CN101774130A - 冗余驱动串并联三轴转台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种冗余驱动串并联三轴转台。该串并联转台由基平台(1)、中平台(2)、上平台(5)、分布周围的四个驱动分支和中间约束分支组成；中间约束分支固连于中平台(2)上并通过第五万向铰(U₅)与上平台(5)连接，中平台(2)、上平台(5)、中间约束分支和驱动分支构成具有冗余驱动的两轴转动并联平台；基平台(1)通过第一转动副(R₁)与两轴转动并联平台串联，构成了冗余驱动串并联三轴转台。本发明具有结构简单对称、可承受重载、工作空间内的性能差异小等特点。

Description

冗余驱动串并联三轴转台

技术领域

本发明属于多轴运动平台领域，特别涉及一种冗余驱动串并联三轴转动平台。

背景技术

近年来，随着机构学与控制技术的发展，多轴运动平台在许多领域开始得到越来越广泛的应用。三轴转动平台在国防民用等许多领域有广泛的应用需求，可作为稳定平台、运动模拟器和机床加工辅助工作台等。与平移机构及移转机构相比，具有三轴转动的机构类型相对较少。目前应用最多的三轴转动平台构型是三轴串联框型转台，其由伺服电机直接三个转轴，控制简单精度高，但由于载荷直接作用于三个转轴，伺服电机需有很大的输出扭矩才能克服偏载力矩，因此难以实现重载。三轴转动平台中球面3-RRR(R表示转动副)机构为全对称并联构型，但由于其要求所有转动副轴线汇交于转动中心，而对加工和装配精度要求很高，运动时容易发生卡死现象，且由于刚度低而难以承受重载；并联3-SPS/S(S球铰，P移动副)机构，中间约束分支含有一个球铰，采用三个移动副作为输驱动，使上平台能够实现绕三轴转动，具有系统刚度大可承受重载等优点，但由于三个驱动分支与中间分支共面时机构奇异，上平台要实现绕垂直上平台的轴转动时需要较大的驱动力，甚至由于奇异而不能实现绕该轴的转动，工作空间内各位置性能不一致。由此可见，现有三轴转动平台机构，存在结构不对称、刚度低和难以承受重载，及载荷大时动态响应差等问题。目前，随着装备的大型化，对重载高动态响应大型三轴转动平台需求越来越多，但上述三轴转台难以满足性能要求。

发明内容

本发明提出一种冗余驱动串并联三轴转台，它将并联机构和串联机构有机的结合起来，可实现绕三个轴的转动，通过采用冗余驱动分支，构成结构完全对称的串并联三轴转动平台，实现了全对称、高刚度、能够承受重载甚至超重载三轴联动。

本发明所采用的技术方案为：一种冗余驱动串并联三轴转台，包括基平台、中平台、上平台、分布周围的四个驱动分支和中间约束分支，中间约束分支固连于中平台上并通过第五万向铰与上平台连接，中平台、上平台、中间约束分支和驱动分支构成具有冗余驱动的两轴转动并联平台，基平台通过第一转动副与两轴转动并联平台串联，构成了冗余驱动串并联三轴转台。

所述中间约束分支中的第五万向铰连接上平台的转动副轴线与上平台的台面平行；所述中间约束分支中的第五万向铰连接中间支撑杆的转动副轴线与第一转动副轴线垂直；所述四个驱动分支，每个驱动分支包括缸筒和连杆，所述缸筒和连杆通过移动副连接，所述缸筒与中平台通过上运动副连接，所述连杆与上平台通过下运动副连接。

本发明所涉及的上运动副为上万向铰，下运动副为下球铰。

本发明所涉及的上运动副还可以为上万向铰，下运动副还可以为两相对设置的球铰以及另两相对设置的第二转动副和第三转动副。

另外，本发明的优选方式还可以是，所述上运动副中相对的两个万向铰中连接上平台的转动副的轴线与第五万向铰连接上平台的转动副的轴线共线。

以上各种实施方式中涉及的第二转动副的轴线、第三转动副的轴线、万向铰连接支撑杆的转动副轴线、万向铰连接与连杆的转动副轴线、万向铰连接与连杆的转动副轴线彼此之间互相平行。

本发明提供的冗余驱动串并联三轴转台，充分利用了串联机构和并联机构的结构特点，具有工作空间大、结构对称刚度高，动态响应快等优点。中间约束分支和四周分支与上平台连接的运动副均采用万向铰，与球铰相比有较大的转动范围；采用四个对称分布的移动副冗余驱动两轴转动并联平台，能够使上平台承受重载甚至是超重载；当具体实施采用第四转动副和第五转动副与第五万向铰的加长十字梁连接时，既实现了第一上万向铰和第三上万向铰的功能，又增大了机构的结构刚度、使力传递性能更好。本发明具有结构简单对称、在其工作空间内的性能稳定、能够承受重载和较高的动态响应性能等优点，在需要三个转动自由度的一些领域有很好的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步详细具体的说明。

