一种五轴联动串并联机床的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种五轴联动串并联机床，属于机床技术领域；包括机架、动平台、第一、第二、第三分支和两自由度转头；所述第一、第二分支对称布置且结构相同，均由从机架到动平台顺序连接的连接框架和直线驱动单元构成；第三分支由从机架到动平台顺序连接的第三分支连接块和第三分支直线驱动单元构成；两自由度转头通过两个伺服电机驱动实现两个轴线相互垂直转动；本发明提供的五轴联动串并联机床与现有五轴联动机床相比，各运动副轴线之间的装配几何关系简单，各部件制造工艺简单，工作空间大、刚度高；该发明能够在工业、器械等产业上制造或者使用，适用于高精度和复杂曲面的加工，能够产生明显的经济效果，具有良好的应用前景。
【专利说明】
一种五轴联动串并联机床
技术领域
[0001]本发明涉及一种五轴联动串并联机床，属于机床技术领域。
【背景技术】
[0002]—般而言，并联机构比串联机构有更高的刚度、精度及承载能力，而串联机构比并联机构有更大的工作空间。基于两转一移并联机构的五轴联动串并联机床结合了并联机构和串联机构的优点，具有较高的承载能力和较大的工作空间。
[0003]目前，最典型的基于两转一移并联机构的五轴联动串并联机床是瑞典NeosRobotics公司生产的Tricept机床，包括定平台、动平台、连接动平台与机架的四条分支和连接动平台的两自由度转头，第一、第二和第三分支结构相同，为UPS结构，中间约束分支为UP结构;专利文献CN102126217A公开了一种具有两转一移三自由度的非对称结构并联机构，该机构由机架、动平台和连接机架与动平台的三条运动分支组成，第一分支和第二分支结构相同，为RPS结构，第三分支为RPRU结构；专利文献CN103252683A公开了一种五自由度串并联机床，包括立柱、床身、工作台、支撑架、动平台、第一、第二、第三分支和定位头组成，第一、第二分支结构相同，为UPS结构，第三分支为UP结构；专利文献CN103144106B公开了一种具有两转一移三自由度的非对称并联机构，该机构由固定平台、运动平台和连接两平台的三条分支组成，第一分支为URR结构，第二分支为URS结构，第三分支为RRU结构；专利文献CNlO 196650IA公开了一种基于三自由度并联机构的五自由度喷涂机器人，该机构由固定平台、运动平台和连接两平台的三条分支组成，三条分支结构相同，为RPS结构;专利文献CN102126216A公开了一种具有两转一移三自由度的对称结构并联机构，该机构由固定平台、运动平台和连接两平台的三条分支组成，三条分支结构相同，为R P U结构；专利文献CN102922515A公开了一种两转一移三自由度空间并联机构，该机构由固定平台、运动平台和连接两平台的三条分支组成，第一分支和第二分支结构相同，为RPU结构，第三分支为含平行四边形机构的SPR结构；专利文献CN103056870B公开了一种两转一移三自由度并联机构，该机构由固定平台、运动平台和连接两平台的三条分支组成，第一分支和第二分支结构相同，为RRS结构，第三分支为SRR结构;专利文献CN103144095B公开了一种具有两转一移三自由度的非对称并联机构，该机构由固定平台、运动平台和连接两平台的三条分支组成，第一分支为URR结构，第二分支为UPS结构，第三分支为RPU结构；专利文献CN103144096B公开了一种两转一移三自由度无过约束非对称并联机构，该机构由固定平台、运动平台和连接两平台的三条分支组成，第一分支为SPR结构，第二分支为UPR结构，第三分支为UPS结构;专利文献CN103600346A公开了一种两转一移三自由度并联机构，该机构由固定平台、运动平台和连接两平台的三条分支组成，第一分支和第二分支结构相同，为RRS结构，第三分支为SRR结构；专利文献CN103144095B公开了一种两转一移三自由度非对称解耦并联机构，包括动平台、机架、连接动平台与机架的三个分支，第一分支为UPR结构，第二分支为UPS结构，第三分支为RHJ结构。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足，本发明提供了一种五轴联动串并联机床，该机床是由一个三自由度并联机构和一个两自由度转头串联而成，不同于现有的任何一种机床的结构，该机床具有运动副轴线之间的装配几何关系简单、工作空间大、刚度高、制造装配容易等优点。
