一种含解耦并联机构模块的五自由度混联机床

本实用新型涉及领域，更具体的说，尤其涉及一种含解耦并联机构模块的五自由度混联机床。

背景技术：

近年来，并联机构在机床上的应用得到不断地发展。传统机床的机械结构大多采用串联机构，这种形式虽然有较大的工作空间，但其承载能力小，运动惯性大，输出端容易产生误差累积。自上世纪90年代以来，并联机构因其高刚度、高精度、高承载能力等优点而被各国学者应用到了机床领域，充分发挥了其优越的性质，行业内又将并联机床称为虚拟轴机床。然而，并联机床存在工作空间较小的不足。串并混联机床将串联机床和并联机床的优点集于一身，满足现阶段机床对现代复杂零件加工的需求，为此类问题提出一个好的方案。

目前大部分的五自由度混联机床都采用一个四自由度的并联机构串联一个单自由度的旋转零部件，如在四自由度并联机构的工作台串联一个旋转加工头或者在静平台上串联一个旋转盘，其中的代表性有：专利103240614a提出的一种冗余驱动五轴联动混联机床，专利103252683a所提的一种五自由度混联数控机床以及专利109108671a所提的一种用于加工筒状零部件五轴混联机床。

在这些五自由度混联机床中其主要的运动控制还是集中于对四自由度并联机构的控制，结构复杂、设计要求多、控制不易，且在此基础上只串联一个单自由度的零部件只能加工大面积圆柱面型工件或者小范围曲面零件，而无法加工大面积的复杂曲面工件。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决现有的五自由度混联机床结构复杂、设计要求多和不易控制的问题，提出了一种含解耦并联机构模块的五自由度混联机床，其结构简单，工作空间大，初始装配位姿解耦，刀具旋转范围大，运动惯量小。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：一种含解耦并联机构模块的五自由度混联机床，包括基座、支架、工作台、刀具旋转总成、三个移动滑块总成、三根运动支链和两根约束支链，支架安装在基座上，其中两个移动滑块总成分别沿着x轴、y轴的方向安装在基座上，第三个移动滑块总成沿着z轴的方向安装在支架上；三个移动滑块总成分别通过三根运动支链连接工作台，两根约束支链的约束端安装在工作台的顶面上，两根约束支链的固定端安装在支架上；所述刀具旋转总成安装在工作台的底部；三个移动滑块总成通过三根运动支链驱动工作台和刀具旋转总成组成的整体进行三自由度运动，两根约束支链约束对工作台和刀具旋转总成的三自由度运动进行约束；

三个移动滑块总成的结构完全相同，三个移动滑块总成分别为x轴移动滑块总成、y轴移动滑块总成和z轴移动滑块总成，x轴移动滑块总成和y轴移动滑块总成均通过两块角钢固定在基座上，x轴移动滑块总成的滑块移动方向和y轴移动滑块总成的移动方向相互垂直；z轴移动滑块总成通过竖直设置的第一肋板竖直安装在支架上，z轴移动滑块总成的滑块移动方向与x轴移动滑块总成的滑块移动方向和y轴移动滑块总成的移动方向所在的平面垂直；

三根运动支链的结构完全相同，三根运动支链分别为x轴运动支链、y轴运动支链和z轴运动支链，x轴移动滑块总成通过x轴运动支链连接工作台的侧面，y轴移动滑块总成通过y轴运动支链连接工作台的侧面，z轴移动滑块总成通过z轴运动支链连接工作台的顶面，所述运动支链包括第一定杆、第二定杆和第三定杆，第一定杆的一端连接在移动滑块总成的运动端，第一定杆的另一端和第二定杆的一端通过虎克铰连接，第二定杆的另一端和第三定杆的一端通过虎克铰连接，第三定杆的另一端连接在工作台上；

