專利名稱：四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械制造領(lǐng)域，特別涉及一種四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床。
數(shù)控機(jī)床是機(jī)械制造的重要設(shè)備，其性能的好壞標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的水平。近十年來(lái)，國(guó)際上出現(xiàn)了一種新概念機(jī)床——虛擬軸機(jī)床(Virtual Axis Machine Tool)，也稱之為六條腳機(jī)床(6-Leg MachineTool)或并聯(lián)機(jī)床(Parallel Machine Tool)。虛擬軸機(jī)床是國(guó)際上數(shù)控研究領(lǐng)域非常關(guān)注的熱點(diǎn)課題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者作大量的研究工作。虛擬軸數(shù)控機(jī)床是知識(shí)密集、智力密集、技術(shù)密集的機(jī)電一體化高技術(shù)產(chǎn)品，是并聯(lián)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)械、計(jì)算機(jī)控制、精密測(cè)量、數(shù)控加工等多學(xué)科應(yīng)用技術(shù)的交叉。虛擬軸機(jī)床采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有模塊化程度高、運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量輕、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)機(jī)床相比，虛擬軸機(jī)床因采用了刀具運(yùn)動(dòng)的形式，從而改善了其速度、加速度、精度和剛度等性能。
在《機(jī)電信息》1998(1)23-24中報(bào)道，1994年，在芝加哥國(guó)際制造技術(shù)展覽會(huì)(IMTS’94)上，美國(guó)積仃斯與萊威斯(Giddings &Lewis)公司和因閣塞耳(Ingersoll)公司第一次在世界上展出了VARIAX和HOH600虛擬軸機(jī)床。在這之后國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和著名的機(jī)床制造廠都非常關(guān)注虛擬軸機(jī)床的設(shè)計(jì)理論研究和樣機(jī)的研制?！妒澜缰圃旒夹g(shù)與裝備市場(chǎng)》1998(1)17-21中報(bào)道，在97年的歐洲國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)(EMO’97)上，美國(guó)、日本、德國(guó)、瑞士、俄羅斯等大學(xué)和機(jī)床制造商展出了10余臺(tái)虛擬軸機(jī)床樣機(jī)。
《制造技術(shù)與機(jī)床》1998(2)42-43中報(bào)道，清華大學(xué)研制了VAMTIY型，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了六自由度虛擬軸機(jī)床樣機(jī)，天津大學(xué)研制了三自由度虛擬軸機(jī)床樣機(jī)。這些虛擬軸機(jī)床強(qiáng)烈地沖擊了近代機(jī)床200余年一直不變按笛卡兒坐標(biāo)體系設(shè)計(jì)機(jī)床的傳統(tǒng)，人們認(rèn)為虛擬軸機(jī)床將是21世紀(jì)新概念機(jī)床的形式。
盡管國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者、學(xué)校和機(jī)床制造商研制出了多種虛擬軸機(jī)床樣機(jī)，但是這些虛擬軸機(jī)床樣機(jī)都是采用六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)五軸運(yùn)動(dòng)，不僅浪費(fèi)了一個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)裝置，而且使機(jī)床造價(jià)相對(duì)提高，并增加了控制與制造難度。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處而提供一種四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床(FG4VPMT)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)包括固定臺(tái)、運(yùn)動(dòng)臺(tái)、連接固定臺(tái)與運(yùn)動(dòng)臺(tái)的四連桿。運(yùn)動(dòng)臺(tái)通過(guò)四支連桿與固定臺(tái)連接，四支連桿與運(yùn)動(dòng)臺(tái)的連接是分布在運(yùn)動(dòng)臺(tái)三個(gè)互相垂直平面上的鉸鏈，四支連桿與固定臺(tái)的連接是分布在固定臺(tái)三個(gè)互相垂直平面上的運(yùn)動(dòng)副，運(yùn)動(dòng)臺(tái)上裝著電主軸和刀具。