[0005]实现本发明目的所采用的技术方案为，一种五轴联动串并联机床，包括机架、动平台、并联连接在机架与动平台之间的第一、第二和第三分支以及串联连接在动平台上的两自由度转头，所述第一分支与第二分支对称布置且结构相同，均由从机架到动平台顺序连接的连接框架和直线滑台构成，所述直线滑台包括伺服电机、联轴器、丝杠、螺母滑块、支撑板和对称分布于丝杠两侧的两条长直滑块导轨，连接框架的一端通过转动副与机架连接、另一端通过转动副与直线滑台的螺母滑块连接，直线滑台的支撑板通过复合球铰连接到动平台；所述第三分支由从机架到动平台顺序连接的第三分支连接块和第三分支直线滑台构成，所述第三分支直线滑台包括伺服电机、联轴器、丝杠、螺母滑块、支撑板和对称分布于丝杠两侧的两条长直滑块导轨;第三分支连接块的一端通过转动副与机架连接、另一端与第三分支直线滑台的螺母滑块固连;第三分支直线滑台的支撑板通过转动副连接到动平台，且该转动副的轴线与第三分支直线滑台的运动方向垂直;所述两自由度转头通过两个转轴相互垂直的伺服电机驱动。
[0006]—种五轴联动串并联机床，包括机架、动平台、并联连接在机架与动平台之间的第一、第二和第三分支以及串联连接在动平台上的两自由度转头，所述第一分支与第二分支对称布置且结构相同，均由从机架到动平台顺序连接的连接框架和电动缸构成，所述连接框架的一端通过转动副与机架连接、另一端通过转动副与电动缸的缸筒连接，电动缸的活塞杆通过复合球铰连接到动平台；所述第三分支由从机架到动平台顺序连接的第三分支连接块和第三分支电动缸构成，第三分支连接块的一端通过转动副与机架连接、另一端与第三分支电动缸的缸筒固连，第三分支电动缸的活塞杆通过转动副连接到动平台，且该转动副的轴线与第三分支电动缸的运动方向垂直;所述两自由度转头通过两个转轴相互垂直的伺服电机驱动。
[0007]由上述技术方案可知，本发明提供的五轴联动串并联机床，主要由机架、动平台、并联连接在机架与动平台之间的三条分支以及串联在动平台上的两自由度转头构成，第一、第二分支结构相同，为含复合铰的UPS结构，第三分支为RPR结构，其结构与现有的机床均不同，该机床能实现较大的工作空间，且刚度高，装配制造容易；直线运动通过电动缸或直线滑台实现，大大精简了现有五轴机床的结构，并且控制简单。
[0008]与现有技术相比，本发明为解决五轴机床简单化以及增大工作空间等问题提供了一种不同构思的技术方案，本发明提供的五轴联动串并联机床为串并联结构，各运动副轴线之间的装配几何关系简单，各部件制造工艺简单;在现有文献中，涉及五轴串并联机床的专利较多，但本发明的结构不同于现有的任何一种五轴联动串并联机床的结构，并且现有的这些五轴机床大多结构复杂，工作空间较小，而本发明的运动副轴线之间的装配几何关系简单、工作空间大、刚度高;该发明能够在工业、器械等产业上制造或者使用，适用于高精度和复杂曲面的加工，能够产生明显的经济效果，具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0009]图1为实施例1提供的五轴联动串并联机床的整机结构不意图；
[0010]图2为实施例1提供的五轴联动串并联机床的第一或第二分支的结构示意图；
[0011]图3为实施例1提供的五轴联动串并联机床的第三分支的结构示意图；
[0012]其中，①-机架，②-动平台；1-第一分支，11-连接框架，12-直线滑台，12a-伺服电机，12b-联轴器，12c-支撑板，12d-丝杠，12e-长直滑块导轨，12f-螺母滑块，Rl 1-第一转动副，R12-第二转动副，S1-复合球铰;2-第二分支，21-连接框架，22-直线滑台；3-第三分支，31-第三分支连接块，32-第三分支直线滑台，32a-伺服电机，32b_联轴器，32c_支撑板，32d_丝杠，32e-长直滑块导轨，32f-螺母滑块，R31-第三转动副，R32-第四转动副;4-两自由度转头。
