用于结构件内腔加工的混联机器人装备

1.本发明涉及机器人钻削加工技术，具体地，涉及一种用于结构件内腔加工的混联机器人装备。

背景技术：

2.大型结构件是能源、国防和航空航天等领域核心装备中的重要组成部分，具有内腔结构复杂、封闭性高、加工工艺难控等特征。基于上述特征，现有的加工装备，如传统多轴数控机床和以串联机械臂为载体的加工机器人等，均因本体结构或装备精/刚度的限制，无法用于结构件的内腔加工。
3.针对上述情况，目前主要采用人工处理的方式实现大型结构件的内腔加工，但是存在劳动强度大、加工效率低、产品质量差、健康保障难等问题，因此需采用合适的结构件内腔加工装备进行替代。另外，由于大部分大型零件均为异形结构，即结构件的内径会随着深度增加而变化。因此，为实现有效的整件加工，所采用的内腔加工装备还需适应内径不同的情况。
4.不同于传统的悬臂式串联机器人，并联机器人由定平台、动平台和若干条运动分支并联而成，具有结构紧凑、整体精/刚度高等优点，已广泛用于物料分拣搬运、机械加工等领域。现有应用的五自由度混联加工装备，存在占用空间大等问题，无法深入结构件的腔体，进而无法实现内壁加工。因此，针对当前大型结构件的内腔加工现状，提出一种用于结构件内腔加工的五自由度混联机器人装备是十分有必要的。

技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于结构件内腔加工的混联机器人装备,通过设置串联工作平台、并联机器人、主轴加工头和工件支撑夹具，设计了可用于结构件内腔加工的混联机器人装备，特别是应用于大型异形结构件的内腔加工，实现五自由度运动的输出。
6.根据本发明提供的一种用于结构件内腔加工的混联机器人装备，包括串联工作平台、布置在所述串联工作平台上的并联机器人、安装于所述并联机器人上的主轴加工头；
7.所述串联工作平台上配置有安装位，所述安装位用于安装结构件；
8.所述并联机器人能够通过所述串联工作平台进入所述结构件的内腔并利用所述主轴加工头对所述结构件的内腔进行加工。
9.优选地，所述串联工作平台设置有移动装置、旋转装置；
10.所述移动装置能够使得所述并联机器人在所述结构件的内腔内进行前后直线运动。
11.所述旋转装置能够使得所述并联机器人在所述结构件的内腔内旋转。
12.优选地，所述移动装置包括串联基座、基座移动导轨、移动小车、横梁移动导轨；
13.所述基座移动导轨紧固安装在所述串联基座上；
14.所述移动小车安装在所述基座移动导轨上，并能够沿着所述基座移动导轨进行前后直线运动；
15.所述旋转装置包括电控箱、外置回转台、回转支撑座；
16.所述回转支撑座用于支撑和夹紧所述外置回转台，所述回转支撑座能跟随所述外置回转台发生旋转；
17.所述电控箱紧固安装在所述移动小车上，为所述外置回转台提供电能；
18.所述外置回转台安装在所述移动小车上；
19.所述外置回转台设置有转子，所述横梁移动导轨紧固安装在所述转子上。
20.优选地，所述并联机器人安装在所述横梁移动导轨上；
21.所述移动小车通过在所述基座移动导轨的前后直线运动，将所述横梁移动导轨和所述并联机器人运送到所述结构件的内腔。
22.优选地，所述并联机器人包括机架定平台、输出动平台、两个第一分支和一个第二分支；
23.所述两个第一分支和一个第二分支设置于在所述机架定平台和输出动平台之间；
24.所述第一分支分别布置于所述第二分支的两侧。
25.所述第一分支包括第一轴承座、第二轴承座、第一转动副、第一连杆、第二转动副、第二连杆以及第一虎克铰；
26.所述第一轴承座和所述第二轴承座紧固安装在所述机架定平台上，所述第一轴承座和所述第二轴承座通过所述第一转动副与所述第一连杆转动配合，所述第一连杆通过所述第二转动副与所述第二连杆转动配合，所述第二连杆通过所述第一虎克铰的第一转动轴与所述第一虎克铰转动配合，所述第一虎克铰通过所述第一虎克铰的第二转动轴与所述输出动平台转动配合；
27.所述第二分支包括第三轴承座、第四轴承座、第三转动副、第三连杆、第四转动副、第四连杆以及第一球铰；所述第三轴承座和所述第四轴承座紧固安装在所述机架定平台上，所述第三轴承座和所述第四轴承座通过所述第三转动副与所述第三连杆转动配合，所述第三连杆通过所述第四转动副与所述第四连杆转动配合，所述第四连杆通过所述第一球铰与所述输出动平台转动配合；
28.在两个所述第一分支中，所述第一转动副和第二转动副的转动轴线平行于第一虎克铰的第一转动轴轴线，所述第一虎克铰的第二转动轴轴线重合；在所述第二分支中，所述第三转动副平行于所述第四转动副的转动轴线。
