一种具有规避奇异特性的冗余驱动并联机床执行机构

摘要

本发明涉及一种并联机构，具体涉及一种具有可以规避奇异的冗余驱动并联机床执行机构。包括固定平台、第一驱动支链、第二驱动支链、冗余驱动支链、运动平台以及主轴刀头组件。该机构具有Z向的移动行程，X、Y向的转动运动，其中，连接输出杆的两个驱动支链为冗余驱动输入，由冗余驱动支链调节刀头部分转动姿态来规避奇异位置，从而使得刀头部分转动具有较大的加工范围。第一驱动支链和第二驱动支链的结构相同，且第一驱动支链、第二驱动支链和冗余驱动支链成圆周性120度对称布置。本发明提出的具有规避奇异特性的冗余驱动并联机床的执行机构具有灵活性高、加工范围大、刚度高、能够适用于机床复杂空间曲面的高精度加工领域。

权利要求

1.一种具有规避奇异特性的冗余驱动并联机床执行机构，其包括固定平台、第一驱动支链、第二驱动支链、冗余驱动支链、运动平台以及主轴刀头组件，其特征在于：所述固定平台包含一个固定支架、四个相同的驱动支链支撑板以及两个相同的冗余驱动支链支撑板；

其中第一驱动支链支撑板和第二驱动支链支撑板的一端分别与第一驱动支链上的电机外壳进行连接；第一驱动支链支撑板和第二驱动支链支撑板的另一端与固定支架连接；第三驱动支链支撑板和第四驱动支链支撑板的一端分别与第二驱动支链上的电机外壳进行连接；第三驱动支链支撑板和第四驱动支链支撑板的另一端与固定支架连接；第一冗余驱动支链支撑板和第二冗余驱动支链支撑板的一端分别与冗余驱动支链上的第一电机外壳和第二电机外壳进行连接；第一冗余驱动支链支撑板和第二冗余驱动支链支撑板的另一端与固定支架连接；

所述第一驱动支链包括第一伺服电机、第一电机支座组件、第一联轴器、第一联轴器外壳、第一套筒、第一丝杠、第一驱动连接件、第一推杆、第一U型连接件以及第一十字节；其中，第一驱动支链通过其上的第一电机支座组件与第一驱动支链支撑板和第二驱动支链支撑板同轴配合进行连接；同时，第一驱动支链通过第一十字节与动平台连接；所述第二驱动支链与第一驱动支链相同，第二驱动支链通过其上的第二电机支座组件与第三驱动支链支撑板和第四驱动支链支撑板同轴配合进行连接；同时，第二驱动支链通过第二十字节与动平台连接；

所述冗余驱动支链包括第三驱动支链、第四驱动支链、输出杆、第三U型连接件和第三十字节；所述第三驱动支链包括第三伺服电机、第三电机支座组件、第三联轴器、第三联轴器外壳、第三套筒、第三丝杠、第三驱动连接件、第三推杆；其中，第三驱动支链通过其上的第三电机支座组件与两个冗余驱动支链支撑板连接；同时，第三驱动支链通过其上的第三推杆与输出杆同轴配合进行连接；所述第四驱动支链包括第四伺服电机、第四电机支座组件、第四联轴器、第四联轴器外壳、第四套筒、第四丝杠、第四驱动连接件、第四推杆；其中，第四驱动支链通过其上的第四电机支座组件与两个冗余驱动支链支撑板连接，同时，第四驱动支链通过其上的第四推杆与输出杆同轴配合进行连接；冗余驱动支链通过第三十字节与动平台连接；

所述运动平台包括圆盘、第四U型连接件、第五U型连接件、第六U型连接件，其中，第四U型连接件、第五U型连接件、第六U型连接件分别与圆盘连接；所述主轴刀头组件包括主轴刀头单元和第五伺服电机，其中，第五伺服电机与圆盘紧固连接，主轴刀头单元与第五伺服电机连接。

2.根据权利要求1所述的具有规避奇异特性的冗余驱动并联机床执行机构，其特征在于：连接输出杆的两个驱动支链为冗余驱动输入，通过冗余驱动的输入调节输出杆的位姿，进而实现主轴刀头组件加工角度的改变，第一驱动支链和第二驱动支链的结构相同，且第一驱动支链、第二驱动支链和冗余驱动支链成圆周性120度对称布置。

