五滑块2-2的端面保持平行的情况下，可做角度的调整；

由于本发明中并联机床动平台7无姿态变化，根据并联机床的位姿描述及空间坐标变换理论，由于机床进行三个方向平动，无转动自由度，故姿态矩阵为单位阵，运动学正解也相对容易；

本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。在不脱离本发明宗旨的情况下，做出的相关变形，均属于发明保护范围。