立式混联雕刻机及其工作方法与流程

技术领域：

本发明涉及雕刻机领域，特别是能够实现五轴加工的雕刻机及其工作方法。

背景技术：
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早期传统的三轴雕刻机是一种灵活度高，工作空间大的雕刻机，但其采用的均为串联结构组成，传动系统大、且存在误差累积、体积庞大；特别是只具有一个雕刻工位，不能实现多面的加工，因此需要人为改变雕刻机的方位，在拆装上出现误差累积、浪费时间、降低加工效率等现象。

对于曲面较大的雕刻件，传统的三轴雕刻机便无法完成任务；为了解决多面加工的问题，近几年又发展了五轴雕刻机，这类五轴雕刻机大都是采用串联的机构搭配2或3自由度转台，该五轴雕刻机能够实现三坐标平动和工作台的a/b轴转动，或者a/c轴转动、或者b/c轴转动等形式；但这类雕刻机均是串联且为开链结构，则必然会出现零部件结构大、致使运动惯量大、速度慢，且也具有累积误差的存在问题。

因此，想要达到高精度且又能实现多面加工和降低累积误差，是探究新型雕刻机的发展动力。近年来，随着并联机构和并联机床的发展，在雕刻领域和加工制造领域均朝着这类机构的研究，与串联机构不同的是，并联机构具有低累积误差、刚度高、速度快、灵活度高、结构简单等特点不断成为新的加工装备的青睐。

为了适应雕刻领域的加工特点，混联结构的雕刻机也开始得到研发，在数控机床运用上，混联数控机床已经被运用于飞机制造领域等大型航空结构件的加工。其中，以tricept混联加工中心、exechon混联加工中心、z3混联加工中心等为代表的混联机床运用于高精度零部件加工。

但是在雕刻机领域，采用并联机构混联串联机构的五轴雕刻机还见之甚少，特别是在于如何选择一种合适的并联机构混联串联机构实现五轴加工，且又要保持高刚度、大工作空间、低累积误差，是当前需要解决的问题。

技术实现要素：
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鉴于现有技术的不足，本发明为解决公认技术上的问题，提供一种立式混联雕刻机及其工作方法，来实现曲面的加工；该雕刻机不仅提高了刚度、增大了工作空间，还能够降低传统五轴雕刻机的误差累积，可用于复杂雕刻件的加工。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种立式混联雕刻机，包括并联机构、固定机架、移动底座、二自由度加工台；所述并联机构包括第一分支组件、第二分支组件、第三分支组件、动支撑台和雕刻主轴，所述的移动底座上安置着固定机架；所述的固定机架上安置着并联机构、以及在固定机架下底板安置着二自由度加工台；所述二自由度加工台包括直线滑台和安装在直线滑台的摇摆机构。

进一步的，所述第一分支组件和第二分支组件具有相同的结构形式，均包括直线驱动组件、虎克铰、转动副组件，所述虎克铰包括虎克铰支撑座、虎克铰支撑轴、虎克铰架、虎克铰轴盖，所述直线驱动组件上部通过虎克铰与固定机架连接，直线驱动组件下部通过转动副组件与动支撑台连接，所述转动副组件包括分支转动头、分支转动横架和转动销轴。所述直线驱动组件内有分支组件板，其上有组件丝杠，组件丝杠上设置有螺母固定座，螺母固定座与组件滑块连接，在分支组件板上设置有两条滑轨，在分组组件板头部设置有组件电机固定座以及组件电机固定座上连接有组件伺服电机。

进一步的，所示第三分支组件包括直线驱动组件、转动架、复合铰链；所述直线驱动组件通过转动架与固定机架连接，转动副组件下部通过复合铰链与动支撑台连接；所述复合铰链包括第三分支头、复合连架、复合动横架和销轴。

