一種五軸聯(lián)動(dòng)混聯(lián)機(jī)床的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于多軸聯(lián)動(dòng)裝置的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種五軸聯(lián)動(dòng)混聯(lián)機(jī)床，是一種能夠應(yīng)用于數(shù)控控制裝置制造領(lǐng)域的可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜細(xì)長(zhǎng)整體結(jié)構(gòu)件的多軸聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)置。
【背景技術(shù)】
[0002]并聯(lián)機(jī)構(gòu)是由多個(gè)支鏈構(gòu)成的閉環(huán)機(jī)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):并聯(lián)機(jī)床作為一種以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為機(jī)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(jī)構(gòu)理論研究的不斷深入及數(shù)控技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，并聯(lián)機(jī)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(jī)床與傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)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(jī)床存在著相對(duì)工作空間小、加工范圍有限等這樣的缺點(diǎn)，從而限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。鑒于并聯(lián)機(jī)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)在構(gòu)型上面的對(duì)偶關(guān)系，人們想到了將并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合，從而提出了混聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型，并將混聯(lián)機(jī)構(gòu)作為數(shù)控機(jī)床的機(jī)械本體生產(chǎn)新型混聯(lián)機(jī)床。從而使混聯(lián)機(jī)床集并、串聯(lián)機(jī)床的優(yōu)勢(shì)于一身，同時(shí)又避免并、串聯(lián)構(gòu)型各自的缺點(diǎn)，在現(xiàn)在制造業(yè)中更具實(shí)用性。正因如此，這類基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)或含有并聯(lián)模塊的五軸聯(lián)動(dòng)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(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)。
[0003]近年來(lái)，應(yīng)用于航空航天、鐵路運(yùn)輸、國(guó)防軍工等領(lǐng)域的細(xì)長(zhǎng)類整體結(jié)構(gòu)件例如:飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼、肋條、火車車廂等的整體設(shè)計(jì)原則越來(lái)越受到了重視。整體設(shè)計(jì)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(diǎn)不僅是縮短了加工裝配的周期和物流鏈，同時(shí)也減輕了結(jié)構(gòu)件的重量。這種細(xì)長(zhǎng)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(dòng)的數(shù)控機(jī)床，且對(duì)機(jī)床性能要求較高。由于傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床在復(fù)雜細(xì)長(zhǎng)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(jī)床成為一個(gè)迫切的任務(wù)。鑒于混聯(lián)機(jī)床存在著適用于高速、尚精、重載加工的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展新型混聯(lián)機(jī)床將成為一種有效的解決措施。
[0004]國(guó)內(nèi)外典型的五軸混聯(lián)機(jī)床有:瑞典Neos Robotis公司生產(chǎn)的Tricept系列五軸聯(lián)動(dòng)混聯(lián)機(jī)床，Exechon公司生產(chǎn)的Exechon系列五軸聯(lián)動(dòng)混聯(lián)機(jī)床。Tricept、Exechon系列混聯(lián)機(jī)床是由能實(shí)現(xiàn)兩轉(zhuǎn)一移運(yùn)動(dòng)的位置型并聯(lián)機(jī)構(gòu)3-UPS+UP、2-UPR+SPR，串聯(lián)兩自由度A/C軸擺角銑頭組成，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天領(lǐng)域輕型高速加工、裝配等作業(yè);德國(guó)DS-Technologie公司按照飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工工藝的特點(diǎn)，獨(dú)創(chuàng)性地推出了 Ecospeed高性能數(shù)控加工中心，它采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)五軸中兩個(gè)移動(dòng)軸大范圍的移動(dòng)，采用一個(gè)基于3-PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的擺角頭(Z3擺角頭)來(lái)實(shí)現(xiàn)五軸中一個(gè)移動(dòng)軸的移動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的擺動(dòng)，這種轉(zhuǎn)動(dòng)不是串聯(lián)式的，而是并聯(lián)式耦合聯(lián)動(dòng)的，可以繞經(jīng)過(guò)擺角頭中心任意軸線進(jìn)行擺動(dòng)。