一種大擺角龍門式五軸聯(lián)動混聯(lián)機床的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機械制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大擺角龍門式五軸聯(lián)動混聯(lián)機床， 是一種能夠應(yīng)用于數(shù)控加工領(lǐng)域的可實現(xiàn)細(xì)長整體結(jié)構(gòu)件大擺角精密加工的多軸聯(lián)動裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 并聯(lián)機構(gòu)是由多個支鏈構(gòu)成的閉環(huán)機構(gòu)，相對于傳統(tǒng)的串聯(lián)機構(gòu)具有以下優(yōu)點： 并聯(lián)機床作為一種以并聯(lián)機構(gòu)為機械本體的制造裝備，出現(xiàn)于上世紀(jì)90年代末。隨著并聯(lián) 機構(gòu)理論研究的不斷深入及數(shù)控技術(shù)、自動化技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，并聯(lián)機床逐 漸成為一種重要的新型制造裝備而應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)中。并聯(lián)機床與傳統(tǒng)串聯(lián)機床相比， 具有更高的剛度重量比、更快的響應(yīng)速度、更高的加工精度。從而更適用于高速、精密、重載 情況下的加工。并且其模塊化程度高、易重構(gòu)、柔性好，從而更易于降低加工成本。但是并聯(lián) 機床存在著相對工作空間小、加工范圍有限等這樣的缺點，從而限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。鑒于并 聯(lián)機構(gòu)與串聯(lián)機構(gòu)在構(gòu)型上面的對偶關(guān)系，人們想到了將并聯(lián)機構(gòu)和串聯(lián)機構(gòu)進行組合， 從而提出了混聯(lián)機構(gòu)的構(gòu)型，并將混聯(lián)機構(gòu)作為數(shù)控機床的機械本體生產(chǎn)新型混聯(lián)機床。 混聯(lián)機床集并、串聯(lián)機床的優(yōu)勢于一身，同時又避免了并、串聯(lián)構(gòu)型各自的缺點，在現(xiàn)代制 造業(yè)中更具實用性。正因如此，這類基于并聯(lián)機構(gòu)或含有并聯(lián)模塊的五軸聯(lián)動混聯(lián)加工中 心得到了廣泛關(guān)注和研究，并逐步成為高速、高精度、高靈活度數(shù)控機床的發(fā)展趨勢。
[0003] 近年來，應(yīng)用于航空航天、鐵路運輸、國防軍工等領(lǐng)域的細(xì)長類整體結(jié)構(gòu)件例如： 飛機的機身、機翼、肋條、火車車廂等的整體設(shè)計原則越來越受到了重視。整體設(shè)計的基本 概念是，從一塊整體毛坯上將金屬切除，從而獲得性能優(yōu)越的整體結(jié)構(gòu)件。它的優(yōu)點不僅是 縮短了加工裝配的周期和物流鏈，同時也減輕了結(jié)構(gòu)件的重量。這種細(xì)長類整體結(jié)構(gòu)件大 都零件去除率高，且形狀復(fù)雜、多孔、壁厚薄。為了完成這種復(fù)雜加工必須使用五軸聯(lián)動的 數(shù)控機床，且對機床性能要求較高。由于傳統(tǒng)數(shù)控機床在復(fù)雜細(xì)長整體結(jié)構(gòu)件加工方面存 在弊端，尋找新型高效的加工機床成為一個迫切的任務(wù)。鑒于混聯(lián)機床存在著適用于高速、 尚精、重載加工的優(yōu)勢，發(fā)展新型混聯(lián)機床將成為一種有效的解決措施。
[0004] 在2009年初開始實施的"高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備"科技重大專項中，將并 聯(lián)機構(gòu)功能附件以及裝備有此類功能部件的五軸聯(lián)動加工中心作為其中的課題之一。可 見，并聯(lián)模塊是此類裝備研發(fā)的關(guān)鍵。從加工靈活度和加工效率的角度講，并聯(lián)模塊應(yīng)具備 很高的轉(zhuǎn)動靈活度，以動平臺轉(zhuǎn)動能力達到90°為最佳（以期實現(xiàn)立臥轉(zhuǎn)換、五面加工），而 這恰恰是傳統(tǒng)并聯(lián)機構(gòu)的局限性所在，最具影響力的Sprint Z3并聯(lián)主軸頭的轉(zhuǎn)動能力也 僅為40° (不能實現(xiàn)嚴(yán)格意義上的五面加工）。可見，在保證高剛度的前提下突破傳統(tǒng)并聯(lián)機 構(gòu)擺角受限是在此類裝備的研發(fā)過程中亟待突破的瓶頸性問題。