29.优选地，所述第一转动副和所述第三转动副为驱动副，所述驱动副的驱动机构包括电机、齿轮驱动器；
30.通过电机发电驱动齿轮驱动器实现驱动副运动时，所述并联机器人能够实现两转动一移动三自由度空间运动；
31.结合所述串联工作平台，所述混联机器人装备能够实现五自由度运动，使得所述主轴加工头的刀具轴线能够沿着所述结构件内腔中不同待加工区域的法线方向，实现高速高精度铣削加工。
32.优选地，所述混联机器人装备还包括工件支撑夹具；所述工件支撑夹具用于支撑所述结构件，并放置于所述串联工作平台上。进一步地，所述工件支撑夹具安装在所述串联
基座上。
33.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
34.1、本发明通过设置串联工作平台、并联机器人、主轴加工头和工件支撑夹具，设计了一种用于结构件内腔加工的混联机器人装备，可输出五自由度运动。
35.2、本发明具有加工范围大、响应速度快、整体精度/刚度高、灵活性好、负载能力强、结构紧凑等显著优点，有助于实现不同内径情况下的结构件内腔高效加工。
36.3、本发明通过旋转装置、移动装置的相互配合，实现并联机器人在结构件内腔内的360
°
转动，以便于安装在并联机器人上的所述主轴加工头完成内腔中的多区域加工。
附图说明
37.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
38.图1为本发明用于结构件内腔加工的混联机器人装备的立体结构示意图；
39.图2为本发明的结构件内腔加工情况的立体结构示意图；
40.图3为本发明的串联工作平台的立体结构示意图；
41.图4为本发明的并联机器人及主轴加工头的立体结构示意图；
42.图5为本发明的第一分支的立体结构示意图；
43.图6为本发明的第二分支的立体结构示意图。
44.图中示出：
45.串联工作平台1
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机架定平台21
46.并联机器人2
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输出动平台22
47.主轴加工头3
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第一轴承座23
48.工件支撑夹具4
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第二轴承座24
49.结构件5
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第一转动副25
50.串联基座11
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第一连杆26
51.基座移动导轨12
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第二转动副27
52.移动小车13
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第二连杆28
53.电控箱14
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第一虎克铰29
54.外置回转台15
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第一转动轴210
55.横梁移动导轨16
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第二转动轴211
56.回转支撑座17
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第三轴承座212
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第四轴承座213
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第三转动副214
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第三连杆215
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第四转动副216
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第四连杆217
