[發明專利]一種平面兩自由度冗余驅動并聯機構及采用該機構的機床

有效

• 申請號: 201210104000.7
• 申請日: 2012-04-10
• 公開（公告）號: CN102615514A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 吳軍;李鐵民;姜峣;唐曉強
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B23Q1/46
• 分類號: B23Q1/46;B23C1/027
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;關暢

技術領域

本發明涉及一種并聯機構及采用該機構的機床，特別是關于一種平面兩自由度冗余驅動并聯機構及采用該機構的機床。

背景技術

并聯機床作為近二十幾年來出現的新型機床，是并聯機器人技術和現代機床技術相結合的產物，其具有剛度高、動態性能好、模塊化程度高、易于重構以及機械結構簡單等特點，符合制造高速化、柔性化和集成化的發展趨勢，引起了工業界的廣泛關注。最早出現的Stewart平臺是典型的6自由度并聯機構，此類結構形式的并聯機構曾被用于機床設計中，第一臺基于Stewart平臺設計制造的并聯機床在1994年芝加哥國際制造技術展覽會上亮相，并引起了巨大轟動，但6自由度并聯機構存在工作相對有限，操作靈活度差，球鉸制造困難等缺點，從而限制這類機床的發展。為了解決上述問題，出現了少自由度并聯機構，其中以Delta、Tricept和Z3主軸頭的應用最為成功。另外還出現了將串聯機構和并聯機構聯合使用的混聯機構，繼承了串聯機構和并聯機構的優點，這類機構具有工作空間大，剛度高，同時可以實現高速、高加速運動，具有很好的應用前景。

將混聯機構應用于機床設計中，出現了一類混聯結構機床，目前應用最多的混聯機床的并聯部分一般采用平面兩自由度平動并聯機構，這類機構具有結構簡單、工作空間大、操作性能良好、研發成本低廉等特點，在此基礎上，加上可移動的工作平臺，以及雙擺頭，就可以形成五軸混聯機床，已經在實際中得到了推廣應用。這種機床的并聯部分依靠連桿支撐并驅動整個動平臺實現給定的加工軌跡，由于雙擺頭的質量較大，且主軸在加工過程中受到較大切削力，連桿受力又容易變形，因此會導致動平臺的振動，影響加工精度，尤其在高速、高加速過程中對機床的動態性能有著很大的影響，無法保證被加工件的質量。

針對上述問題，產生了過約束并聯機構，在原有結構基礎上，通過增加連桿，使機床的剛度和穩定性增加，在一定程度上能夠減小連桿在運動過程中的變形和振動對動平臺的影響。但這類結構對各連桿的制造和安裝精度提出了很高的要求，因為制造和安裝誤差會導致構件及運動副在運動過程中強制變形，使得驅動力顯著增加，同時運動副的約束反力急劇增大，從而導致磨損加快，機械效率降低，引起系統較大的振動、沖擊和噪聲，降低機構的可靠性、精度和壽命。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠改善結構的力傳遞性能和動態特性，提高機床的加工精度、壽命和可靠性，用于開發高速重載混聯機床的平面兩自由度冗余驅動并聯機構及采用該機構的機床。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種平面兩自由度冗余驅動并聯機構，其特征在于：它包括一底座，所述底座上垂直間隔設置有第一立柱和第二立柱，所述第一立柱和第二立柱的頂端連接同一橫梁；所述第一立柱和第二立柱相對的兩側面上均設置有導軌；所述第一立柱的上部設置有第一伺服電機，所述第一伺服電機的輸出端連接第一滾珠絲杠，所述第一滾珠絲杠的下端垂直支撐在第一絲杠支撐座上，所述第一絲杠支撐座設置在第一立柱上，所述第一滾珠絲杠上設置有沿著所述第一立柱上的導軌上下垂直移動的第一滑塊；所述第二立柱的上部設置有第二伺服電機，所述第二立柱靠近中部的位置設置有第三伺服電機，所述第二伺服電機的輸出端連接第二滾珠絲杠，所述第二滾珠絲杠的下端垂直支撐在第二絲杠支撐座上，所述第二絲杠支撐座設置在所述第二立柱上、第三伺服電機的上方；所述第二滾珠絲杠上設置有沿著所述第二立柱上的導軌上下垂直移動的第二滑塊；所述第三伺服電機的輸出端連接第三滾珠絲杠，所述第三滾珠絲杠的下端垂直支撐在第三絲杠支撐座上，所述第三絲杠支撐座設置在所述第二立柱上，所述第三滾珠絲杠上設置有沿著所述第二立柱上的導軌上下垂直移動的第三滑塊；它還包括第一連桿、第二連桿、第三連桿、第四連桿和動平臺；所述第一連桿和第四連桿位于所述動平臺的同一側，所述第一連桿和第四連桿的其中一端均與所述第一滑塊鉸接，另一端均與所述動平臺鉸接，所述第一連桿和第四連桿等長，且所述第四連桿位于所述第一連桿的上方，形成了一平行四邊形機構；所述第二連桿和第三連桿位于所述動平臺的另一側；所述第二連桿的一端與所述第二滑塊鉸接，另一端與所述動平臺鉸接，該鉸接點與所述第四連桿和所述動平臺的鉸接端等高；所述第三連桿的一端與所述第三滑塊鉸接，另一端與所述動平臺鉸接，所述第三連桿和第一連桿與所述動平臺鉸接的一端鉸接在同一位置。

所述第一立柱、第二立柱、第一滑塊、第三滑塊，第一連桿、第四連桿、第三連桿和動平臺構成非冗余平面并聯閉鏈結構；通過第二連桿與動平臺鉸接，第二連桿通過第二滑塊帶動，構成平面兩自由度冗余驅動并聯機構。