CN100519098C - 一种构型及尺度可重构的并联机器 - Google Patents
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Abstract
一种构型及尺度可重构的并联机器，属机械制造、机器人技术领域。包括由静平台框架(1)、扩展件(2)、可实现伸缩轴驱动功能或滑块驱动功能的驱动支链(3)、动平台(4)等。静平台框架(1)的平板的基准面与所述扩展件(2)通过定位孔进行连接；所述扩展件(2)与可实现伸缩轴驱动功能或滑块驱动功能的驱动支链(3)连接，所述末端执行器部件(5)与动平台(4)连接；所述数控系统与所述支链(3)的直线驱动单元模块(33)中的电机连接。本发明可以根据工作需求，确定构型及尺度，再从元件库中选择适当的元件进行装配，配置出性能满足需求的并联机器；增加了装备的柔性，降低了成本，满足了并联机器可快速变化的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种构型及尺度均可重构的新型并联机器的设计，属机械制造、机器人技术领域。
背景技术
随着社会的发展，产品的生命周期变短，市场的变化越来越快，因此企业必须快速且有效地响应市场变化，推出满足市场的新产品。为了利用有限的资源提高企业的生产能力就要求有效地利用现有的制造装备，通过对装备的改造而改变工艺以及产品的产量和质量等。
并联机器是一种新型的运动结构的操作机，与传统串联机器相比，具有许多优点，如结构简单，速度/加速度大，姿态能力强，容易实现多自由度等，因此是串联机器的重要补充。不同构型及尺度的并联机器具有不同的工作性能，要根据具体需求进行设计，如果并联机器不可重构，则当需求变化时就需要重新进行设计和制造，降低了对市场的响应速度，增加了成本。
因为大多数并联机器组成结构类似，包含一些简单和相同的模块，区别仅在于支链的数量、规格和配置，所以，将并联机器的各组件模块或部件模块的接口标准化后，就可以通过这些模块重构出不同构型及尺度的并联机器，适应市场需要的变化。
发明内容
本发明的目的是设计一种可重构的新型并联机器，其构型及尺度均可以进行变化。根据工作需求；确定构型及尺度，再从元件库中选择适当的元件进行装配，配置出性能满足需求的并联机器；当工作需求发生变化时，可以重构出满足新工作任务需求的并联机器。
本发明公开了一种构型及尺度可重构的并联机器，包括由静平台框架组件、数个扩展件、一系列可实现伸缩及滑块驱动功能的驱动支链组件、一系列动平台、末端执行器部件及适用各种构型及尺度的数控系统；其特征在于：所述的静平台框架组件由上下两个具有基准面和平板以及支架组成，所述的平板的基准面位于平板靠并联机器的内侧，基准面上的一系列定位孔，且定位孔位于不同直径的一些分布圆以及一些直线上；所述的扩展件两面均为基准面，且含有定位孔；所述的一系列动平台具有定位孔，不同的动平台的定位孔处于不同直径的分布圆上，且定位孔规格与扩展件上的相同；所述的一系列可实现伸缩及滑块驱动功能的驱动支链组件结构如专利《用于可重构并联机床的模块化驱动支链结构》(中国专利号03137758.0)，包括直线驱动单元模块、工作台模块、定长杆模块、两个球铰副模块和以及三个杆固定模块、和；所述直线驱动单元模块包括支座、丝杆螺母、丝杠及驱动丝杠的电机，其特征在于：所述的模块化驱动支链结构还包括两个可变安装角度模块和；所述工作台模块具有三个接口，分别为与所述丝杆螺母的接口、与所述可变安装角度模块的接口以及与所述杆固定模块的接口；所述球铰副模块具有与杆固定模块的接口，此接口的几何特征尺寸及连接方式和所述工作台模块与杆固定模块的接口的相同；所述直线驱动单元模块中的支座在其电机轴伸出方向相反的方向的一端上有一段伸出杆，这段杆的外径与所述定长杆模块外径相同；所述的模块化驱动支链结构按照实现伸缩轴驱动功能或滑块驱动功能的需求，将上述各模块及其接口顺序连接起来。