CN105798635A - 含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种五自由度并联机构，更具体的说是含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构，本机构能使并联机床实现通过五条支链带动四个作用点运动来准确驱动动平台，保证共作用点的两条支链的运动相互独立同时支链轴线时刻通过作用点。独立双输出复合万向节应用在多支链并联机床上，不仅可以使得机构平台形状和其上的作用点个数不再受到运动支链的限制，也可以帮助并联机构进行结构参数的优化和特殊构型的设计。中间支链的一端与静平台相连接，中间支链的另一端与动平台相连接，独立作用点支链的一端与静平台相连接，独立作用点支链的另一端与动平台相连接，共作用点支链的一端与静平台相连接，共作用点支链的另一端与动平台相连接。

Description

含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构
技术领域
本发明涉及一种五自由度并联机构，更具体的说是含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构。
背景技术
并联机构在加工方面可实现高精度，复杂曲面加工，因此并联机床被视为加工制造业的一次革命性创新。并联机床在结构设计方面，由于对于Stewart平台的研究比较充分，所以六自由度并联加工机构相关专利涌现。但由于六自由度并联机床不仅会造成自由度和零件的浪费，还会增奇异产生的可能性、加机构的控制难度以及各支链间的耦合与干涉，实际加工中只需要五个自由度，故五自由度并联机床是加工制造的高效机构。虽然关于五自由度并联机床的研究逐渐成为研究热点，但由于其理论不够成熟，所以相关专利很少。本专利为一种含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构申请专利。
纵观并联机构相关专利，所有机构均是以驱动原件通过一条支链作用在动平台的一个作用点上进行驱动从而带动动平台运动，并没有出现过多条支链共同作用到动平台上的一个作用点且支链间的运动彼此不产生干涉的。本专利“含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构”，所含有的独立双输出复合万向节使得五条驱动支链的作用线通过各自连接的万向节十字轴轴心并且运动互不干涉，在动平台上产生少于支链数量的作用点从而带动动平台运动。这种结构不仅运动、动力学解简单易求、支链互不相关且控制容易，还能有效地避免奇异产生并减小动平台面积和运动惯性力，摆脱了运动支链条数对并联机构平台的束缚，使得两支链在一点连接不仅理论上可行，而且现实在上也得以实现。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构，本机构能使并联机床实现通过五条支链带动四个作用点运动来准确驱动动平台，并保证共作用点的两条支链的运动相互独立同时支链轴线时刻通过作用点；独立双输出复合万向节应用在多支链并联机床上，不仅可以使得机构平台形状和其上的作用点个数不再受到运动支链的限制，也可以帮助并联机构进行结构参数的优化和特殊构型的设计。
为解决上述技术问题，本发明涉及一种五自由度并联机构，更具体的说是含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构，包括静平台、动平台、中间支链、独立作用点支链和共作用点支链，本机构能使并联机床实现通过五条支链带动四个作用点运动来准确驱动动平台，并保证共作用点的两条支链的运动相互独立同时支链轴线时刻通过作用点。独立双输出复合万向节应用在多支链并联机床上，不仅可以使得机构平台形状和其上的作用点个数不再受到运动支链的限制，也可以帮助并联机构进行结构参数的优化和特殊构型的设计。
中间支链的一端与静平台相连接，中间支链的另一端与动平台相连接，独立作用点支链的一端与静平台相连接，独立作用点支链的另一端与动平台相连接，共作用点支链的一端与静平台相连接，共作用点支链的另一端与动平台相连接。
作为本技术方案的进一步优化，本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构所述静平台的形状为直角梯形。静平台上设置有球副连接机构Ⅰ、球副连接机构Ⅱ、球副连接机构Ⅲ、球副连接机构Ⅳ和普通万向节机构Ⅰ，球副连接机构Ⅰ与球副连接机构Ⅱ分别设置在静平台的直角边上的两个顶点处。球副连接机构Ⅲ与球副连接机构Ⅳ分别设置在静平台的斜边上的两个顶点处。普通万向节机构Ⅰ设置在静平台上位于以直角边为边的正方形的中心处。
