CN103273356A - 一种基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置,属于数控装置制造技术领域。包括一个动平台、定平台、工作台、第一、第二支链以及串联传动链;该装置还包含一个含有双驱动的第三支链,该支链中有两个运动副是被驱动的,该第三支链连接于动平台和定平台之间;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,通过四个输入运动驱动动平台运动,实现两个移动自由度和两个转动自由度;所述空间并联闭环机构与工作台、以及连接于工作台和定平台之间的串联传动链构成一个多轴联动混联装置,该混联装置可实现至少五轴多达七轴的联动控制。通过三个支链的结构形式实现四个自由度的输出运动,具有良好的加工柔性。
Description
技术领域
本发明属于机械制造领域,特别涉及一种能够应用于数控装置制造领域的基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置。
背景技术
并联机构是指由两个或多个运动学支链构成的闭环并能够控制终端实现一定输出运动的机构,相对于传统的串联机构具有以下优点:结构紧凑、刚度高、单位重量上承载能力大、运动部件质量小、易于实现高速运动等。这些优点在一定程度上弥补了传统串联机构的不足。近年来,少自由度并联机构(自由度数少于六自由度的并联机构)由于容易实现较大工作空间(尤其是转动工作空间)、便于模块化、运动学简单、具有解耦或者部分解耦的特性而越来越受到研究者的重视和青睐,四自由度并联机构是少自由度并联机构中非常重要的一类。
在机械加工领域,现代零部件的设计和加工工艺越来越复杂,且空间自由曲面类零部件已广泛应用于各个重点关键领域,如航空航天、汽车、船用螺旋桨、涡轮叶片等。此类应用对加工工艺以及现代制造加工设备的性能提出了更高的需求。简而言之,现代加工设备应具有更好的加工柔性、转动灵活性以及更高的加工效率。为了满足以上加工应用需求,结合了串联装置和并联装置优点的混联装置在工业中取得了相对广泛的应用,此类装置兼具串联装置工作空间大以及并联装置结构紧凑、动态响应特性好、易于实现高速运动等优点,更适合应用于空间自由曲面类零部件的高速切削加工,这些优点也使得混联装置在机械制造领域中具有广泛的应用前景。
一些基于少自由度并联机构的混联装置已经在工业中得到了成功应用。如应用在航空结构件加工领域的Tricept五轴混联加工中心、Exechon五轴混联加工中心以及由德国DSTechnology公司研制的基于Sprint Z3三自由度并联主轴头的Ecospeed五轴混联加工中心等。这种结构紧凑、运动学简洁的少自由度并联机构更容易实现控制,并可实现更高的精度和运动速度,同时具有较大的工作空间以及较好的转动灵活性,以上优点使得基于少自由度并联机构的混联装置成为了领域内的研究热点。
基于该混联构型的概念设计,为了获得更好的加工柔性,现代加工设备应具备至少五轴联动的加工能力,而其中的五轴联动或多于五轴联动的装置更是各个重点行业急需的关键制造装置;为了获得更好的转动灵活性,加工设备应具备至少两轴联动的转动输出能力;为了实现更高的加工效率,加工设备应具有良好的动态响应特性并能够实现高速运动。鉴于此,本发明提出了一种基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置,能够实现至少五轴多达七轴的联动控制。
发明内容
本发明的目的是为现代加工设备提供更好的原理构型及解决方案,提出一种基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置。本发明提出的基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置可实现至少五轴多达七轴的联动控制。
本发明提出的一种基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置,包括一个安装执行器的动平台和定平台一个安装被加工工件的工作台,以及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,连接于工作台和定平台之间的串联传动链;该第一、第二支链均含有一个主动驱动的运动副,该串联传动链含有至少一个多达三个主动驱动的运动副;其特征在于:该装置还包括一个含有双驱动的第三支链,该支链中有两个运动副是被驱动的,该第三支链连接于动平台和定平台之间;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四个输入运动驱动动平台运动,实现两个移动自由度和两个转动自由度;所述空间并联闭环机构与工作台、以及连接于工作台和定平台之间的串联传动链构成一个多轴联动混联装置,该混联装置可实现至少五轴多达七轴的联动运动。
本发明的特点及技术效果
本发明的基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置,其中的四自由度并联机构采用三个支链的结构形式构成空间四自由度闭环机构,通过四个输入驱动动平台运动,实现两个移动自由度和两个转动自由度,采用三个支链的结构形式实现四个自由度的输出运动是该机构区别于其它同类机构的一个显著特点,其动平台可实现较大的转动输出能力是该机构的一个突出优点,在该四自由度并联机构的基础上提出的,通过采用混联的结构形式获得了至少五轴多达七轴的联动控制,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1的结构示意图。
