一種大擺角龍門式五軸聯動混聯機床的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于機械制造技術領域，具體涉及一種大擺角龍門式五軸聯動混聯機床， 是一種能夠應用于數控加工領域的可實現細長整體結構件大擺角精密加工的多軸聯動裝 置。
【背景技術】
[0002] 并聯機構是由多個支鏈構成的閉環機構，相對于傳統的串聯機構具有以下優點： 并聯機床作為一種以并聯機構為機械本體的制造裝備，出現于上世紀90年代末。隨著并聯 機構理論研究的不斷深入及數控技術、自動化技術和計算機技術的不斷發展，并聯機床逐 漸成為一種重要的新型制造裝備而應用于現代制造業中。并聯機床與傳統串聯機床相比， 具有更高的剛度重量比、更快的響應速度、更高的加工精度。從而更適用于高速、精密、重載 情況下的加工。并且其模塊化程度高、易重構、柔性好，從而更易于降低加工成本。但是并聯 機床存在著相對工作空間小、加工范圍有限等這樣的缺點，從而限制了其應用領域。鑒于并 聯機構與串聯機構在構型上面的對偶關系，人們想到了將并聯機構和串聯機構進行組合， 從而提出了混聯機構的構型，并將混聯機構作為數控機床的機械本體生產新型混聯機床。 混聯機床集并、串聯機床的優勢于一身，同時又避免了并、串聯構型各自的缺點，在現代制 造業中更具實用性。正因如此，這類基于并聯機構或含有并聯模塊的五軸聯動混聯加工中 心得到了廣泛關注和研究，并逐步成為高速、高精度、高靈活度數控機床的發展趨勢。
[0003] 近年來，應用于航空航天、鐵路運輸、國防軍工等領域的細長類整體結構件例如： 飛機的機身、機翼、肋條、火車車廂等的整體設計原則越來越受到了重視。整體設計的基本 概念是，從一塊整體毛坯上將金屬切除，從而獲得性能優越的整體結構件。它的優點不僅是 縮短了加工裝配的周期和物流鏈，同時也減輕了結構件的重量。這種細長類整體結構件大 都零件去除率高，且形狀復雜、多孔、壁厚薄。為了完成這種復雜加工必須使用五軸聯動的 數控機床，且對機床性能要求較高。由于傳統數控機床在復雜細長整體結構件加工方面存 在弊端，尋找新型高效的加工機床成為一個迫切的任務。鑒于混聯機床存在著適用于高速、 尚精、重載加工的優勢，發展新型混聯機床將成為一種有效的解決措施。
[0004] 在2009年初開始實施的"高檔數控機床與基礎制造裝備"科技重大專項中，將并 聯機構功能附件以及裝備有此類功能部件的五軸聯動加工中心作為其中的課題之一。可 見，并聯模塊是此類裝備研發的關鍵。從加工靈活度和加工效率的角度講，并聯模塊應具備 很高的轉動靈活度，以動平臺轉動能力達到90°為最佳（以期實現立臥轉換、五面加工），而 這恰恰是傳統并聯機構的局限性所在，最具影響力的Sprint Z3并聯主軸頭的轉動能力也 僅為40° (不能實現嚴格意義上的五面加工）。可見，在保證高剛度的前提下突破傳統并聯機 構擺角受限是在此類裝備的研發過程中亟待突破的瓶頸性問題。
[0005] 本發明針對傳統數控機床及現有并/混聯機床在加工細長類整體結構件方面存在 的弊端，提出一種以模塊化四自由度并聯機構為主體輔以長直導軌實現五軸聯動加工的混 聯構型機床。此機床應用于細長類整體結構件加工具有結構簡單、工作空間大、動平臺靈活 性好、剛度精度高、Y軸方向驅動負載變化小、動態性能好、可重構性強和模塊化程度高等優 點。能夠實現對復雜細長整體結構件的五軸聯動加工。
【發明內容】
[0006] 本發明屬于機械制造技術領域，具體涉及一種大擺角龍門式五軸聯動混聯機床， 解決了傳統數控機床及現有并/混聯機床刀具擺角受限、在加工細長類整體結構件方面存 在的靈活性差、剛度及精度低等弊端。
[0007] 本發明采用如下的技術方案實現： 一種大擺角龍門式五軸聯動混聯機床，包括:沿Y軸方向設置的長直導軌、并聯加工模 塊、夾具及工作臺；所述的并聯加工模塊包括基礎平臺、動平臺、刀具及連接基礎平臺和動 平臺之間的第一支鏈、第二支鏈，各部分形成一個空間并聯閉環機構;所述的并聯加工模塊 通過四個輸入驅動實現動平臺在XZ平面內的兩維移動和動平臺轉軸在其上平面內的兩維 轉動，并聯加工模塊安裝在沿Y軸方向設置的長直導軌上，并在Y軸方向添加有一個使并聯 加工模塊沿Y軸方向滑動的輸入驅動，使并聯加工模塊的動平臺實現五軸聯動運動。
