CN103231254B - 具有双运动平台的冗余驱动三自由度并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有双运动平台的冗余驱动三自由度并联机构。目的是提供的机构应具有运动学模型简单，易于标定控制以及便于制造安装的特点。技术方案是：具有双运动平台的冗余驱动三自由度并联机构，包括上下平台、机架以及四个独立可伸缩的调整分支；其特征在于：移动副均包括与导轨滑动配合的滑块；所述移动副的驱动装置是电机带动的丝杠机构，其中含有通过螺纹配合结构驱动滑块的丝杠，导轨轴线与丝杠轴线均垂直于地面。

Description

具有双运动平台的冗余驱动三自由度并联机构
技术领域
本发明涉及一种机床和工业机器人的执行机构，尤其是具有双运动平台的冗余驱动三自由度并联机构。
背景技术
少自由度并联机构的自由度少于6，具有结构简单、高精度、工作空间较大、控制简便等特性。由于存在这些优势，少自由度并联机构在机械加工、医疗器械等工业领域有了非常广泛的应用。其中三自由度并联机构是少自由度并联机构研究的热点。现如今在并联机床应用领域中，使用较多的是具有绕空间两个方向的转动和沿一个方向移动的三自由度[PP]S类并联机构，如德国DSTechnologie机床公司推出的以3-PRS并联机构为基础的Z3(WO2000025976)主轴头和Karl-Erik Neumann先生提出的并联部分是2-UPR-SPR的Exechon机床(WO2006054935)。
但是z3主轴头的3-PRS并联机构的两条转动轴线随着动平台位姿的变化而变化，对于机构实际的运动标定和控制产生了不便之处。2-UPR-SPR并联机构存在球铰，增加了制造上的难度，精度也不易控制。且不管是3-PRS还是2-UPR-SPR的分支数都是3条，是非冗余驱动并联机构，使得机构的刚度和承载性能都有所下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述背景技术的不足，提供一种不含球铰链的两转一移三自由度冗余驱动并联机构；该机构应具有运动学模型简单，易于标定控制以及便于制造安装的特点。
本发明采用的技术方案是：
具有双运动平台的冗余驱动三自由度并联机构，包括上下平台、机架以及并联连接在上下平台与机架之间的四个独立可伸缩的调整分支；这四个分支中：
第一分支由依序连接在机架(1)至下平台(35)之间的第一分支移动副、第一分支第一转动副、第一分支第一连杆、第一分支第二转动副、第一分支第二连杆和第一分支万向铰组成；
第二分支由依序连接在机架至上平台之间的第二分支移动副、第二分支第一转动副、第二分支第一连杆、第二分支第二转动副、第二分支第二连杆和第二分支万向铰组成；
第三分支由依序连接在机架至下平台之间的第三分支移动副、第三分支第一转动副、第三分支第一连杆、第三分支第二转动副、第三分支第二连杆和第三分支万向铰组成；
第四分支由依序连接在机架至上平台之间的第四分支移动副、第四分支第一转动副、第四分支第一连杆、第四分支第二转动副、第四分支第二连杆和第四分支万向铰组成；
第一分支、第二分支、第三分支以及第四分支按顺时针方向环绕均布在上平台的周向；
其特征在于：所述四个分支中的移动副均包括与导轨滑动配合的滑块；所述四个分支中移动副的驱动装置是电机带动的丝杠机构，其中配有通过螺纹配合结构驱动滑块的丝杠，导轨轴线与丝杠轴线均垂直于地面；
