CN100446944C - 可实现两转动和一平动自由度的并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现两转动和一平动自由度的并联机构，其构成包括固定架、动平台、以及结构相同且呈空间面对称布置的三条支链；所述的三条支链分别由设置在固定架上的三个连接板、分别设置在三个连接板一端的三个驱动装置以及分别设置在三个连接板上的直线导轨构成，所述三个连接板上的直线导轨与分别通过第一、第二、第三铰链连接在所述三个连杆一端的三个拖板构成移动副，在三个连杆中，两个连杆的另一端分别通过第四、第五铰链连接所述的动平台，另一个连杆的另一端通过第六铰链连接所述的动平台，所述的动平台上设置有电主轴。本发明的优点是：比现有技术减少了两个转动铰链，具有良好的制造、装配工艺性，有利于降低制造成本。

Description

可实现两转动和一平动自由度的并联机构

技术领域

本发明涉及一种并联机器人机构，更具体地说，本发明涉及一种可实现两转动和一平动自由度的空间并联机构。

背景技术

根据专利US6431802(或WO0025976、EP1123175、CA2349579、DE19850708、ES2198991T、DE59905578D、AT240184T)可知，现有的空间两转动一平动并联机构，包括固定架、动平台及三条结构相同的支链，每条支链包括驱动装置、直线导轨、拖板、铰链和连接杆五部分。这种并联机构的结构在空间呈轴对称布置，末端执行器与动平台固定连接，连接杆一端通过具有三个回转自由度的铰链与动平台连接，另一端通过具有一个回转自由度的铰链与拖板连接，拖板与直线导轨通过移动副连接，直线导轨方向平行于对称轴，驱动装置和直线导轨固定设置在固定架上，拖板采用伺服电机滚珠丝杠螺母副或其它直线驱动装置驱动。在采用这种结构形式的并联机构中，每个拖板可独立地在伺服电机滚珠丝杠螺母副的驱动下沿直线导轨移动，从而使动平台相对于固定架产生沿对称轴轴线的一个移动和绕垂直于该轴线的两个正交轴线的转动。

由于上述机构中三条支链在空间呈轴对称布置，支链与固定架之间的机械连接面为互成角度的斜面，其存在的不足是：对固定架制造精度及直线导轨与固定架的配合精度要求较高，加工工艺性较差。

发明内容

本发明所要解决的问题，就是克服以上现有技术的不足，提供一种具有良好的制造与装配工艺性的可实现两转动和一平动自由度的并联机构。

本发明的可实现两转动和一平动自由度的并联机构，包括固定架、设置有电主轴的动平台、以及结构相同且关于由两正交轴线A与轴线Z形成的平面呈空间面对称设置的第一支链、第二支链及第三支链，所述第一、第二、第三支链的构成包括：分别固定设置在所述固定架上的第一、第二、第三连接板，分别固定设置在所述第一、第二、第三连接板一端的第一、第二、第三驱动装置以及分别固定设置在所述第一、第二、第三连接板上的第一、第二、第三直线导轨，所述的第一、第二、第三直线导轨分别与第一、第二、第三拖板构成移动副，所述第一、第二、第三拖板分别通过具有一个回转自由度的第一、第二、第三铰链连接第一、第二、第三连杆的一端，所述第一、第二连杆的另一端分别通过具有两个回转自由度的第四、第五铰链连接所述的动平台，所述第三连杆的另一端通过具有三个回转自由度的第六铰链连接所述的动平台；所述第一、第二铰链的轴线分别平行于由所述两正交轴线A及轴线Z构成的平面且同时与所述第三铰链的轴线垂直；所述第一、第二、第三直线导轨的所在直线相互平行且平行于轴线Z，所述第一、第二、第三铰链的轴线分别与所述第一、第二、第三直线导轨的所在直线相互垂直。

所述的第一、第二、第三铰链可以采用销轴与轴承构成的转动副或其它形式的等价结构；

所述的第四、第五铰链可以采用十字轴与轴承构成的虎克铰或其他形式的等价结构，其近固定架的回转轴线分别与所述第一、第二铰链的轴线平行，其远固定架的回转轴线共线且与所述第三铰链的轴线平行；

所述第六铰链可以采用球铰链或其他形式的等价结构；

所述的第一、第二、第三驱动装置采用伺服电机——减速器——滚珠丝杠的结构形式或直线电机驱动方式。

本发明的可实现两转动和一平动自由度的并联机构，由于各支链中移动副所在直线与回转副所在轴线的空间位置关系，使得该机构成为空间面对称机构，所有加工及安装表面均在水平或竖直方向，因而具有良好的制造及装配工艺性，并且第一与第二铰链采用具有两个回转自由度的铰链，与已有技术相比减少了两个转动铰链，因而有利于降低制造成本。