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第一球铰218
具体实施方式
63.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
64.本发明提供了一种用于结构件内腔加工的混联机器人装备，包括串联工作平台1、并联机器人2、主轴加工头3、工件支撑夹具4、结构件5；并联机器人2通过串联工作平台1进入结构件5的内腔，利用安装于并联机器人2上的主轴加工头3对结构件5的内腔进行加工。本发明混联机器人装备还包括工件支撑夹具4；安装位即位于工件支撑夹具4上并用于支撑结构件5，并放置于串联工作平台1上，提高加工精度。
65.特别地，本发明可以应用于不同形状不同大小的结构件，并对其内腔进行多角度的智能加工；特别是对于长达数米的大型结构件，效果尤为突出。一般来说，大型结构件是能源、国防和航空航天等领域的核心装备，往往这样的大型结构件又是异形结构件，因为它的内径会随着深度增加而变化。因此，结构件5可以是常规的结构件，也可以是大型异形结构件。
66.其中，串联工作平台1设置有移动装置、旋转装置；移动装置能够使得并联机器人2能够在结构件5的内腔内进行前后直线运动。旋转装置能够使得并联机器人2在结构件5的内腔内旋转。
67.具体地，移动装置包括串联基座11、基座移动导轨12、移动小车13、横梁移动导轨16；基座移动导轨12紧固安装在串联基座11上；移动小车13安装在基座移动导轨12上，并能够沿着基座移动导轨12进行前后直线运动，运动行程可覆盖结构件5内腔所需加工区域的长度范围，结合外置回转台15，串联工作平台1可实现并联机器人2的大范围空间定位。
68.移动小车13通过在基座移动导轨12的前后直线运动，将横梁移动导轨16和并联机器人2运送到结构件5的内腔。待完成加工后可运送横梁移动导轨16和并联机器人2退出结构件5的内腔。
69.旋转装置包括电控箱14、外置回转台15、回转支撑座17；回转支撑座17用于支撑和夹紧外置回转台15，在内腔加工时，回转支撑座17跟随外置回转台15发生旋转，可提高装备在工作中的回转精度和结构刚度。
70.外置回转台15安装在移动小车13上；外置回转台15设置有转子，横梁移动导轨16紧固安装在转子上。并联机器人2安装在横梁移动导轨16上。另外，电控箱14紧固安装在移动小车13上，为外置回转台15提供电能。外置回转台15可实现横梁移动导轨16和并联机器人2在结构件5内腔内的360
°
转动，便于安装在并联机器人2上的主轴加工头3完成内腔中的多区域加工。
71.并联机器人2包括机架定平台、输出动平台、两个第一分支和一个第二分支；具体地，两个第一分支和一个第二分支设置于在机架定平台21和输出动平台22之间；第一分支分别布置于第二分支的两侧。
72.第一分支包括第一轴承座23、第二轴承座24、第一转动副25、第一连杆26、第二转动副27、第二连杆28以及第一虎克铰29；
73.第一轴承座23和第二轴承座24紧固安装在机架定平台21上，第一轴承座23和第二
轴承座24通过第一转动副25与第一连杆26转动配合，第一连杆26通过第二转动副27与第二连杆28转动配合，第二连杆28通过第一虎克铰29的第一转动轴210与第一虎克铰29转动配合，第一虎克铰29通过第一虎克铰29的第二转动轴211与输出动平台22转动配合。
74.第二分支包括第三轴承座212、第四轴承座213、第三转动副214、第三连杆215、第四转动副216、第四连杆217以及第一球铰218；第三轴承座212和第四轴承座213紧固安装在机架定平台21上，第三轴承座212和第四轴承座213通过第三转动副214与第三连杆215转动配合，第三连杆215通过第四转动副216与第四连杆217转动配合，第四连杆217通过第一球铰218与输出动平台22转动配合。
75.在两个第一分支中，第一转动副25和第二转动副27的转动轴线平行于第一虎克铰29的第一转动轴210轴线，第一虎克铰29的第二转动轴211轴线重合；在第二分支中，第三转动副214平行于第四转动副216的转动轴线。
76.第一转动副25和第三转动副214为驱动副，驱动副的驱动机构包括电机、齿轮驱动器；通过电机发电驱动齿轮驱动器实现驱动副运动时，并联机器人2能够实现两转动一移动三自由度空间运动；同时，结合串联工作平台1，混联机器人装备能够实现五自由度运动，使得主轴加工头3的刀具轴线能够沿着结构件5内腔中不同待加工区域的法线方向，实现高速高精度铣削加工。
77.本发明的工作原理如下：
78.如图1-2所示，本发明提供的一种用于结构件内腔加工的混联机器人装备，包括串联工作平台1、并联机器人2、主轴加工头3、工件支撑夹具4、结构件5。