作为本技术方案的进一步优化，本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构所述动平台上设置有普通万向节机构Ⅱ、普通万向节机构Ⅲ、独立双输出复合万向节机构和普通万向节机构Ⅳ，动平台的形状为底边和高相等的等腰三角形或者等腰直角三角形。当动平台的形状为底边和高相等的等腰三角形时，普通万向节机构Ⅱ设置在此等腰三角形的顶点处，普通万向节机构Ⅲ与独立双输出复合万向节机构分别设置在腰与底边的两个交点处，普通万向节机构Ⅳ设置在高的中点处。
当动平台的形状为等腰直角三角形时，普通万向节机构Ⅱ与独立双输出复合万向节机构分别设置在等腰直角三角形腰与底边的两个交点处，普通万向节机构Ⅲ设置在直角处，普通万向节机构Ⅳ设置在底边的中点处。
作为本技术方案的进一步优化，本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构所述中间支链的一端与静平台上的普通万向节机构Ⅰ相连接，中间支链的另一端与动平台上的普通万向节机构Ⅳ相连接。
作为本技术方案的进一步优化，本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构所述独立作用点支链包括独立作用点支链Ⅰ和独立作用点支链Ⅱ，独立作用点支链Ⅰ的一端与静平台上的球副连接机构Ⅰ相连接，独立作用点支链Ⅰ的另一端与动平台上的普通万向节机构Ⅱ相连接。独立作用点支链Ⅱ的一端与静平台上的球副连接机构Ⅱ相连接，独立作用点支链Ⅱ的另一端与动平台上的普通万向节机构Ⅲ相连接。
作为本技术方案的进一步优化，本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构所述共作用点支链包括共作用点支链Ⅰ和共作用点支链Ⅱ，共作用点支链Ⅰ的一端与静平台上的球副连接机构Ⅳ相连接，共作用点支链Ⅰ的另一端与动平台上的独立双输出复合万向节机构相连接，共作用点支链Ⅱ的一端与静平台上的球副连接机构Ⅲ相连接，共作用点支链Ⅱ的另一端与动平台上的独立双输出复合万向节机构相连接。
作为本技术方案的进一步优化，本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构所述初始位置时，静平台与动平台相互平行。
作为本技术方案的进一步优化，本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构所述初始位置时，普通万向节机构Ⅰ、中间支链和普通万向节机构Ⅳ的轴线共线。
作为本技术方案的进一步优化，本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构所述独立双输出复合万向节机构包括输出端、连接杆、外侧转动丁字轴、内侧转动丁字轴和万向节座，外侧转动丁字轴通过内侧转动丁字轴安装在万向节座上，并且外侧转动丁字轴可绕万向节座转动，内侧转动丁字轴可绕万向节座转动。输出端有两个分别安装在外侧转动丁字轴和内侧转动丁字轴的短轴上，连接杆有两个，分别安装在两个输出端上，并且连接杆的轴线始终通过外侧转动丁字轴和内侧转动丁字轴的轴心。
本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构的有益效果为：
本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构，本机构能使并联机床实现通过五条支链带动四个作用点运动来准确驱动动平台，并保证共作用点的两条支链的运动相互独立同时支链轴线时刻通过作用点；独立双输出复合万向节应用在多支链并联机床上，不仅可以使得机构平台形状和其上的作用点个数不再受到运动支链的限制，也可以帮助并联机构进行结构参数的优化和特殊构型的设计。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构的结构立体示意图。
图2为本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构的原理图。
图3为本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构的静平台1的结构示意图。