固结在机架上的第一分支丝杠的轴线和固结在机架上的第三分支丝杠的轴线共面；固结在机架上的第二分支丝杠的轴线和固结在机架上的第四分支丝杠的轴线共面；且第一分支丝杠的轴线和第三分支丝杠的轴线组成的平面垂直于第二分支丝杠的轴线和第四分支丝杠的轴线组成的平面；在第一分支中，与第一滑块铰接的第一分支第一转动副轴线平行于第一分支第二转动副轴线，且垂直于第一分支丝杠轴线，第一分支万向铰的一条转动轴线与铰接第一分支第二连杆的轴线共线，另一条轴线垂直于下平台的平面；在第二分支中，与第二滑块铰接的第二分支第一转动副轴线平行于第二分支第二转动副轴线，且垂直于第二分支丝杠轴线，第二分支万向铰的一条转动轴线与铰接第二分支第二连杆的轴线共线，另一条轴线垂直于上平台的平面；在第三分支中，与第三滑块铰接的第三分支第一转动副轴线平行于第三分支第二转动副轴线，且垂直于第三分支丝杠轴线，第三万向铰的一条转动轴线与铰接第三分支第二连杆的轴线共线，另一条轴线垂直于下平台的平面；在第四分支中，与第四滑块铰接的第四分支第一转动副轴线平行于第四分支第二转动副轴线，且垂直于第四分支丝杠轴线，第四分支万向铰的一条转动轴线与铰接第四分支第二连杆的轴线共线，另一条轴线垂直于上平台的平面；上下平台通过螺柱和法兰固结为一体。
所述四个分支中的移动副均是主动副。
所述的铰接均采用铰接轴与铰接孔配合的铰接结构。
在于所述下平台上配置有一个电机，电机转轴上安装一个刀具主轴头，主轴头轴线垂直于下平台平面。
本发明的有益效果是：该三自由度机构具有两条垂直交错的转轴，两转轴的空间相对位置不变，且不含球铰，运动学模型简单，易于控制模型的建立和运动标定，便于制造安装。另外增加了第四分支，整个机构使用了冗余驱动的方式，提高了机构的刚度和承载能力，可用于并联机床场合。
附图说明
图1是本发明实施例的主视结构示意图。
图2是本发明实施例的左视结构示意图。
图3是本发明实施例的立体结构示意图一。
图4是图3中的A部放大结构示意图。
图5是本发明实施例的立体结构示意图二。
图6是图5中的B部放大结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示的实施例进一步说明。
图1和图2所示，机构的四个分支呈两两对称分布(第一分支、第二分支、第三分支以及第四分支按顺时针方向环绕均布在上平台的周向，或者按逆时针方向环绕均布在上平台的周向)。四个分支中的导轨及丝杠均安装在机架上，其轴线均垂直于地面。第一分支的第一滑块6与导轨滑动配合，且由第一分支丝杠2通过螺纹结构(滑块上制有与丝杠螺纹相适合的螺母；以下同)驱动，第一滑块6和连杆14通过第一分支第一转动副10连接，连杆14和连杆22通过第一分支第二转动副18连接，连杆22和下平台35通过万向铰26连接。第二分支的第二滑块7与导轨滑动配合，且由第二分支丝杠3通过螺纹配合结构驱动，第二滑块7和连杆15通过第二分支第一转动副11连接，连杆15和连杆23通过第二分支第二转动副19连接，连杆23和上平台30通过万向铰28连接。第三分支的第三滑块8与导轨滑动配合，且由第三分支丝杠4通过螺纹结构驱动，第三滑块8和连杆16通过第三分支第一转动副12连接，连杆16和连杆24通过第三分支第二转动副20连接，连杆24和下平台35通过万向铰27连接。第四分支的第四滑块9与导轨滑动配合，且由第四分支丝杠5通过螺纹结构驱动，第四滑块9和连杆17通过第四分支第一转动副13连接，连杆17和连杆25通过第四分支第二转动副21连接，连杆25和上平台30通过万向铰28连接。其中，第一分支第一转动副10、第三分支第一转动副12、第一分支第二转动副18、第三分支第二转动副20的轴线互相平行，且垂直于第一分支丝杠2和第三分支丝杠4。第二分支第一转动副11、第四分支第一转动副13、第二分支第二转动副19、第四分支第二转动副21的轴线互相平行，且垂直于第二分支丝杠3和第四分支丝杠5的轴线。万向铰26的一条轴线垂直于下平台平面，另一条轴线与连杆22的轴线共线(平行于下平台平面)，且和万向铰27的一条轴线共线。万向铰27的一条轴线垂直于下平台平面，另一条轴线与连杆24的轴线共线(平行于下平台平面)。万向铰28的一条轴线垂直于上平台平面，另一条轴线与连杆23和连杆25的轴线共线。上下平台连接有四个螺柱，第一螺柱31.1的一端通过第一法兰31.2与上平台连接，另一端通过第二法兰31.3与下平台连接。第二螺柱32.1的一端通过第三法兰32.2与上平台连接，另一端通过第四法兰32.3与下平台连接。第三螺柱33.1的一端通过第五法兰33.2与上平台连接，另一端通过第六法兰33.3与下平台连接。第四螺柱34.1的一端通过第七法兰34.2与上平台连接，另一端通过第八法兰34.3与下平台连接。在下平台上配置一个电机36，由该电机带动刀具主轴头。整个机构采用四个伺服电机分别驱动四条分支的丝杠，即四个移动副就是主运动副，最后带动刀具37进行空间三自由度运动。

