[发明专利]一种平面两自由度冗余驱动并联机构及采用该机构的机床

说明书

技术领域

本发明涉及一种并联机构及采用该机构的机床，特别是关于一种平面两自由度冗余驱动并联机构及采用该机构的机床。

背景技术

并联机床作为近二十几年来出现的新型机床，是并联机器人技术和现代机床技术相结合的产物，其具有刚度高、动态性能好、模块化程度高、易于重构以及机械结构简单等特点，符合制造高速化、柔性化和集成化的发展趋势，引起了工业界的广泛关注。最早出现的Stewart平台是典型的6自由度并联机构，此类结构形式的并联机构曾被用于机床设计中，第一台基于Stewart平台设计制造的并联机床在1994年芝加哥国际制造技术展览会上亮相，并引起了巨大轰动，但6自由度并联机构存在工作相对有限，操作灵活度差，球铰制造困难等缺点，从而限制这类机床的发展。为了解决上述问题，出现了少自由度并联机构，其中以Delta、Tricept和Z3主轴头的应用最为成功。另外还出现了将串联机构和并联机构联合使用的混联机构，继承了串联机构和并联机构的优点，这类机构具有工作空间大，刚度高，同时可以实现高速、高加速运动，具有很好的应用前景。

将混联机构应用于机床设计中，出现了一类混联结构机床，目前应用最多的混联机床的并联部分一般采用平面两自由度平动并联机构，这类机构具有结构简单、工作空间大、操作性能良好、研发成本低廉等特点，在此基础上，加上可移动的工作平台，以及双摆头，就可以形成五轴混联机床，已经在实际中得到了推广应用。这种机床的并联部分依靠连杆支撑并驱动整个动平台实现给定的加工轨迹，由于双摆头的质量较大，且主轴在加工过程中受到较大切削力，连杆受力又容易变形，因此会导致动平台的振动，影响加工精度，尤其在高速、高加速过程中对机床的动态性能有着很大的影响，无法保证被加工件的质量。

针对上述问题，产生了过约束并联机构，在原有结构基础上，通过增加连杆，使机床的刚度和稳定性增加，在一定程度上能够减小连杆在运动过程中的变形和振动对动平台的影响。但这类结构对各连杆的制造和安装精度提出了很高的要求，因为制造和安装误差会导致构件及运动副在运动过程中强制变形，使得驱动力显著增加，同时运动副的约束反力急剧增大，从而导致磨损加快，机械效率降低，引起系统较大的振动、冲击和噪声，降低机构的可靠性、精度和寿命。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够改善结构的力传递性能和动态特性，提高机床的加工精度、寿命和可靠性，用于开发高速重载混联机床的平面两自由度冗余驱动并联机构及采用该机构的机床。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种平面两自由度冗余驱动并联机构，其特征在于：它包括一底座，所述底座上垂直间隔设置有第一立柱和第二立柱，所述第一立柱和第二立柱的顶端连接同一横梁；所述第一立柱和第二立柱相对的两侧面上均设置有导轨；所述第一立柱的上部设置有第一伺服电机，所述第一伺服电机的输出端连接第一滚珠丝杠，所述第一滚珠丝杠的下端垂直支撑在第一丝杠支撑座上，所述第一丝杠支撑座设置在第一立柱上，所述第一滚珠丝杠上设置有沿着所述第一立柱上的导轨上下垂直移动的第一滑块；所述第二立柱的上部设置有第二伺服电机，所述第二立柱靠近中部的位置设置有第三伺服电机，所述第二伺服电机的输出端连接第二滚珠丝杠，所述第二滚珠丝杠的下端垂直支撑在第二丝杠支撑座上，所述第二丝杠支撑座设置在所述第二立柱上、第三伺服电机的上方；所述第二滚珠丝杠上设置有沿着所述第二立柱上的导轨上下垂直移动的第二滑块；所述第三伺服电机的输出端连接第三滚珠丝杠，所述第三滚珠丝杠的下端垂直支撑在第三丝杠支撑座上，所述第三丝杠支撑座设置在所述第二立柱上，所述第三滚珠丝杠上设置有沿着所述第二立柱上的导轨上下垂直移动的第三滑块；它还包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和动平台；所述第一连杆和第四连杆位于所述动平台的同一侧，所述第一连杆和第四连杆的其中一端均与所述第一滑块铰接，另一端均与所述动平台铰接，所述第一连杆和第四连杆等长，且所述第四连杆位于所述第一连杆的上方，形成了一平行四边形机构；所述第二连杆和第三连杆位于所述动平台的另一侧；所述第二连杆的一端与所述第二滑块铰接，另一端与所述动平台铰接，该铰接点与所述第四连杆和所述动平台的铰接端等高；所述第三连杆的一端与所述第三滑块铰接，另一端与所述动平台铰接，所述第三连杆和第一连杆与所述动平台铰接的一端铰接在同一位置。

所述第一立柱、第二立柱、第一滑块、第三滑块，第一连杆、第四连杆、第三连杆和动平台构成非冗余平面并联闭链结构；通过第二连杆与动平台铰接，第二连杆通过第二滑块带动，构成平面两自由度冗余驱动并联机构。