说明书

一种具有规避奇异特性的冗余驱动并联机床执行机构

技术领域

[0001] 本发明涉及一种并联机床机构，具体涉及一种具有可以规避奇异的冗余驱动并联机床执行机构。该机构可用于高精度机床加工，异型结构复杂曲面自由加工等。

背景技术

[0002] 针对机床加工领域复杂空间曲面的高精度加工问题，目前部分还采用手工后处理的方式，这样会带来加工成本高，生产周期长的问题，且加工质量受限于工人技术的熟练程度，高精度的加工难以得到保证；传统的串联式机床虽具有工作空间大的优点，而在工业中得到应用，但由于其结构为串联式相连接，作为机床输出端的刀具加工部分受到误差累积的影响而精度下降，整体刚度较低。另外，各级电机进行串联式连接，使得刀具加工部分的动态响应速度变低，难以满足制造装备领域的需求；在此背景下，以并联机构作为本体机构的并联机床开始应用于加床加工中，其具有精度高，刚度大，累计误差小，动态响应快等优点，使其易于实现高速和高精密加工，弥补了传统机床的不足。在现代工业机床应用中，要求机床机构具有更高的性能，即高速、高负载、高精度以及高安全性的要求，而满足高性能要求的实现是并联机构构型设计和制造的难题。传统的并联机床机构，在输出端的刀具加工部分会受到并联机构自身结构限制，使其转角范围较小，加工的零件尺寸范围小，使得加工效率很低。同时，由于存在奇异位型，使得机构安全性能存在隐患，无法满足高安全性的要求。

[0003] 鉴于机床加工领域高速、高负载、高精度以及高安全性的需求，选择刚度高、姿态能力强的并联机构作为机床加工中的执行机构，为提高效率和精度而完成复杂曲面的加工，获得刚度高、工作空间大、灵活性能好的新型并联机构具有非常重要的意义。而冗余驱动的添加，能够提高并联机床机构的运动和动力学的性能，其中刚度性能和规避奇异后的灵巧性能的提高尤为明显。因此，发明一种具有规避奇异特性的冗余驱动并联机床为机床加工领域复杂空间曲面的高精度加工问题提供良好的解决方案。

发明内容

[0004] 针对机床加工领域高效率和高精度的任务需求，本发明提出了一种具有规避奇异特性的冗余驱动并联机床执行机构，该机构具有Z向的移动行程，X、Y向的转动运动，由冗余驱动支链调节刀头部分转动姿态来规避奇异位置，从而使得刀头部分转动具有较大的加工范围，且该并联机构由于冗余驱动特性的引入，使该机构具有了良好的运动和动力学性能，能够满足机床加工领域复杂空间曲面的高精度加工的需求。

[0005] 本发明提出的一种具有规避奇异特性的冗余驱动并联机床执行机构，其包括固定平台、第一驱动支链、第二驱动支链、冗余驱动支链、运动平台以及主轴刀头组件，其特征在于：所述固定平台包含一个固定支架、四个相同的驱动支链支撑板以及两个相同的冗余驱动支链支撑板。其中第一驱动支链支撑板和第二驱动支链支撑板的一端分别与第一驱动支链上的电机外壳进行连接。第一驱动支链支撑板和第二驱动支链支撑板的另一端与固定支架连接。第三驱动支链支撑板和第四驱动支链支撑板的一端分别与第二驱动支链上的电机外壳进行连接。第三驱动支链支撑板和第四驱动支链支撑板的另一端与固定支架连接。第一冗余驱动支链支撑板和第二冗余驱动支链支撑板的一端分别与冗余驱动支链上的第一电机外壳和第二电机外壳进行连接。第一冗余驱动支链支撑板和第二冗余驱动支链支撑板的另一端与固定支架连接。

[0006] 所述第一驱动支链包括第一伺服电机、第一电机支座组件、第一联轴器、第一联轴器外壳、第一套筒、第一丝杠、第一驱动连接件、第一推杆、第一U型连接件以及第一十字节。其中，第一驱动支链通过其上的第一电机支座组件与第一驱动支链支撑板和第二驱动支链支撑板同轴配合进行连接。同时，第一驱动支链通过第一十字节与动平台连接。所述第二驱动支链与第一驱动支链相同，第二驱动支链通过其上的第二电机支座组件与第三驱动支链支撑板和第四驱动支链支撑板同轴配合进行连接。同时，第二驱动支链通过第二十字节与动平台连接。

[0007] 所述冗余驱动支链包括第三驱动支链、第四驱动支链、输出杆、第三U型连接件和第三十字节。所述第三驱动支链包括第三伺服电机、第三电机支座组件、第三联轴器、第三联轴器外壳、第三套筒、第三丝杠、第三驱动连接件、第三推杆。其中，第三驱动支链通过其上的第三电机支座组件与两个冗余驱动支链支撑板连接。同时，第三驱动支链通过其上的第三推杆与输出杆同轴配合进行连接。所述第四驱动支链包括第四伺服电机、第四电机支座组件、第四联轴器、第四联轴器外壳、第四套筒、第四丝杠、第四驱动连接件、第四推杆。其中，第四驱动支链通过其上的第四电机支座组件与两个冗余驱动支链支撑板连接，同时，第四驱动支链通过其上的第四推杆与输出杆同轴配合进行连接。冗余驱动支链通过第三十字节与动平台连接。