附图说明

附图为本发明一种实施例的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。

在附图中，轴线A、轴线C、轴线Z相互正交。

如图所示，本发明的可实现两转动和一平动自由度的并联机构，由固定架1、动平台5、第一支链2、第二支链3及第三支链4构成；

所述的动平台5上固定设置有电主轴6，所述的第一支链2、第二支链3和第三支链4关于由轴线A与轴线Z形成的平面呈空间面对称方式布置；

所述的第一支链2、第二支链3和第三支链4彼此结构相同，其构成包括：分别固定设置在所述固定架1上的第一连接板22、第二连接板32、第三连接板42，分别固定设置在所述第一、第二、第三连接板22、32、42一端的第一驱动装置21、第二驱动装置31、第三驱动装置41以及固定设置在所述第一、第二、第三连接板22、32、42上的第一直线导轨23、第二直线导轨33、第三直线导轨43，所述的第一、第二、第三直线导轨23、33、43分别与所述的第一拖板24、第二托板34、第三托板44构成移动副，所述第一、第二、第三拖板24、34、44分别通过具有一个回转自由度的第一铰链25、第二铰链35、第三铰链45连接第一连杆26、第二连杆36、第三连杆46的一端，所述的第一、第二、第三连杆26、36、46的另一端分别通过第四铰链27、第五铰链37和第六铰链47连接所述的动平台5，所述的第一、第二、第三铰链25、35、45可以采用销轴与轴承构成的转动副，也可以采用其它形式的等价结构；

所述第一、第二铰链25、35的轴线分别平行于由两正交轴线A及轴线Z构成的平面且同时与所述第三铰链45的轴线垂直，也就是说，第一、第二铰链25、35的轴线平行于轴线A，第三铰链45的轴线平行于轴线C；

所述第一支链2、第二支链3和第三支链4中的第一、第二、第三直线导轨23、33、43的所在直线相互平行且同时平行于轴线Z，所述第一、第二、第三铰链25、35、45的轴线分别与所述第一、第二、第三直线导轨23、33、43的所在直线相互垂直；

所述第四铰链27与第五铰链37具有两个回转自由度，其结构为由十字轴与轴承构成的虎克铰，所述虎克铰近固定架5的回转轴线27a、37a分别与所述第一、第二铰链25、35的轴线平行，所述虎克铰远固定架5的回转轴线27b、37b共线且与所述第三铰链45的轴线平行，根据情况需要，所述的虎克铰也可以采用其他形式的具有两个回转自由度的等价结构；

所述第六铰链47为具有三个回转自由度的球铰链，所述的球铰链也可以其他形式的等价结构所代替。

本发明的设置可实现下述功能：

在第一支链2与第二支链3中，所述的第一、第二连杆26、36与所述的动平台5之间分别仅具有两个回转自由度并与所述的第一、第二拖板24、34之间分别仅具有一个回转自由度，所述的第一、第二拖板24、34相对于所述的固定架1分别仅具有一个相对移动自由度；

在第三支链4中，所述的第三连杆46与所述的动平台5之间仅具有三个回转自由度并与所述的第三拖板44之间仅具有一个回转自由度，所述的第三拖板44相对于所述的固定架1仅具有一个相对移动自由度。

本发明的运行状况是：在所述第一、第二、第三驱动装置21、31、41的驱动下，当所述的第一、第二、第三支链2、3、4同步运动时，所述的动平台5及其上固定的电主轴6可实现沿轴线Z的移动；当只有第三支链4单独运动时，所述的动平台5及其上固定的电主轴6可实现绕轴线C的回转运动；当第三支链4静止且第一支链2与第二支链3相互反向运动时，所述的动平台5及其上固定的电主轴6可实现绕轴线A的回转运动。

在本实施例中，所述的第一、第二、第三驱动装置21、31、41均采用了伺服电机-减速器-滚珠丝杠的结构形式，在所述第一、第二、第三拖板24、34、44中固定设置有与所述滚珠丝杠构成啮合副的丝杠螺母，所述滚珠丝杠一端连接所述的第一、第二、第三驱动装置21、31、41，所述滚珠丝杠的另一端穿过所述的丝杠螺母后与所述第一、第二、第三连接板22、32、42的另一端相连接，从而为第一、第二、第三拖板24、34、44与第一、第二、第三直线导轨23、33、43之间提供一个移动自由度。为了达到同样目的，也可以采用直线电机驱动方式为第一、第二、第三拖板24、34、44与第一、第二、第三直线导轨23、33、43之间提供一个移动自由度。当然，在具体实施时，采用其它任意一种可实现相同运动功能的结构形式作为驱动方式都是可以的。