這種擺角頭類似人手腕的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)A/B式擺角頭的功能，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由連桿和移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)副以及球鉸鏈構(gòu)成，從而使其動(dòng)態(tài)特性性能更加優(yōu)越，可以實(shí)現(xiàn)更高的速度和加速度。這種機(jī)床理念采用并聯(lián)加串聯(lián)的混聯(lián)方式，是世界上切削鋁合金結(jié)構(gòu)件最富有成效的方案，切削量最大可達(dá)8000 cm3/min，大幅度降低了加工時(shí)間和成本。國(guó)內(nèi)，齊齊哈爾第二機(jī)床集團(tuán)和清華大學(xué)合作研制XNZ2430重型龍門(mén)混聯(lián)機(jī)床通過(guò)以新型的二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)龍門(mén)，在主軸箱上串聯(lián)兩個(gè)自由度A/C軸擺角銑頭，附加工作臺(tái)的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床的五軸聯(lián)動(dòng)。該機(jī)床特別適用于加工帶有復(fù)雜曲面形狀的較大、較長(zhǎng)類零件和葉片類零件。綜合以上典型混聯(lián)機(jī)床發(fā)現(xiàn)Tricept、Exechon系列混聯(lián)機(jī)床雖然能夠?qū)崿F(xiàn)很靈巧的工作形式，但其工作空間相對(duì)較小，即使將其串聯(lián)在導(dǎo)軌上擴(kuò)大一個(gè)軸方向的移動(dòng)空間但這樣做使其運(yùn)動(dòng)耦合性明顯增強(qiáng)，不利于控制。Ecospeed高性能數(shù)控加工中心，其兩個(gè)移動(dòng)軸大范圍的移動(dòng)沒(méi)有主次之分，而對(duì)細(xì)長(zhǎng)類整體結(jié)構(gòu)件加工來(lái)說(shuō)只需在工件長(zhǎng)度方向有一個(gè)大范圍的移動(dòng)軸其寬度方向沒(méi)有必要串聯(lián)另一個(gè)移動(dòng)軸，如果將其寬度方向的移動(dòng)由并聯(lián)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)可以使其具有更好的性能。對(duì)于XNZ2430重型龍門(mén)混聯(lián)機(jī)床，其加工主體部分是不動(dòng)的，工件長(zhǎng)度方向的移動(dòng)由移動(dòng)平臺(tái)來(lái)完成，而這種形式對(duì)于加工細(xì)長(zhǎng)工件較工作臺(tái)不動(dòng)、機(jī)床加工主體移動(dòng)的形式來(lái)說(shuō)，明顯需要更大的加工空間。
[0005]本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床及現(xiàn)有五軸混聯(lián)機(jī)床在加工細(xì)長(zhǎng)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(jī)構(gòu)為主體輔以長(zhǎng)直導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工的混聯(lián)構(gòu)型機(jī)床。此機(jī)床應(yīng)用于細(xì)長(zhǎng)類整體結(jié)構(gòu)件加工具有工作空間大、剛度高、精度高、Y軸方向驅(qū)動(dòng)負(fù)載變化小、動(dòng)態(tài)性能好、可重構(gòu)性強(qiáng)和模塊化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床及現(xiàn)有五軸混聯(lián)機(jī)床在加工細(xì)長(zhǎng)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(jī)構(gòu)為主體輔以長(zhǎng)直導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工的混聯(lián)機(jī)床。本發(fā)明應(yīng)用于細(xì)長(zhǎng)類整體結(jié)構(gòu)件加工具有工作空間大、剛度高、精度高、Y軸方向驅(qū)動(dòng)負(fù)載變化小、動(dòng)態(tài)性能好、可重構(gòu)性強(qiáng)和模塊化程度高等優(yōu)點(diǎn)。
[0007]本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種五軸聯(lián)動(dòng)混聯(lián)機(jī)床，包括長(zhǎng)直導(dǎo)軌以及并聯(lián)模塊，所述的并聯(lián)模塊包括基礎(chǔ)平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)以及連接于基礎(chǔ)平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)之間的第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈和第四支鏈，各部分形成一個(gè)空間并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)，第一和第三支鏈結(jié)構(gòu)相同，第二和第四支鏈結(jié)構(gòu)相同，第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈、第四支鏈均含有一個(gè)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副，所述的并聯(lián)模塊動(dòng)平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)XZ平面內(nèi)的兩維移動(dòng)和轉(zhuǎn)軸在動(dòng)平臺(tái)平面內(nèi)的兩維轉(zhuǎn)動(dòng)，并聯(lián)模塊安裝在沿Y軸方向的長(zhǎng)直導(dǎo)軌上，并在Y軸方向添加有一個(gè)使并聯(lián)模塊沿Y軸方向滑動(dòng)的主動(dòng)輸入。