图2为本发明实施例2的结构示意图。
图3为本发明实施例3的结构示意图。
图4为本发明实施例4的结构示意图。
具体实施方式
本发明的一种基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置结合附图及实施例详细说明如下:
本发明提出的一种基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置,包括一个安装执行器的动平台和定平台一个安装被加工工件的工作台,以及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,连接于工作台和定平台之间的串联传动链;该第一、第二支链均含有一个主动驱动的运动副,该串联传动链含有至少一个多达三个主动驱动的运动副;其特征在于:该装置还包含一个含有双驱动的第三支链,该支链中有两个运动副是被驱动的,该第三支链连接于动平台和定平台之间;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四个输入运动驱动动平台运动,实现两个移动自由度和两个转动自由度;所述空间并联闭环机构与工作台、以及连接于工作台和定平台之间的串联传动链构成一个多轴联动混联装置,该混联装置可实现至少五轴多达七轴的联动运动。
本发明的基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置,第一、第二支链可以是PRRR型或PRU型或PRS型运动支链,第三支链为PPRS型运动支链。其中,P代表移动副,R代表转动副,U代表虎克铰,S代表球铰,且移动副P是驱动运动副。第一、第二支链在同一平面内,且第三支链所在平面与第一、第二支链所在平面垂直,具体说明如下:
第一、第二支链包括:滑块、连杆、U型架以及运动副。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U型架之间的转动副(R),另一个是连接于U型架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)是被驱动的,连接于连杆和U型架之间的转动副(R)和连接于U型架和动平台之间的转动副(R)是相互垂直的,且这两个转动副可由一个虎克铰(U)或者一个球铰(S)代替,该支链为PRRR型运动支链或PRU型运动支链或PRS型运动支链。
第三支链包括:滑台、滑块、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台之间的移动副(P),一个是连接于滑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),另一个是连接于连杆和动平台之间的球铰(S)。其中,连接于定平台和滑台之间的移动副(P)和连接于滑台和滑块之间的移动副(P)是被驱动的,该支链为PPRS型运动支链。
串联传动链可只包括一个运动副。所述运动副是连接于定平台和工作台之间的移动副(P),且该移动副(P)是被驱动的。
串联传动链也可包括:转台以及运动副。所述运动副有两个,一个是连接于定平台和转台之间的移动副(P),一个是连接于转台和工作台之间的转动副(R),且该移动副(P)和转动副(R)均是被驱动的。
串联传动链还可包括:转台、驱动台以及运动副。所述运动副有三个,一个是连接于定平台和驱动台之间的移动副(P),一个是连接于驱动台和转台之间的移动副(P),一个是连接于转台和工作台之间的转动副(R),且该两个移动副(P)和一个转动副(R)均是被驱动的。
实施例1:
本实施例的一种基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置的结构如图1所示,包括定平台11、定平台12、定平台17、定平台110、动平台14及第一、第二、第三支链,所述三条支链分别连接于定平台12、定平台17、定平台110和动平台14之间,并与该定平台12、定平台17、定平台110和动平台14构成空间闭环机构。
所述第一、第二支链为PRRR型运动支链,包括滑块113、滑块19、连杆114、连杆111、U型架112及运动副。所述的运动副有四个,一个是连接于定平台12、定平台110和滑块113、滑块19之间的移动副(P),一个是连接于滑块113、滑块19和连杆114、连杆111之间的转动副(R),一个是连接于连杆114、连杆111和U型架112之间的转动副(R),另一个是连接于U型架112和动平台14之间的转动副(R)。连接于定平台12、定平台110和滑块113、滑块19之间的移动副(P)是被驱动的,且呈对称布置,运动方向相互平行。连接于连杆114、连杆111和U型架112之间的转动副(R)和连接于U型架112和动平台14之间的转动副(R)相互垂直。
所述第三支链为PPRS型运动支链,包括:滑台16、滑块18、连杆15以及运动副。所述运动副有四个,一个是连接于定平台17和滑台16之间的移动副(P),一个是连接于滑台16和滑块18之间的移动副(P),一个是连接于滑块18和连杆15之间的转动副(R),另一个是连接于连杆15和动平台14之间的球铰(S)。其中,连接于定平台17和滑台16之间的移动副(P)是被驱动的,移动方向平行于连接于定平台12、定平台110和滑块113、滑块19之间的移动副方向;连接于滑台16和滑块18之间的移动副(P)是被驱动的,移动方向垂直于连接于定平台12、定平台110和滑块113、滑块19之间的移动副方向且平行于它们所在的平面;
