CN104343916A - 一种二自由度并联机构 - Google Patents

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王忠飞
姚正威
佘翊妮
魏辉
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    • F16H19/06Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion for interconverting rotary or oscillating motion and reciprocating motion comprising flexible members, e.g. an endless flexible member

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Abstract

一种二自由度并联机构,该机构包括操作平台、驱动电机、导轨、导套、滑块,以及同步带;在两只移动滑块上各安装有一只换向轴套,换向轴套为上下两层导套结构;操作平台在两侧Y向对应于带轮的另一端安装有传动轴套;同步带分别连接于工作滑块两端,各同步带从工作滑块一端依次从换向轴套、带轮、传动轴套、异侧的传动轴套、异侧的换向轴套绕过,再固定于工作滑块的另一端;第一同步带与第二同步带安装于不同的水平面。以单只的具有上下层导套结构的换向轴套,取代了现有的两只换向轴套,改善了改进并联机构中同步带的布局,大大提高了X-Y传动平台在工作空间上的占有率。

Description

一种二自由度并联机构
技术领域
本发明是一种机械传动结构,特别是二自由度并联机构。 
背景技术
在国内,少自由度并联机构研究已有20年历史,但是进展却是甚慢。与串联机构相比,并联机构具有运动惯量低、刚度大、灵巧度高、体积小和功率重量比高等许多优点,二自由度并联机构可应用于3D打印机,数控机床,激光切割机等领域。 
随着科技的发展,以及人们对机构的精度,空间占有率要求愈发高涨,这对并联机构的优化尤为重要。例如,13年来自荷兰一公司的3D打印机MARK34,其平面采用H-Bot机构动力学原理,特点是结构简单,精度高,速度快,但是H-Bot机构由单根同步带带动运动滑块,其旋转误差较大。后来有人改善了H-Bot机构,命名为改进型Core-XY机构,改善了H-Bot机构反向运动带来的旋转误差,但又带来了空间使用率不高的问题。 
发明内容
为了解决现有二自由度并联机构中工作滑块的旋转误差、大尺寸机构刚度不大、空间占有率不高的问题,提供一种二自由度并联机构,该机构空间占有率高、机构的驱动力大、速度高、旋转误差小。 
为了解决上述问题,本发明采用以下技术方案: 
一种二自由度并联机构,该机构包括操作平台、驱动电机、导轨、导套、滑块,以及同步带;
驱动电机安装在操作平台两侧,驱动电机输出端安装有带轮;两支Y向导轨安装在操作平台两侧,在两支Y向导轨上各安装有一只移动滑块,两只移动滑块间安装有X向导轨,工作滑块安装在X向导轨上;
在两只移动滑块上各安装有一只换向轴套,换向轴套为上下两层导套结构;操作平台在两侧Y向对应于带轮的另一端安装有传动轴套;
第一同步带连接于工作滑块两端,第一同步带从工作滑块一端依次从这一侧的换向轴套的下层导套、同侧的第一带轮、同侧的传动轴套、异侧的传动轴套、异侧的换向轴套的下层导套绕过,再固定于工作滑块的另一端;
第二同步带连接于工作滑块两端,第二同步带从工作滑块一端依次从这一侧的换向轴套的上层导套、同侧的第一带轮、同侧的传动轴套、异侧的传动轴套、异侧的换向轴套的上层导套绕过,再固定于工作滑块的另一端;
第一同步带与第二同步带安装于不同的水平面。
上述的一种二自由度并联机构,操作平台在两侧Y向导轨对应于带轮的另一端分别安装有两只传动轴套; 
第一同步带连接于工作滑块两端,第一同步带从工作滑块一端依次从这一侧的换向轴套的下层导套、同侧的第一带轮、同侧的传动轴套的下层导套、异侧的传动轴套的下层导套、异侧的换向轴套的下层导套绕过,再固定于工作滑块的另一端;
第二同步带连接于工作滑块两端,第二同步带从工作滑块一端依次从这一侧的换向轴套的上层导套、同侧的第一带轮、同侧的传动轴套的上层导套、异侧的传动轴套的上层导套、异侧的换向轴套的上层导套绕过,再固定于工作滑块的另一端。
上述的一种二自由度并联机构,操作平台在两侧Y向导轨对应于带轮的另一端分别安装有一只传动轴套,这两只传动轴套为上下两层导套结构; 
第一同步带连接于工作滑块两端,第一同步带从工作滑块一端依次从这一侧的换向轴套的下层导套、同侧的第一带轮、同侧的传动轴套的下层导套、异侧的传动轴套的下层导套、异侧的换向轴套的下层导套绕过,再固定于工作滑块的另一端;
第二同步带连接于工作滑块两端,第二同步带从工作滑块一端依次从这一侧的换向轴套的上层导套、同侧的第一带轮、同侧的传动轴套的上层导套、异侧的传动轴套的上层导套、异侧的换向轴套的上层导套绕过,再固定于工作滑块的另一端。
上述的一种二自由度并联机构,其特征在于操作平台由整块板材加工而成。 
上述的一种二自由度并联机构,所述的板材为铝制材料。 
两个驱动电机各自带动一条同步带,同时控制工作滑块,这样解决了以往并联机构中由一条同步带驱动工作滑块而造成的旋转误差,提高了机构的驱动力以及稳定性。 