[0005] 本發(fā)明針對傳統(tǒng)數(shù)控機床及現(xiàn)有并/混聯(lián)機床在加工細(xì)長類整體結(jié)構(gòu)件方面存在 的弊端，提出一種以模塊化四自由度并聯(lián)機構(gòu)為主體輔以長直導(dǎo)軌實現(xiàn)五軸聯(lián)動加工的混 聯(lián)構(gòu)型機床。此機床應(yīng)用于細(xì)長類整體結(jié)構(gòu)件加工具有結(jié)構(gòu)簡單、工作空間大、動平臺靈活 性好、剛度精度高、Y軸方向驅(qū)動負(fù)載變化小、動態(tài)性能好、可重構(gòu)性強和模塊化程度高等優(yōu) 點。能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜細(xì)長整體結(jié)構(gòu)件的五軸聯(lián)動加工。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明屬于機械制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大擺角龍門式五軸聯(lián)動混聯(lián)機床， 解決了傳統(tǒng)數(shù)控機床及現(xiàn)有并/混聯(lián)機床刀具擺角受限、在加工細(xì)長類整體結(jié)構(gòu)件方面存 在的靈活性差、剛度及精度低等弊端。
[0007] 本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案實現(xiàn)： 一種大擺角龍門式五軸聯(lián)動混聯(lián)機床，包括:沿Y軸方向設(shè)置的長直導(dǎo)軌、并聯(lián)加工模 塊、夾具及工作臺；所述的并聯(lián)加工模塊包括基礎(chǔ)平臺、動平臺、刀具及連接基礎(chǔ)平臺和動 平臺之間的第一支鏈、第二支鏈，各部分形成一個空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu);所述的并聯(lián)加工模塊 通過四個輸入驅(qū)動實現(xiàn)動平臺在XZ平面內(nèi)的兩維移動和動平臺轉(zhuǎn)軸在其上平面內(nèi)的兩維 轉(zhuǎn)動，并聯(lián)加工模塊安裝在沿Y軸方向設(shè)置的長直導(dǎo)軌上，并在Y軸方向添加有一個使并聯(lián) 加工模塊沿Y軸方向滑動的輸入驅(qū)動，使并聯(lián)加工模塊的動平臺實現(xiàn)五軸聯(lián)動運動。
[0008] 所述的并聯(lián)加工模塊的第一支鏈為（3-RPR)-R型混聯(lián)運動支鏈，P代表移動副，R 代表轉(zhuǎn)動副，第一支鏈包括平面并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)3-RPR，平面并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)3-RPR包括:基礎(chǔ) 平臺、上連桿I、下連桿I、上連桿II、下連桿II、上連桿III、下連桿III、連接平臺及各運動 副，所述的運動副包括:連接基礎(chǔ)平臺與上連桿I之間的轉(zhuǎn)動副R、連接上連桿I與下連桿I之 間的移動副P、連接下連桿I與連接平臺之間的轉(zhuǎn)動副R，連接基礎(chǔ)平臺與上連桿Π 之間的轉(zhuǎn) 動副R、連接上連桿Π 與下連桿II之間的移動副P、連接下連桿II與連接平臺之間的轉(zhuǎn)動副 R，連接基礎(chǔ)平臺與上連桿III之間的轉(zhuǎn)動副R、連接上連桿III與下連桿III之間的移動副P、 連接下連桿III與連接平臺之間的轉(zhuǎn)動副R;第一支鏈還包括連接平臺與動平臺之間的轉(zhuǎn)動 副R;平面并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)所有轉(zhuǎn)動副R的軸線相互平行且與連接平臺與動平臺之間的轉(zhuǎn)動副 R的軸線相互垂直;其中連接上連桿I與下連桿I之間的移動副P、連接上連桿II與下連桿II 之間的移動副P、連接上連桿III與下連桿III之間的移動副P是輸入驅(qū)動運動副，平面并聯(lián) 閉環(huán)機構(gòu)實現(xiàn)連接平臺在XZ平面的兩維移動和連接平臺軸線沿Y軸方向的一維轉(zhuǎn)動。
