專利名稱：基于五自由度的五桿純并聯(lián)數(shù)控機床的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于機械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于五自由度的五桿純并聯(lián)運動數(shù)控機床。
背景技術(shù)：
并聯(lián)運動機床(又稱虛擬軸機床)在國內(nèi)外的發(fā)展歷程有十幾年，1994年，美國 Giddings & Lewis公司首次展出了基于Stewart平臺"六足蟲"并聯(lián)運動機床，標(biāo)志著 機床設(shè)計開始采用并聯(lián)機構(gòu)。
從傳動技術(shù)的層面來講，這種"六足蟲"并聯(lián)運動機床具有六個運動自由度。由于運 動/定位中的物體原則上具有六個空間自由度，因此恰好需要六個驅(qū)動力分別對物體的六 個自由度施加作用。然而基于笛卡爾坐標(biāo)的數(shù)控機床只需要五個可控制的自由度。例如在 銑床中，第六個自由度是由銑刀主軸繞自身軸線的轉(zhuǎn)動而形成的。因而"六足蟲"的并聯(lián) 運動機床存在一個缺陷，就是必須用六個驅(qū)動才能形成五個可控的自由度。
"六足蟲"的并聯(lián)運動機床另一個缺陷在于，基于六根導(dǎo)桿的結(jié)構(gòu)很大程度上限制了 工作空間，最終表現(xiàn)為物體或刀架擺轉(zhuǎn)角度的限制。這是因為導(dǎo)桿間的更多碰撞區(qū)域限制 了工作空間的大小。
德國Metrom公司根據(jù)Michael Schwaar博士在2001年的發(fā)明開發(fā)了基于五自由度的 五桿五環(huán)并聯(lián)機床的產(chǎn)品。相對第一代"六足蟲"的并聯(lián)運動機床，減少一根支撐桿，工 作空間將增加，可繞刀架軸線旋轉(zhuǎn)的主軸套環(huán)是這種五桿并聯(lián)運動機床最大的特色和創(chuàng)新 之處，以單自由度的運動副取代了以往的常用的多自由度的球鉸鏈，不但使整機具有較高 的剛度，更是大大拓寬了刀架運動和擺轉(zhuǎn)角度的極限范圍，使刀架可以擺轉(zhuǎn)90。以上而不 失穩(wěn)、不干涉，可以實現(xiàn)"五面加工"。因此，這種構(gòu)型的五桿并聯(lián)機床又被稱為"五面 加工虛擬軸機床"。相對第二代的串并聯(lián)混合布局機床，由于是純并聯(lián)運動機床，控制簡 單，動態(tài)性能好。德國Metrom公司產(chǎn)品存在一個缺陷，有五個轉(zhuǎn)動自由度產(chǎn)生在五個螺 旋副處，即絲杠伸縮時會產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)動，從而運行過程中會出現(xiàn)五個附加自由度(轉(zhuǎn)動一 圈，絲杠移動一個螺距)，給精度造成影響，使控制變復(fù)雜。 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種精度更高、控制更簡便的基于五自由度的五桿純并聯(lián) 數(shù)控機床。