两根约束支链的结构完全相同，两根约束支链分别为x轴约束支链和y轴约束支链，x轴约束支链约束x轴移动滑块总成驱动x轴运动支链工作时工作台的运动，y轴约束支链约束y轴移动滑块总成驱动y轴运动支链工作时工作台的运动；所述约束支链包括圆导杆、约束杆和第四定杆，所述第四定杆的底部固定在工作台的顶面上，第四定杆的上端通过虎克铰连接约束杆的下端，所述约束杆上设置有导槽，圆导杆固定在支架上，圆导杆穿过约束杆上的导槽，约束杆上的导槽与圆导杆相切；x轴约束支链的圆导杆垂直于x轴运动支链的运动方向水平设置，y轴约束支链的圆导杆垂直于y轴运动支链的运动方向水平设置；

所述刀具旋转总成包括x轴旋转支链、y轴旋转支链、z轴约束杆、准定平台、准动平台、刀具、铝型材和两个第四移动滑块总成，所述准定平台通过三根垂直于准定平台设置的铝型材固定在工作台底部；两个第四移动滑块总成均竖直固定在准定平台上；x轴旋转支链的一端连接在其中一个第四移动滑块总成的滑块上，x轴旋转支链的另一端连接准动平台；y轴旋转支链的一端连接在另一个的第四移动滑块总成的滑块上，y轴旋转支链的另一端连接在准动平台上；z轴约束杆的一端铰接在准动平台上，z轴约束杆的另一端铰接在准定平台上；z轴约束杆与准动平台的铰接轴方向与x轴旋转支链连接的第四移动滑块总成的滑块运动方向相互垂直，z轴约束杆与准定平台的铰接轴方向与y轴旋转支链连接的第四移动滑块总成的滑块运动方向相互垂直；刀具固定在所述准动平台的底部；两个第四移动滑块总成通过x轴旋转支链、y轴旋转支链驱动准动平台和刀具组成的整体进行运动，z轴约束杆约束准动平台和刀具组成的整体的运动方向。

进一步的，所述移动滑块总成包括第一垫板、第一伺服电机、第一移动模组和第一连接板，所述第一移动模组固定在第一垫板上，第一伺服电机安装在第一移动模组的一端且驱动所述第一移动模组的运动，所述第一连接板固定在第一移动模组的滑块上。三个移动滑块总成的滑块移动方向可以构成xyz轴坐标系。其中x轴移动滑块总成和y轴移动滑块总成的第一垫板底部固定在两个角钢的上方，两个角钢的下方固定在基座上，z轴移动滑块总成的第一垫板固定连接在第一肋板上，第一肋板底部固定在支架上。

进一步的，所述第一定杆靠近移动滑块总成的一侧设置有第一固定法兰，第一定杆的第一固定法兰通过螺栓固定在移动滑块总成的第一连接板上，第一定杆靠近工作台的一侧设置有第二固定法兰，第一定杆的第二固定法兰通过螺栓固定在工作台上。

进一步的，所述约束杆上的导槽形状为方形，导槽的宽度与圆导杆的直径相配合。约束杆运动时，圆导杆在导槽内移动，二者尺寸相配合保证移动的同时也不会产生过大的摩擦阻力。

进一步的，两根约束支链的第四定杆对称设置在z轴运动支链的第三定杆的两侧。

进一步的，三根运动支链的第一定杆均穿过支架且三根运动支链的第一定杆与支架通过轴承连接。支架上的轴承孔限定三根运动支链的第一定杆的方向必然是与三个移动滑块总成的滑块移动方向一致。

进一步的，所述第四移动滑块总成包括第二伺服电机、第二移动模组、第二肋板和第二垫板，所述第二垫板通过第二肋板竖直固定在准定平台上，第二移动模组固定在所述第二垫板上，第二伺服电机固定在第二移动模组的一端并驱动所述第二移动模组的工作，两个第四移动滑块总成的第二移动模组的滑块分别连接x轴旋转支链、y轴旋转支链的驱动端。