进一步的，所述动支撑台中心位置设置有通孔，所述雕刻主轴固定设置在通孔内，并在动支撑台中心下安置有主轴固定座；所述动支撑台的四周侧面上设置有螺纹孔连接着转动副组件、复合铰链，进而与第一分支组件和第二分支组件以及第三分支组件连接，形成空间闭环机构。

进一步的，所述二自由度加工台包括直线滑台和安装在直线滑台的摇摆机构；所述直线滑台包括滑板，滑块、导轨、电机座、伺服电机、移动载台、滑台丝杠、螺母固定座、轴承座；所述滑板上设置有导轨，滑安装在导轨上、滑块上连接有固定座、滑台丝杠穿过固定座，固定座上连接着移动载台；滑板尾部设置有电机座且电机座上连接着伺服电机，丝杠穿过轴座安装在滑板上；移动载台上安装着摇摆机构。

进一步的，所述摇摆机构包括摇摆底板、支撑调整块、左支撑座、右支撑座、转动板、行星减速机、伺服电机、转动基板、加工工作台；所述摇摆底板上连接着支撑调整块、所述支撑调整块上安装着左右支撑座、支撑座上连接着转动板、左右转动板上设置这转动基板；所述转动基板上安装着加工工作台；加工工作台上用于夹持雕刻件。

本发明立式混联雕刻机的工作方法，所述立式混联雕刻机包括并联机构、固定机架、移动底座、二自由度加工台；所述并联机构包括第一分支组件、第二分支组件、第三分支组件、动支撑台、主轴固定座和雕刻主轴；所述移动底座上安置着固定机架；所述固定机架上安置有并联机构、以及在固定机架下底板上安置的二自由度加工台；所述二自由度加工台包括直线滑台和安装在直线滑台上的摇摆机构；通过固定在固定机架上的并联机构实现雕刻主轴：两轴的转动两轴的平动；通过二自由度加工台实现安置的加工工件：一轴的转动和该轴的平动。

进一步的，所述第一分支组件和第二分支组件具有相同的结构，均包括直线驱动组件、虎克铰、转动副组件；所述虎克铰包括虎克铰支撑座、虎克铰支撑轴、虎克铰架、虎克铰轴盖，所述直线驱动组件上部通过虎克铰与固定机架连接，直线驱动组件下部通过转动副组件与动支撑台连接，所述转动副组件包括分支转动头、分支转动横架和将分支转动头、分支转动横架进行铰接的转动销轴，所述直线驱动组件内有分支组件板，其上有组件丝杠，组件丝杠上设置有螺母固定座，螺母固定座与组件滑块连接，在分支组件板上设置有两条滑轨，在分组组件板头部设置有组件电机固定座以及组件电机固定座上连接有的组件伺服电机；

所述直线驱动组件中的分支组件板上部设置着伺服电机，伺服电机连接着电机固定座，电机固定座上连接着组件丝杠，组件丝杠上穿过螺母固定座，螺母固定座连接虎克铰，且虎克铰绕虎克铰轴盖转动，虎克铰还绕虎克铰支撑轴转动，虎克铰支撑轴安装在虎克铰支撑座上，虎克铰支撑座设置在固定机架上；直线驱动组件下部连接转动副组件，所述转动副组件通过分支转动头与直线驱动组件连接，转动副组件内通过转动销轴与分支转动横架连接，分支转动横架在连接到动支撑台上；

动支撑台两侧面对称连接着第一分支组件和第二分支组件、另外侧面连接着第三分支组件，动支撑台的轴孔中心下安装着主轴固定座，主轴固定座上安置着雕刻主轴；在三条分支组件的共同作用下，动支撑台上的雕刻主轴可实现在z轴方向的垂直运动；当第一分支组件和第二分支组件的丝杠反向运动时，可实现雕刻主轴绕x轴的转动，当第一分支组件和第二分支组件停止运动，第三分支组件丝杠运动可带动雕刻主轴产生x方向的牵连运动。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)与传统的五轴雕刻机相比，结构简单、模块化程度高，等同大小的工作空间，本发明的机构体积相对较小；(2)采用并联机构和串联机构混联的形式，降低单纯由串联机构引起的误差累积；(3)所提供的并联机构各个运动轴线的装配关系简单，各零部件的加工制造工艺容易；(4)具有传统五轴雕刻机相等的复杂曲面加工能力，不需要人工安装和拆卸雕刻件；(5)并联机构与二自由度加工台配合实现五轴雕刻，又独立运动，避免了雕刻过程中的干涉；因此，该发明适用于雕刻领域、制造业等复杂曲面加工，具有较大的应用前景。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

