一种无伴随运动的并联式三轴主轴头结构.pdf

本发明涉及一种无伴随运动的并联式三轴主轴头结构，属于数控机床制造领域。该结构包括一个安装主轴的动平台、一个定平台，以及连接所述动平台与定平台之间的第一、第二和第三分支机构，所述第一分支机构包括第一输入件、第一连接件以及一个移动副和二个转动副，所述第二分支机构包括第二输入件、第二连接件及一个移动副和二个转动副，所述第三分支机构包括第三输入件、第三连接件及一个移动副和二个球铰或虎克铰；且三个分支机构中的移动副是驱动的。本发明实现转动时无伴随运动，利于精确测量从而达到高的精度；且具有高刚度、低运动质量、高动态性能、构造简单、成本低、易制造、灵活度较高以及便于轨迹规划和控制等特点。

1、  一种无伴随运动的并联式三轴主轴头结构，该结构包括一个安装主轴的动平台、一个定平台，以及连接所述动平台与定平台之间的第一、第二和第三分支机构，其特征在于，所述第一分支机构包括第一输入件、第一连接件以及三个运动副，该三个运动副分别是：连接于所述第一输入件与定平台之间的移动副、连接于所述第一输入件与第一连接件之间的第一转动副和连接于所述第一连接件与动平台之间的第二转动副；所述第二分支机构包括第二输入件、第二连接件及三个运动副，所述三个运动副分别是：连接于所述第二输入件与定平台之间的移动副、连接于所述第二输入件与第二连接件之间的第一转动副和连接于所述第二连接件与所述第一连接件之间的第二转动副；所述第三分支机构包括第三输入件、第三连接件和三个运动副，所述三个运动副分别是：连接于所述第三输入件和定平台之间的移动副、连接于所述第三输入件和第三连接件之间的球铰或虎克铰，以及连接于所述第三连接件和动平台之间的虎克铰或球铰；其中，所述三个分支机构中的移动副是驱动的。

2、  如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述第一分支机构中的第一转动副与第二转动副的轴线是垂直的，而且与第二分支机构中的两个转动副的轴线是平行的。

3、  如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述动平台为包括多个杆件组成的支架。

4、  一种无伴随运动的并联式三轴主轴头结构，该结构包括一个安装主轴的动平台、一个定平台，以及连接所述动平台与定平台之间的第一、第二和第三分支机构，其特征在于，所述第一分支机构包括第一输入件、第一连接件以及三个运动副，该三个运动副分别是：连接于所述第一输入件与定平台之间的移动副、连接于所述第一输入件与第一连接件之间的第一转动副和连接于所述第一连接件与动平台之间的第二转动副；所述第二分支机构包括第二连接件、第二输入件及三个运动副，所述三个运动副分别是：连接于所述第二连接件与定平台之间的第一转动副、连接于所述第二连接件与第二输入件之间的移动副和连接于所述第二输入件与所述第一连接件之间的第二转动副；所述第三分支机构包括第三连接件、第三输入件和三个运动副，所述三个运动副分别是：连接于所述第三连接件和定平台之间的球铰或虎克铰、连接于所述第三连接件和第三输入件之间的移动副，以及连接于所述第三输入件和动平台之间的虎克铰或球铰；其中，所述三个分支机构中的移动副是驱动的。