四支連桿分三組分別與運(yùn)動(dòng)臺(tái)和固定臺(tái)的三個(gè)互相垂直的平面連接，其中一組為雙支連桿，兩組為單支連桿。
固定臺(tái)平面上的運(yùn)動(dòng)副是鉸鏈或移動(dòng)副。
四支連桿中，每支連桿可以是伸縮連桿，也可以是定長(zhǎng)連桿，定長(zhǎng)連桿與固定臺(tái)的連接必須是移動(dòng)副。
移動(dòng)副由在固定臺(tái)平面上的滑道、滑塊組成，滑塊裝在滑道上，滑塊上裝著鉸鏈。
鉸鏈可以是球鉸，也可以是虎克鉸。
四支連桿中，三支共面的連桿中單支連桿兩端為虎克鉸，至少雙支連桿之一的兩端是虎克鉸，這三支共面連桿以外的單支連桿與運(yùn)動(dòng)臺(tái)和固定臺(tái)連接的兩端至少有一個(gè)是球鉸。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明并聯(lián)機(jī)床與傳統(tǒng)的串聯(lián)式多軸機(jī)床相比，具有高剛度，高精度，低運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，高動(dòng)態(tài)性能，構(gòu)造簡(jiǎn)單，相同零件數(shù)量多，成本低，易制造。
2、本發(fā)明并聯(lián)機(jī)床與現(xiàn)有的六自由度五軸并聯(lián)機(jī)床相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)非線性度和耦合度明顯降低，控制簡(jiǎn)單，造價(jià)低。
3、本發(fā)明四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床加工裝配工藝性好。
4、本發(fā)明四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床在空間曲面加工中有著廣泛的應(yīng)用前景。
附圖的圖面說(shuō)明如下

圖1是本發(fā)明FG4VPMT-1型四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明FG4VPMT-1型四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖3是本發(fā)明FG4VPMT-2型四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明FG4VPMT-2型四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖5是本發(fā)明FG4VPMT-3型四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明FG4VPMT-3型四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖7是本發(fā)明FG4VPMT-4型四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明FG4VPMT-4型四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖；下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步詳述實(shí)施例1FG4VPMT-1型四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床FG4VPMT-1型四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，運(yùn)動(dòng)臺(tái)(18)通過(guò)四支定長(zhǎng)連桿(3)、(9)、10)、(17)與由三個(gè)互相垂直的側(cè)面板(1)、頂面板(12)、背面板(14)組成的固定臺(tái)連接，其中連桿(3)、(9)、(10)連接運(yùn)動(dòng)臺(tái)(18)的運(yùn)動(dòng)副分別為虎克鉸(2)、(6)、(16)，連接固定臺(tái)上的滑塊(5)、(7)、(13)的運(yùn)動(dòng)副分別為虎克鉸(4)、(8)、(11)。連桿(17)連接運(yùn)動(dòng)臺(tái)(18)的運(yùn)動(dòng)副為三自由度球鉸(23)，連接固定臺(tái)上的滑塊(15)的運(yùn)動(dòng)副為虎克鉸(22)?；瑝K(5)、(7)、(15)分別裝在側(cè)面板(1)和背面板(14)的滑道上，滑塊(13)裝在頂面板(12)的滑道內(nèi)。運(yùn)動(dòng)臺(tái)(18)上安裝電主軸和切削刀具(19)，底座(21)上裝著加工工件(20)。
