一种三自由度并联式主轴头结构的制作方法
【专利摘要】一种三自由度并联式主轴头结构，主要包括主轴、机架、动平台及三条支链，并列的两条支链结构完全相同，其移动副组件的连接件与机架相连，滑块与连杆的一端相连，连杆的另一端与转动副相连，转动副安装在圆柱副的滑套上，并且两条并列支链的圆柱副共用一条光轴，该光轴通过三个相同的支座固定在动平台上；三条支链的另一单条支链，其移动副组件的连接件与机架相连，滑块上固定一个转动副支座，该转动副支座上设有转动副，该转动副与连杆的一端相连，连杆的另一端与球副相连，该球副固定在动平台上，动平台上固定有主轴。本发明运动副数目少，结构简单紧凑，刚度较好且能满足复杂形状零件加工需要。
【专利说明】一种三自由度并联式主轴头结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械制造领域，特别是机床的主轴头。
【背景技术】
[0002]机床的主轴头机构是指调整主轴头位姿变化或进给量的运动部件。传统的机床主轴头大多为可实现连续回转的固定式结构，其主轴头机构也是基于串联原理，工作空间位置及角度的变化完全由机床本体结构来决定，存在运动误差累加、结构刚度低、运动质量大等缺点。随着并联机器人机构学理论与技术的发展，并联机构在铣床、钻床等数控加工中心上的应用越发广泛。目前国内外研发出来的并联机床大多是基于传统的六自由度机构，其精度高、响应快，然而其工作空间小、制造成本高昂、控制算法复杂，限制了六自由度并联机床的推广与普及。
[0003]在数控加工应用中，有些形状复杂的零件为保证加工精度，需要采用一次装夹、多工位加工的方式实现，这就对数控机床或加工中心的刀具操作空间提出了挑战，少自由度主轴头应运而生。少自由度主轴头专门用于调整刀具的移动范围和工作角度，安装有少自由度主轴头的串并混联加工中心和传统的六自由度并联机床相比，在保证主要加工性能的前提下，其设计、制造的成本以及控制系统的开发难度都有所降低。
[0004]具有两个转动自由度和一个移动自由度(即两转一移)的三自由度并联机构是少自由度并联机构家族中非常重要的一个分支，尤其在并联式主轴头方面的应用中有着良好的前景。如基于3-PRS的Z3主轴头(W02000025976)和基于2-UPR/SPR的Exechon混联机床(W02006054935)。目前已有诸多研究单位和科研机构构型出多种两转一移三自由度并联机构(如US6431802、W0005976、EP1123175、CN102632394等)，清华大学、天津大学等高校也已提出一些并联式主轴头结构(如CN101264576、CN101049699、CN101579828等)，但是运动副数目少、结构简单、控制容易的该类并联式主轴头结构还相对比较少。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种运动副数目少，结构简单紧凑，刚度较好且能满足复杂形状零件加工需要的三自由度并联式主轴头结构。本发明主要是机架通过与其相连的三条支链与动平台及设在动平台上的主轴相连。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]本发明主要包括主轴、机架、动平台及三条支链。其中，并列的两条支链结构完全相同，每条支链包括:移动副组件、连杆、转动副、圆柱副及支座。其中移动副组件又包括伺服电机、电机座(内有减速器和联轴器)、丝杠、丝杠螺母、滑块及连接件。与机架相连的连接件上设有电机座，该电机座一端与伺服电机相连，另一端与丝杠的一端相连(丝杠另一端也设在连接件上)。与丝杠啮合的螺母与滑块相连。该移动副组件的滑块与连杆的一端相连，连杆的另一端与转动副相连，转动副安装在圆柱副的滑套上，并且两条并列支链的圆柱副共用一条光轴，该光轴通过三个相同的支座固定在动平台上。两条并列支链的转动副轴线平行且与两圆柱副的轴线垂直相交。三条支链的另一单条支链包括:移动副组件、支座、转动副、连杆及球副。其中移动副组件又包括又包括伺服电机、电机座(内有减速器和联轴器)、丝杠、丝杠螺母、滑块及连接件。与机架相连的连接件上设有电机座，该电机座一端与伺服电机相连，另一端与丝杠的一端相连(丝杠另一端也设在连接件上)。与丝杠啮合的螺母与滑块相连。移动副组件的滑块上固定一个转动副支座，该转动副支座上设有转动畐IJ，该转动副轴线与移动副轴线相互垂直且与两并列支链的圆柱副轴线平行。该转动副与连杆的一端相连，连杆的另一端与球副相连，该球副固定在动平台上，动平台的另一面固定有主轴。最好，三条支链在空间中呈以第三支链为顶点的等腰三角形分布，整个结构呈空间面对称。