进一步的，所述y轴旋转支链包括第二连接板、第五定杆、鱼眼关节轴承、第六定杆和第七定杆，所述第二连接板固定在另一个第四移动滑块总成的滑块上，第五定杆的一端固定在第二连接板上，第五定杆的另一端与第六定杆的一端通过鱼眼关节轴承连接，第六定杆的另一端与第七定杆的一端通过鱼眼关节轴承连接，第七定杆的另一端固定在动平台的一个侧面上；所述第五定杆的轴心线方向与第七定杆的轴心线方向相互垂直。由于第六定杆的两端与第五定杆和第七定杆均通过鱼眼关节轴承连接，因此第六定杆的轴心线方向必然同时与第五定杆的轴心线方向和第七定杆的轴心线方向相互垂直。

进一步的，所述x轴旋转支链包括第三连接板、第八定杆、关节轴承、第九定杆和第四连接板，所述第三连接板固定在其中一个第四移动滑块总成的滑块上，第八定杆的一端固定在第三连接板上，第八定杆的另一端与第九定杆的一端通过关节轴承连接，第四连接板固定在第九定杆的另一端，所述第四连接板与准动平台通过垂直于第七定杆的铰接轴连接。

进一步的，所述z轴约束杆的整体呈u型，z轴约束杆的两端分别铰接在准动平台和准定平台上，z轴约束杆连接准定平台的铰接轴轴心线与x轴旋转支链的第七定杆的轴心线重合，y轴旋转支链的第四连接板与准动平台相连接的铰接轴的轴心线和z轴约束杆连接准动平台的铰接轴周轴心线重合。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型采用正交的三自由度平移并联机构串联一个球面正交的二自由度旋转并联机构，比较四自由度并联机构串联单自由度机构，工作空间更大，承载能力更强，由于刀具的平移运动与旋转运动是分开的，能够大幅提高刀具的移动范围和旋转范围，适合加工大面积的复杂曲面工件。

2、本实用新型的移动滑块总成是固定在基座上的，因此支链的运动惯量小。

3、本实用新型的三个移动滑块总成构成的正交的三自由度平移并联机构可实现机构的初始装配解耦化，并且能够实现加工工具在空间位置的大范围移动。

4、本实用新型的二自由度旋转并联机构为部分解耦并联机构，通过三自由度平移并联机构的定位，可实现复杂曲面的加工，并且在确保承载能力、旋转范围较好的前提下，运动控制容易、精度高。

附图说明

图1是本实用新型一种含解耦并联机构模块的五自由度混联机床的整体结构示意图。

图2是本实用新型的移动滑块总成的结构示意图。

图3是本实用新型的运动支链的结构示意图。

图4是本实用新型的约束支链的结构示意图。

图5是本实用新型的刀具旋转总成的结构示意图。

图6是本实用新型的刀具旋转总成的y轴旋转支链的结构示意图。

图7是本实用新型的刀具旋转总成的x轴旋转支链的结构示意图。

图中，1-基座、2-支架、3-x轴移动滑块总成、4-x轴运动支链、5-y轴约束支链、6-z轴移动滑块总成、7-z轴运动支链、8-x轴约束支链、9-刀具旋转总成、10-工作台、11-y轴运动支链、12-y轴移动滑块总成、301-角钢、302-第一垫板、303-第一伺服电机、304-第一移动模组、305-滑块、306-第一连接板、401-第一定杆、402-第二定杆、403-第三定杆、801-第四定杆、802-约束杆、803-圆导杆、900-第四移动滑块总成、901-准定平台、902-第二移动模组、903-y轴旋转支链、904-第二伺服电机、905-铝型材、906-第二垫板、907-第二肋板、908-x轴旋转支链、909-z轴约束杆、910-准动平台、911-刀具、9031-第二连接板、9032-第五定杆、9033-鱼眼关节轴承、9034-第六定杆、9035-第七定杆、9081-第三连接板、9082-关节轴承、9083-第八定杆、9084-第九定杆、9085-第四连接板。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1~7所示，一种含解耦并联机构模块的五自由度混联机床，包括基座1、支架2、工作台10、刀具旋转总成9、三个移动滑块总成、三根运动支链和两根约束支链，支架2安装在基座1上，其中两个移动滑块总成分别沿着x轴、y轴的方向安装在基座1上，第三个移动滑块总成沿着z轴的方向安装在支架2上；三个移动滑块总成分别通过三根运动支链连接工作台10，两根约束支链的约束端安装在工作台10的顶面上，两根约束支链的固定端安装在支架2上；所述刀具旋转总成9安装在工作台10的底部；三个移动滑块总成通过三根运动支链驱动工作台10和刀具旋转总成9组成的整体进行三自由度运动，两根约束支链约束对工作台10和刀具旋转总成的三自由度运动进行约束。支架2和基座1构成整个装置的支撑框架，支架2有多根直线铝型材组装构成，其内部有足够的空间不会干涉到刀具旋转总成9的运动，且基座1底部预留出足够的加工空间。

