CN102626870B

CN102626870B - 一种具有单自由度铰链的三自由度并联主轴头

Info

Publication number: CN102626870B
Application number: CN2012101356048A
Authority: CN
Inventors: 谢福贵; 刘辛军; 汪劲松
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-05-03
Filing date: 2012-05-03
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2032-05-03
Also published as: CN102626870A

Abstract

本发明涉及一种具有单自由度铰链的三自由度并联主轴头，属于数控机床技术领域。包括一个安装执行器的动平台和定平台，连接所述动平台和定平台之间的具有相同结构的第一、第二支链，以及连接所述动平台和定平台之间的与第一、第二支链结构不同的第三支链，该第一、第二、第三支链均含有一个主动驱动的运动副；所述第一、第二、第三支链中的铰链均采用移动副或者转动副这种具有单一自由度形式的铰链组合而成；所述第一、第二和第三支链分别与定平台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，该空间并联闭环机构通过三个输入运动驱动动平台运动，实现一个移动自由度和两个转动自由度。该主轴头具有高灵活特性，且更容易保证精度和刚度。

Description

一种具有单自由度铰链的三自由度并联主轴头

技术领域

本发明属于数控机床技术领域,特别涉及一种具有单自由度铰链的模块化三自由度并联主轴头。

背景技术

并联机构是由多个支链构成的闭环机构，其自由度数最多为六，而自由度数少于六的并联机构被称为少自由度并联机构，三自由度并联机构则是其中最重要的一类。近年来，少自由度并联机构尤其是其中的三自由度并联机构越来越受到研究者的重视和青睐。一些三自由度并联机构已经在工业中得到了成功应用，如德国DS Technologie公司采用3-PRS三自由度并联机构研制了Sprint Z3并联主轴头。该主轴头作为ECOSPEED系列数控加工中心的一个模块，具有一个移动和两个转动自由度，实现了传统的A/B关节摆头（绕机床的X轴回转的坐标轴为A轴，绕机床的Y轴回转的坐标轴为B轴，一般把能够绕X轴和Y轴转动的主轴头称为A/B关节摆头）的功能。该类机构具有较灵活的转动能力，并具有运动学简单的特点。

在加工制造领域，铰链关节的精度和刚度已经成为影响机床整机性能的最主要因素之一，而在实际应用中复合铰链（如球铰及虎克铰等）的刚度和精度难以保证且成本高。相比之下，具有单一自由度形式的铰链（如移动副和转动副）加工制造容易、成本低，且容易保证较高的精度和刚度。因此，从原理构型上减少铰链数量、简化复合铰链是提高机床整机综合性能的行之有效的根本性措施。

发明内容

本发明的目的是为了满足典型复杂自由曲面零部件对现代加工设备的高灵活度需求，并克服现有加工设备中所采用复合铰链的精度和刚度难以保证的问题，提出具有单自由度铰链的三自由度并联主轴头。本发明的三自由度并联主轴头具有铰链数量少且仅采用移动副和转动副，转动能力高，能够实现A/B关节摆头的功能，具有较高的转动能力的优点。

本发明提出的一种具有单自由度铰链的三自由度并联主轴头，包括一个安装执行器的动平台和定平台，连接所述动平台和定平台之间的具有相同结构的第一、第二支链，以及连接所述动平台和定平台之间的与第一、第二支链结构不同的第三支链，该第一、第二、第三支链均含有一个主动驱动的运动副；其特征在于：所述第一、第二、第三支链中的铰链均采用移动副或者转动副这种具有单一自由度形式的铰链组合而成；所述第一、第二支链在同一平面内，所述第三支链的主动驱动输入方向与连接于滑块和连接件之间随动转动副的旋转轴线所构成的平面垂直于第一、第二支链所在平面；所述动平台的移动方向为主动驱动的输入方向，一个转动自由度的旋转轴线在第一、第二支链所在平面内且与第一、第二支链中连接动平台的两个随动转动副的旋转轴线重合，另一个转动自由度的旋转轴线与所述第三支链连接于滑块和连接件之间随动转动副的旋转轴线重合；所述第一、第二和第三支链分别与定平台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，该空间并联闭环机构通过三个输入运动驱动动平台运动，实现一个移动自由度和两个转动自由度。