所述模块化驱动支链组件实现伸缩轴驱动功能时的模块连接方式如下：所述直线驱动单元模块与其电机轴伸出方向相反的方向的一端依次连接杆固定模块、球铰副模块和位置固定的可变安装角度模块；所述直线驱动单元模块在另一端通过丝杆螺母与工作台模块连接，工作台模块通过其接口依次连接杆固定模块、套于丝杆上的定长杆模块、杆固定模块、球铰副模块和可变安装角度模块。其特征在于所述模块化驱动支链组件实现滑块驱动功能时的模块连接方式如下：所述直线驱动单元模块的支座固定，所述丝杆螺母与工作台模块连接；所述工作台模块沿垂直于直线驱动单元模块的丝杆方向的接口依次连接可变安装角度模块、球铰副模块、杆固定模块，定长杆模块、杆固定模块、球铰副模块和可变安装角度模块；所述数控系统具有计算各种构型及尺度并联机器中所述的末端执行器输出点位移与并联机器中所述的驱动支链输入位移的逆解关系(此功能以下简称为“虚实变换”)的模块，以及开放式的数控系统结构；所述的可重构并联机器根据工作需求，将上述组件、部件及数控系统进行装配和组合。
本发明所述的可重构并联机器的装配和组合方式如下：对所述静平台框架平板的基准面上所使用的定位孔、所述扩展件的数量、所述驱动支链组件的驱动方式及定长杆长度、所述动平台中所使用的定位孔进行选择，确定满足了并联机器构型及尺度的需求后，所述静平台框架平板的基准面与所述扩展件通过相应的定位孔进行连接，所述扩展件与所述实现伸缩式驱动的支链的一个角度变换模块通过相应的定位孔连接，或与所述实现滑块式驱动的支链的直线驱动单元通过相应的定位孔连接，所述实现伸缩式驱动的支链的另一个角度变换模块或与所述实现滑块式驱动的支链的另一个空余的角度变换模块与所述动平台相应的定位孔相连接，所述末端执行器部件与动平台连接；所述数控系统与所述支链的直线驱动单元模块中的电机连接。
本发明所述可重构并联机器的结构可以快速从一种构型及尺度的并联机器转换成另一种构型及尺度的并联机器。
本发明所述可重构并联机器的扩展件数量超过1个。
本发明所述可重构并联机器的支链的数量在3-6之间。
本发明所述静平台框架组件的平板的基准面上定位孔所处不同直径的分布圆超过3个。
本发明所述一系列可实现伸缩及滑块驱动功能的驱动支链组件的不同长度的定长杆的规格数超过3个。
本发明所述一系列动平台数量超过3个，其上定位孔所处的分布圆直径均不同。
本发明所述数控系统具有开放式的控制结构。
本发明所述可重构并联机器装配中可只使用所述静平台框上平板或下平板的基准面上的接口，也可以使用所述静平台框上平板和下平板的基准面上的接口组合。
本发明可以根据工作需求，确定构型及尺度，再从元件库中选择适当的元件进行装配，配置出性能满足需求的并联机器；当工作需求发生变化时，可重新选择适当的元件及装配方式，重构出满足新的需求的并联机器，增加了装备的柔性，降低了成本，满足了并联机器可快速变化的需求。
附图说明
图1为本发明的一种构型及尺度的可重构并联机器示意图。
图2为本发明的另一种构型及尺度的可重构并联机器示意图。
图3为静平台框架组件的示意图。
图4为静平台框架的平板的示意图。
图5为扩展件的示意图。
图6为动平台的示意图。
图7为可重构并联机器数控系统的软件层次化结构图。
图8为实现伸缩轴驱动的模块组合的结构示意图。
图9为实现滑块驱动的模块组合的结构示意图。
图10为直线驱动单元示意图。
图11为工作台模块的接口示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步介绍本发明。
图1为本发明的一种构型及尺度的可重构并联机器示意图。其中1为静平台框架组件、2为扩展件、3为具有满足构型和尺度需求的定长杆长度的实现伸缩式驱动的驱动支链组件、4为动平台、5为末端操作器；其中静平台框架组件1中的平板上的基准面与扩展件2通过满足构型和尺度需求的定位孔进行连接；扩展件2与驱动支链组件3的一个可变安装角度模块通过满足构型和尺度需求的定位孔进行连接，驱动支链组件3的另一个可变安装角度模块或动平台4通过满足构型和尺度需求的定位孔进行连接，末端执行器部件5与动平台4连接；实现了6-SPS型并联机器的功能。