[0008]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0009]本发明三自由度并联式主轴头结构运动副数目少，结构简单；两个圆柱副采用同一条光轴，避免机加工误差带来的轴线难以共线的问题，保证两个圆柱副的同轴度，加工制造容易；第一第二支链的转动副和圆柱副垂直相交，这使得分支运动链大大缩短，结构更加紧凑，整体刚度高，并且改善了圆柱副光轴的受偏载情况，具有较好的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明立体示意图。
[0011]图中:1-主轴,2-机架，3-动平台，4-伺服电机A，5-电机座A，6_丝杠A，7_丝杠螺母及滑块A，8-连杆A，9-伺服电机B，10-电机座B，11-丝杠B，12-丝杠螺母及滑块B，13-转动副支座，14-连杆B，15-光轴，16-支座，PU P2-并列两支链的移动副组件，RU R2-并列两支链的转动副，Cl、C2-并列两支链的圆柱副，P3-单个支链的移动副组件，R3-单个支链的转动副，S-球副。
【具体实施方式】
[0012]在图1所示的一种三自由度并联式主轴头结构立体示意图中，并列的两条支链结构完全相同，每条支链包括:移动副组件、连杆、转动副、圆柱副及支座。其中移动副组件又包括伺服电机、电机座(内有减速器和联轴器)、丝杠、丝杠螺母、滑块及连接件。与机架相连的连接件上设有电机座，该电机座一端与伺服电机相连，另一端与丝杠的一端相连，丝杠另一端也设在连接件上。与丝杠啮合的螺母与滑块相连。该移动副组件的滑块与连杆的一端相连，连杆的另一端呈叉形与转动副相连，转动副安装在圆柱副的滑套上，并且两条并列支链的圆柱副共用一条光轴，该光轴通过三个相同的支座固定在动平台上。两条并列支链的转动副轴线平行且与两圆柱副的轴线垂直相交。三条支链的另一单条支链包括:移动副组件、支座、转动副、连杆及球副。其中移动副组件又包括又包括伺服电机、电机座(内有减速器和联轴器)、丝杠、丝杠螺母、滑块及连接件。与机架相连的连接件上设有电机座，该电机座一端与伺服电机相连，另一端与丝杠的一端相连，丝杠另一端也设在连接件上，与丝杠啮合的螺母与滑块相连。移动副组件的滑块上固定一个转动副支座，该转动副支座上设有转动副，该转动副轴线与移动副轴线相互垂直且与两并列支链的圆柱副轴线平行。该转动副与连杆的一端相连，连杆的另一端与球副相连，该球副固定在动平台上，动平台的另一面固定有主轴。三条支链在空间中呈以第三支链为顶点的等腰三角形分布，整个结构呈空间面对称。
[0013]本发明工作过程大致如下:若三条支链的丝杠同步等速运动，即可实现动平台的上下移动；若第三支链的丝杠不动，第一第二支链的丝杠同步等速反向运动，即可实现动平台的前后俯仰；若第一第二支链的丝杠不动，第三支链的丝杠运动，即可实现动平台的左右摆动。三条支链同步配合运动就可以实现动平台在三维空间内做复杂的两转一移三自由度运动，从而实现对复杂形状零件的加工。
【权利要求】
1.一种三自由度并联式主轴头结构,主要包括主轴、机架、动平台及三条支链,其特征在于:并列的两条支链结构完全相同，与机架相连的连接件上设有电机座，该电机座一端与伺服电机相连，另一端与丝杠的一端相连，与丝杠啮合的螺母与滑块相连，移动副组件的滑块与连杆的一端相连，连杆的另一端与转动副相连，转动副安装在圆柱副的滑套上，并且两条并列支链的圆柱副共用一条光轴，该光轴通过三个相同的支座固定在动平台上；三条支链的另一单条支链，其与机架相连的连接件上设有电机座，该电机座一端与伺服电机相连，另一端与丝杠的一端相连，与丝杠啮合的螺母与滑块相连，移动副组件的滑块上固定一个转动副支座，该转动副支座上设有转动副，该转动副与连杆的一端相连，连杆的另一端与球副相连，该球副固定在动平台上，动平台的另一面固定有主轴。
2.根据权利要求1所述的三自由度并联式主轴头结构,其特征在于:两条并列支链的转动副轴线平行且与两圆柱副的轴线垂直相交。
3.根据权利要求1或2所述的三自由度并联式主轴头结构，其特征在于:单条支链转动副轴线与移动副轴线相互垂直且与两并列支链的圆柱副轴线平行。
4.根据权利要求3所述的三自由度并联式主轴头结构，其特征在于:三条支链在空间中呈以单个支链为顶点的等腰三角形分布，整个结构呈空间面对称。
【文档编号】B23Q5/32GK104259916SQ201410465305
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】赵永生, 平立发, 许允斗, 姚建涛, 苏弘良 申请人:燕山大学