[0008]所述的第一支鏈包括第一上連桿、第一下連桿、第一連接塊以及各運(yùn)動(dòng)副，所述運(yùn)動(dòng)副有四個(gè)，一個(gè)是連接于基礎(chǔ)平臺(tái)和第一上連桿之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副，一個(gè)是連接于第一上連桿和第一下連桿之間的移動(dòng)副，一個(gè)是連接于第一下連桿和第一連接塊之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副，另一個(gè)是連接于第一連接塊和動(dòng)平臺(tái)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副，其中連接于第一上連桿和第一下連桿之間的移動(dòng)副是主動(dòng)輸入，連接于第一下連桿和第一連接塊之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副與連接于第一連接塊和動(dòng)平臺(tái)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線始終垂直。
[0009]所述的第二支鏈結(jié)構(gòu)包括:第二連接塊、第二上連桿、第二下連桿、以及各運(yùn)動(dòng)副，所述運(yùn)動(dòng)副有四個(gè)，一個(gè)是連接于基礎(chǔ)平臺(tái)和第二連接塊之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副，一個(gè)是連接于第二上連桿和第二連接塊之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副，一個(gè)是連接于第二上連桿和第二下連桿之間的移動(dòng)副，另一個(gè)是連接于第二下連桿和動(dòng)平臺(tái)之間的球鉸副，其中連接于第二上連桿和第二下連桿之間的移動(dòng)副是主動(dòng)輸入，連接于基礎(chǔ)平臺(tái)和第二連接塊之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副與連接于第二上連桿和第二連接塊之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線始終垂直。
[0010]所述的并聯(lián)模塊中，連接于第一連接塊和動(dòng)平臺(tái)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副與連接于第三連接塊和動(dòng)平臺(tái)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線始終同軸;連接于基礎(chǔ)平臺(tái)和第一上連桿之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副、連接于基礎(chǔ)平臺(tái)和第三上連桿之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副、連接于第一下連桿和第一連接塊之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副及連接于第三下連桿和第三連接塊之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線始終同Y軸并行。
[0011]基礎(chǔ)平臺(tái)與長(zhǎng)直導(dǎo)軌之間通過(guò)移動(dòng)副連接，且該移動(dòng)副是使并聯(lián)模塊可以沿著Y軸移動(dòng)的主動(dòng)輸入。
[0012]第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈、第四支鏈與動(dòng)平臺(tái)鉸接中心點(diǎn)在動(dòng)平臺(tái)上呈90°等分布置，且各鉸點(diǎn)距動(dòng)平臺(tái)中心距離相等;第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈、第四支鏈與基礎(chǔ)平臺(tái)鉸接中心點(diǎn)在基礎(chǔ)平臺(tái)上呈90°等分布置且分別記為第一鉸接中心點(diǎn)、第二鉸接中心點(diǎn)、第三鉸接中心點(diǎn)、第四鉸接中心點(diǎn)，確定基礎(chǔ)平臺(tái)上一點(diǎn)設(shè)為點(diǎn)O位于距長(zhǎng)直導(dǎo)軌距離相等且距第二、第四鉸接中心點(diǎn)距離相等的位置，第二、第三、第四鉸接中心點(diǎn)距點(diǎn)O距離相等且與第一鉸接點(diǎn)距點(diǎn)O距離不相等。
[0013]本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果:(I)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊；(2)剛度、精度高；
(3)工作空間大，尤其是Y軸方向可以根據(jù)實(shí)際需求來(lái)確定長(zhǎng)直導(dǎo)軌長(zhǎng)度，故柔性好;(4)Y軸方向驅(qū)動(dòng)負(fù)載變化??；(5)動(dòng)態(tài)性能好;(6)可重構(gòu)性強(qiáng)和模塊化程度高等優(yōu)點(diǎn)。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜細(xì)長(zhǎng)整體結(jié)構(gòu)件的五軸聯(lián)動(dòng)加工?？蓱?yīng)用于航空航天、鐵路運(yùn)輸、國(guó)防軍工等領(lǐng)域的細(xì)長(zhǎng)類整體結(jié)構(gòu)件加工，例如:飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼、肋條、火車車廂等的加工。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為圖1所示的機(jī)床結(jié)構(gòu)中的并聯(lián)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3為圖2所示的并聯(lián)模塊中第三支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖4為圖2所示的并聯(lián)模塊中第四支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖中:1、長(zhǎng)直導(dǎo)軌，2、工件，3、夾具，4、工作臺(tái)，5、刀具，6、基礎(chǔ)平臺(tái)，7、動(dòng)平臺(tái)，8、第三上連桿，9、第三下連桿，10、第三連接