串并联机床机构的模型

Stewart平台原理[4]是本文所研究设计的机构中单元一的核心机构，这个原理从诞生到现在，已经从典型Stewart平台衍生出了多种并联机构运动平台。本章主要研究的是基于Stewart平台的6型并联机床。

Stewart平台一般是由上平台和下平台（或称为动平台和基础平台）组成，由两端的铰副连接六个移动副构成。根据使用铰副的类型，常见的Stewart平台可以分为SPS型和UPS型两种。SPS型Stewart平台是指两平台和伸缩杆间是由球铰（Spherical joint）连接。而UPS型Stewart平台是指两平台和伸缩杆间其中一端由万向铰（Universal joint）连接。

除了按铰链类型分为SPS型和UPS型，Stewart平台还可以按动平台、定平台与伸缩杆的连接点数分为x-y型，其中x,y分别表示动平台、定平台与伸缩杆的连接点数。

图2.2中的Stewart平台是最常用到的一种，本文中要研究的并联机构就是在这个6-6型Stewart平台基础上建立起来的。此类型又被称为6-UPS型机构，6型Stewart平台或Hexapod（六足机器人）。作为最常用到的Stewart平台机构类型，它出现在许多虚拟样机实验中[15~17]。

6型Stewart平台

接下来本文将在在Pro/Engineering三维建模软件[18]中对串并联机床机构进行设计。

2.3 传统五坐标轴机床机构的方案设计

2.3.1 串联机构的三维模型

从机床布局上来看，传统机床的特点是以床身、立柱、横梁等作为主要支承部件，刀具通过主轴部件和工作台的滑座沿支承部件上固定的直线导轨进给，其实是按照X、Y、Z三个坐标方向运动叠加以形成加工表面轨迹的串联运动学机构。各构件之间均只有一个自由度的相对运动。

本文的串并联机构第一单元是按传统的五坐标数控机床进行设计的，如图2.3所示。

五坐标串联机构的模型

2.3.2 加工工作台的设计

本文为串并联机床机构设计了两种加工工作台，如图2.4所示，两种形状的加工平台适应了多种不同形状、外形的零件，增加了可加工零件的种类。

  图2.4加工平台

2.4 以并联机构为主体的串并联机床机构的设计

    本章节中的串并联机构是整个机床设计的第二个单元，本单元的核心装置是一个六自由度并联机构，而这个六自由度并联机构和机架、床身等相串联，形成相对滑动，实际上是一个串并联机构。

2.4.1 并联机构的三维模型

如图2.5所示，图中的机构即是所要研究设计的并联机床机构。本文在参考了各种典型并联机构各个部件及功能的基础上[19]，决定建立六自由度并联机构[20]，并对该并联机床机构进行了设计研究及建模。

并联机构模型

如图2.5所示，并联机构由上平台、下平台、伸缩杆和刀具组成。并联机构中伸缩杆与上平台之间使用万向铰链相连，与下平台之间使用球铰相连。以机床上平台为基础平台，若干杆件按一定规律对称分布在两平台间，组成空间并联机构。主轴部件安装在动平台上，并通过电动机驱动六杆运动，实现杆件的伸缩，从而改变杆件的长度，使刀头点按预期的运动规律形成加工表面轨迹。