一種五軸聯(lián)動混聯(lián)機床的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于多軸聯(lián)動裝置的技術領域，具體涉及一種五軸聯(lián)動混聯(lián)機床，是一種能夠應用于數(shù)控控制裝置制造領域的可實現(xiàn)復雜細長整體結構件的多軸聯(lián)動轉置。
【背景技術】
[0002]并聯(lián)機構是由多個支鏈構成的閉環(huán)機構，相對于傳統(tǒng)的串聯(lián)機構具有以下優(yōu)點:并聯(lián)機床作為一種以并聯(lián)機構為機械本體的制造裝備，出現(xiàn)于上世紀90年代末。隨著并聯(lián)機構理論研究的不斷深入及數(shù)控技術、自動化技術和計算機技術的不斷發(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、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，從而限制了其應用領域。鑒于并聯(lián)機構與串聯(lián)機構在構型上面的對偶關系，人們想到了將并聯(lián)機構和串聯(lián)機構進行組合，從而提出了混聯(lián)機構的構型，并將混聯(lián)機構作為數(shù)控機床的機械本體生產(chǎn)新型混聯(lián)機床。從而使混聯(lián)機床集并、串聯(lián)機床的優(yōu)勢于一身，同時又避免并、串聯(lián)構型各自的缺點，在現(xiàn)在制造業(yè)中更具實用性。正因如此，這類基于并聯(lián)機構或含有并聯(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，應用于航空航天、鐵路運輸、國防軍工等領域的細長類整體結構件例如:飛機的機身、機翼、肋條、火車車廂等的整體設計原則越來越受到了重視。整體設計的基本概念是，從一塊整體毛坯上將金屬切除，從而獲得性能優(yōu)越的整體結構件。它的優(yōu)點不僅是縮短了加工裝配的周期和物流鏈，同時也減輕了結構件的重量。這種細長類整體結構件大都零件去除率高，且形狀復雜、多孔、壁厚薄。為了完成這種復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)控機床在復雜細長整體結構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。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]國內外典型的五軸混聯(lián)機床有:瑞典Neos Robotis公司生產(chǎn)的Tricept系列五軸聯(lián)動混聯(lián)機床，Exechon公司生產(chǎn)的Exechon系列五軸聯(lián)動混聯(lián)機床。Tricept、Exechon系列混聯(lián)機床是由能實現(xiàn)兩轉一移運動的位置型并聯(lián)機構3-UPS+UP、2-UPR+SPR，串聯(lián)兩自由度A/C軸擺角銑頭組成，廣泛應用于汽車、航空航天領域輕型高速加工、裝配等作業(yè);德國DS-Technologie公司按照飛機結構件加工工藝的特點，獨創(chuàng)性地推出了 Ecospeed高性能數(shù)控加工中心，它采用串聯(lián)式結構實現(xiàn)五軸中兩個移動軸大范圍的移動，采用一個基于3-PRS并聯(lián)機構的擺角頭(Z3擺角頭)來實現(xiàn)五軸中一個移動軸的移動和兩個轉動軸的擺動，這種轉動不是串聯(lián)式的，而是并聯(lián)式耦合聯(lián)動的，可以繞經(jīng)過擺角頭中心任意軸線進行擺動。這種擺角頭類似人手腕的運動學結構，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)A/B式擺角頭的功能，但結構簡單，由連桿和移動、轉動運動副以及球鉸鏈構成，從而使其動態(tài)特性性能更加優(yōu)越，可以實現(xiàn)更高的速度和加速度。這種機床理念采用并聯(lián)加串聯(lián)的混聯(lián)方式，是世界上切削鋁合金結構件最富有成效的方案，切削量最大可達8000 cm3/min，大幅度降低了加工時間和成本。國內，齊齊哈爾第二機床集團和清華大學合作研制XNZ2430重型龍門混聯(lián)機床通過以新型的二自由度并聯(lián)機構為基礎龍門，在主軸箱上串聯(lián)兩個自由度A/C軸擺角銑頭，附加工作臺的移動，從而實現(xiàn)機床的五軸聯(lián)動。該機床特別適用于加工帶有復雜曲面形狀的較大、較長類零件和葉片類零件。綜合以上典型混聯(lián)機床發(fā)現(xiàn)Tricept、Exechon系列混聯(lián)機床雖然能夠實現(xiàn)很靈巧的工作形式，但其工作空間相對較小，即使將其串聯(lián)在導軌上擴大一個軸方向的移動空間但這樣做使其運動耦合性明顯增強，不利于控制。Ecospeed高性能數(shù)控加工中心，其兩個移動軸大范圍的移動沒有主次之分，而對細長類整體結構件加工來說只需在工件長度方向有一個大范圍的移動軸其寬度方向沒有必要串聯(lián)另一個移動軸，如果將其寬度方向的移動由并聯(lián)模塊來實現(xiàn)可以使其具有更好的性能。對于XNZ2430重型龍門混聯(lián)機床，其加工主體部分是不動的，工件長度方向的移動由移動平臺來完成，而這種形式對于加工細長工件較工作臺不動、機床加工主體移動的形式來說，明顯需要更大的加工空間。