本實用新型提出的基于五自由度的五桿純并聯(lián)數(shù)控機床，由五根支撐桿、鉸鏈8、主軸套環(huán)IO、機架13、工作臺14、滾珠導(dǎo)套17、伺服電機20、聯(lián)軸器21組成，工作臺14 固定于機架13內(nèi)底部，十字萬向鉸鏈外圈9為五個，每個十字萬向鉸鏈外圈9固定于機 架13頂部，十字萬向鉸鏈內(nèi)圈6位于十字萬向鉸鏈外圈9內(nèi)，且十字萬向鉸鏈內(nèi)圈6能 相對其十字萬向鉸鏈外圈9轉(zhuǎn)動；每根支撐桿的結(jié)構(gòu)相同，支撐桿內(nèi)部貫通，兩側(cè)設(shè)有支 架22，每根支撐桿穿過相應(yīng)的十字萬向鉸鏈內(nèi)圈6，且其上的支架22嵌于相應(yīng)的十字萬 向鉸鏈內(nèi)圈6的孔內(nèi)，支撐桿能相對十字萬向鉸鏈內(nèi)圈6轉(zhuǎn)動；支撐桿一端固接伺服電機 20，另一端連接滾珠導(dǎo)套17，支撐桿內(nèi)部設(shè)有伸縮桿15，伸縮桿15內(nèi)設(shè)有絲杠7，絲杠 7—端連接聯(lián)軸器21，聯(lián)軸器21連接伺服電機20，伸縮桿15—端連接螺母23，另一端 連接鉸鏈8;電主軸外套11套于電主軸12外，主軸套環(huán)10為五個，五個主軸套環(huán)10自 上而下套于電主軸外套11夕卜，且位于最下部的主軸套環(huán)10與電主軸外套11固接，其余 四個主軸套環(huán)均能繞電主軸外套ll相對轉(zhuǎn)動；主軸套環(huán)10上設(shè)有耳環(huán)，耳環(huán)與鉸鏈8通 過錐銷16連接。
本實用新型中，鉸鏈8設(shè)有凹槽，伸縮桿15—端伸入鉸鏈8凹槽部位，處于凹槽部 位的伸縮桿15—側(cè)有軸承18，另一側(cè)有軸承25，軸承蓋19壓住軸承18內(nèi)圈，且軸承蓋 19與伸縮桿15通過螺釘連接；軸承蓋24壓住軸承25外圈，且軸承蓋24與鉸鏈8通過螺 釘連接。
本實用新型的工作過程如下
基于五自由度的五桿純并聯(lián)數(shù)控機床在任何時刻并聯(lián)機構(gòu)的運動都必須是五桿聯(lián)動， 故五個伺服驅(qū)動系統(tǒng)之間具有強耦合和非線性的關(guān)系。五個伺服電機在數(shù)控系統(tǒng)的控制
下，驅(qū)動對應(yīng)的位于支撐桿內(nèi)部的五個絲杠7轉(zhuǎn)動，絲杠7帶動螺母23移動，螺母23和 伸縮桿15固接，伸縮桿15在螺母23帶動下經(jīng)滾珠導(dǎo)套17伸縮。五個支撐桿伸出的支架 22分別插入十字萬向鉸鏈內(nèi)圈6的孔內(nèi)，相對十字萬向鉸鏈內(nèi)圈6轉(zhuǎn)動，十字萬向鉸鏈內(nèi) 圈6相對其十字萬向鉸鏈外圈9轉(zhuǎn)動，故支撐桿在十字萬向鉸鏈上具有正交二個方向的擺 動，五個支撐桿另一端通過鉸鏈8連于主軸套環(huán)IO上。鉸鏈8與主軸套環(huán)10上的耳環(huán)用 錐銷16連接。鉸鏈8以錐銷16為中心作擺動，四個主軸套環(huán)10繞電主軸外套11自由轉(zhuǎn) 動，位于最底部的主軸套環(huán)10和電主軸外套11固接，伸縮桿15除伸縮外，伸縮桿15和 鉸鏈8之間還有相對轉(zhuǎn)動的自由度，轉(zhuǎn)動時，伸縮桿15不轉(zhuǎn)，鉸鏈8通過軸承18、軸承 25相對伸縮桿15轉(zhuǎn)動。由于伸縮桿15不能轉(zhuǎn)動，絲杠7相對螺母23不會出現(xiàn)附加轉(zhuǎn)動， 從而避開了由于附加轉(zhuǎn)動帶來的桿長誤差。在該機構(gòu)中，5個可任意三百六十度轉(zhuǎn)動的主 軸套環(huán)替代了常規(guī)情況下固定安裝于動平臺的約束鉸鏈，使電主軸12頭部在迪卡爾坐標(biāo) 系能夠順利作X、 Y、 Z軸移動及A、 B軸轉(zhuǎn)動，其中A軸可轉(zhuǎn)過90 °。