本發(fā)明機(jī)床為一體化結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)、固定臺(tái)三個(gè)互相垂直的平面、四支連桿及其虎克鉸、球鉸、移動(dòng)副均為一體。四個(gè)滑塊(5)、(7)、(13)、(15)連接著動(dòng)力源。運(yùn)動(dòng)臺(tái)(18)和刀具(19)通過(guò)四個(gè)滑塊(5)、(7)、(13)、(15)的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)沿XYZ軸的三維移動(dòng)和繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的四軸運(yùn)動(dòng)，從而完成對(duì)工件(20)的切削加工。
實(shí)施例2FG4VPMT-2型四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床FG4VPMT-2型四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示，運(yùn)動(dòng)臺(tái)(40)通過(guò)四支連桿(26)、(32)、(33)、(39)與由三個(gè)互相垂直的側(cè)面板(24)、頂面板(34)、背面板(36)組成的固定臺(tái)連接，其中連桿(26)、(32)、(39)為定長(zhǎng)連桿，連桿(33)為伸縮連桿。連桿(26)、(32)、(33)連接運(yùn)動(dòng)臺(tái)(40)的運(yùn)動(dòng)副分別為虎克鉸(25)、(29)、(38)，連接固定臺(tái)上的滑塊(28)、(30)和頂面板(34)的運(yùn)動(dòng)副分別為虎克鉸(27)、(31)、(35)。連桿(39)連接運(yùn)動(dòng)臺(tái)(40)的運(yùn)動(dòng)副為三自由度球鉸(45)，連接固定臺(tái)上的滑塊(37)的運(yùn)動(dòng)副為虎克鉸(44)?；瑝K(28)、(30)、(37)分別裝在側(cè)面板(24)和背面板(36)的滑道上。運(yùn)動(dòng)臺(tái)(40)上安裝電主軸和切削刀具(41)，底座(43)上裝著加工工件(42)。三個(gè)滑塊(28)、(30)、(37)連接著動(dòng)力源。運(yùn)動(dòng)臺(tái)(40)和刀具(41)通過(guò)三個(gè)滑塊(28)、(30)、(37)和縮連桿(33)的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)沿XYZ軸的三維移動(dòng)和繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的四軸運(yùn)動(dòng)，從而完成對(duì)工件(42)的切削加工。
實(shí)施例3FG4VPMT-3型四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床FG4VPMT-3型四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示，運(yùn)動(dòng)臺(tái)(61)通過(guò)四支連桿(48)、(52)、(53)、(60)與由三個(gè)互相垂直的側(cè)面板(46)、頂面板(55)、背面板(57)組成的固定臺(tái)連接，其中連桿(53)為定長(zhǎng)連桿，連桿(48)、(52)、(60)為伸縮連桿。連桿(48)、(52)、(53)連接運(yùn)動(dòng)臺(tái)(61)的運(yùn)動(dòng)副分別為虎克鉸(47)、(50)、(59)，連桿(60)連接運(yùn)動(dòng)臺(tái)(61)的運(yùn)動(dòng)副為三自由度球鉸(65)。連桿(48)、(52)、(60)連接固定臺(tái)側(cè)面板(46)、背面板(57)的運(yùn)動(dòng)副分別為虎克鉸(49)、(51)、(58)，連桿(53)連接固定臺(tái)上的滑塊(56)的運(yùn)動(dòng)副為虎克鉸(54)，滑塊(56)裝在頂面板(55)的滑道內(nèi)。運(yùn)動(dòng)臺(tái)(61)上安裝電主軸和切削刀具(62)，底座(64)上裝著加工工件(63)。
本發(fā)明微動(dòng)機(jī)器人為一體化結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)、固定臺(tái)三個(gè)互相垂直的平面、四支連桿及其虎克鉸、移動(dòng)副均為一體?；瑝K(55)連接著動(dòng)力源。運(yùn)動(dòng)臺(tái)(61)和刀具(62)通過(guò)滑塊(55)和伸縮連桿(48)、(52)、(60)的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)沿XYZ軸的三維移動(dòng)和繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的四軸運(yùn)動(dòng)，從而完成對(duì)工件(63)的切削加工。