图4为本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构的动平台2的结构示意图。
图5为本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构的独立双输出复合万向节机构2-3的结构示意图。
图6为本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构的独立双输出复合万向节机构2-3的爆炸图。
图中：静平台1；球副连接机构Ⅰ1-1；球副连接机构Ⅱ1-2；球副连接机构Ⅲ1-3；球副连接机构Ⅳ1-4；普通万向节机构Ⅰ1-5；动平台2；普通万向节机构Ⅱ2-1；普通万向节机构Ⅲ2-2；独立双输出复合万向节机构2-3；普通万向节机构Ⅳ2-4；中间支链3；独立作用点支链4；独立作用点支链Ⅰ4-1；独立作用点支链Ⅱ4-2；共作用点支链5；共作用点支链Ⅰ5-1；共作用点支链Ⅱ5-2。
具体实施方式
具体实施方式一：
下面结合图1、2、3、4、5、6说明本实施方式，本发明涉及一种五自由度并联机构，更具体的说是含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构，本机构能使并联机床实现通过五条支链带动四个作用点运动来准确驱动动平台，并保证共作用点的两条支链的运动相互独立同时支链轴线时刻通过作用点；独立双输出复合万向节应用在多支链并联机床上，不仅可以使得机构平台形状和其上的作用点个数不再受到运动支链的限制，也可以帮助并联机构进行结构参数的优化和特殊构型的设计。
中间支链3的一端与静平台1相连接，中间支链3的另一端与动平台2相连接，独立作用点支链4的一端与静平台1相连接，独立作用点支链4的另一端与动平台2相连接，共作用点支链5的一端与静平台1相连接，共作用点支链5的另一端与动平台2相连接，通过控制中间支链3、独立作用点支链4和共作用点支链5的伸缩实现动平台2相对于静平台1角度的变化，从而进行工作。
具体实施方式二：
下面结合图1、2、3、4、5、6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述静平台1的形状为直角梯形。静平台1上设置有球副连接机构Ⅰ1-1、球副连接机构Ⅱ1-2、球副连接机构Ⅲ1-3、球副连接机构Ⅳ1-4和普通万向节机构Ⅰ1-5，球副连接机构Ⅰ1-1与球副连接机构Ⅱ1-2分别设置在静平台1的直角边上的两个顶点处，球副连接机构Ⅲ1-3与球副连接机构Ⅳ1-4分别设置在静平台1的斜边上的两个顶点处，普通万向节机构Ⅰ1-5设置在静平台1上位于以直角边为边的正方形的中心处，通过普通万向节机构Ⅰ1-5使得球副连接机构Ⅲ1-3与静平台1连接，通过球副连接机构Ⅰ1-1和球副连接机构Ⅱ1-2使得独立作用点支链4与静平台1连接，通过球副连接机构Ⅲ1-3和球副连接机构Ⅳ1-4使得共作用点支链5与静平台1连接，进一步实现动平台2的控制。
具体实施方式三：
下面结合图1、2、3、4、5、6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述动平台2上设置有普通万向节机构Ⅱ2-1、普通万向节机构Ⅲ2-2、独立双输出复合万向节机构2-3和普通万向节机构Ⅳ2-4，动平台2的形状为底边和高相等的等腰三角形或者等腰直角三角形。当动平台2的形状为底边和高相等的等腰三角形时，普通万向节机构Ⅱ2-1设置在此等腰三角形的顶点处，普通万向节机构Ⅲ2-2与独立双输出复合万向节机构2-3分别设置在腰与底边的两个交点处，普通万向节机构Ⅳ2-4设置在高的中点处。
当动平台2的形状为等腰直角三角形时，普通万向节机构Ⅱ2-1与独立双输出复合万向节机构2-3分别设置在等腰直角三角形腰与底边的两个交点处，普通万向节机构Ⅲ2-2设置在直角处，普通万向节机构Ⅳ2-4设置在底边的中点处，通过普通万向节机构Ⅱ2-1和普通万向节机构Ⅲ2-2使得独立作用点支链4与动平台2连接，通过独立双输出复合万向节机构2-3使得共作用点支链5与动平台2连接，通过普通万向节机构Ⅳ2-4使得中间支链3与动平台2连接。
具体实施方式四：
下面结合图1、2、3、4、5、6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述中间支链3的一端与静平台1上的普通万向节机构Ⅰ1-5相连接，中间支链3的另一端与动平台2上的普通万向节机构Ⅳ2-4相连接。中间支链3的驱动方式可以为电机带动丝杠驱动、液压缸驱动、气动原件驱动的方式。