用整块铝合金材料加工工作台,在成本大致相同的情况下,提高了机构刚度,减少机构噪音。以铝合金材料制作工作台,减少了机构运动过程的噪音,提高了机构刚度,极大地提高了驱动电机的散热性,有利于机构长期稳定的运行。 
以单只的具有上下层导套结构的换向轴套,取代了现有的两只换向轴套,改善了改进并联机构中同步带的布局,并且大大提高了X-Y传动平台在工作空间上的占有率。 
与改进型的Core-XY机构相比,可将同侧的两只传动轴套合并为具有上下层导套结构的一只传动轴套,同样也可以提高空间占有率。 
附图1为H-Bot机构原理图,由图可以看出H-Bot机构为并联机构,X、Y轴运动需要两个电机同步运动,才能保证机构的正常运行。该机构解决了以往平面串联机构驱动能力不足,速度不高,机构体积大,小角度路线实现困难等问题,但是不足是运动滑块由一条同步带以及光滑导轨带动,机构不稳定,无法避免其旋转误差。 
附图2为改进型Core-XY机构原理图,由图可以看出该机构在H-Bot机构的基础上做出了相应的改进,运动学映射不变的情况下改善了同步带的布局,分别由单个电机连接一条同步带,两条同步带分为上下两层,同时控制运动滑块。这样子改善了机构的旋转误差,但是带来工作空间占有率不大的问题。 
我们令同步带轮,轴承套半径都为r;我们依下面计算步骤对Core-XY机构XY平面的空间使用率: 
如图2,工作台的XY平面面积为:
S1=(ω1+2r)* (h1+2r)
式中ω1为两外侧传动轴套的距离,h1为外侧传动轴到带轮的距离,
工作台的有效面积为:
S11=(ω2-2r-ω1)* (h1-2r-d1-h3)
式中ω2为两内侧传动轴套的距离,h3为工作滑块的高度,
其中d1为底部大小轴套Y方向的圆心距,
最终,Core-XY机构工作台的XY平面的空间使用率为:
Q1= S11/ S1
图3为本发明A-Bot原理图,由图可以看出该机构X轴方向换向轴套一边减少一个,在底边限位轴承的布局做了少些调整。由于修改后的传动机构的装配构型与字母“A”类似,因此称为A-Bot机构。
我们令同步带轮,轴套半径都为r;我们依下面计算步骤对本发明A-Bot机构XY平面的空间使用率: 
如图3,工作台的XY平面面积为:
S2=(ω1+2r)* (h1+2r)
工作台的有效面积为: 
S21=(ω2-2r-ω3)* (h1-2r-d2-h3)
其中d2为底部轴套Y方向的圆心距。
最终,本发明A-Bot机构工作台的XY平面的空间使用率为: 
Q2= S21/ S2
假设改进型Core-XY机构与本发明A-Bot机构工作台外部尺寸,及各个轴套,同步带轮尺寸相同,则可以看出其差距在于工作平台的Y方向距离的不同,由于本发明X向用一只换向轴套取代了原来的两只换向轴套,所以本发明相比Core-XY机构至少要少2r的长度。因此,我们的空间使用率Q2更大一些。
附图说明
下面结合附图对本实发明做进一步的说明。 
图1为H-Bot机构原理图。 
图2为改进型Core-XY机构原理图。 
图3为本发明A-Bot机构原理图。 
图4为本发明实施例一的结构示意图。 
图5为本发明实施例二的结构示意图。 
图中标记为:21、22同步带轮,31、32同步带,41、46换向轴套,42、43、44、45传动轴套,423、445传动轴套,51、52移动滑块,53工作滑块,61、61Y向导轨,63、64X向导轨,71、72电机。 
具体实施方式
实施例一
参考附图,一种二自由度并联机构,该机构包括操作平台、驱动电机、导轨、轴套、滑块,以及同步带;操作平台由整块铝质板材加工而成;
驱动电机71、72安装在操作平台两侧,驱动电机输出端安装有同步带轮21、22;两支Y向导轨61、62安装在操作平台两侧,在两支Y向导轨上各安装有一只移动滑块51、52,两只移动滑块间安装有X向导轨63、64,工作滑块53安装在X向导轨上;
在两只移动滑块51、52上各安装有一只换向轴套41、46,换向轴套为上下两层导套结构;操作平台在两侧Y向对应于带轮的另一端安装有传动轴套42、43和44、45;
第一同步带31连接于工作滑块53两端,第一同步带从工作滑块右端依次从这一侧的换向轴套41的下层导套、同侧的第一带轮21、同侧的传动轴套43、异侧的传动轴套44、异侧的换向轴套46的下层导套绕过,再固定于工作滑块的另一端;
第二同步带32连接于工作滑块两端,第二同步带从工作滑块左端依次从这一侧的换向轴套46的上层导套、同侧的第一带轮22、同侧的传动轴套45、异侧的传动轴套42、异侧的换向轴套41的上层导套绕过,再固定于工作滑块的另一端;第一同步带与第二同步带安装于不同的水平面。
实施例二
与实施例一不同的是,本实施例中Y向的两只同侧传动轴套合并为具有上下层导套结构的单只传动轴套423、445;
第一同步带31连接于工作滑块53两端,第一同步带从工作滑块右端依次从这一侧的换向轴套41的下层导套、同侧的第一带轮21、同侧的传动轴套423的下层导套、异侧的传动轴套445的下层导套、异侧的换向轴套46的下层导套绕过,再固定于工作滑块的另一端;
第二同步带32连接于工作滑块53两端,第二同步带从工作滑块左端依次从这一侧的换向轴套46的上层导套、同侧的第一带轮22、同侧的传动轴套445的上层导套、异侧的传动轴套423的上层导套、异侧的换向轴套41的上层导套绕过,再固定于工作滑块的另一端。