[0005]本發(fā)明針對傳統(tǒng)數(shù)控機床及現(xiàn)有五軸混聯(lián)機床在加工細長類整體結構件方面存在的弊端，提出一種以模塊化四自由度并聯(lián)機構為主體輔以長直導軌實現(xiàn)五軸聯(lián)動加工的混聯(lián)構型機床。此機床應用于細長類整體結構件加工具有工作空間大、剛度高、精度高、Y軸方向驅動負載變化小、動態(tài)性能好、可重構性強和模塊化程度高等優(yōu)點。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明針對傳統(tǒng)數(shù)控機床及現(xiàn)有五軸混聯(lián)機床在加工細長類整體結構件方面存在的弊端，提出一種以模塊化四自由度并聯(lián)機構為主體輔以長直導軌實現(xiàn)五軸聯(lián)動加工的混聯(lián)機床。本發(fā)明應用于細長類整體結構件加工具有工作空間大、剛度高、精度高、Y軸方向驅動負載變化小、動態(tài)性能好、可重構性強和模塊化程度高等優(yōu)點。
[0007]本發(fā)明采用如下的技術方案實現(xiàn):
一種五軸聯(lián)動混聯(lián)機床，包括長直導軌以及并聯(lián)模塊，所述的并聯(lián)模塊包括基礎平臺、動平臺以及連接于基礎平臺和動平臺之間的第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈和第四支鏈，各部分形成一個空間并聯(lián)閉環(huán)機構，第一和第三支鏈結構相同，第二和第四支鏈結構相同，第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈、第四支鏈均含有一個主動驅動的運動副，所述的并聯(lián)模塊動平臺能實現(xiàn)XZ平面內的兩維移動和轉軸在動平臺平面內的兩維轉動，并聯(lián)模塊安裝在沿Y軸方向的長直導軌上，并在Y軸方向添加有一個使并聯(lián)模塊沿Y軸方向滑動的主動輸入。
[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動副，所述運動副有四個，一個是連接于基礎平臺和第一上連桿之間的轉動副，一個是連接于第一上連桿和第一下連桿之間的移動副，一個是連接于第一下連桿和第一連接塊之間的轉動副，另一個是連接于第一連接塊和動平臺之間的轉動副，其中連接于第一上連桿和第一下連桿之間的移動副是主動輸入，連接于第一下連桿和第一連接塊之間的轉動副與連接于第一連接塊和動平臺之間的轉動副軸線始終垂直。
[0009]所述的第二支鏈結構包括:第二連接塊、第二上連桿、第二下連桿、以及各運動副，所述運動副有四個，一個是連接于基礎平臺和第二連接塊之間的轉動副，一個是連接于第二上連桿和第二連接塊之間的轉動副，一個是連接于第二上連桿和第二下連桿之間的移動副，另一個是連接于第二下連桿和動平臺之間的球鉸副，其中連接于第二上連桿和第二下連桿之間的移動副是主動輸入，連接于基礎平臺和第二連接塊之間的轉動副與連接于第二上連桿和第二連接塊之間的轉動副軸線始終垂直。
[0010]所述的并聯(lián)模塊中，連接于第一連接塊和動平臺之間的轉動副與連接于第三連接塊和動平臺之間的轉動副軸線始終同軸;連接于基礎平臺和第一上連桿之間的轉動副、連接于基礎平臺和第三上連桿之間的轉動副、連接于第一下連桿和第一連接塊之間的轉動副及連接于第三下連桿和第三連接塊之間的轉動副軸線始終同Y軸并行。
[0011]基礎平臺與長直導軌之間通過移動副連接，且該移動副是使并聯(lián)模塊可以沿著Y軸移動的主動輸入。
[0012]第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈、第四支鏈與動平臺鉸接中心點在動平臺上呈90°等分布置，且各鉸點距動平臺中心距離相等;第一支鏈、第二支鏈、第三支鏈、第四支鏈與基礎平臺鉸接中心點在基礎平臺上呈90°等分布置且分別記為第一鉸接中心點、第二鉸接中心點、第三鉸接中心點、第四鉸接中心點，確定基礎平臺上一點設為點O位于距長直導軌距離相等且距第二、第四鉸接中心點距離相等的位置，第二、第三、第四鉸接中心點距點O距離相等且與第一鉸接點距點O距離不相等。
[0013]本發(fā)明相對現(xiàn)有技術具有如下有益效果:(I)結構簡單、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)實際需求來確定長直導軌長度，故柔性好;(4)Y軸方向驅動負載變化?。?5)動態(tài)性能好;(6)可重構性強和模塊化程度高等優(yōu)點。能夠實現(xiàn)對復雜細長整體結構件的五軸聯(lián)動加工?？蓱糜诤娇蘸教?、鐵路運輸、國防軍工等領域的細長類整體結構件加工，例如:飛機的機身、機翼、肋條、火車車廂等的加工。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的實施例的結構示意圖。
[0015]圖2為圖1所示的機床結構中的并聯(lián)模塊的結構示意圖。
[0016]圖3為圖2所示的并聯(lián)模塊中第三支鏈的結構示意圖。
[0017]圖4為圖2所示的并聯(lián)模塊中第四支鏈的結構示意圖。
[0018]圖中:1、長直導軌，2、工件，3、夾具，4、工作臺，5、刀具，6、基礎平臺，7、動平臺，8、第三上連桿，9、第三下連桿，10、第三連接