5、  如权利要求4所述的结构，其特征在于，所述第一分支机构中的第一转动副与第二转动副的轴线是垂直的，而且与第二分支机构中的两个转动副的轴线是平行的。

6、  如权利要求4所述的结构，其特征在于，所述动平台为包括多个杆件组成的支架。

一种无伴随运动的并联式三轴主轴头结构
技术领域
本发明属于数控机床制造领域，特别涉及一种既能独立使用又能配合其它装置进行复合加工的并联式三轴主轴头结构。
背景技术
在现代飞机设计中，广泛采用的是先进的整体结构设计，其优点是不仅缩短加工装配周期和物流链，同时也减轻了结构件的重量。由于航空整体结构件具有尺寸大、壁薄、易变形，切削加工难度很大、零件精度高等工艺特点，五轴联动加工是目前航空结构件加工的主要加工方式。五轴联动可以使刀具以最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高、表面粗糙度好而且效率也大幅度提高。近年来，由于传统的五坐标联动加工设备已经越来越不能满足现代航空结构件高速加工的需要，国内外机床厂家和航空制造商正致力于研制新型航空结构件高速加工设备，其中，五轴联动串并联(混联)高速加工设备是目前各国机床行业研究的一个新方向，此类加工设备的核心功能部件是能够实现一个移动和两个联动转动运动或者纯粹的两个联动转动运动的并联主轴头。实践证明，三自由度的并联主轴头可以克服传统主轴头的一些运动学缺陷，代表了主轴头的最高水平和发展趋势。目前，许多公司都在开发类似的基于三自由度并联主轴头的五轴联动加工设备。
德国DS-Techologie公司按照飞机结构件加工工艺的特点，独创性地推出了采用并联运动机构的Sprint Z3型主轴头。该公司在Sprint Z3主轴头的基础上，推出了加工飞机结构件的高性能数控加工中心Ecospeed。Ecospeed数控加工中心具有加工效率和加工精度高、表面质量好、加工后的飞机结构件无需手动打磨等一系列优点，在欧洲许多飞机制造厂获得了应用。为了适应这类机床的发展趋势和提高在行业内的竞争力，美国Cincinnati机床公司也从德国引进了Sprint Z3主轴头制造技术。
Sprint Z3主轴头采用3-PRS并联机构，三条支链对称分布，每条支链分别由移动副、转动副和球铰连接，具有支链结构相同，模块化程度高的优点，降低了设计、加工制造成本，在实际应用中获得了巨大的成功。尽管如此，Sprint Z3主轴头仍然存在一些缺陷，比如：它的三条支链结构相同，对称分布，导致机构运动上的强耦合性，增加了控制的难度。
在中国也有人提出了数种并联式三轴主轴头结构，典型的如专利CN200810104938、CN200810106395所示的结构。总的来看，这一类主轴头结构无一例外的在机构运动学特性、制造和应用上均具有一定的缺陷和不足，主要体现在：1、该类主轴头结构具有无法避免的伴随运动，即在实现两个转动运动的时候动平台中心的轨迹不是一条直线，导致运动学复杂，需要机床实时补偿其伴随运动；2、伴随运动大大地增加了标定的难度，而标定的困难又限制了机床精度水平的提高；3、工程应用中该类主轴头结构制造和装配工艺复杂，不符合中国目前的制造工艺水平现状，限制了该类主轴头的推广应用。因此，克服这些缺陷，开发出新型的三轴主轴头具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有并联式主轴头运动学上的缺陷，在并联机构构型上寻求突破，利用虚拟中心并联机构没有伴随运动的优点设计出一种无伴随运动的并联式三轴主轴头结构。这种主轴头能实现一个移动和二个转动自由度，而且二个转动自由度的转动中心无伴随运动，可直接测量并由此达到高精度的控制。该结构具有高刚度、低运动质量、高动态性能、构造简单、相同零件数量多、成本低、易制造、灵活度较高以及轨迹规划简单等特点，并能配合其它装置进行复合加工。
本发明提出的一种无伴随运动的并联式三轴主轴头结构，该结构包括一个安装主轴的动平台、一个定平台，以及连接所述动平台与定平台之间的第一、第二和第三分支机构，其特征在于，所述第一分支机构包括第一输入件、第一连接件以及三个运动副，该三个运动副分别是：连接于所述第一输入件与定平台之间的移动副、连接于所述第一输入件与第一连接件之间的第一转动副和连接于所述第一连接件与动平台之间的第二转动副；所述第二分支机构包括第二输入件、第二连接件及三个运动副，所述三个运动副分别是：连接于所述第二输入件与定平台之间的移动副、连接于所述第二输入件与第二连接件之间的第一转动副和连接于所述第二连接件与所述第一连接件之间的第二转动副；所述第三分支机构包括第三输入件、第三连接件和三个运动副，所述三个运动副分别是：连接于所述第三输入件和定平台之间的移动副、连接于所述第三输入件和第三连接件之间的球铰或虎克铰，以及连接于所述第三连接件和动平台之间的虎克铰或球铰；其中，所述三个分支机构中的移动副是驱动的。