[0013]图4为实施例2提供的五轴联动串并联机床的整机结构不意图；
[0014]图5为实施例2提供的五轴联动串并联机床的第一或第二分支的结构示意图；
[0015]图6为实施例2提供的五轴联动串并联机床的第三分支的结构示意图；
[0016]其中，①-机架，②-动平台；1-第一分支，11-连接框架，12-电动缸，12a_伺服电机，12b-缸筒，12c-活塞杆，Rll-第一转动副，R12-第二转动副，S1-复合球铰;2-第二分支，21-连接框架，22-电动缸;3-第三分支，31-第三分支连接块，32-第三分支电动缸，32a-伺服电机，32b-缸筒，32c-活塞杆，R31-第三转动副，R32_第四转动副;4-两自由度转头。
【具体实施方式】
[0017]为能进一步了解本发明的内容、功能和特点，下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。
[0018]实施例1:
[0019]本发明提供了一种五轴联动串并联机床，其结构如图1所示，包括机架①，动平台②，并联连接在机架①与动平台②之间的具有相同结构的第一分支1、第二分支2和结构相异的第三分支3，以及串联连接在动平台②上的两自由度转头4;
[0020]第一分支I与第二分支2对称布置于机架①或动平台②两侧并且结构相同，参见图2，第一分支I与第二分支2均由从机架①到动平台②顺序连接的连接框架11和直线滑台12构成，所述直线滑台12包括伺服电机12a、联轴器12b、支撑板12c、丝杠12d、螺母滑块12f和对称分布于丝杠12d两侧的两条长直滑块导轨12e，支撑板12c为直线滑台12的整体支撑，支撑板12c通过复合球铰SI连接到动平台②，丝杠12d的一端通过联轴器12b与伺服电机12a连接、另一端连接在支撑板12c上，所述两长直滑块导轨12e两端都分别固接在支撑板12c上，丝杠12d与螺母滑块12f配合将转动转化为移动，螺母滑块12f同时套于两条长直滑块导轨12e上，两长直滑块导轨12e起支撑和导向作用;连接框架11的一端与机架①通过第一转动畐IjRll连接、另一端通过第二转动副R12与直线滑台12的螺母滑块12f连接，第一转动副Rll与第二转动副R12轴线共面且垂直，并且第二转动副R12轴线与直线滑台12的运动方向垂直；
[0021]参见图3，所述第三分支3与所述第一分支1、第二分支2的不同之处在于不含连接框架11，且增设第三分支连接块31，第三分支3由从机架①到动平台②顺序连接的第三分支连接块31和第三分支直线滑台32构成，所述第三分支直线滑台32包括伺服电机32a、联轴器32b、丝杠32d、螺母滑块32f、支撑板32c和对称分布于丝杠两侧的两条长直滑块导轨32e，支撑板32c为第三分支直线滑台32的整体支撑，丝杠32d的一端通过联轴器32b与伺服电机32a连接、另一端连接在支撑板32c上，所述两长直滑块导轨32e两端都分别固接在支撑板32c上，丝杠32d与螺母滑块32f配合将转动转化为移动，螺母滑块32f同时套于两条长直滑块导轨32e上，两长直滑块导轨32e起支撑和导向作用，所述第三分支连接块31的一端与机架①通过第三转动副R31连接、另一端与第三分支直线滑台32的螺母滑块32f固接，第三分支直线滑台32的支撑板32dl过第四转动副R32连接到动平台②，第四转动副R32的轴线垂直于第三分支直线滑台32的运动方向；
[0022]第一分支1、第二分支2和第三分支3分别与机架①及动平台②连接形成一个三自由度并联机构，该三自由度并联机构通过各个直线滑台12、22、32将其伺服电机12a、22a、32a的转动输入转化为直线移动，以此来驱动动平台②运动，实现两转一移三个自由度；
[0023]所述两自由度转头4具有两个转动自由度，且两个转动自由度的旋转轴线相互垂直，两自由度转头4通过两个伺服电机输入运动驱动电主轴，实现两个转动自由度，两自由度转头4与三自由度并联机构构成一个五轴联动串并联机床。