Claims (5)

1.一种二自由度并联机构,该机构包括操作平台、驱动电机、导轨、导套、滑块,以及同步带,其特征在于:
驱动电机安装在操作平台两侧,驱动电机输出端安装有带轮;两支Y向导轨安装在操作平台两侧,在两支Y向导轨上各安装有一只移动滑块,两只移动滑块间安装有X向导轨,工作滑块安装在X向导轨上;
在两只移动滑块上各安装有一只换向轴套,换向轴套为上下两层导套结构;操作平台在两侧Y向对应于带轮的另一端安装有传动轴套;
第一同步带连接于工作滑块两端,第一同步带从工作滑块一端依次从这一侧的换向轴套的下层导套、同侧的第一带轮、同侧的传动轴套、异侧的传动轴套、异侧的换向轴套的下层导套绕过,再固定于工作滑块的另一端;
第二同步带连接于工作滑块两端,第二同步带从工作滑块一端依次从这一侧的换向轴套的上层导套、同侧的第一带轮、同侧的传动轴套、异侧的传动轴套、异侧的换向轴套的上层导套绕过,再固定于工作滑块的另一端;
第一同步带与第二同步带安装于不同的水平面。
2.如权利要求1所述的一种二自由度并联机构,其特征在于:操作平台在两侧Y向导轨对应于带轮的另一端分别安装有两只传动轴套;
第一同步带连接于工作滑块两端,第一同步带从工作滑块一端依次从这一侧的换向轴套的下层导套、同侧的第一带轮、同侧的传动轴套的下层导套、异侧的传动轴套的下层导套、异侧的换向轴套的下层导套绕过,再固定于工作滑块的另一端;
第二同步带连接于工作滑块两端,第二同步带从工作滑块一端依次从这一侧的换向轴套的上层导套、同侧的第一带轮、同侧的传动轴套的上层导套、异侧的传动轴套的上层导套、异侧的换向轴套的上层导套绕过,再固定于工作滑块的另一端。
3.如权利要求1所述的一种二自由度并联机构,其特征在于:操作平台在两侧Y向导轨对应于带轮的另一端分别安装有一只传动轴套,这两只传动轴套为上下两层导套结构;
第一同步带连接于工作滑块两端,第一同步带从工作滑块一端依次从这一侧的换向轴套的下层导套、同侧的第一带轮、同侧的传动轴套的下层导套、异侧的传动轴套的下层导套、异侧的换向轴套的下层导套绕过,再固定于工作滑块的另一端;
第二同步带连接于工作滑块两端,第二同步带从工作滑块一端依次从这一侧的换向轴套的上层导套、同侧的第一带轮、同侧的传动轴套的上层导套、异侧的传动轴套的上层导套、异侧的换向轴套的上层导套绕过,再固定于工作滑块的另一端。
4.如权利要求1所述的一种二自由度并联机构,其特征在于操作平台由整块板材加工而成。
5.如权利要求4所述的一种二自由度并联机构,其特征在于所述的板材为铝制材料。
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