[发明专利]具有五自由度的并联机构及其拓展多轴联动装置

说明书

本发明公开了一种具有五自由度的并联机构，包括：机架；动平台；第一支链，第一支链通过至少两个彼此轴线垂直相交的转动副与机架相连，第一支链通过至少两个彼此轴线垂直相交的转动副与动平台相连；第二支链，第二支链与第一支链结构相同；第三支链，第三支链包括主子支链和两个副子支链；第一支链、第二支链和第三支链分别连接于机架和动平台之间，并与机架和动平台共同构成使动平台实现三个转动自由度和两个移动自由度的空间并联机构。根据本发明实施例的具有五自由度的并联机构可拓展成混联的多轴联动装置，可实现对复杂零部件和大型结构件加工以及大型设备异地维修等多轴联动数控加工。

技术领域

本发明涉及机械设计与机械制造技术领域，具体地，本发明涉及一种具有五自由度的并联机构和包含该并联机构的多轴联动装置。

背景技术

相关技术中，在机械设计与制造领域，随着工业水平的发展，机械零部件的服役要求和设计水平不断提高，其加工制造工艺也变得更加严苛和复杂，对现代加工装备提出新的挑战。为了提高加工的转动灵活性、柔顺性、效率和精度，加工装备应具备至少五轴联动的加工能力以及良好的静、动态特性，同时在工况苛刻的条件下要求满足一次装卡五面加工(切削刀具可以从任何方向加工工件而不用更换卡具或重新装夹)的条件。伴随国家重大项目和工程的实施，大型复杂结构件及大型设备已被广泛应用于各关键领域，如航空航天、船舶舰艇、电力设施等，对于此类结构件的加工，“大”机床加工“小”工件的传统思维模式显然不再适用。此外，大型设备后期维修任务将十分艰巨，返厂式维修不但工程浩大、周期漫长而且容易造成二次损坏等。

相关技术中的加工装备多采用串联形式实现，存在误差积累、运动部件质量大等问题。与串联机构不同，并联机构是由两个或多个运动学支链构成的闭环并能够控制终端实现一定输出运动的机构。由于具有结构紧凑、运动部件质量小、刚度高、动态响应特性好、单位重量上承载能力大、易于实现高速运动等优点，并联机构成为模块化设计的理想选择。近年来，少自由度并联机构由于容易实现较大工作空间、便于模块化等特性而越来越受到研究者的重视和青睐，五自由度并联机构是少自由度并联机构中非常重要的一类，但具有实用价值的此类机构的构型综合极具挑战性，也正因如此，五自由度并联机构的成功应用案例极少。目前应用效果最好的五自由度全并联装备是由德国Metrom公司研发的一系列五轴联动装备，如其中的PM1400等。此外，还有基于三自由度并联机构开发的一系列五轴混联加工装备，如Ecospeed、Tricept、Exechon等。

在上述产品取得成功应用的同时，仍存在一些关键技术问题需要解决，如五支链带来的运动学以及结构复杂性、刚度，以及混联装备对摆角头精度的严重依赖性等问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种具有五自由度的并联机构，本发明还提出一种包含该五自由度的并联机构的混联式多轴联动装置，可实现对复杂零部件和大型结构件加工以及大型设备异地维修等多轴联动数控加工。

根据本发明实施例的具有五自由度的并联机构，包括：机架；动平台；第一支链，所述第一支链通过至少两个彼此轴线垂直相交的转动副与所述机架相连，所述第一支链通过至少两个彼此轴线垂直的转动副与所述动平台相连；第二支链，所述第二支链与所述第一支链结构相同，所述第二支链通过至少两个彼此轴线垂直相交的转动副与所述机架相连，所述第二支链通过至少两个彼此轴线垂直的转动副与所述动平台相连；第三支链，所述第三支链包括主子支链和两个副子支链，其中所述主子支链与所述动平台通过转动副相连，所述主子支链通过三个彼此轴线相交的转动副与所述机架相连，每个所述副子支链与所述主子支链通过至少两个彼此轴线垂直相交的转动副相连，每个所述副子支链与所述机架通过至少两个彼此轴线垂直相交的转动副相连；其中，所述第一支链、第二支链和第三支链分别连接于机架和动平台之间，并与机架和动平台共同构成以使动平台实现三个转动自由度和两个移动自由度的空间并联机构。

根据本发明实施例的具有五自由度的并联机构可拓展成混联的多轴联动装置，可实现对复杂零部件和大型结构件加工以及大型设备异地维修等多轴联动数控加工。