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申请/专利权人：中国航天空气动力技术研究院

摘要：本发明公开了一种四分支三自由度冗余驱动式并联加工头，包括电主轴、加工台、框架、三个相同的驱动分支以及冗余驱动分支，所述驱动分支均包含电机‑减速器模块一、转盘一、连杆一、铰座一和铰座二，所述电机‑减速器模块一通过第五转动副对转盘一进行转动驱动，转盘一边缘两侧设有一对耳轴，其通过第四转动副与连杆一一端相铰接，连杆一的另一端通过第三转动副与铰座一相铰接，铰座一与铰座二分别通过第一转动副和第二转动副进行铰接，所述第一转动副、第二转动副和第三转动副的转动轴线相互正交。本发明通过冗余驱动的结构形式，可改善驱动器的负载状况，承载能力强，避免加工复杂大型工件时驱动器的过载问题。

主权项：1.一种四分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于：包括电主轴1、加工台2、框架16、三个相同的驱动分支以及冗余驱动分支；所述驱动分支均包含电机-减速器模块一8、转盘一6、连杆一5、铰座一4和铰座二3，所述电机-减速器模块一8通过第五转动副R5对转盘一6进行转动驱动，转盘一6边缘两侧设有一对耳轴，其通过第四转动副R4与连杆一5一端相铰接，连杆一5的另一端通过第三转动副R3与铰座一4相铰接，铰座一4与铰座二3分别通过第一转动副R1和第二转动副R2进行铰接，铰座二3固连于加工台2上，加工台2中心装有电主轴1；所述第一转动副R1、第二转动副R2和第三转动副R3的转动轴线相互正交；三个驱动分支呈中心对称形式固连于框架16内侧，且其沿框架16底面方向投影的中心线互成120°；冗余驱动分支的自身中心线在初始形态下与加工台2中心线重合，其球铰座12中心线始终与电主轴1中心线方向一致；所述冗余驱动分支包括冗余驱动单元9和球铰座12，冗余驱动单元9一端固连于框架16上，另一端通过球关节S与球铰座12铰接；冗余驱动单元9包括内框架10、伸缩杆11和电动缸缸体，所述内框架10外侧耳轴与框架16通过第六转动副R6铰接，内框架10内侧与电动缸缸体外侧的耳轴通过第七转动副R7铰接，电动缸缸体与伸缩杆11通过移动副P进行冗余驱动，伸缩杆11一端通过球关节S与球铰座12铰接，球铰座12固连于电主轴1的安装座上。

全文数据：一种四分支三自由度冗余驱动式并联加工头技术领域本发明涉及的是一种四分支三自由度冗余驱动式并联加工头，属于并联机构学领域。背景技术随着我国军工产业的不断发展，所需要加工的大型复杂零件越来越多，其要求加工设备需同时具有很高的整体刚度和加工精度。加工设备按照结构类型可以分为两大类，即串联式和并联式。传统的串联式机床优点主要是占用空间小，工作空间大，但其刚度无法满足大型工件的加工要求；并联式机床虽然可保证刚度和精度方面的要求，但其占用空间大，操作空间相对较小，会造成资源的浪费。因此，结合串联式机床和并联式机床的优缺点，为了能够在保证刚度的基础上，尽可能小的占用空间，选取具有模块化和可集成化的小型并联加工头的形式，其具有模块化和可集成性，可与串联轨道相结合，组成串并混联形式的多轴加工中心，具有良好的加工效果。其中，并联加工头的选型是决定此类多轴加工中心加工性能的关键。目前，市场上较为成熟的并联加工头有Tricept加工模块、Exechon加工模块、Z3头和A3头等。其中，Tricept加工模块和Exechon加工模块均为非对称冗余驱动机构，此类机构刚度的各向同性较弱，控制难度较高，同时其所占用空间均较大；Z3头和A3头均为对称非冗余驱动机构，此类机构对驱动的负载性能要求较高，对加工环境的适应性较弱。发明内容本发明解决的技术问题：针对于目前市场上存在的三自由度并联加工头，在加工大型负载工件时，驱动器的负载能力有限，机构的整体刚度偏低，同时机构本身存在奇异位形，且所占空间较大，故其可操作性能受限的问题，提出一种四分支三自由度冗余驱动式并联加工头，提升现有三自由度并联加工头的整体刚度，并尽可能降低其占用空间，实现四分支三自由度对加工台的冗余驱动。