本发明的特点及技术效果：

本发明的主轴头机构通过三个主动驱动的移动副驱动动平台运动，实现一个移动自由度和两个转动自由度，具有较高的灵活性，实现了A/B关节摆头功能的同时具有较高的转动能力，这是该机构的一个优点；鉴于单一自由度形式铰链加工制造相对容易、成本低且更容易保证刚度和加工精度，本发明采用单一自由度形式铰链构建运动学支链并建立原理构型，从根本上降低了基于该机构的机床设备的加工制造成本及难度，有利于机床设备的精度和刚度的进一步提高。

该主轴头机构具有以下优点：（1）具有高灵活特性；（2）更容易保证精度和刚度；（3）配合其它装置可实现对复杂自由曲面类零件的多轴联动数控加工。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明的一种具有单自由度铰链的三自由度并联主轴头结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的一种具有单自由度铰链的三自由度并联主轴头，包括一个安装执行器的动平台和定平台，连接所述动平台和定平台之间的三个支链，该第一、第二、第三支链均含有一个主动驱动的运动副；其特征在于，所述第一、第二、第三支链中的铰链均采用具有单一自由度形式的移动副或者转动副；所述第一、第二支链在同一平面内，所述第三支链的主动驱动输入方向与连接于滑块和连接件之间随动转动副的旋转轴线所构成的平面垂直于第一、第二支链所在平面；所述动平台的移动方向为主动驱动的输入方向，一个转动自由度的旋转轴线在第一、第二支链所在平面内且与第一、第二支链中连接动平台的两个随动转动副的旋转轴线重合，另一个转动自由度的旋转轴线与所述第三支链连接于滑块和连接件之间随动转动副的旋转轴线重合；所述第一、第二和第三支链分别与定平台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，该空间并联闭环机构通过三个输入运动驱动动平台运动，实现一个移动自由度和两个转动自由度。

本发明的并联主轴头，第一、第二和第三支链均为PRRR型运动支链。其中，P代表移动副，R代表转动副，且移动副P是主动驱动运动副。具体说明如下：

第一、第二支链包括：滑块、连杆、连接件以及运动副。所述运动副有四个，一个是连接于定平台和滑块之间的移动副P，一个是连接于滑块和连杆之间的转动副R，一个是连接于连杆和连接件之间的转动副R，另一个是连接于连接件和动平台之间的转动副R。其中，连接于定平台和滑块之间的移动副P是主动驱动的，连接于滑块和连杆之间的转动副R和连接于连杆和连接件之间的转动副R相互平行，连接于连杆和连接件之间的转动副R和连接于连接件和动平台之间的转动副R相互垂直，该支链为PRRR型运动支链。

第三支链包括：滑块、连接件、连杆以及运动副。所述运动副有四个，一个是连接于定平台和滑块之间的移动副P，一个是连接于滑块和连接件之间的转动副R、一个是连接于连接件和连杆之间的转动副R，另一个是连接于连杆和动平台之间的转动副R。其中，连接于定平台和滑块之间的移动副P是主动驱动的，连接于连杆与动平台之间的转动副R与连接于连接件与连杆之间的转动副R相互平行，该支链为PPRR型运动支链。

第三支链中连接于连接件与连杆之间的转动副R与第一、第二支链中连接于动平台与连接件之间的两个转动副R相互平行；第三支链中连接于滑块与连接件之间的转动副R与第一、第二支链中连接于连杆与连接件之间的两个转动副R相互平行。

实施例：

本实施例的一种具有单自由度铰链的三自由度并联主轴头的结构如图1所示，包括定平台13、定平台19、定平台110、动平台15以及第一、第二、第三支链，所述三条支链分别连接于定平台13、定平台19、定平台110和动平台15之间，并与定平台13、定平台19、定平台110和动平台15构成空间闭环机构。

所述第一支链为PRRR型运动支链，包括：滑块111、连杆112、连接件113以及运动副。所述运动副有四个，一个是连接于定平台110和滑块111之间的移动副P，一个是连接于滑块111和连杆112之间的转动副R，一个是连接于连杆112和连接件113之间的转动副R，另一个是连接于连接件113和动平台15之间的转动副R。其中，连接于定平台110和滑块111之间的移动副P是主动驱动的，连接于滑块111和连杆112之间的转动副R和连接于连杆112和连接件113之间的转动副R相互平行，连接于连杆112和连接件113之间的转动副R和连接于连接件113和动平台15之间的转动副R相互垂直。