本发明的可实现两转动和一平动自由度的并联机构，与现有技术的空间两转动一平动并联机构相比，其不同点在于：

(1)现有技术中的三条支链采用空间轴对称方式布置，且支链与固定架之间的机械连接面为互成角度的斜面；本发明中所述的第一支链2、第二支链3和第三支链4采用空间面对称的布置方式，且三个支链与固定架之间的机械连接面为水平或垂直平面。

(2)现有技术中的连杆连接动平台的一端采用的是具有三个回转自由度的铰链；本发明中所述的第一、第二、第三连杆26、36、46连接所述动平台5的一端采用的第四铰链27、第五铰链37、第六铰链47具有不同的回转自由度，其中：第四铰链27与第五铰链37具有两个回转自由度，第六铰链47具有三个回转自由度。

(3)现有技术的空间两转动一平动并联机构，其加工工艺性受固定架的制造精度以及直线导轨与固定架配合精度的限制，尤其是支链与固定架之间互成角度的机械连接面难以保证制造及装配精度；本发明的可实现两转动和一平动自由度的并联机构，其支链与固定架之间的机械连接面为水平或垂直平面，所有的加工表面及安装表面均在水平或竖直方向，因而具有良好的制造工艺性及装配工艺性。

(4)现有技术的空间两转动一平动并联机构，其连杆连接动平台的一端采用了三个具有三个回转自由度的铰链；本发明的可实现两转动和一平动自由度的并联机构，其连杆连接动平台的一端采用了一个具有三个回转自由度的铰链和两个具有两个回转自由度的铰链，相比于现有技术减少了两个转动铰链，有利于降低制造成本。

本发明的可实现两转动和一平动自由度的并联机构，通过第一支链2、第二支链3及第三支链4呈空间面对称的布置方式，并且利用第四铰链27和第五铰链37与动平台5之间的两自由度转动、第六铰链47与动平台5之间的三自由度转动，还有三个支链中所述第一、第二、第三连杆26、36、46与第一、第二、第三拖板24、34、44之间的单自由度转动，以及第一、第二、第三拖板24、34、44与固定架1之间的单自由度移动，实现了所述动平台5相对于固定架1的空间两转动自由度和一平动自由度。

本发明的可实现两转动和一平动自由度的并联机构为模块化设计，该模块化机构可通过固定架上的机械接口与两个正交的串接移动部件连接，进而构成五坐标数控机床单机和大型结构件的五坐标数控加工单元。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它各种等价形式(包括形状和布局)的固定架、驱动装置以及铰链连接方式不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可实现两转动和一平动自由度的并联机构，包括固定架、设置有电主轴的动平台、以及结构相同的第一、第二、第三支链，其特征是，所述的第一、第二、第三支链关于由两正交轴线A与轴线Z形成的平面呈空间面对称方式设置，其构成包括：分别固定设置在所述固定架上的第一、第二、第三连接板，分别固定设置在所述第一、第二、第三连接板一端的第一、第二、第三驱动装置以及分别固定设置在所述第一、第二、第三连接板上的第一、第二、第三直线导轨，所述的第一、第二、第三直线导轨分别与第一、第二、第三拖板构成移动副，所述第一、第二、第三拖板分别通过具有一个回转自由度的第一、第二、第三铰链连接第一、第二、第三连杆的一端，所述第一、第二连杆的另一端分别通过具有两个回转自由度的第四、第五铰链连接所述的动平台，所述第三连杆的另一端通过具有三个回转自由度的第六铰链连接所述的动平台；所述第一、第二铰链的轴线分别平行于由所述两正交轴线A及轴线Z构成的平面且同时与所述第三铰链的轴线垂直；所述第一、第二、第三直线导轨的所在直线相互平行且平行于轴线Z，所述第一、第二、第三铰链的轴线分别与所述第一、第二、第三直线导轨的所在直线相互垂直。

2.根据权利要求1所述的可实现两转动和一平动自由度的并联机构，其特征是，所述的第一、第二、第三铰链为销轴与轴承构成的转动副。

3.根据权利要求1所述的可实现两转动和一平动自由度的并联机构，其特征是，所述的第四、第五铰链为十字轴与轴承构成的虎克铰，其近固定架的回转轴线分别与所述第一、第二铰链的轴线平行，其远固定架的回转轴线共线且与所述第三铰链的轴线平行。

4.根据权利要求1所述的可实现两转动和一平动自由度的并联机构，其特征是，所述的第六铰链为球铰链。

5.根据权利要求1所述的可实现两转动和一平动自由度的并联机构，其特征是，所述的第一、第二、第三驱动装置采用伺服电机——减速器——滚珠丝杠的结构形式。

6.根据权利要求1所述的可实现两转动和一平动自由度的并联机构，其特征是，所述的第一、第二、第三驱动装置采用直线电机驱动方式。