本发明的技术解决方案：一种四分支三自由度冗余驱动式并联加工头，包括电主轴、加工台、框架、三个相同的驱动分支以及冗余驱动分支，所述驱动分支均包含电机-减速器模块一、转盘一、连杆一、铰座一和铰座二，所述电机-减速器模块一通过第五转动副对转盘一进行转动驱动，转盘一边缘两侧设有一对耳轴，其通过第四转动副与连杆一一端相铰接，连杆一的另一端通过第三转动副与铰座一相铰接，铰座一与铰座二分别通过第一转动副和第二转动副进行铰接，铰座二固连于加工台上，加工台中心装有电主轴；所述第一转动副、第二转动副和第三转动副的转动轴线相互正交；冗余驱动分支包括冗余驱动单元和球铰座，冗余驱动单元一端固连于框架上，另一端通过球关节与球铰座铰接；方案一：三个驱动分支呈中心对称形式固连于框架内侧，且其沿框架底面方向投影的中心线互成120°；所述冗余驱动分支的自身中心线在初始形态下与加工台中心线重合，其球铰座中心线始终与电主轴中心线方向一致；或方案二：三个驱动分支与一个冗余驱动分支呈中心对称形式固连于框架内侧，且其沿框架底面方向投影的相邻两中心线互相垂直。所述冗余驱动单元包括内框架、伸缩杆和电动缸缸体，所述内框架外侧耳轴与框架通过第六转动副铰接，内框架内侧与电动缸缸体外侧的耳轴通过第七转动副铰接，电动缸缸体与伸缩杆通过移动副进行冗余驱动，伸缩杆一端通过球铰链与球铰座铰接，球铰座固连于电主轴的安装座上。所述冗余驱动分支第六转动副和第七转动副的轴线交点始终在框架的轴向中心线上，电动缸缸体自身中心线在初始形态下与加工台中心线重合，其球铰座中心线始终与电主轴中心线方向一致。所述冗余驱动单元包括电机-减速器模块二、转盘二、连杆二、连杆三、铰座三和铰座四，所述电机-减速器模块二通过第六转动副对转盘二进行转动驱动，转盘二边缘两侧设有一对耳轴，其通过第七转动副与连杆二的一端相铰接，连杆二的另一端通过第八转动副与连杆三的一端相铰接，连杆三的另一端通过第九转动副与铰座三相铰接，铰座三与铰座四分别通过第十转动副和第十一转动副进行铰接，铰座四固连于加工台上。所述三个驱动分支与一个冗余驱动分支呈中心对称形式固连于框架内侧，且沿框架底面方向投影的相邻两中心线互相垂直；所述第七转动副和第八转动副的轴线互相垂直。所述第九转动副、第十转动副和第十一转动副的轴线相互正交。所述电机-减速器模块一可为液压驱动，三个正交转动副可与球铰链相互替换。驱动分支所在轴线与电主轴轴线之间夹角的角度变化范围为15°-75°。转盘一、转盘二的直径小于连杆一的长度。连杆二与连杆三的长度之和大于连杆一的长度。本发明与现有技术相比的优点如下：1本发明通过冗余驱动的结构形式，可改善驱动器的负载状况，承载能力强，避免加工复杂大型工件时驱动器的过载问题；2本发明采用四个驱动输入实现两转动一移动的三维输出，实现同一运动具有更多的驱动输入方式，避免了单分支单驱动形式存在的瞬间奇异，可提升机构对复杂环境的适应性；3本发明中各驱动分支和冗余驱动分支均可由转动关节驱动和传递，这样最大限度的减少了其所占空间，具有更强的模块化和集成性；4本发明中采取了对称布置的冗余驱动结构形式，相比于常规冗余驱动形式，在提升机构整体刚度的前提下，可有效降低力位混合控制的难度。附图说明图1为本发明实施例1总体结构示意图；图2为本发明实施例2总体结构示意图；图3为本发明非冗余驱动分支结构示意图；图4为本发明实施例1冗余驱动分支结构示意图；图5为本发明实施例2冗余驱动分支结构示意图。具体实施方案下面结合附图对本发明的具体实施方案进行进一步的详细描述。如附图1、3、4所示，本方案构型包括三个相同的驱动分支、一个冗余驱动分支、框架和加工平台；三个驱动分支对称分布在框架内侧，且每个驱动分支均为转动驱动，各传动关节也均为转动副，以此降低所占空间；每个驱动分支包括转动驱动单元、转盘、连杆，转盘的中心设置为通孔，并通过转动副与转动驱动主轴铰接，转盘边缘设有耳轴，并通过转动副与连杆铰接，连杆通过三个正交的转动副与加工平台相铰接；冗余驱动分支包括内框架、冗余驱动单元和球铰座，内框架外侧和内侧分别与框架和冗余驱动单元本体通过转动副铰接，且两个转动副轴线交点在框架轴向中心线上，电动缸缸体与伸缩杆通过移动副进行冗余驱动，伸缩杆通过球铰链与球铰座铰接，球铰座固连与电主轴安装座上；加工台上装有电主轴，即可实现对称四分支冗余驱动下的两转动一移动方向的加工功能。