本實用新型的有益效果在于避開了由于絲杠相對螺母的附加轉(zhuǎn)動帶來的桿長誤差，消 除了 Metrom公司的產(chǎn)品中絲杠螺母附加轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的冗余自由度，因為絲杠螺母之間附加 轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生五個冗余自由度(轉(zhuǎn)動一圈，絲杠移動一個螺距)，使控制模型中省略了對該 項誤差補償?shù)囊蟆?br>
圖l為本實用新型的結(jié)構(gòu)圖。
圖2為主軸套環(huán)與伸縮桿的結(jié)構(gòu)圖。
圖3為鉸鏈8的結(jié)構(gòu)圖。
圖4為支撐桿的結(jié)構(gòu)圖。
圖中標(biāo)號1、 2、 3、 4、 5分別為支撐桿，6為十字萬向鉸鏈內(nèi)圈，7為絲杠，8為鉸鏈， 9為十字萬向鉸鏈外圈，IO為主軸套環(huán)，ll為電主軸外套，12為電主軸，13為機架，14為 工作臺，15為伸縮桿，16為用于主軸套環(huán)與鉸鏈相連的錐銷，17為滾珠導(dǎo)套，18為軸承， 19為軸承蓋，20為伺服電機，21為聯(lián)軸器，22為支架，23為螺母，24為軸承蓋，25為軸承。
具體實施方式

下面通過實施例結(jié)合附圖進一步說明本實用新型。
實施例l:如圖l所示機架13安裝在地基上，工作臺14固定在機架13內(nèi)部，五根
支撐桿的結(jié)構(gòu)相同，以其中一根支撐桿為例，十字萬向鉸鏈外圈9固定在機架13的頂部， 十字萬向鉸鏈內(nèi)圈6相對十字萬向鉸鏈外圈9轉(zhuǎn)動，支撐桿一端固接伺服電機20，另一端 連接滾珠導(dǎo)套17，支撐桿與伺服電機20連接的一端穿過十字萬向鉸鏈內(nèi)圈6，其伸出的 二支架22插入十字萬向鉸鏈內(nèi)圈6的孔內(nèi)，相對十字萬向鉸鏈內(nèi)圈6轉(zhuǎn)動；支撐桿中部 貫通，其內(nèi)設(shè)有伸縮桿15，伸縮桿15內(nèi)插有絲杠7，伸縮桿15—端連接螺母23，絲杠7 一端連接聯(lián)軸器21，聯(lián)軸器21另一端連接伺服電機20，伸縮桿15另一端連接鉸鏈8，鉸 鏈再連于主軸套環(huán)10上。
如圖2所示五個主軸套環(huán)10自上而下依次主軸套環(huán)10套于電主軸外套11上，其中 四個可以繞電主軸外套11相對轉(zhuǎn)動，位于最底部的主軸套環(huán)10和電主軸外套11固接， 電主軸外套11和電主軸12固接。
如圖3所示，主軸套環(huán)10上設(shè)有耳環(huán)，耳環(huán)與鉸鏈8用錐銷16連接，伸縮桿15—端 套上軸承18，用軸承蓋19壓住軸承18內(nèi)圈并與伸縮桿15用螺釘固接，用軸承蓋24壓住 軸承25外圈并與鉸鏈8用螺釘固接。
如圖4所示，伺服電機20經(jīng)聯(lián)軸器21帶動絲杠7轉(zhuǎn)動，絲杠7帶動螺母23移動， 螺母23和伸縮桿15固接，伸縮桿15在螺母23帶動下經(jīng)滾珠導(dǎo)套17伸縮。