三个移动滑块总成的结构完全相同，三个移动滑块总成分别为x轴移动滑块总成3、y轴移动滑块总成12和z轴移动滑块总成6，x轴移动滑块总成3和y轴移动滑块总成12均通过两块角钢301固定在基座1上，x轴移动滑块总成3的滑块移动方向和y轴移动滑块总成12的移动方向相互垂直；z轴移动滑块总成6通过竖直设置的第一肋板竖直安装在支架2上，z轴移动滑块总成6的滑块移动方向与x轴移动滑块总成3的滑块移动方向和y轴移动滑块总成12的移动方向所在的平面垂直。移动滑块总成的基本组成采用直线模组的方式，能够进行运动距离的精确控制，从而对刀具旋转总成9和工作台10的运动进行三个自由度的精确控制。

三根运动支链的结构完全相同，三根运动支链分别为x轴运动支链4、y轴运动支链11和z轴运动支链7，x轴移动滑块总成3通过x轴运动支链4连接工作台10的侧面，y轴移动滑块总成12通过y轴运动支链11连接工作台10的侧面，z轴移动滑块总成6通过z轴运动支链7连接工作台10的顶面，所述运动支链包括第一定杆401、第二定杆402和第三定杆403，第一定杆401的一端连接在移动滑块总成的运动端，第一定杆401的另一端和第二定杆402的一端通过虎克铰连接，第二定杆402的另一端和第三定杆403的一端通过虎克铰连接，第三定杆403的另一端连接在工作台10上。采用两个虎克铰连接组成的运动支链能使其中一个方向的运动支链工作时另外两个方向的运动支链跟随进行一定角度的运动，不会阻碍该运动支链的工作。

三根运动支链的第一定杆401均穿过支架2且三根运动支链的第一定杆401与支架2通过轴承连接。

两根约束支链的结构完全相同，两根约束支链分别为x轴约束支链8和y轴约束支链5，x轴约束支链8约束x轴移动滑块总成3驱动x轴运动支链4工作时工作台10的运动，y轴约束支链5约束y轴移动滑块总成12驱动y轴运动支链11工作时工作台10的运动；所述约束支链包括圆导杆803、约束杆802和第四定杆801，所述第四定杆801的底部固定在工作台10的顶面上，第四定杆801的上端通过虎克铰连接约束杆802的下端，所述约束杆802上设置有导槽，圆导杆803固定在支架2上，圆导杆803穿过约束杆802上的导槽，约束杆802上的导槽与圆导杆803相切；x轴约束支链8的圆导杆803垂直于x轴运动支链4的运动方向水平设置，y轴约束支链5的圆导杆803垂直于y轴运动支链11的运动方向水平设置。所述约束杆802上的导槽形状为方形，导槽的宽度与圆导杆803的直径相配合。约束直线的作用是限制对应方向运动支链工作时工作台只能限定在某一方向运动而不是向其他不定的方向扭动。所述第一定杆401靠近移动滑块总成的一侧设置有第一固定法兰，第一定杆401的第一固定法兰通过螺栓固定在移动滑块总成的第一连接板306上，第一定杆401靠近工作台10的一侧设置有第二固定法兰，第一定杆401的第二固定法兰通过螺栓固定在工作台10上。