具体实施方式五：
下面结合图1、2、3、4、5、6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述独立作用点支链4包括独立作用点支链Ⅰ4-1和独立作用点支链Ⅱ4-2，独立作用点支链Ⅰ4-1的一端与静平台1上的球副连接机构Ⅰ1-1相连接，独立作用点支链Ⅰ4-1的另一端与动平台2上的普通万向节机构Ⅱ2-1相连接；独立作用点支链Ⅱ4-2的一端与静平台1上的球副连接机构Ⅱ1-2相连接，独立作用点支链Ⅱ4-2的另一端与动平台2上的普通万向节机构Ⅲ2-2相连接，独立作用点支链Ⅰ4-1和独立作用点支链Ⅱ4-2的驱动方式可以为电机带动丝杠驱动、液压缸驱动、气动原件驱动的方式。
具体实施方式六：
下面结合图1、2、3、4、5、6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述共作用点支链5包括共作用点支链Ⅰ5-1和共作用点支链Ⅱ5-2，共作用点支链Ⅰ5-1的一端与静平台1上的球副连接机构Ⅳ1-4相连接，共作用点支链Ⅰ5-1的另一端与动平台2上的独立双输出复合万向节机构2-3相连接，共作用点支链Ⅱ5-2的一端与静平台1上的球副连接机构Ⅲ1-3相连接，共作用点支链Ⅱ5-2的另一端与动平台2上的独立双输出复合万向节机构2-3相连接，共作用点支链Ⅰ5-1和共作用点支链Ⅱ5-2驱动方式可以为电机带动丝杠驱动、液压缸驱动、气动原件驱动的方式。
具体实施方式七：
下面结合图1、2、3、4、5、6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述初始位置时，静平台1与动平台2相互平行。
具体实施方式八：
下面结合图1、2、3、4、5、6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述初始位置时，普通万向节机构Ⅰ1-5、中间支链3和普通万向节机构Ⅳ2-4的轴线共线。
具体实施方式九：
下面结合图1、2、3、4、5、6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述独立双输出复合万向节机构2-3包括输出端2-3-1、连接杆2-3-2、外侧转动丁字轴2-3-3、内侧转动丁字轴2-3-4和万向节座2-3-5，外侧转动丁字轴2-3-3通过内侧转动丁字轴2-3-4安装在万向节座2-3-5上，并且外侧转动丁字轴2-3-3可绕万向节座2-3-5转动，内侧转动丁字轴2-3-4可绕万向节座2-3-5转动；输出端2-3-1有两个分别安装在外侧转动丁字轴2-3-3和内侧转动丁字轴2-3-4的短轴上，连接杆2-3-2有两个，分别安装在两个输出端2-3-1上，并且连接杆2-3-2的轴线始终通过外侧转动丁字轴2-3-3和内侧转动丁字轴2-3-4的轴心，两个输出端2-3-1均可独立绕万向节座2-3-5转动，可以保证共作用点支链Ⅰ5-1和共作用点支链Ⅱ5-2之间的运动不互相干涉，独立运动，并且作用在同一个作用点上。
装置的工作原理：工作时，中间支链3、独立作用点支链4和共作用点支链5自由伸缩，带动动平台2运动与翻转，这样安装在动平台2上的主轴电机与刀具就可跟随动平台2一起运动与翻转，从而实现刀具在不同位置以不同姿态对工件进行加工。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构，包括静平台(1)、动平台(2)、中间支链(3)、独立作用点支链(4)和共作用点支链(5)，其特征在于：所述中间支链(3)的一端与静平台(1)相连接，中间支链(3)的另一端与动平台(2)相连接，独立作用点支链(4)的一端与静平台(1)相连接，独立作用点支链(4)的另一端与动平台(2)相连接，共作用点支链(5)的一端与静平台(1)相连接，共作用点支链(5)的另一端与动平台(2)相连接。
2.根据权利要求1所述的含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构，其特征在于：所述静平台(1)的形状为直角梯形；静平台(1)上设置有球副连接机构Ⅰ(1-1)、球副连接机构Ⅱ(1-2)、球副连接机构Ⅲ(1-3)、球副连接机构Ⅳ(1-4)和普通万向节机构Ⅰ(1-5)，球副连接机构Ⅰ(1-1)与球副连接机构Ⅱ(1-2)分别设置在静平台(1)的直角边上的两个顶点处；球副连接机构Ⅲ(1-3)与球副连接机构Ⅳ(1-4)分别设置在静平台(1)的斜边上的两个顶点处；普通万向节机构Ⅰ(1-5)设置在静平台(1)上位于以直角边为边的正方形的中心处。