图1是冗余驱动串并联三轴转台的实施例1的结构示意图；

图2是冗余驱动串并联三轴转台的实施例2的结构示意图；

图3是加长十字梁的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的冗余驱动串并联三轴转台如图1所示，该串并联转台由基平台1、中平台2、上平台5、分布周围的四个驱动分支和中间约束分支组成。所述中间约束分支固连于中平台2上并通过第五万向铰U₅与上平台5连接，第五万向铰U₅连接上平台5的转动副轴线与上平台5的台面平行，第五万向铰U₅连接中间支撑杆6的转动副轴线与第一转动副R₁轴线垂直；所述四个驱动分支均由缸筒3和连杆4组成，缸筒3和连杆4通过移动副连接，缸筒3与中平台2通过上万向铰(即第一上万向铰U₁、第二上万向铰U₂、第三上万向铰U₃和第四上万向铰U₄)连接，连杆4与上平台5通过下球铰(即第一下球铰S₁、第二下球铰S₂、第三下球铰S₃和第四下球铰S₄)连接；中平台2、上平台5、中间约束分支和驱动分支构成具有冗余驱动的两轴转动并联平台。基平台1通过第一转动副R₁与两轴转动并联平台串联，构成了冗余驱动串并联三轴转台。

实施例2

本实施例的冗余驱动串并联三轴转台如图2所示，该串并联转台由基平台1、中平台2、上平台5、分布周围的四个驱动分支和中间约束分支组成。所述中间约束分支固连于中平台2上并通过第五万向铰U₅与上平台5连接，第五万向铰U₅连接上平台5的转动副轴线与上平台5的台面平行，第五万向铰U₅连接中间支撑杆6的转动副轴线与第一转动副R₁轴线垂直；所述四个驱动分支均由缸筒3和连杆4组成，缸筒3和连杆4通过移动副连接，其中两个对称设置分支的连杆4通过第二上万向铰U₂和第四上万向铰U₄与上平台5连接，另外两个对称设置分支的连杆4通过第四转动副R₄和第五转动副R₅与第五万向铰U₅的加长十字梁7(如图3所示)连接；这样连接不仅实现了两相对设置分支的连杆4通过第一上万向铰U₁和第三上万向铰U₃与上平台同样的连接效果，而且保证了第一上万向铰U₁和第三上万向铰U₃中连接上平台的转动副的轴线与第五万向铰U₅连接上平台的转动副的轴线共线；连杆4通过第四转动副R₄和第五转动副R₅与第五万向铰U₅的加长十字梁7连接的两个分支的缸筒(3)，通过第二转动副R₂和第三转动副R₃连接与中平台连接；另两个对称设置分支的缸筒(3)通过第二下球铰S₂和第四下球铰S₄与中平台连接；中平台2、上平台5、中间约束分支和驱动分支构成具有冗余驱动的两轴转动并联平台。基平台1通过第一转动副R₁与两轴转动并联平台串联，构成了冗余驱动串并联三轴转台。

Claims (8)

1.一种冗余驱动串并联三轴转台，其特征在于：包括基平台(1)、中平台(2)、上平台(5)、分布周围的四个驱动分支和中间约束分支，中间约束分支固连于中平台(2)上并通过第五万向铰(U₅)与上平台(5)连接，中平台(2)、上平台(5)、中间约束分支和驱动分支构成具有冗余驱动的两轴转动并联平台，基平台(1)通过第一转动副(R₁)与两轴转动并联平台串联，构成了冗余驱动串并联三轴转台。

2.根据权利要求1所述的冗余驱动串并联三轴转台，其特征在于：所述中间约束分支中的第五万向铰(U₅)连接上平台(5)的转动副轴线与上平台(5)的台面平行。

3.根据权利要求1或2所述的冗余驱动串并联三轴转台，其特征在于：所述中间约束分支中的第五万向铰(U₅)连接中间支撑杆(6)的转动副轴线与第一转动副(R₁)轴线垂直。

4.根据权利要求3所述的冗余驱动串并联三轴转台，其特征在于：所述四个驱动分支，每个驱动分支包括缸筒(3)和连杆(4)，所述缸筒(3)和连杆(4)通过移动副连接，所述缸筒(3)与中平台(2)通过上运动副连接，所述连杆(4)与上平台(5)通过下运动副连接。

5.根据权利要求4所述的冗余驱动串并联三轴转台，其特征在于：所述上运动副为上万向铰(U₁、U₂、U₃和U₄)，所述下运动副为下球铰(S₁、S₂、S₃和S₄)。

6.根据权利要求4所述的冗余驱动串并联三轴转台，其特征在于：所述上运动副为上万向铰(U₁、U₂、U₃和U₄)，所述下运动副为两相对设置的球铰(S₂和S₄)以及另两相对设置的第二转动副(R₂)和第三转动副(R₃)。

7.根据权利要求6所述的冗余驱动串并联三轴转台，其特征在于：所述上运动副中相对的两个万向铰(U₁和U₃)中连接上平台的转动副的轴线与第五万向铰(U₅)连接上平台的转动副的轴线共线。

8.根据权利要求6或7所述的冗余驱动串并联三轴转台，其特征在于：所述第二转动副(R₂)的轴线、第三转动副(R₃)的轴线、万向铰(U₅)连接支撑杆(6)的转动副轴线、万向铰(U₁)连接相应分支连杆(4)的转动副轴线、万向铰(U₃)连接相应分支连杆(4)的转动副轴线彼此之间互相平行。

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