79.如图3所示，串联工作平台1的移动装置包括串联基座11、基座移动导轨12、移动小车13、横梁移动导轨16；旋转装置包括电控箱14、外置回转台15、回转支撑座17；基座移动导轨12紧固安装在串联基座11上，移动小车13安装在基座移动导轨12上，电控箱14紧固安装在移动小车13上，外置回转台15安装在移动小车13上，横梁移动导轨16紧固安装在外置回转台15的转子上。工件支撑夹具4安装在串联基座11上。并联机器人2安装在横梁移动导轨16上，并安装主轴加工头3。
80.移动小车13可沿着基座移动导轨12进行前后直线运动，可用于运送横梁移动导轨16和并联机器人2进入结构件5的内腔，待完成加工后可运送横梁移动导轨16和并联机器人2退出结构件5的内腔。
81.外置回转台15可实现横梁移动导轨16和并联机器人2在结构件5内腔内的360
°
转动，使得安装在并联机器人2上的主轴加工头3可以达到内腔中的任意角度。
82.回转支撑座17可用于支撑和夹紧外置回转台15，并跟随一同旋转，可提高装备在工作中的回转精度和结构刚度。
83.并联机器人2可沿着横梁移动导轨16进行前后直线运动，运动行程覆盖结构件5内腔所需加工区域的长度范围。结合外置回转台15，可实现并联机器人2的大范围空间定位。
84.工件支撑夹具4可用于支撑被加工的结构件5，提高加工精度。
85.如图4-6所示，并联机器人2包括机架定平台21、输出动平台22、两条第一分支和一条第二分支；两条第一分支和一条第二分支连接设置在机架定平台21和输出动平台22之间。
86.第一分支包括第一轴承座23、第二轴承座24、第一转动副25、第一连杆26、第二转
动副27、第二连杆28以及第一虎克铰29。第一轴承座23和第二轴承座24紧固安装在机架定平台21上，第一轴承座23和第二轴承座24通过第一转动副25与第一连杆26转动配合，第一连杆26通过第二转动副27与第二连杆28转动配合，第二连杆28通过第一虎克铰29的第一转动轴210与第一虎克铰29转动配合，第一虎克铰29通过第一虎克铰29的第二转动轴211与输出动平台22转动配合。
87.第二分支包括第三轴承座212、第四轴承座213、第三转动副214、第三连杆215、第四转动副216、第四连杆217以及第一球铰218。第三轴承座212和第四轴承座213紧固安装在机架定平台21上，第三轴承座212和第四轴承座213通过第三转动副214与第三连杆215转动配合，第三连杆215通过第四转动副216与第四连杆217转动配合，第四连杆217通过第一球铰218与输出动平台22转动配合。
88.两个第一分支对称于第二分支布置；在两个第一分支中，第一转动副25和第二转动副27的转动轴线平行于第一虎克铰29的第一转动轴210轴线，第一虎克铰29的第二转动轴211轴线重合；在第二分支中，第三转动副214平行于第四转动副216的转动轴线。
89.三个分支中，第一转动副25和第三转动副214为驱动副，驱动副的驱动机构包括电机和齿轮驱动器。当驱动副运动时，并联机器人2可实现两转动一移动三自由度空间运动。通过结合串联工作平台1，混联机器人装备可实现五自由度运动，使得主轴加工头3的刀具轴线可沿着结构件5内腔中不同待加工区域的法线方向，实现高速高精度铣削加工。
90.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
91.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：

1.一种用于结构件内腔加工的混联机器人装备，其特征在于，包括串联工作平台(1)、布置在所述串联工作平台(1)上的并联机器人(2)、安装于所述并联机器人(2)上的主轴加工头(3)；所述串联工作平台(1)上配置有安装位，所述安装位用于安装结构件(5)；所述并联机器人(2)能够通过所述串联工作平台(1)进入所述结构件(5)的内腔并利用所述主轴加工头(3)对所述结构件(5)的内腔进行加工。2.根据权利要求1所述的用于结构件内腔加工的混联机器人装备，其特征在于，所述串联工作平台(1)设置有移动装置、旋转装置；所述移动装置能够使得所述并联机器人(2)在所述结构件(5)的内腔内进行前后直线运动。所述旋转装置能够使得并联机器人(2)在所述结构件(5)的内腔内旋转。3.根据权利要求2所述的用于结构件内腔加工的混联机器人装备，其特征在于，所述移动装置包括串联基座(11)、基座移动导轨(12)、移动小车(13)、横梁移动导轨(16)；所述基座移动导轨(12)紧固安装在所述串联基座(11)上；所述移动小车(13)安装在所述基座移动导轨(12)上，并能够沿着所述基座移动导轨(12)进行前后直线运动。