图2为本发明的另一种构型及尺度的可重构并联机器示意图。其中1为静平台框架组件、2为扩展件、3为具有满足构型和尺度需求的定长杆长度的实现滑块式驱动的驱动支链组件、4为动平台、5为末端操作器；其中静平台框架组件1中的平板上的基准面与扩展件2通过满足构型和尺度需求的定位孔进行连接；扩展件2上通过满足构型和尺度需求的定位孔与驱动支链组件3的直线驱动单元模块进行连接，驱动支链组件3的另一个空余的可变安装角度模块或动平台4的满足构型和尺度需求的定位孔相连接，末端执行器部件5与动平台4连接；实现了6-PSS型并联机器的功能。
图3为可重构并联机器静平台框架组件示意图。其中6和8为上下两个平台，7为支架。
图4为静平台框架的平板的示意图。其中散布在静平台框架的平板的基准面上的定位孔处于不同直径的分布圆以及直线上。
图5为扩展件的示意图。其中扩展件的两个端面均为基准面，具其上分布有定位孔。
图6为一系列动平台的示意图。其中一系列的动平台上定位孔所处分布圆均不同。
图7为可重构并联机器数控系统的软件层次化结构图，其中“虚实变换”模块储存为一个库，具有计算各种构型及尺度并联机器中所述的末端执行器输出点位移与并联机器中所述的驱动支链输入位移的逆解关系的功能，可以根据新的构型及尺度的并联机器被重用。
图8为实现伸缩轴驱动功能时，模块组合方式的结构示意图。其中31和35为两个相同的球铰副模块，36和40为两个相同的可变安装角度模块，37、38和39为三个相同的杆固定模块。当直线驱动单元模块3与其电机轴伸出方向相反的方向的一端依次连接杆固定模块7、球铰副模块35和位置固定的可变安装角度模块36，而在另一端通过丝杆螺母42与工作台模块34连接，工作台模块34通过其接口48依次连接杆固定模块38、套于丝杆上的定长杆模块32、杆固定模块39、球铰副模块31和可变安装角度模块40时，电机44驱动丝杆43推动丝杆螺母，则组成的模块化驱动支链结构可实现伸缩轴驱动功能。
图9为实现滑块驱动功能时，模块组合方式的结构示意图。其中31和35为两个相同的球铰副模块，36和40为两个相同的可变安装角度模块，37和38为两个相同的杆固定模块。当直线驱动单元模块33的支座41固定、其丝杆螺母42与工作台模块34连接，而工作台模块34沿垂直于直线驱动单元模块3的丝杆13方向的接口19依次连接可变安装角度模块36、球铰副模块35、杆固定模块38，定长杆模块32，杆固定模块37、球铰副31和可变安装角度模块40时，电机44驱动丝杆43推动丝杆螺母，则组成的模块化驱动支链结构可实现滑块驱动功能。
图10为直线驱动单元模块示意图。直线驱动单元模块主要由支座41、丝杆螺母42、丝杠43、驱动丝杠的电机44组成，其中支座在与电机轴伸出方向相反的方向的一端上有一段伸出杆。
图11为工作台模块的接口示意图。工作台模块34上具有三个接口：与丝杆螺母42的接口50、与可变安装角度模块的接口49以及与杆固定模块的接口48。
Claims (8)
1、一种构型及尺度可重构的并联机器，包括由静平台框架(1)、扩展件(2)、可实现伸缩轴驱动功能或滑块驱动功能的驱动支链(3)、动平台(4)、末端执行器部件(5)及数控系统，其特征在于，
所述静平台框架(1)由上下两个具有基准面的第一平板(6)和第二平板(8)以及支架(7)组成，所述第一平板(6)和第二平板(8)的基准面位于第一平板(6)和第二平板(8)靠并联机器的内侧，基准面上有定位孔，定位孔位于不同直径的分布圆以及直线上；
所述扩展件(2)两面均为基准面，且含有定位孔；
