一种四分支燕形五轴加工设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于数控机械加工领域，特别涉及一种数控五轴加工设备。
【背景技术】
[0002]五轴加工中心，是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲面的加工中心，这种加工中心系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业有着举足轻重的影响力。目前，五轴联动数控加工中心的机械结构主要是以串联和混联的形式组成，串联机床的五轴铣削加工中心多数靠X、Y、Z三个方向的直线运动加串联双摆头或者是两自由度工件装卡分度转台的方式来提供五个自由度，这造成了五轴加工中心具有刚度较低，承载力较小等一系列缺点。并联机构具有刚度重量比大，制造成本低等优点，近二十年来国内外已研发出多种机型样机，其中基于六自由度的Stewart平台机构设计开发样机较多，有些已经应用，但存在分支多，工作空间小等不足。串并混联机床应用少自由度并联机构分支少，工作空间大的优点，大多数通过在三自由度并联机构加串联双摆头的方式来提供五个自由度，双摆头运动空间大，但高精度双摆头体积大、成本高，影响了其应用推广。公开号为CN102490187 A的专利提出了一种新型五自由度并联机械手，此发明虽然全部利用并联机构来满足五自由度，但执行端灵活空间小。公开号为CN104029196 A的专利提出了一种三转动一移动四自由度并联机构，其四分支结构刚度较好，但加工中心并不需要三个转动自由度。公开号为CN1958229 A的专利提出了一种五自由度并串联数控机床，采用四个伸缩分支的并联机构串联摆动伺服轴实现了五轴联动；当固定平台上的万向铰位置和运动平台球铰、转动副为矩形且四个伸缩分支等长度时并联机构发生结构奇异;为了避免机构奇异，如该发明实施例附图中所示，其采用运动平台和固定平台铰座位置为反向梯形分布，运动平台上两个转动副相邻布置在梯形下底边，两个球铰相邻布置在梯形上底边，这种布置虽理论上离开奇异点，但由于仍然离奇异点相对较近，使运动平台各向刚度不一致，绕垂直于固定平台轴线扭转的刚度较低，球副相邻布置使得机床灵活空间较小，以上因素使得其难以满足并联机床工程实际上的要求。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种工作空间大，各方向移动和扭转刚度大，节约成本，安装方便的四分支五轴加工设备。
[0004]本发明包括主轴、单摆头、动平台、四条直线驱动分支、机架、一个第一转动框和两个第二转动框;所述四条直线驱动分支均为直线模组驱动。
[0005]第一种连接方式:
[0006]所述机架由门字形前框和其后与其连为一体的弓形后框组成，所述第一转动框设在机架弓形后框的框内，该第一转动框通过转动副与机架相连，该转动副轴线位于机架左右对称面内且与工作台平面夹角为0°到45°，两条第一直线驱动分支的直线模组滑块的两端分别通过转动副与第一转动框的上下两端连接，该两条第一直线驱动分支的一端为驱动电机，其另一端分别通过转动副与动平台的上端和下部连接，上述两条第一直线驱动分支中的四个转动副轴线互相平行且垂直于第一转动框转动轴线;所述两个第二转动框设在机架弓形框架顶部两侧，所述两个第二转动框分别通过转动副与机架连接，两条第二直线驱动分支的直线模组滑块的两端分别通过转动副与第二转动框连接，该两条第二直线驱动分支的一端为驱动电机，其另一端分别通过球副与动平台的左右两侧连接，单摆头设在动平台上且转动轴线垂直于上述与动平台连接的两个转动副轴线，主轴固定在单摆头上。
[0007]第二种连接方式:
[0008]所述机架为弓形框架，所述第一转动框设在机架弓形框架顶部左右对称面内，该第一转动框通过转动副与机架相连，该转动副轴线位于机架左右对称面内且与工作台平面夹角为0°到45°，两条第一直线驱动分支的直线模组滑块的两端分别通过转动副与第一转动框的上下两端连接，该两条第二直线驱动分支的一端为驱动电机，其另一端分别通过转动副与动平台的上、下两端连接，上述两条第一直线驱动分支中的四个转动副轴线互相平行且垂直于第一转动框转动轴线;所述两个第二转动框位于机架下部两侧且分别通过转动副与机架相连，两条第二直线驱动分支的直线模组滑块的两端分别通过转动副与第二转动框连接，该两条第二直线驱动分支的一端为驱动电机，其另一端分别通过球副与动平台的左右两侧连接；单摆头设在动平台上且转动轴线垂直于上述与动平台连接的两转动副轴线，主轴固定在单摆头上。
[0009]本发明通过设置第一转动框将两个与动平台转动副连接的直线驱动分支装配成带有摆轴的平面机构主体，称之为燕身；另外两个直线驱动分支(燕翅)通过第二、第三转动框设置在平面机构主体(燕身)两侧、第一转动框的上部(燕翅向上)或下部(燕翅向下)，两个球铰安装在动平台两转动副中心连线两侧。
[0010]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0011]1、本发明利用这种燕形分支布置的方式有效的避免了机构的奇异，并且实现了动平台沿各方向的移动刚度和绕各方向的扭转刚度一致性好、刚度大。
[0012]2、本发明利用球副相对布置的方式增加了球副转角的利用，有效的增大了机床的灵活空间满足了五轴加工中心对并联机构工作空间的要求。
[0013]3、本发明与串联双摆头混联机床相比结构刚度大，承载能力强，精度高；
[0014]4、本发明利用直线驱动分支作和单摆头为驱动，驱动刚度大，工作载荷大传动少，加工精度高。