4.根据权利要求3所述的用于结构件内腔加工的混联机器人装备，其特征在于，所述旋转装置包括电控箱(14)、外置回转台(15)、回转支撑座(17)；所述回转支撑座(17)用于支撑和夹紧所述外置回转台(15)，所述回转支撑座(17)能跟随所述外置回转台(15)发生旋转；所述电控箱(14)紧固安装在所述移动小车(13)上，为所述外置回转台(15)提供电能；所述外置回转台(15)安装在所述移动小车(13)上；所述外置回转台(15)设置有转子，所述横梁移动导轨(16)紧固安装在所述转子上。5.根据权利要求3所述的用于结构件内腔加工的混联机器人装备，其特征在于，所述并联机器人(2)安装在所述横梁移动导轨(16)上；所述移动小车(13)通过在所述基座移动导轨(12)的前后直线运动，将所述横梁移动导轨(16)和所述并联机器人(2)运送到所述结构件(5)的内腔。6.根据权利要求1所述的用于结构件内腔加工的混联机器人装备，其特征在于，所述并联机器人包括机架定平台(21)、输出动平台(22)、两个第一分支和一个第二分支；所述第一分支分别布置于所述第二分支的两侧；所述两个第一分支和一个第二分支设置于在所述机架定平台(21)和输出动平台(22)之间。7.根据权利要求6所述的用于结构件内腔加工的混联机器人装备，其特征在于，所述第一分支包括第一轴承座(23)、第二轴承座(24)、第一转动副(25)、第一连杆(26)、第二转动副(27)、第二连杆(28)以及第一虎克铰(29)；所述第一轴承座(23)和所述第二轴承座(24)紧固安装在所述机架定平台(21)上，所述第一轴承座(23)和所述第二轴承座(24)通过所述第一转动副(25)与所述第一连杆(26)转动配合，所述第一连杆(26)通过所述第二转动副(27)与所述第二连杆(28)转动配合，所述第二连杆(28)通过所述第一虎克铰(29)的第一转动轴(210)与所述第一虎克铰(29)转动配
合，所述第一虎克铰(29)通过所述第一虎克铰(29)的第二转动轴(211)与所述输出动平台(22)转动配合。8.根据权利要求7所述的用于结构件内腔加工的混联机器人装备，其特征在于，所述第二分支包括第三轴承座(212)、第四轴承座(213)、第三转动副(214)、第三连杆(215)、第四转动副(216)、第四连杆(217)以及第一球铰(218)；所述第三轴承座(212)和所述第四轴承座(213)紧固安装在所述机架定平台(21)上，所述第三轴承座(212)和所述第四轴承座(213)通过所述第三转动副(214)与所述第三连杆(215)转动配合，所述第三连杆(215)通过所述第四转动副(216)与所述第四连杆(217)转动配合，所述第四连杆(217)通过所述第一球铰(218)与所述输出动平台(22)转动配合；在两个所述第一分支中，所述第一转动副(25)和第二转动副(27)的转动轴线平行于第一虎克铰(29)的第一转动轴(210)轴线，所述第一虎克铰(29)的第二转动轴(211)轴线重合；在所述第二分支中，所述第三转动副(214)平行于所述第四转动副(216)的转动轴线。9.根据权利要求8所述的用于结构件内腔加工的混联机器人装备，其特征在于，所述第一转动副(25)和第三转动副(214)为驱动副，驱动副的驱动机构包括电机、齿轮驱动器；通过电机发电驱动齿轮驱动器实现驱动副运动，使得所述并联机器人(2)能够实现两转动一移动三自由度空间运动；结合所述串联工作平台(1)，所述混联机器人装备能够实现五自由度运动，使得所述主轴加工头(3)的刀具轴线能够沿着所述结构件(5)内腔中不同待加工区域的法线方向，实现高速高精度铣削加工。10.根据权利要求1所述的用于结构件内腔加工的混联机器人装备，其特征在于，所述混联机器人装备还包括工件支撑夹具(4)；所述工件支撑夹具(4)放置于所述串联工作平台(1)上。

技术总结

本发明提供了一种用于结构件内腔加工的混联机器人装备，包括串联工作平台、布置在所述串联工作平台上的并联机器人、安装于所述并联机器人上的主轴加工头；所述串联工作平台上配置有安装位，所述安装位用于安装结构件；所述并联机器人能够通过所述串联工作平台进入所述结构件的内腔并利用所述主轴加工头对所述结构件的内腔进行加工。本发明通过设置串联工作平台、并联机器人、主轴加工头，可输出五自由度运动，具有加工范围大、响应速度快、整体精度/刚度高、灵活性好、负载能力强、结构紧凑等显著优点，有助于实现不同内径情况下的结构件内腔高效加工。内腔高效加工。内腔高效加工。