[0008] 所述运动平台包括圆盘、第四U型连接件、第五U型连接件、第六U型连接件，其中，第四U型连接件、第五U型连接件、第六U型连接件分别与圆盘连接。所述主轴刀头组件包括主轴刀头单元和第五伺服电机，其中，第五伺服电机与圆盘紧固连接，主轴刀头单元与第五伺服电机连接。

[0009] 本发明提出的具有规避奇异特性的冗余驱动并联机床执行机构，其特征在于：连接输出杆的两个驱动支链为冗余驱动输入，通过冗余驱动的输入可以调节输出杆的位姿，提高动平台的转动范围和刀头的加工范围，从而提高机构整体的灵活性能。第一驱动支链和第二驱动支链的结构相同，且第一驱动支链、第二驱动支链和冗余驱动支链成圆周性120度对称布置。

[0010] 本发明提出的具有规避奇异特性的冗余驱动并联机床执行机构有如下优点：(1)结构对称、简单，易于装配，加工成本较低，易于实现模块化的生产；(2)具有冗余驱动特性，通过冗余驱动的输入可以调节输出杆的位姿，使得并联机构具有高灵活特性；(3)工作空间大，姿态能力强，通过冗余驱动支链的调节，使得机构可以规避运动平台的奇异位置，能够实现较大的转向行程；(4)刚度高，冗余驱动的引入，使该机床具有了良好的运动和动力学性能，尤其是提高刚度特性和提高精度特性；(5)动态响应速度快，能够实现高速加工。上述优点使该机床控制容易，加工精度较高，能够机床加工领域高速、高负载、高精度以及高安全性的需求。

附图说明

[0011] 图1是本发明的并联机床执行机构的整体结构示意图

[0012] 图2是本发明的固定平台的结构示意图

[0013] 图3是本发明的并联机床执行机构的第一驱动支链的爆炸示意图

[0014] 图4是本发明的并联机床执行机构的第二驱动支链的爆炸示意图

[0015] 图5是本发明的并联机床执行机构的冗余驱动支链的爆炸示意图

[0016] 图6是本发明的并联机床执行机构的运动平台以及主轴刀头组件的爆炸示意图[0017] 图7是第一驱动支链支撑板的结构示意图

[0018] 图8是第一冗余驱动支链支撑板的结构示意图

[0019] 图9是第一U型连接件的爆炸示意图

[0020] 图10是第三电机支座组件的爆炸示意图

[0021] 图11是主轴刀头组件的爆炸示意图

[0022] 图1中：固定平台1，第一驱动支链2，第二驱动支链3，冗余驱动支链4，运动平台以及主轴刀头组件5。

[0023] 图2中：固定支架1-1，第一驱动支链支撑板1-2-1，第二驱动支链支撑板1-2-2，第三驱动支链支撑板1-2-3，第四驱动支链支撑板1-2-4，第一冗余驱动支链支撑板1-2-5，第二冗余驱动支链支撑板1-2-6。

[0024] 图3中：第一伺服电机2-1，第一电机支座组件2-2，第一联轴器2-3，第一联轴器外壳2-4，第一套筒 2-5，第一丝杠2-6，第一驱动连接件2-7，第一推杆2-8，第一U型连接件2-9，第一十字节2-10。

[0025] 图4中：第二伺服电机3-1，第二电机支座组件3-2，第二联轴器3-3，第二联轴器外壳3-4，第二套筒 3-5，第二丝杠3-6，第二驱动连接件3-7，第二推杆3-8，第二U型连接件3-9，第二十字节3-10。

[0026] 图5中：第三伺服电机4-1，第四伺服电机4-2，第三电机支座组件4-3，第四电机支座组件4-4，第三联轴器4-5，第四联轴器4-6，第三联轴器外壳4-7，第四联轴器外壳4-8，第三套筒4-9，第四套筒4-10,第三丝杠4-11,第四丝杠4-12,第三驱动连接件4-13,第四驱动连接件4-14,第三推杆4-15,第四推杆4-16, 输出杆4-17,第三U型连接件4-18，第三十字节4-19。

[0027] 图6中：第五伺服电机5-1，第四U型连接件5-2，第五U型连接件5-3，第六U型连接件5-4，圆盘 5-5，主轴刀头单元5-6。

具体实施方式

[0028] 本发明的一种具有规避奇异特性的冗余驱动并联机床执行机构结合附图及实施例进一步详细说明。

[0029] 如图1所示的一种具有规避奇异特性的冗余驱动并联机床执行机构整体结构示意图，其包括固定平台 1、第一驱动支链2、第二驱动支链3、冗余驱动支链4、运动平台以及主轴刀头组件5。