[0015]以上特点使得本发明能够很好的满足并联机床在工程实际上的要求。
【附图说明】
[0016]图1为本发明实施例1的立体示意简图。
[0017]图2为图1的后视图。
[0018]图3为本发明实施例2的立体示意简图。
[0019]图4为图3的后视图。
[0020]图中:1、第一直线驱动分支a;2、第一直线驱动分支b;3、第一转动框;4、第二直线驱动分支a; 5、第二转动框a; 6、单摆头;7、主轴;8、动平台；9、第二直线驱动分支b; 10第二转动框b; 11机架。
【具体实施方式】
[0021]实施例1
[0022]在图1和图2所示的四分支燕形五轴加工设备示意图中，机架11由门字形前框和其后设有与其连为一体的弓形后框组成，第一转动框3设在机架弓形框架后部的框内，该第一转动框通过转动副R1与机架相连，该转动副轴线位于机架左右对称面内且与工作台平面夹角为45°到90°，第一直线驱动分支al、第一直线驱动分支b2的直线模组滑块的两端分别通过转动副R2和R3与第一转动框的上下两端连接，该两条第一直线驱动分支的一端为驱动电机，其另一端分别通过转动副R8和R9与动平台8的上端和下部连接，上述两条第一直线驱动分支中的四个转动副轴线互相平行且垂直于第一转动框转动轴线;第二转动框a5和第二转动框blO设在机架弓形框架顶部两侧，所述两个第二转动框分别通过转动副R4、R6与机架连接，第二直线驱动分支a的直线模组滑块的两端分别通过转动副R5与第二转动框a连接，第二直线驱动分支b的直线模组滑块的两端分别通过转动副R7与第二转动框b连接，该两条第二直线驱动分支的一端为驱动电机，其另一端分别通过球副S2和5工与动平台的左右两侧连接，单摆头6设在动平台上且转动轴线垂直于上述与动平台连接的两个转动副R8和R9的轴线，主轴7固定在单摆头上且转动轴线垂直于单摆头的转动轴线。
[0023]实施例2
[0024]如图3和图4所示，机架11为弓形框架，第一转动框3设在机架弓形框架顶部左右对称面内，该第一转动框通过转动副R1与机架相连，该转动副轴线位于机架左右对称面内且与工作台平面夹角为0°到45°，第一直线驱动分支al和第一直线驱动分支b2的直线模组滑块的两端分别通过转动副RdPR3与第一转动框的上下两端连接，该两条第二直线驱动分支的一端为驱动电机，其另一端分别通过转动副R8和R9与动平台的上、下两端连接，上述两条第一直线驱动分支中的四个转动副轴线互相平行且垂直于第一转动框转动轴线;第二转动框a5和第二转动框blO分别设在机架下部两侧，所述两个第二转动框通过转动副R4、R6与机架相连，两条第二直线驱动分支的直线模组滑块的两端分别通过转动副R5、R?与第二转动框连接，该两条第二直线驱动分支的一端为驱动电机，其另一端分别通过球副S2和3工与动平台的左右两侧连接;单摆头6设在动平台上且转动轴线垂直于上述与动平台连接的两转动副R8和R9的轴线，主轴7固定在单摆头上且转动轴线垂直于单摆头的转动轴线。
【主权项】
1.一种四分支燕形五轴加工设备，它包括主轴、单摆头、动平台、四条直线驱动分支和机架，其特征在于:它还包括一个第一转动框、两个第二转动框;所述第一转动框通过转动副与机架相连，转动副轴线位于机架左右对称面内，两条第一直线驱动分支穿过第一转动框，它们的中部滑块和一端分别与第一转动框和动平台通过转动副连接，四个转动副轴线互相平行且垂直于第一转动框转动轴线;所述两个第二转动框位于机架左右对称面两侧通过转动副与机架相连，两条第二直线驱动分支穿过各自的第二转动框，且各自中部滑块与第二转动框通过转动副连接，一端与动平台通过球铰连接，球铰中心位于两条第一直线分支与动平台连接转动副的左右两侧，单摆头设在动平台上且转动轴线垂直于上述与动平台连接的两个转动副轴线，主轴固定在单摆头上。2.根据权利要求1所述的一种四分支燕形五轴加工设备，其特征在于:所述机架由门字形前框和其后与其连为一体的弓形后框组成，所述第一转动框设在机架弓形后框的框内，该第一转动框转动轴线位于机架弓形框内且与工作台平面夹角为45°到90°，所述两个第二转动框转动位于机架弓形框顶部两侧。3.根据权利要求1所述的一种四分支燕形五轴加工设备，其特征在于:所述第一转动框转动轴线位于机架上部左右对称面内且与工作台平面夹角为0°到45°，所述两个第二转动框转动位于机架下部两侧。4.根据权利要求1所述的一种四分支燕形五轴加工设备，其特征在于:所述单摆头设在动平台上，摆动轴线与动平台两转动副轴线垂直。
【专利摘要】一种四分支燕形五轴加工设备，它包括主轴、单摆头、动平台、四条直线驱动分支、机架、一个第一转动框和两个第二转动框；所述第一转动框位于机架左右对称面内通过转动副与机架连接，两条第一直线驱动分支穿过第一转动框，且中部和一端分别与第一转动框和动平台连接，四个转动副轴线互相平行且垂直于第一转动框转动轴线；所述两个第二转动框位于机架左右两侧通过转动副与机架相连，两条第二直线驱动分支穿过各自的第二转动框，且各自中部与第二转动框通过转动副连接，一端与动平台通过球铰连接，单摆头设在动平台上，主轴固定在单摆头上。本发明结构紧凑、结构刚度大、承载能力强、加工精度高，五轴联动可以实现曲面加工。
【IPC分类】B23Q1/01, B23Q5/34
【公开号】CN105563205
【申请号】CN201610080527
【发明人】赵铁石, 尹祖望, 田梦婷, 祁晓园
【申请人】燕山大学
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2016年2月4日