[0008] 所述的并聯加工模塊的第一支鏈為（3-RPR)-R型混聯運動支鏈，P代表移動副，R 代表轉動副，第一支鏈包括平面并聯閉環機構3-RPR，平面并聯閉環機構3-RPR包括:基礎 平臺、上連桿I、下連桿I、上連桿II、下連桿II、上連桿III、下連桿III、連接平臺及各運動 副，所述的運動副包括:連接基礎平臺與上連桿I之間的轉動副R、連接上連桿I與下連桿I之 間的移動副P、連接下連桿I與連接平臺之間的轉動副R，連接基礎平臺與上連桿Π 之間的轉 動副R、連接上連桿Π 與下連桿II之間的移動副P、連接下連桿II與連接平臺之間的轉動副 R，連接基礎平臺與上連桿III之間的轉動副R、連接上連桿III與下連桿III之間的移動副P、 連接下連桿III與連接平臺之間的轉動副R;第一支鏈還包括連接平臺與動平臺之間的轉動 副R;平面并聯閉環機構所有轉動副R的軸線相互平行且與連接平臺與動平臺之間的轉動副 R的軸線相互垂直;其中連接上連桿I與下連桿I之間的移動副P、連接上連桿II與下連桿II 之間的移動副P、連接上連桿III與下連桿III之間的移動副P是輸入驅動運動副，平面并聯 閉環機構實現連接平臺在XZ平面的兩維移動和連接平臺軸線沿Y軸方向的一維轉動。
[0009] 所述的并聯加工模塊的第二支鏈為RRPS型運動支鏈，S代表球鉸，第二支鏈包括： 上連桿IV、連接架、下連桿IV及各運動副，所述的運動副包括:連接基礎平臺與連接架之間 的轉動副R、連接連接架與上連桿IV之間的轉動副R、連接上連桿IV與下連桿IV之間的移動 副P以及連接下連桿IV與動平臺之間的球鉸副S;連接上連桿IV與下連桿IV之間的移動副P 是輸入驅動運動副，連接基礎平臺與連接架之間的轉動副R和連接連接架與上連桿IV之間 的轉動副R軸線相互垂直，兩個轉動副R可以用虎克鉸U替換。
[0010] 所述的第二支鏈中連接基礎平臺與連接架之間的轉動副R的軸線與第一支鏈中連 接基礎平臺與上連桿Π 之間的轉動副R的軸線同軸。
[0011] 所述的通過基礎平臺與長直導軌間的移動副P將并聯加工模塊連接于長直導軌 上，該移動副P是輸入驅動運動副，實現了并聯加工模塊的Y軸移動。
[0012] 所述的并聯加工模塊第一支鏈中，基礎平臺與上連桿I之間的轉動副R中心到基礎 平臺與上連桿II之間的轉動副R中心的距離與基礎平臺與上連桿III之間的轉動副R中心到 基礎平臺與上連桿II之間的轉動副R中心的距離不相等。
[0013] 通過機構學約束與運動的關系推知:并聯加工模塊中動平臺相對于基礎平臺存在 著沿Y軸方向移動的結構約束故不能實現動平臺相對于基礎平臺沿Y軸的移動，動平臺存在 沿平行于刀具軸線方向的約束力偶，故不能實現沿平行于刀具軸線方向的轉動。動平臺沿 第一支鏈與動平臺鉸接轉軸的轉動能力可達115° (-25°~90°)、沿平行于Y軸方向的轉動能 力可達100° (-50°~50° )，解決了并聯機構擺角受限的問題，將并聯加工模塊安裝在沿Y軸 方向的長直導軌上，并在Y軸方向添加一個使并聯加工模塊沿Y軸方向滑動輸入驅動，可以 實現并聯加工模塊Y軸方向的大范圍移動，解決傳統并聯機構工作空間小的問題，從而實現 并聯加工模塊的動平臺大擺角大范圍五軸聯動運動。
[0014] 本發明綜合了傳統串聯機床和并聯機床的優點，具有結構簡單、工作空間大、動平 臺靈活性好、剛度精度高、Y軸方向驅動負載變化小、動態性能好、可重構性強和模塊化程度 高等優點。能夠實現對復雜細長整體結構件的五軸聯動加工。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發明的總體結構示意圖。
[0016] 圖2為圖1所示的機床結構中的并聯加工模塊的結構示意圖。
[0017] 圖3為圖2所示的并聯加工模塊中第一支鏈的結構示意圖。
[0018] 圖4為圖2所示的并聯加工模塊中第二支鏈的結構示意圖。
[0019] 圖中：1、長直導軌，2、并聯加工模塊，21、基礎平臺，22、動平臺，23、刀具，24、第一 支鏈，241、上連桿?，242、下連桿I，243、上連桿Il，244、下連桿II，245、上連桿m，246、下連 桿塑I，247、連接平臺，25、第二支鏈，251、上連桿IY，2