附图说明：

图1为本发明实施例提供的混联雕刻机的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的混联雕刻机中并联机构的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的并联机构第一分支组件和第二分支组件的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的并联机构第三分支组件的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的混联雕刻机中二自由度加工台的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的混联雕刻机中二自由度加工台剖面示意图；

图中：1：第一分支组件；2：第二分支组件；3：第三分支组件；4：雕刻主轴；5动支撑台；6：主轴固定座；7：福马轮；8：移动底座；9：直线滑台；10：摇摆机构；11：固定机架；12：二自由度加工台；13：虎克铰；14：转动架；15：复合铰链；16：转动副组件；17：直线驱动组件101：伺服电机；102：分支组件板；103：组件丝杠；104：虎克铰支撑座；105：虎克铰支撑轴；106分支转动头；107；电机固定座；108；滑轨；109：虎克铰轴盖；110：螺母固定座；111：轴承座；112：转动销轴；113分支转动横架；301：伺服电机；302：转动轴盖；303：第三分支头；304：复合连架；305：复合动横架；901：滑台丝杠；902：左支撑座；903：转动板；904：滑块；905：加工工作台；906：右支撑座；907：伺服电机；908：行星减速机；909：移动载台；910：滑板；911：伺服电机；912：电机固定座；913：左支撑轴；914：螺母固定座；915：转动基板；916：右支撑轴；917：支撑调整块；918：右支撑座端盖；919：摇摆底板。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例说明本发明的实施方式。

下面描述本发明的实施例，其中通过附图描述的实施例是示例性，仅用于解释本发明，而不对本发明进行限制。

本发明的实施例中，如图1所示，一种立式混联雕刻机，包括并联机构、固定机架11、移动底座8、二自由度加工台9；并联机构包括第一分支组件1、第二分支组件2、第三分支组件3、动支撑台5、主轴固定座6和雕刻主轴4。

第一分组组件1和第二分支组件2具有相同结构，第一分组组件1通过虎克铰13与固定机架11连接，通过转动副组件16与动支撑台5铰接；第二分支组件同理，第三分支组件3通过转动架14与固定机架11连接，通过复合铰链15与动支撑台5铰接，动支撑台5通过主轴固定座6将雕刻主轴4固定其上，至此形成并联机构。

并联机构固定连接于固定机架11上，固定机架11下设置着二自由度加工台12，二自由度加工台12包括直线滑台9和安装在直线滑台9上的摇摆机构10，固定机架11安装在移动底座8上，移动底座8下安装着福马轮7，可实现前后左右的平面移动。

在本发明的实施例中，如图3所示，第一分组组件1包括直线驱动组件17、虎克铰13、转动副组件16；直线驱动组件中的分支组件板102上部设置着伺服电机101，伺服电机101连接着电机固定座107，电机固定座上连接着组件丝杠103，组件丝杠103上穿过螺母固定座110，螺母固定座110的两端铰接在虎克铰13上，虎克铰可以绕虎克铰轴盖109转动，虎克铰13还可绕虎克铰支撑轴105转动，虎克铰支撑轴安装在虎克铰支撑座104上，虎克铰支撑座104设置在固定机架11上，在伺服电机101转动下，驱动直线驱动组件的分支组件板102、分支转动头106等沿组件丝杠103的轴向移动，另外，直线驱动组件17下部连接转动副组件16，所述转动副组件16通过分支转动头106与直线驱动组件17连接，转动副组件内通过转动销轴112与分支转动横架113连接，分支转动横架113在连接到动支撑台5上。