[0009] 所述的并聯(lián)加工模塊的第二支鏈為RRPS型運動支鏈，S代表球鉸，第二支鏈包括： 上連桿IV、連接架、下連桿IV及各運動副，所述的運動副包括:連接基礎(chǔ)平臺與連接架之間 的轉(zhuǎn)動副R、連接連接架與上連桿IV之間的轉(zhuǎn)動副R、連接上連桿IV與下連桿IV之間的移動 副P以及連接下連桿IV與動平臺之間的球鉸副S;連接上連桿IV與下連桿IV之間的移動副P 是輸入驅(qū)動運動副，連接基礎(chǔ)平臺與連接架之間的轉(zhuǎn)動副R和連接連接架與上連桿IV之間 的轉(zhuǎn)動副R軸線相互垂直，兩個轉(zhuǎn)動副R可以用虎克鉸U替換。
[0010] 所述的第二支鏈中連接基礎(chǔ)平臺與連接架之間的轉(zhuǎn)動副R的軸線與第一支鏈中連 接基礎(chǔ)平臺與上連桿Π 之間的轉(zhuǎn)動副R的軸線同軸。
[0011] 所述的通過基礎(chǔ)平臺與長直導(dǎo)軌間的移動副P將并聯(lián)加工模塊連接于長直導(dǎo)軌 上，該移動副P是輸入驅(qū)動運動副，實現(xiàn)了并聯(lián)加工模塊的Y軸移動。
[0012] 所述的并聯(lián)加工模塊第一支鏈中，基礎(chǔ)平臺與上連桿I之間的轉(zhuǎn)動副R中心到基礎(chǔ) 平臺與上連桿II之間的轉(zhuǎn)動副R中心的距離與基礎(chǔ)平臺與上連桿III之間的轉(zhuǎn)動副R中心到 基礎(chǔ)平臺與上連桿II之間的轉(zhuǎn)動副R中心的距離不相等。
[0013] 通過機構(gòu)學(xué)約束與運動的關(guān)系推知:并聯(lián)加工模塊中動平臺相對于基礎(chǔ)平臺存在 著沿Y軸方向移動的結(jié)構(gòu)約束故不能實現(xiàn)動平臺相對于基礎(chǔ)平臺沿Y軸的移動，動平臺存在 沿平行于刀具軸線方向的約束力偶，故不能實現(xiàn)沿平行于刀具軸線方向的轉(zhuǎn)動。動平臺沿 第一支鏈與動平臺鉸接轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動能力可達115° (-25°~90°)、沿平行于Y軸方向的轉(zhuǎn)動能 力可達100° (-50°~50° )，解決了并聯(lián)機構(gòu)擺角受限的問題，將并聯(lián)加工模塊安裝在沿Y軸 方向的長直導(dǎo)軌上，并在Y軸方向添加一個使并聯(lián)加工模塊沿Y軸方向滑動輸入驅(qū)動，可以 實現(xiàn)并聯(lián)加工模塊Y軸方向的大范圍移動，解決傳統(tǒng)并聯(lián)機構(gòu)工作空間小的問題，從而實現(xiàn) 并聯(lián)加工模塊的動平臺大擺角大范圍五軸聯(lián)動運動。
[0014] 本發(fā)明綜合了傳統(tǒng)串聯(lián)機床和并聯(lián)機床的優(yōu)點，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作空間大、動平 臺靈活性好、剛度精度高、Y軸方向驅(qū)動負(fù)載變化小、動態(tài)性能好、可重構(gòu)性強和模塊化程度 高等優(yōu)點。能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜細(xì)長整體結(jié)構(gòu)件的五軸聯(lián)動加工。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2為圖1所示的機床結(jié)構(gòu)中的并聯(lián)加工模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖3為圖2所示的并聯(lián)加工模塊中第一支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖4為圖2所示的并聯(lián)加工模塊中第二支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖中：1、長直導(dǎo)軌，2、并聯(lián)加工模塊，21、基礎(chǔ)平臺，22、動平臺，23、刀具，24、第一 支鏈，241、上連桿?，242、下連桿I，243、上連桿Il，244、下連桿II，245、上連桿m，246、下連 桿塑I，247、連接平臺，25、第二支鏈，251、上連桿IY，2