實(shí)施例4FG4VPMT-4型四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床FG4VPMT-4型四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)如圖7、圖8所示，運(yùn)動(dòng)臺(tái)(80)通過(guò)四支連桿(68)、(72)、(73)、(79)與由三個(gè)互相垂直的側(cè)面板(66)、頂面板(74)、背面板(76)組成的固定臺(tái)連接。四支連桿(68)、(72)、(73)、(79)均為伸縮連桿。連桿(68)、(72)、(73)連接運(yùn)動(dòng)臺(tái)(80)的運(yùn)動(dòng)副分別為虎克鉸(67)、(70)、(78)，連桿(79)連接運(yùn)動(dòng)臺(tái)(80)的運(yùn)動(dòng)副為三自由度球鉸(81)。四支連桿連接固定臺(tái)側(cè)面板(66)、頂面板(74)、背面板(76)的運(yùn)動(dòng)副分別為虎克鉸(69)、(71)、(75)、(77)。運(yùn)動(dòng)臺(tái)(80)上安裝電主軸和切削刀具(81)，底座(83)上裝著加工工件(82)。運(yùn)動(dòng)臺(tái)(80)和刀具(81)通過(guò)四支伸縮連桿(68)、(72)、(73)、(79)的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)沿XYZ軸的三維移動(dòng)和繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的四軸運(yùn)動(dòng)，從而完成對(duì)工件(82)的切削加工。
權(quán)利要求
1.一種四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床，包括固定臺(tái)、運(yùn)動(dòng)臺(tái)、連接固定臺(tái)與運(yùn)動(dòng)臺(tái)的連桿，其特征在于運(yùn)動(dòng)臺(tái)通過(guò)四支連桿與固定臺(tái)連接，四支連桿與運(yùn)動(dòng)臺(tái)的連接是分布在運(yùn)動(dòng)臺(tái)三個(gè)互相垂直平面上的鉸鏈，四支連桿與固定臺(tái)的連接是分布在固定臺(tái)三個(gè)互相垂直平面上的運(yùn)動(dòng)副，運(yùn)動(dòng)臺(tái)上裝著電主軸和刀具。
2.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床的連桿，其特征在于四支連桿分三組分別與運(yùn)動(dòng)臺(tái)和固定臺(tái)的三個(gè)互相垂直的平面連接，其中一組為雙支連桿，兩組為單支連桿。
3.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)副，其特征在于固定臺(tái)平面上的運(yùn)動(dòng)副是鉸鏈或移動(dòng)副。
4.按照權(quán)利要求1或2所說(shuō)的四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床的連桿，其特征在于四支連桿中，每支連桿可以是伸縮連桿，也可以是定長(zhǎng)連桿，定長(zhǎng)連桿與固定臺(tái)的連接必須是移動(dòng)副。
5.按照權(quán)利要求3所說(shuō)的移動(dòng)副，其特征在于移動(dòng)副由在固定臺(tái)平面上的滑道、滑塊組成，滑塊裝在滑道上，滑塊上裝著鉸鏈。
6.按照權(quán)利要求4所說(shuō)的移動(dòng)副，其特征在于移動(dòng)副由在固定臺(tái)平面上的滑道、滑塊組成，滑塊裝在滑道上，滑塊上裝著鉸鏈。
7.按照權(quán)利要求1或3或5或6所說(shuō)的鉸鏈，其特征在于鉸鏈可以是球鉸，也可以是虎克鉸。
8.按照權(quán)利要求1至7所說(shuō)的四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床，其特征在于四支連桿中，三支共面的連桿中單支連桿兩端為虎克鉸，至少雙支連桿之一的兩端是虎克鉸，這三支共面連桿以外的單支連桿與運(yùn)動(dòng)臺(tái)和固定臺(tái)連接的兩端至少有一個(gè)是球鉸。
全文摘要
四自由度四軸并聯(lián)虛擬軸機(jī)床,其結(jié)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)臺(tái)通過(guò)四支連桿與固定臺(tái)連接,四支連桿與運(yùn)動(dòng)臺(tái)的連接是分布在運(yùn)動(dòng)臺(tái)三個(gè)互相垂直平面上的鉸鏈,四支連桿與固定臺(tái)的連接是分布在固定臺(tái)三個(gè)互相垂直平面上的運(yùn)動(dòng)副,運(yùn)動(dòng)臺(tái)上裝著電主軸和刀具。本發(fā)明機(jī)床具有高剛度、高精度、低運(yùn)動(dòng)質(zhì)量、高動(dòng)態(tài)性能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易制造的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明可廣泛用于對(duì)空間曲面(如模具、葉輪、螺旋齒輪等)的加工上。
文檔編號(hào)B23Q1/48GK1258584SQ0010019
公開(kāi)日2000年7月5日 申請(qǐng)日期2000年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月17日
發(fā)明者高峰, 劉辛軍 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)