所述第一分支机构中的第一转动副与第二转动副的轴线是垂直的，而且与第二分支机构中的两个转动副的轴线是平行的。
所述动平台可以为包括多个杆件组成的支架。
本发明提出的另一种无伴随运动的并联式三轴主轴头结构，该结构包括一个安装主轴的动平台、一个定平台，以及连接所述动平台与定平台之间的第一、第二和第三分支机构，其特征在于，所述第一分支机构包括第一输入件、第一连接件以及三个运动副，该三个运动副分别是：连接于所述第一输入件与定平台之间的移动副、连接于所述第一输入件与第一连接件之间的第一转动副和连接于所述第一连接件与动平台之间的第二转动副；所述第二分支机构包括第二连接件、第二输入件及三个运动副，所述三个运动副分别是：连接于所述第二连接件与定平台之间的第一转动副、连接于所述第二连接件与第二输入件之间的移动副和连接于所述第二输入件与所述第一连接件之间的第二转动副；所述第三分支机构包括第三连接件、第三输入件和三个运动副，所述三个运动副分别是：连接于所述第三连接件和定平台之间的球铰或虎克铰、连接于所述第三连接件和第三输入件之间的移动副，以及连接于所述第三输入件和动平台之间的虎克铰或球铰；其中，所述三个分支机构中的移动副是驱动的。
本发明的结构特点及效果
本发明使安装主轴的动平台具有一个移动自由度和两个独立的转动自由度，并且因其结构上的特殊性，即第一分支机构中的第一转动副与第二转动副的轴线垂直，而且与第二分支机构中的两个转动副的轴线平行，使得动平台的转动中心的轨迹是一个点，这样的机构在并联机构学研究中被称为“虚拟中心并联机构”，它使动平台转动时无伴随运动，利于精确测量从而达到高的精度。
该主轴头结构具有以下优点：(1)安装主轴的动平台的摆角大(可实现≥±40°)；(2)结构紧凑；(3)刚度高；(4)便于轨迹规划和控制；(5)响应速度快。这些优点使该结构在五轴联动机床的主轴头上有广泛的应用。
附图说明
图1是本发明的第一实施例的结构示意图
图2是本发明的第二实施例的结构示意图
具体实施方式
本发明提出的一种无伴随运动的并联式三轴主轴头结构结合附图及实施例详细说明如下。
本发明的第一实施例的结构，如图1所示，该结构包括一个安装主轴的动平台17、一个定平台，该定平台由固结成一体的平台底座13、立柱11、12、14组成；以及连接所述动平台17与定平台之间的第一、第二和第三个分支机构，所述第一分支机构包括第一输入件15、第一连接件16以及运动副，所述运动副有三个，一个是连接于所述第一输入件15与定平台立柱14之间的移动副，一个是连接于所述第一输入件15与第一连接件16之间的第一转动副，一个是连接于所述第一连接件16与动平台17之间的第二转动副；所述第二分支机构包括第二输入件111、第二连接件19及运动副，所述运动副有三个，一个是连接于所述第二输入件111与定平台立柱12之间的移动副，一个是连接于所述第二输入件111与第二连接件19之间的第一转动副，一个是连接所述第二连接件19与第一连接件16之间的第二转动副；所述第三分支机构包括第三输入件110、第三连接件18及运动副，所述运动副有三个，一个是连接于所述第三输入件110和定平台立柱11之间的移动副，一个是连接于所述第三输入件110和第三连接件18之间的球铰，一个是连接于所述第三连接件18与动平台17之间的虎克铰；其中，所述三个分支机构中的移动副是驱动的。
所述第一分支机构中的第一转动副与第二转动副的轴线是垂直的，而且与第二分支机构中的两个转动副的轴线是平行的。
本实施例实现安装主轴的动平台的一个移动自由度和两个转动自由度。
本发明的第二实施例的结构，如图2所示，该结构包括一个安装主轴的动平台29、一个定平台，以及连接所述动平台29与定平台之间的第一、第二和第三个分支机构，其中，本实施例结构的第二分支机构和第三分支机构中运动副的顺序与实施例一中不同，第一分支机构与实施例一中一样，此外，本实施例的定平台包括固结成一体的平台底座22、底座连接件21、23及立柱25组成。具体详细说明如下：该第一分支机构由第一输入件27、第一连接件28及运动副组成，所述运动副有三个，一个是连接所述第一输入件27与定平台立柱25之间的移动副，一个是连接所述第一输入件27与所述第一连接件28之间的转动副，一个是连接所述第一连接件28与动平台29之间的转动副；该第二分支机构由第二连接件24、第二输入件26和运动副组成，所述运动副有三个，一个是定平台底座连接件23与所述第二连接件24之间的转动副，一个是所述第二连接件24与所述第二输入件26之间的移动副，一个是所述第二输入件26与所述第一连接件28之间的转动副；该第三分支机构由第三连接件211、第三输入件210及运动副组成，所述运动副有三个，一个是所述第三连接件211与定平台底座连接件21之间的球铰，一个是所述第三连接件211与所述第三输入件210之间的移动副，一个是连接所述第三输入件210与动平台29之间的虎克铰。
本实施例实现安装主轴的动平台的一个移动自由度和两个转动自由度。