3.根据权利要求1所述的含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构，其特征在于：所述动平台(2)上设置有普通万向节机构Ⅱ(2-1)、普通万向节机构Ⅲ(2-2)、独立双输出复合万向节机构(2-3)和普通万向节机构Ⅳ(2-4)，动平台(2)的形状为底边和高相等的等腰三角形或者等腰直角三角形；当动平台(2)的形状为底边和高相等的等腰三角形时，普通万向节机构Ⅱ(2-1)设置在此等腰三角形的顶点处，普通万向节机构Ⅲ(2-2)与独立双输出复合万向节机构(2-3)分别设置在腰与底边的两个交点处，普通万向节机构Ⅳ(2-4)设置在高的中点处；
当动平台(2)的形状为等腰直角三角形时，普通万向节机构Ⅱ(2-1)与独立双输出复合万向节机构(2-3)分别设置在等腰直角三角形腰与底边的两个交点处，普通万向节机构Ⅲ(2-2)设置在直角处，普通万向节机构Ⅳ(2-4)设置在底边的中点处。
4.根据权利要求1所述的含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构，其特征在于：所述中间支链(3)的一端与静平台(1)上的普通万向节机构Ⅰ(1-5)相连接，中间支链(3)的另一端与动平台(2)上的普通万向节机构Ⅳ(2-4)相连接。
5.根据权利要求1所述的含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构，其特征在于：所述独立作用点支链(4)包括独立作用点支链Ⅰ(4-1)和独立作用点支链Ⅱ(4-2)，独立作用点支链Ⅰ(4-1)的一端与静平台(1)上的球副连接机构Ⅰ(1-1)相连接，独立作用点支链Ⅰ(4-1)的另一端与动平台(2)上的普通万向节机构Ⅱ(2-1)相连接；独立作用点支链Ⅱ(4-2)的一端与静平台(1)上的球副连接机构Ⅱ(1-2)相连接，独立作用点支链Ⅱ(4-2)的另一端与动平台(2)上的普通万向节机构Ⅲ(2-2)相连接。
6.根据权利要求1所述的含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构，其特征在于：所述共作用点支链(5)包括共作用点支链Ⅰ(5-1)和共作用点支链Ⅱ(5-2)，共作用点支链Ⅰ(5-1)的一端与静平台(1)上的球副连接机构Ⅳ(1-4)相连接，共作用点支链Ⅰ(5-1)的另一端与动平台(2)上的独立双输出复合万向节机构(2-3)相连接，共作用点支链Ⅱ(5-2)的一端与静平台(1)上的球副连接机构Ⅲ(1-3)相连接，共作用点支链Ⅱ(5-2)的另一端与动平台(2)上的独立双输出复合万向节机构(2-3)相连接。
7.根据权利要求1所述的含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构，其特征在于：所述初始位置时，静平台(1)与动平台(2)相互平行。
8.根据权利要求1所述的含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构，其特征在于：所述初始位置时，普通万向节机构Ⅰ(1-5)、中间支链(3)和普通万向节机构Ⅳ(2-4)的轴线共线。
9.根据权利要求3或6所述的含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构，其特征在于：所述独立双输出复合万向节机构(2-3)包括输出端(2-3-1)、连接杆(2-3-2)、外侧转动丁字轴(2-3-3)、内侧转动丁字轴(2-3-4)和万向节座(2-3-5)，外侧转动丁字轴(2-3-3)通过内侧转动丁字轴(2-3-4)安装在万向节座(2-3-5)上，并且外侧转动丁字轴(2-3-3)可绕万向节座(2-3-5)转动，内侧转动丁字轴(2-3-4)可绕万向节座(2-3-5)转动；输出端(2-3-1)有两个分别安装在外侧转动丁字轴(2-3-3)和内侧转动丁字轴(2-3-4)的短轴上，连接杆(2-3-2)有两个，分别安装在两个输出端(2-3-1)上，并且连接杆(2-3-2)的轴线始终通过外侧转动丁字轴(2-3-3)和内侧转动丁字轴(2-3-4)的轴心。
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