如附图2、3、5所示，本方案构型包括三个相同的驱动分支、一个冗余驱动分支、框架和加工平台；三个驱动分支和冗余驱动分支对称分布在框架内侧，且每个驱动分支均为转动驱动，各传动关节也均为转动副，以此最大限度的降低其所占空间；每个驱动分支的构件组成以及连接方式与技术方案1保持一致；冗余驱动分支主要包括冗余驱动单元、转盘、两个连杆和两个铰座，转盘的中心设置为通孔，并通过转动副与冗余驱动主轴铰接，转盘边缘设有耳轴，并通过转动副与连杆一铰接，连杆一的另一端通过转动副与连杆二相铰接，连杆二的另一端通过转动副与铰座一相铰接，铰座一与铰座二分别通过两个轴线正交的转动副进行铰接，铰座二固连于加工台上；加工台上装有电主轴，可根据加工需求在电主轴上配置对应刀具，从而实现四分支冗余驱动下的两转动一移动方向的加工功能。实施例1如附图1、3、4所示，本方案由三条相同的驱动分支、一条冗余驱动分支、框架16和加工台2构成；三条驱动分支均布于框架16内侧，每条驱动分支均为电机-减速器模块一8通过第五转动副R5对转盘一6进行驱动，转盘一6边缘两侧设有一对耳轴，其通过第四转动副R4与连杆一5相铰接，连杆一5的另一端均通过第三转动副R3与铰座一4相铰接，铰座一4与铰座二3分别通过第一转动副R1和第二转动副R2进行铰接，各分支的铰座二3均布在加工台2一侧；冗余驱动单元9主要包括电动缸缸体及伸缩杆11、内框架10，内框架10外侧与框架16通过第六转动副R6铰接，内框架10内侧与电动缸缸体耳轴通过第七转动副R7铰接，电动缸缸体与伸缩杆11通过移动副P进行冗余驱动，伸缩杆11通过球铰链S与球铰座12铰接，球铰座12固连与电主轴1安装座上；加工台2中心装有电主轴1，可根据加工需求在电主轴1上配置对应刀具，从而实现冗余驱动形式的两转动一移动方向的加工功能。实施例2如附图2、3、5所示，本方案由三条相同的驱动分支、一条冗余驱动分支、框架16和加工台2构成，各驱动分支和冗余驱动分支以中心对称形式固连于框架16内侧；各驱动分支的连接形式为电机-减速器模块一8通过第五转动副R5对转盘一6进行驱动，转盘一6边缘两侧设有一对耳轴，其通过第四转动副R4与连杆一5的一端相铰接，连杆一5的另一端均通过第三转动副R3与铰座一4相铰接，铰座一4与铰座二3分别通过第一转动副R1和第二转动副R2进行铰接，各分支的铰座二3均布在加工台2一侧；冗余驱动单元9主要包括电机-减速器模块二22、转盘二17、连杆二18、连杆三19、铰座三20和铰座四21，电机-减速器模块二22通过第六转动副R6对转盘二17进行转动驱动，转盘二17边缘两侧设有一对耳轴，其通过第七转动副R7与连杆二18一端相铰接，连杆二18的另一端通过第八转动副R8与连杆三19一端相铰接，连杆三19的另一端通过第九转动副R9与铰座三20相铰接，铰座三20与铰座四21分别通过第十转动副R10和第十一转动副R11进行铰接，铰座四21固连于加工台2上；加工台2上装有电主轴1，可根据加工需求在电主轴1上配置对应刀具。综上所述，利用本发明可以实现四分支冗余驱动形式下的两转动一移动方向的加工功能。本说明书包括任何附加权利要求、摘要和附图中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