權(quán)利要求1、一種基于五自由度的五桿純并聯(lián)數(shù)控機床，由五根支撐桿、鉸鏈(8)、主軸套環(huán)(10)、機架(13)、工作臺(14)、滾珠導(dǎo)套(17)、伺服電機(20)、聯(lián)軸器(21)組成，其特征在于工作臺(14)固定于機架(13)內(nèi)底部，十字萬向鉸鏈外圈(9)為五個，每個十字萬向鉸鏈外圈(9)固定于機架(13)頂部，十字萬向鉸鏈內(nèi)圈(6)位于十字萬向鉸鏈外圈(9)內(nèi)，且十字萬向鉸鏈內(nèi)圈(6)能相對其十字萬向鉸鏈外圈(9)轉(zhuǎn)動；每根支撐桿的結(jié)構(gòu)相同，支撐桿內(nèi)部貫通，兩側(cè)設(shè)有支架(22)，每根支撐桿穿過相應(yīng)的十字萬向鉸鏈內(nèi)圈(6)，且其上的支架(22)嵌于相應(yīng)的十字萬向鉸鏈內(nèi)圈(6)的孔內(nèi)，支撐桿能相對十字萬向鉸鏈內(nèi)圈(6)轉(zhuǎn)動；支撐桿一端固接伺服電機(20)，另一端連接滾珠導(dǎo)套(17)，支撐桿內(nèi)部設(shè)有伸縮桿(15)，伸縮桿(15)內(nèi)設(shè)有絲杠(7)，絲杠(7)一端連接聯(lián)軸器(21)，聯(lián)軸器(21)連接伺服電機(20)，伸縮桿(15)一端連接螺母(23)，另一端連接鉸鏈(8)；電主軸外套(11)套于電主軸(12)外，主軸套環(huán)(10)為五個，五個主軸套環(huán)(10)自上而下套于電主軸外套(11)外，且位于最下部的主軸套環(huán)(10)與電主軸外套(11)固接，其余四個主軸套環(huán)均能繞電主軸外套(11)相對轉(zhuǎn)動；主軸套環(huán)(10)上設(shè)有耳環(huán)，耳環(huán)與鉸鏈(8)通過錐銷(16)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于五自由度的五桿純并聯(lián)數(shù)控機床，其特征在于鉸鏈(8) 設(shè)有凹槽，伸縮桿(15) —端伸入鉸鏈(8)凹槽部位，處于凹槽部位的伸縮桿(15) —側(cè) 有軸承(18)，另一側(cè)有軸承(25)，軸承蓋(19)壓住軸承(18)內(nèi)圈，且軸承蓋(19) 與伸縮桿(15)通過螺釘連接；軸承蓋(24)壓住軸承(25)外圈，且軸承蓋(24)與鉸 鏈(8)通過螺釘連接。
專利摘要本實用新型屬于機械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于五自由度的五桿純并聯(lián)運動數(shù)控機床。由五根支撐桿、鉸鏈、主軸套環(huán)、機架、工作臺、滾珠導(dǎo)套、伺服電機、聯(lián)軸器組成，每根支撐桿結(jié)構(gòu)相同，支撐桿內(nèi)部貫通，兩側(cè)設(shè)有支架，每根支撐桿穿過十字萬向鉸鏈內(nèi)圈，支撐桿一端固接伺服電機，另一端連接滾珠導(dǎo)套，支撐桿內(nèi)部設(shè)有伸縮桿，伸縮桿內(nèi)設(shè)有絲杠，絲杠一端連接聯(lián)軸器，聯(lián)軸器連接伺服電機，伸縮桿一端連接螺母，另一端連接鉸鏈；電主軸外套套于電主軸外，主軸套環(huán)自上而下套于電主軸外套外，主軸套環(huán)與鉸鏈連接。本實用新型避開了由于絲杠相對螺母的附加轉(zhuǎn)動帶來的桿長誤差，消除了Metrom公司的產(chǎn)品中絲杠螺母附加轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的冗余自由度。
文檔編號B23Q1/25GK201224023SQ20082015066
公開日2009年4月22日 申請日期2008年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月10日
發(fā)明者紅 謝 申請人:同濟大學(xué)