所述可实现伸缩轴驱动功能或滑块驱动功能的驱动支链(3)包括直线驱动单元模块(33)、工作台模块(34)、定长杆模块(32)、第一球铰副模块(31)、第二球铰副模块(35)、第一杆固定模块(37)、第二杆固定模块(38)、第三杆固定模块(39)以及第一可变安装角度模块(36)和第二可变安装角度模块(40)；所述直线驱动单元模块(33)包括支座(41)、丝杆螺母(42)、丝杠(43)及驱动丝杠的电机(44)，所述工作台模块(34)具有三个接口，分别为与所述丝杆螺母(42)的接口(50)、与所述第一或第二可变安装角度模块的接口(49)以及与所述第一或第二杆固定模块的接口(48)；所述第一球铰副模块(31)和第二球铰副模块(35)具有与第一杆固定模块(37)、第二杆固定模块(38)、第三杆固定模块(39)的接口；所述直线驱动单元模块中的支座(41)在其电机轴伸出方向相反的方向的一端上有一段伸出杆，这段杆的外径与所述定长杆模块(32)外径相同；
所述动平台(4)具有定位孔，不同的动平台(4)的定位孔处于不同直径的分布圆上，且定位孔规格与扩展件(2)上的相同；
所述数控系统具有计算各种构型及尺度并联机器中所述的末端执行器部件(5)输出点位移与并联机器中所述的驱动支链输入位移的逆解关系的模块，以及开放式的数控系统结构；
所述静平台框架(1)的第一平板(6)和第二平板(8)的基准面与所述扩展件(2)通过定位孔进行连接；
所述扩展件(2)与实现伸缩式驱动功能的可实现伸缩轴驱动功能的驱动支链(3)的第一可变安装角度模块(36)通过相应的定位孔连接，所述实现伸缩式驱动功能的驱动支链(3)的第二可变安装角度模块(40)与所述动平台(4)相应的定位孔相连接，
或者，
与实现滑块驱动功能的可实现滑块驱动功能的驱动支链(3)的直线驱动单元模块(33)通过相应的定位孔连接，所述实现滑块驱动功能的驱动支链(3)的第二可变安装角度模块(40)与所述动平台(4)相应的定位孔相连接；
所述末端执行器部件(5)与动平台(4)连接；所述数控系统与所述支链(3)的直线驱动单元模块(33)中的电机连接。
2、根据权利要求1所述的一种构型及尺度可重构的并联机器，其特征在于，所述实现伸缩式驱动功能的可实现伸缩轴驱动功能的驱动支链(3)模块的连接方式为：所述直线驱动单元模块(33)与其电机轴伸出方向相反的方向的一端依次连接第一杆固定模块(37)、第二球铰副模块(35)和位置固定的第一可变安装角度模块(36)；所述直线驱动单元模块(33)在另一端通过丝杆螺母(42)与工作台模块(34)连接，工作台模块(34)通过其接口(48)依次连接第二杆固定模块(38)、套于丝杆上的定长杆模块(32)、第三杆固定模块(39)、第一球铰副模块(31)和第二可变安装角度模块(40)。
3、根据权利要求1所述的一种构型及尺度可重构的并联机器，其特征在于，所述实现滑块驱动功能的可实现滑块驱动功能的驱动支链(3)模块的连接方式如下：所述直线驱动单元模块(33)的支座(41)固定，所述丝杆螺母(42)与工作台模块(34)连接；所述工作台模块(34)沿垂直于直线驱动单元模块(33)的丝杆方向的接口(49)依次连接第一可变安装角度模块(36)、第二球铰副模块(35)、第二杆固定模块(38)、定长杆模块(32)、第一杆固定模块(37)、第一球铰副模块(31)和第二可变安装角度模块(40)。
4、根据权利要求1所述的一种构型及尺度可重构的并联机器，其特征在于，所述扩展件(2)数量大于1个。
5、根据权利要求1所述的一种构型及尺度可重构的并联机器，其特征在于，所述可实现伸缩轴驱动功能或滑块驱动功能的驱动支链(3)的数量为3～6个。
6、根据权利要求1所述的一种构型及尺度可重构的并联机器，其特征在于，所述静平台框架(2)的第一平板(6)和第二平板(8)的基准面上定位孔所处不同直径的分布圆大于3个。
7、根据权利要求1所述的一种构型及尺度可重构的并联机器，其特征在于，所述定长杆模块(32)数量大于3个且长度不同。
8、根据权利要求1所述的一种构型及尺度可重构的并联机器，其特征在于，所述动平台(4)的数量大于3个，且动平台(4)上定位孔所处的分布圆直径均不同。
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