[0030] 如图2所示，所述固定平台1上装有固定支架1-1，第一驱动支链支撑板1-2-1、第二驱动支链支撑板 1-2-2、第三驱动支链支撑板1-2-3以及第四驱动支链支撑板1-2-4分别通过螺栓与固定支架1-1紧固连接，第一冗余驱动支链支撑板1-2-5和第二冗余驱动支链支撑板1-2-6分别通过螺栓与固定支架1-1紧固连接。

[0031] 如图3所示的第一驱动支链2，第一伺服电机2-1与第一电机支座组件2-2连接且安装在第一电机支座组件2-2的内部，第一联轴器2-3与第一伺服电机2-1的输出端连接，第一伺服电机2-1带动第一联轴器 2-3转动，第一联轴器外壳2-4的一端与第一电机支座组件2-2连接，第一联轴器外壳2-4的另一端与第一套筒2-5连接，第一丝杠2-6与第一联轴器2-3连接且通过第一联轴器2-3由第一伺服电机2-1带动进行转动，第一驱动连接件2-7与第一推杆2-8连接，第一驱动连接件2-7通过螺纹配合与第一丝杠2-6连接，第一丝杠2-6旋转使第一推杆2-8进行运动，第一U型连接件2-9的一端通过螺栓与第一推杆2-8紧固连接，第一十字节2-10与第一U型连接件2-9上的孔通过同轴配合连接。

[0032] 如图4所示的第二驱动支链3与第一驱动支链2的组件结构和连接方式相同，第二伺服电机3-1与第二电机支座组件3-2连接且安装在第二电机支座组件3-2的内部，第二联轴器3-3与第二伺服电机3-1的输出端连接，第二伺服电机3-1带动第二联轴器3-3转动，第二联轴器外壳3-4的一端与第二电机支座组件 3-2连接，第二联轴器外壳3-4的另一端与第二套筒3-5连接，第二丝杠3-6与第二联轴器3-3连接且通过第二联轴器3-3由第二伺服电机3-1带动进行转动，第二驱动连接件3-7与第二推杆3-8连接，第二驱动连接件3-7通过螺纹配合与第二丝杠3-6连接，第二丝杠3-6旋转使第二推杆3-8进行运动，第二U型连接件3-9的一端通过螺栓与第二推杆3-8紧固连接，第二十字节3-10与第二U型连接件3-9上的孔通过同轴配合连接。

[0033] 如图1和图5所示，所述的第三驱动支链4-a和第四驱动支链4-b分别通过第三推杆4-15和第四推杆 4-16与输出杆4-17上的通孔同轴配合连接，输出杆4-17与第三U型连接件
4-18通过螺栓连接，第三十字节4-19与第三U型连接件4-18上的孔通过同轴配合连接。其中，在第三驱动支链4-a中，第三伺服电机 4-1与第三电机支座组件4-3连接且安装在第三电机支座组件4-3的内部，第三联轴器4-5与第三伺服电机 4-1的输出端连接，第三伺服电机4-1带动第三联轴器4-5转动，第三联轴器外壳4-7的一端与第三电机支座组件4-3连接，第三联轴器外壳4-7的另一端与第三套筒4-9连接，第三丝杠4-11与第三联轴器4-5连接且通过第三联轴器4-5由第三伺服电机4-1带动进行转动，第三驱动连接件4-13与第三推杆4-
15连接，第三驱动连接件4-13通过螺纹配合与第三丝杠4-11连接，第三丝杠4-11旋转使第三推杆4-15进行运动。在第四驱动支链4-b中，第四伺服电机4-2与第四电机支座组件4-4连接且安装在第四电机支座组件4-4 的内部，第四联轴器4-6与第四伺服电机4-2的输出端连接，第四伺服电机4-2带动第四联轴器4-6转动，第四联轴器外壳4-8的一端与第四电机支座组件4-4连接，第四联轴器外壳4-8的另一端与第四套筒4-10 连接，第四丝杠4-12与第四联轴器4-6连接且通过第四联轴器4-6由第四伺服电机4-2带动进行转动，第四驱动连接件4-
14与第四推杆4-16连接，第四驱动连接件4-14通过螺纹配合与第四丝杠4-12连接，第四丝杠4-12旋转使第四推杆4-16进行运动。

[0034] 如图6所示，第五伺服电机5-1与圆盘5-5通过螺栓紧固连接，第四U型连接件5-2与圆盘5-5通过螺栓紧固连接，第五U型连接件5-3与圆盘5-5通过螺栓紧固连接，第六U型连接件5-4与圆盘5-5通过螺栓紧固连接，主轴刀头单元5-6与第五伺服电机连接，由第五伺服电机带动进行转动。

[0035] 本发明的具有规避奇异特性的冗余驱动并联机床执行机构在使用时，将其安装在机床的固定支架上，主轴刀头单元安装在动平台末端，可以完成高速和高精度的加工作业的任务。