在本发明的实施例中，如图4所示，第三分支组件3包括直线驱动组件17（第三分支组件3的直线驱动组件与第一、二分支组件的直线驱动组件17结构相同）、转动架14、复合铰链15；直线驱动组件17的螺母固定座110通过转动架14连接到固定机架11上（转动架14呈槽型，螺母固定座110两侧部铰接在槽内壁上，该转动架14固定在固定机架11上），转动架14能绕转动轴盖的轴线转动，直线驱动组件17下部通过复合铰链15连接到动支撑台5，所述复合铰链15通过第三分支头303与直线驱动组件17连接，复合铰链15内通过复合连架304与复合动横架305铰接连接，复合动横架305连接到动支撑台5上。

上述分支组件板102上设有滑轨，在螺母固定座110上设有与滑轨配合滑动的限位滑块，而螺母固定座110的两侧部侧部铰接在槽内壁上，从而在组件丝杠103转动下，组件丝杠103、分支组件板102、伺服电机101、分支转动头106（或第三分支头303）即相对螺母固定座110轴向移动的，组件丝杠103的两端是铰接在分支组件板102两端的座体内。

在本发明的实施例中，如图2所示，动支撑台5两侧面对称连接着第一分支组件1和第二分支组件2、另外侧面连接着第三分支组件3，动支撑台5的轴孔中心下安装着主轴固定座6，主轴固定座6上安置着雕刻主轴4，在三条分支组件的共同作用下，动支撑台5上的雕刻主轴4可实现在z轴方向的垂直运动；当第一分支组件1和第二分支组件2的组件丝杠相对反向转动时，可实现雕刻主轴4绕x轴的转动，当第一分支组件1和第二分支组件2停止运动，第三分支组件3丝杠运动可带动雕刻主轴4产生x轴方向的牵连运动，也即带动雕刻主轴4沿x轴的移动，同时也相对虎克铰支撑轴105（等同于y轴）的转动。

在本发明的实施例中，如图5所示，二自由度加工台12包括摇摆机构10和直线滑台9，直线滑台包括滑板910、电机固定座912、伺服电机911、滑台丝杠901、螺母固定座914、滑块904、移动载台909，所述直线滑台9内的滑板910上连接着电机固定座912，电机固定座912上固定着伺服电机911，在伺服电机911的驱动下，连接到电机固定座912轴孔的滑台丝杠901，带动其上的螺母固定座914移动，螺母固定座914和滑块904上固连着移动载台909，移动载台909上连接着摇摆机构10，滑块在直线滑台9的滑轨上移动，实现移动载台909上的摇摆机构10在y方向上的移动。

在本发明的实施例中，如图5-6所示,所述摇摆机构10包括摇摆底板919、支撑调整块917、左支撑座、右支撑座、伺服电机907、行星减速机908、转动板903、转动基板915、加工工作台905；所述摇摆机构10内的伺服电机907连接在行星减速机908上，行星减速机908安装在右支撑座906上，左右支撑座设置在支撑调整块917上，支撑调整块917固定在摇摆底板919上，伺服电机907的转动，通过行星减速机908，带动左支撑轴913、右支撑轴916转动，左支撑轴913、右支撑轴916固连转动板903，进而带动转动板903转动，转动板903转动带动连接其上的转动基板915转动，由于加工工作台915设置在转动基板915上，进而使得摇摆机构上的加工工作台915绕右支撑轴转动，即实现绕y轴转动，至此，摇摆机构除了有绕y轴转动，还有沿着y轴方向的移动。

最后，该立式混联雕刻机能够通过并联机构和二自由度加工台的共同配合作用下，实现5轴的加工能力，因此，该立式混联雕刻机在雕刻领域具有较大的应用前景。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的立式混联雕刻机。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。