[0024]实施例2:
[0025]本发明提供了一种五轴联动串并联机床，其结构如图4所示，包括机架①，动平台②，并联连接在机架①与动平台②之间的具有相同结构的第一分支1、第二分支2和结构相异的第三分支3，以及串联连接在动平台②上的两自由度转头4;
[0026]第一分支I与第二分支2对称布置于机架①或动平台②两侧并且结构相同，参见图5，第一分支I与第二分支2均由从机架①到动平台②顺序连接的连接框架11和电动缸12，所述电动缸12包括伺服电机12a、缸筒12b和活塞杆12c;所述连接框架11的一端通过第一转动畐IjRll与机架①连接、另一端通过第二转动副R12与电动缸的缸筒12b连接，第一转动副Rll和R12轴线共面且垂直，并且第二转动副R12轴线与电动缸12的运动方向垂直;所述电动缸的活塞杆12c通过复合球铰SI连接到动平台②；
[0027]参见图6，所述第三分支3与所述第一分支1、第二分支2的不同之处在于不含连接框架11，且增设第三分支连接块31，第三分支3由从机架①到动平台②顺序连接的第三分支连接块31和第三分支电动缸32构成，所述第三分支电动缸32包括伺服电机32a、缸筒32b和活塞杆32c，第三分支电动缸32的一端与机架①通过第三转动副R31连接、另一端与动平台②通过第四转动副R32连接，第四转动副R32轴线垂直于第三分支电动缸32的运动方向；
[0028]第一分支1、第二分支2和第三分支3分别与机架①及动平台②连接形成一个三自由度并联机构，该三自由度并联机构通过各个电动缸12、22、32将其伺服电机12a、22a、32a的转动输入转化为直线移动，以此来驱动动平台②运动，实现两转一移三个自由度；
[0029]所述两自由度转头4具有两个转动自由度，且两个转动自由度的旋转轴线相互垂直，两自由度转头4通过两伺服电机输入运动驱动电主轴，实现两个转动自由度，两自由度转头4与三自由度并联机构构成一个五轴联动串并联机床。
【主权项】
1.一种五轴联动串并联机床，包括机架、动平台、并联连接在机架与动平台之间的第一、第二和第三分支以及串联连接在动平台上的两自由度转头，其特征在于:所述第一分支与第二分支对称布置且结构相同，均由从机架到动平台顺序连接的连接框架和直线滑台构成，所述直线滑台包括伺服电机、联轴器、丝杠、螺母滑块、支撑板和对称分布于丝杠两侧的两条长直滑块导轨，连接框架的一端通过转动副与机架连接、另一端通过转动副与直线滑台的螺母滑块连接，直线滑台的支撑板通过复合球铰连接到动平台；所述第三分支由从机架到动平台顺序连接的第三分支连接块和第三分支直线滑台构成，所述第三分支直线滑台包括伺服电机、联轴器、丝杠、螺母滑块、支撑板和对称分布于丝杠两侧的两条长直滑块导轨;第三分支连接块的一端通过转动副与机架连接、另一端与第三分支直线滑台的螺母滑块固连;第三分支直线滑台的支撑板通过转动副连接到动平台，且该转动副的轴线与第三分支直线滑台的运动方向垂直;所述两自由度转头通过两个转轴相互垂直的伺服电机驱动。2.—种五轴联动串并联机床，包括机架、动平台、并联连接在机架与动平台之间的第一、第二和第三分支以及串联连接在动平台上的两自由度转头，其特征在于:所述第一分支与第二分支对称布置且结构相同，均由从机架到动平台顺序连接的连接框架和电动缸构成，所述连接框架的一端通过转动副与机架连接、另一端通过转动副与电动缸的缸筒连接，电动缸的活塞杆通过复合球铰连接到动平台；所述第三分支由从机架到动平台顺序连接的第三分支连接块和第三分支电动缸构成，第三分支连接块的一端通过转动副与机架连接、另一端与第三分支电动缸的缸筒固连，第三分支电动缸的活塞杆通过转动副连接到动平台，且该转动副的轴线与第三分支电动缸的运动方向垂直;所述两自由度转头通过两个转轴相互垂直的伺服电机驱动。
【文档编号】B23Q1/64GK106002342SQ201610514751
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月1日
【发明人】曹文熬, 姚翔宇, 杨栋皓, 丁华锋
【申请人】中国地质大学（武汉）