所述第二支链为PRRR型运动支链，包括：滑块11、连杆12、连接件14以及运动副。所述运动副有四个，一个是连接于定平台13和滑块11之间的移动副P，一个是连接于滑块11和连杆12之间的转动副R，一个是连接于连杆12和连接件14之间的转动副R，另一个是连接于连接件14和动平台15之间的转动副R。其中，连接于定平台13和滑块11之间的移动副P是主动驱动的，连接于滑块11和连杆12之间的转动副R和连接于连杆12和连接件14之间的转动副R相互平行，连接于连杆12和连接件14之间的转动副R和连接于连接件14和动平台15之间的转动副R相互垂直。

所述第三支链为PRRR型运动支链，包括：滑块18、连接件17、连杆16以及运动副。所述运动副有四个，一个是连接于定平台19和滑块18之间的移动副P，一个是连接于滑块18和连接件17之间的转动副R、一个是连接于连接件17和连杆16之间的转动副R，另一个是连接于连杆16和动平台15之间的转动副R。其中，连接于定平台15和滑块18之间的移动副P是主动驱动的，连接于连杆16与动平台15之间的转动副R与连接于连接件17与连杆16之间的转动副R相互平行，该支链为PRRR型运动支链。

第三支链中连接于连接件17与连杆16之间的转动副R与第一、第二支链中连接于动平台15与连接件14、连接件113之间的两个转动副R相互平行；第三支链中连接于滑块18与连接件17之间的转动副R与第一、第二支链中连接于连杆12、连杆112与连接件14、连接件113之间的两个转动副R相互平行。

所述第一、第二和第三支链分别与定平台110、定平台13、定平台19、以及动平台15连接形成一个空间并联闭环机构，该空间并联闭环机构通过定平台110与滑块111、定平台13与滑块11、定平台19与滑块18之间的三个主动驱动移动副驱动动平台15运动，实现一个移动自由度和两个转动自由度。

Claims

1.一种具有单自由度铰链的三自由度并联主轴头，包括一个安装执行器的动平台和定平台，连接所述动平台和定平台之间的三个支链，该第一、第二、第三支链均含有一个主动驱动的运动副；其特征在于，所述第一、第二、第三支链中的铰链均采用具有单一自由度形式的移动副或者转动副；所述第一、第二支链结构相同，均包括：滑块、连杆、连接件以及运动副，所述运动副有四个，一个是连接于定平台和滑块之间的移动副（P），一个是连接于滑块和连杆之间的转动副（R），一个是连接于连杆和连接件之间的转动副（R），另一个是连接于连接件和动平台之间的转动副（R），其中，连接于定平台和滑块之间的移动副（P）是主动驱动的，连接于滑块和连杆之间的转动副（R）和连接于连杆和连接件之间的转动副（R）相互平行，连接于连杆和连接件之间的转动副（R）和连接于连接件和动平台之间的转动副（R）相互垂直，该支链为PRRR型运动支链；所述第三支链包括：滑块、连接件、连杆以及运动副，所述运动副有四个，一个是连接于定平台和滑块之间的一个移动副（P），一个是连接于滑块和连接件之间的转动副（R）、一个是连接于连接件和连杆之间的转动副（R），另一个是连接于连杆和动平台之间的转动副（R），其中，连接于定平台和滑块之间的移动副（P）是主动驱动的，连接于连杆与动平台之间的转动副（R）与连接于连接件与连杆之间的转动副（R）相互平行，该支链为PRRR型运动支链；所述第一、第二支链在同一平面内，所述第三支链的主动驱动输入方向与第三支链中连接于滑块和连接件之间随动转动副的旋转轴线所构成的平面垂直于第一、第二支链所在平面；所述第三支链中连接于连接件与连杆之间的转动副（R）与第一、第二支链中连接于动平台与连接件之间的两个转动副（R）相互平行；所述第三支链中连接于滑块与连接件之间的转动副（R）与第一、第二支链中连接于连杆与连接件之间的两个转动副（R）相互平行；所述动平台的移动方向为主动驱动的输入方向，动平台的一个转动自由度的旋转轴线在第一、第二支链所在平面内且与第一、第二支链中连接动平台的两个随动转动副的旋转轴线重合，动平台的另一个转动自由度的旋转轴线与所述第三支链中连接于滑块和连接件之间随动转动副的旋转轴线重合；所述第一、第二和第三支链分别与定平台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，该空间并联闭环机构通过三个输入驱动动平台运动，实现一个移动自由度和两个转动自由度。