两根约束支链的第四定杆801对称设置在z轴运动支链7的第三定杆403的两侧。

所述刀具旋转总成9包括x轴旋转支链908、y轴旋转支链903、z轴约束杆909准定平台901、准动平台910、刀具911、铝型材905和两个第四移动滑块总成900，所述准定平台901通过三根垂直于准定平台901设置的铝型材905固定在工作台10底部；两个第四移动滑块总成900均竖直固定在准定平台901上；x轴旋转支链908的一端连接在其中一个第四移动滑块总成900的滑块305上，x轴旋转支链908的另一端连接准动平台910；y轴旋转支链903的一端连接在另一个的第四移动滑块总成900的滑块305上，y轴旋转支链903的另一端连接在准动平台910上；z轴约束杆909的一端铰接在准动平台910上，z轴约束杆909的另一端铰接在准定平台901上；z轴约束杆909与准动平台910的铰接轴方向与x轴旋转支链908连接的第四移动滑块总成900的滑块运动方向相互垂直，z轴约束杆909与准定平台901的铰接轴方向与y轴旋转支链903连接的第四移动滑块总成900的滑块运动方向相互垂直；刀具911固定在所述准动平台910的底部；两个第四移动滑块总成900通过x轴旋转支链908、y轴旋转支链903驱动准动平台910和刀具911组成的整体进行运动，z轴约束杆909约束准动平台910和刀具911组成的整体的运动方向。

所述移动滑块总成包括第一垫板302、第一伺服电机303、第一移动模组304和第一连接板306，所述第一移动模组304固定在第一垫板302上，第一伺服电机303安装在第一移动模组304的一端且驱动所述第一移动模组304的运动，所述第一连接板306固定在第一移动模组304的滑块305上。

所述第四移动滑块总成900包括第二伺服电机904、第二移动模组902、第二肋板907和第二垫板906，所述第二垫板906通过第二肋板907竖直固定在准定平台901上，第二移动模组902固定在所述第二垫板906上，第二伺服电机904固定在第二移动模组902的一端并驱动所述第二移动模组902的工作，两个第四移动滑块总成900的第二移动模组902的滑块分别连接x轴旋转支链908、y轴旋转支链903的驱动端。

所述y轴旋转支链903包括第二连接板9031、第五定杆9032、鱼眼关节轴承9033、第六定杆9034和第七定杆9035，所述第二连接板9031固定在另一个第四移动滑块总成900的滑块上，第五定杆9032的一端固定在第二连接板9031上，第五定杆9032的另一端与第六定杆9034的一端通过鱼眼关节轴承9033连接，第六定杆9034的另一端与第七定杆9035的一端通过鱼眼关节轴承9033连接，第七定杆9035的另一端固定在动平台的一个侧面上；所述第五定杆9032的轴心线方向与第七定杆9035的轴心线方向相互垂直。

所述x轴旋转支链908包括第三连接板9081、第八定杆9083、关节轴承9082、第九定杆9084和第四连接板9085，所述第三连接板9081固定在其中一个第四移动滑块总成900的滑块上，第八定杆9083的一端固定在第三连接板9081上，第八定杆9083的另一端与第九定杆9084的一端通过关节轴承9082连接，第四连接板9085固定在第九定杆9084的另一端，所述第四连接板9085与准动平台910通过垂直于第七定杆9035的铰接轴连接。

所述z轴约束杆909的整体呈u型，z轴约束杆909的两端分别铰接在准动平台910和准定平台901上，z轴约束杆909连接准定平台901的铰接轴轴心线与x轴旋转支链908的第七定杆9035的轴心线重合，y轴旋转支链903的第四连接板9085与准动平台910相连接的铰接轴的轴心线和z轴约束杆909连接准动平台910的铰接轴周轴心线重合。

上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。