Claims (4)

1.具有双运动平台的冗余驱动三自由度并联机构，包括上下平台、机架以及并联连接在上下平台与机架之间的四个独立可伸缩的调整分支；这四个分支中：
第一分支由依序连接在机架(1)至下平台(35)之间的第一分支移动副、第一分支第一转动副、第一分支第一连杆、第一分支第二转动副、第一分支第二连杆和第一分支万向铰组成；
第二分支由依序连接在机架至上平台之间的第二分支移动副、第二分支第一转动副、第二分支第一连杆、第二分支第二转动副、第二分支第二连杆和第二分支万向铰组成；
第三分支由依序连接在机架至下平台之间的第三分支移动副、第三分支第一转动副、第三分支第一连杆、第三分支第二转动副、第三分支第二连杆和第三分支万向铰组成；
第四分支由依序连接在机架至上平台之间的第四分支移动副、第四分支第一转动副、第四分支第一连杆、第四分支第二转动副、第四分支第二连杆和第四分支万向铰组成；
第一分支、第二分支、第三分支以及第四分支按顺时针方向环绕均布在上平台的周向；
其特征在于：所述四个分支中的移动副均包括与导轨滑动配合的滑块；所述四个分支中移动副的驱动装置是电机带动的丝杠机构，其中配有通过螺纹配合结构驱动滑块的丝杠，导轨轴线与丝杠轴线均垂直于地面；
固结在机架上的第一分支丝杠(2)的轴线和固结在机架上的第三分支丝杠(4)的轴线共面；固结在机架上的第二分支丝杠(3)的轴线和固结在机架上的第四分支丝杠(5)的轴线共面；且第一分支丝杠的轴线和第三分支丝杠的轴线组成的平面垂直于第二分支丝杠的轴线和第四分支丝杠的轴线组成的平面；在第一分支中，与第一滑块(6)铰接的第一分支第一转动副(10)轴线平行于第一分支第二转动副(18)轴线，且垂直于第一分支丝杠轴线，第一分支万向铰(26)的一条转动轴线与铰接第一分支第二连杆(22)的轴线共线，另一条轴线垂直于下平台的平面；在第二分支中，与第二滑块(7)铰接的第二分支第一转动副(11)轴线平行于第二分支第二转动副(19)轴线，且垂直于第二分支丝杠(3)轴线，第二分支万向铰(28)的一条转动轴线与铰接第二分支第二连杆(23)的轴线共线，另一条轴线垂直于上平台的平面；在第三分支中，与第三滑块(8)铰接的第三分支第一转动副(12)轴线平行于第三分支第二转动副(20)轴线，且垂直于第三分支丝杠(4)轴线，第三万向铰(27)的一条转动轴线与铰接第三分支第二连杆(24)的轴线共线，另一条轴线垂直于下平台的平面；在第四分支中，与第四滑块(9)铰接的第四分支第一转动副(13)轴线平行于第四分支第二转动副(21)轴线，且垂直于第四分支丝杠(5)轴线，第四分支万向铰(28)的一条转动轴线与铰接第四分支第二连杆(25)的轴线共线，另一条轴线垂直于上平台的平面；上下平台通过螺柱和法兰固结为一体。
2.根据权利要求1所述的具有双运动平台的冗余驱动三自由度并联机构，其特征在于所述四个分支中的移动副均是主动副。
3.根据权利要求2所述的具有双运动平台的冗余驱动三自由度并联机构，其特征在于所述的铰接均采用铰接轴与铰接孔配合的铰接结构。
4.根据权利要求3所述的具有双运动平台的冗余驱动三自由度并联机构，其特征在于所述下平台上配置有一个电机(36)，电机转轴上安装一个刀具主轴头，主轴头轴线垂直于下平台平面。
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