权利要求：1.一种四分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于：包括电主轴1、加工台2、框架16、三个相同的驱动分支以及冗余驱动分支，所述驱动分支均包含电机-减速器模块一8、转盘一6、连杆一5、铰座一4和铰座二3，所述电机-减速器模块一8通过第五转动副R5对转盘一6进行转动驱动，转盘一6边缘两侧设有一对耳轴，其通过第四转动副R4与连杆一5一端相铰接，连杆一5的另一端通过第三转动副R3与铰座一4相铰接，铰座一4与铰座二3分别通过第一转动副R1和第二转动副R2进行铰接，铰座二3固连于加工台2上，加工台2中心装有电主轴1；所述第一转动副R1、第二转动副R2和第三转动副R3的转动轴线相互正交；冗余驱动分支包括冗余驱动单元9和球铰座12，冗余驱动单元9一端固连于框架16上，另一端通过球关节S与球铰座12铰接；方案一：三个驱动分支呈中心对称形式固连于框架16内侧，且其沿框架16底面方向投影的中心线互成120°；所述冗余驱动分支的自身中心线在初始形态下与加工台2中心线重合，其球铰座12中心线始终与电主轴1中心线方向一致；或方案二：三个驱动分支与一个冗余驱动分支呈中心对称形式固连于框架16内侧，且其沿框架16底面方向投影的相邻两中心线互相垂直。2.根据权利要求1所述的一种四分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于：所述冗余驱动单元9包括内框架10、伸缩杆11和电动缸缸体，所述内框架10外侧耳轴与框架16通过第六转动副R6铰接，内框架10内侧与电动缸缸体外侧的耳轴通过第七转动副R7铰接，电动缸缸体与伸缩杆11通过移动副P进行冗余驱动，伸缩杆11一端通过球铰链S与球铰座12铰接，球铰座12固连于电主轴1的安装座上。3.根据权利要求2所述的一种四分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于：所述冗余驱动分支第六转动副R6和第七转动副R7的轴线交点始终在框架16的轴向中心线上，电动缸缸体自身中心线在初始形态下与加工台2中心线重合，其球铰座12中心线始终与电主轴1中心线方向一致。4.根据权利要求1所述的一种四分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于：所述冗余驱动单元9包括电机-减速器模块二22、转盘二17、连杆二18、连杆三19、铰座三20和铰座四21，所述电机-减速器模块二22通过第六转动副R6对转盘二17进行转动驱动，转盘二17边缘两侧设有一对耳轴，其通过第七转动副R7与连杆二18的一端相铰接，连杆二18的另一端通过第八转动副R8与连杆三19的一端相铰接，连杆三19的另一端通过第九转动副R9与铰座三20相铰接，铰座三20与铰座四21分别通过第十转动副R10和第十一转动副R11进行铰接，铰座四21固连于加工台2上。5.根据权利要求4所述的一种四分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于：所述三个驱动分支与一个冗余驱动分支呈中心对称形式固连于框架16内侧，且沿框架16底面方向投影的相邻两中心线互相垂直；所述第七转动副R7和第八转动副R8的轴线互相垂直。6.根据权利要求5所述的一种四分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于：所述第九转动副R9、第十转动副R10和第十一转动副R11的轴线相互正交。7.根据权利要求1-3中任一项所述的一种四分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于：所述电机-减速器模块一8可为液压驱动，三个正交转动副可与球铰链S相互替换。8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种四分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于：驱动分支所在轴线与电主轴轴线之间夹角的角度变化范围为15°-75°。9.根据权利要求1所述的一种四分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于：转盘一6、转盘二17的直径小于连杆一5的长度。10.根据权利要求1所述的一种四分支三自由度冗余驱动式并联加工头，其特征在于：连杆二18与连杆三19的长度之和大于连杆一5的长度。

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