所述串联传动链包括工作台13和运动副。所述运动副只有一个,且是连接于定平台11和工作台13之间的移动副(P),且该移动副(P)是被驱动的。
该混联装置可实现三个移动自由度和两个转动自由度的五轴联动控制。
实施例2:
本实施例的一种基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置的结构如图2所示,该多轴联动混联装置与实施例1的不同之处在于:所述串联传动链包括工作台32、转台31和运动副。所述运动副有两个,一个是连接定平台33和转台31之间的移动副(P),一个是连接转台31和工作台32之间的转动副(R),该移动副和转动副均是被驱动的。该混联装置可实现三个移动自由度和三个转动自由度的六轴联动控制。
实施例3:
本实施例的一种基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置的结构如图3所示,该多轴联动混联装置与实施例1的不同之处在于:该混联装置处于卧式放置,且所述串联传动链包括工作台43、驱动台42和运动副。所述运动副有两个,一个是连接定平台41和驱动台42之间的移动副(P),一个是连接驱动台42和工作台43之间的移动副(P),这两个移动副均为被驱动的。该混联装置可实现四个移动自由度和两个转动自由度的六轴联动控制。
实施例4:
本实施例的一种基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置的结构如图4所示,该多轴联动混联装置与实施例3的不同之处在于工作台51和转台52通过转动副(R)连接,转台52和驱动台53通过移动副(P)连接,该转动副和移动副均是被驱动的。该混联装置可实现四个移动自由度和三个转动自由度的七轴联动控制。
Claims (6)
1.一种基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置,包括一个安装执行器的动平台和定平台一个安装被加工工件的工作台,以及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,连接于工作台和定平台之间的串联传动链;该第一、第二支链均含有一个主动驱动的运动副,该串联传动链含有至少一个多达三个主动驱动的运动副;其特征在于:该装置还包包括一个含有双驱动的第三支链,该支链中有两个运动副是被驱动的,该第三支链连接于动平台和定平台之间;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四个输入运动驱动动平台运动,实现两个移动自由度和两个转动自由度;所述空间并联闭环机构与工作台、以及连接于工作台和定平台之间的串联传动链构成一个多轴联动混联装置,该混联装置可实现至少五轴多达七轴的联动运动。
2.如权利要求1所述的一种基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置,其特征在于,所述第一、第二支链均包括:滑块、连杆、U型架以及运动副;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,一个是连接于滑块和连杆之间的转动副,一个是连接于连杆和U型架之间的转动副,另一个是连接于U型架和动平台之间的转动副;其中,连接于定平台和滑块之间的移动副是被驱动的,连接于连杆和U型架之间的转动副和连接于U型架和动平台之间的转动副是互相垂直的。
3.如权利要求1所述的一种基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置,其特征在于,所述第三支链包括:滑台、滑块、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台之间的移动副,一个是连接于滑台和滑块之间的移动副,一个是连接于滑块和连杆之间的转动副,另一个是连接于连杆和动平台之间的球铰;其中,连接于定平台和滑台之间的移动副和连接于滑台和滑块之间的移动副是被驱动的。
4.如权利要求1所述的一种基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置,其特征在于,所述串联传动链包括一个运动副;所述运动副是连接于定平台和工作台之间的移动副,且该移动副是被驱动的。
5.如权利要求1所述的一种基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置,其特征在于,所述串联传动链包括:转台以及运动副;所述运动副有两个,一个是连接于定平台和转台之间的移动副,一个是连接于转台和工作台之间的转动副,且该移动副和转动副均是被驱动的。
6.如权利要求1所述的一种基于四自由度并联机构的多轴联动混联装置,其特征在于,所述串联传动链包括:转台、驱动台以及运动副;所述运动副有三个,一个是连接于定平台和驱动台之间的移动副,一个是连接于驱动台和转台之间的移动副,一个是连接于转台和工作台之间的转动副,且该两个移动副和一个转动副均是被驱动的。
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