CN105818135A - 一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种五自由度并联机构，更具体的说是一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构，包括五条驱动分支机构，本机构可实现两转动三移动与三转动两移动可切换的五自由度，切换条件易控；除具有误差小、承受能力大、运动学反解容易等普通并联机器人的优点外，还具有结构参数可调、运动性能可变、工作空间大与工况针对性强的优点。驱动分支机构的一端与静平台相连接，驱动分支机构的另一端与动平台相连接。

Description

一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构
技术领域
本发明涉及一种五自由度并联机构，更具体的说是一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构。
背景技术
上世纪50年代Stewart平台的产生，便引起了社会各界对于并联机构的关注。并联机构因为由多个支链闭环组成，所以具有误差小、刚度大、承载能力高、运动学反解容易、响应速度快等优点，可广泛应用于机床、传感器、运动模拟器、微操作机器人、地下开采、医疗与生物工程等领域。在并联机构加工方面，由于并联机构本身优点使得并联机床可实现高精度，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。
在并联机床的结构设计方面，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构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，故五自由度并联机构是加工制造的高效机构。虽然关于五自由度并联机构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。本专利为一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构申请专利。
纵观五自由度并联机构相关专利，可从驱动的运动副驱动方式进行分类。第一种是固定滑动副驱动型：2003年刘德忠提出的基于并联机构的混合机构五自由度专用刃磨机工作头CN1186169C，该并联机床由固定平台上的螺旋测微头通过驱动杆驱动滑块，滑块在导杆上滑动时通过转副推动连杆并通过连杆推动运动平台；除此之外，还有CN100427276C等。第二种为浮动滑动副驱动型：2009年李兵提出的一种五自由度并联机器人机构CN101693366A，通过连接在动静平台之间的五条可浮动的伸缩连杆带动动平台运动除此之外，还有CN101850519A等。第三种为转动副驱动型：2004年黄真提出的五自由度全对称运动解耦并联机器人机构CN1142049C，各连杆之间通过转动副连接，通过驱动五个线性无关的转动副实现动平台的运动。除此之外，还有CN102975203A等。第四种是浮动滑动副与转动副混合驱动型：2011年路懿提出的含双复合驱动分支三腿五自由度并联机构CN102248535A，单驱动支链由两个万向副和一个驱动移动副构成UPU型支链，复合驱动支链由两个转动副、一个驱动移动副和一个球铰构成RRPS型复合驱动支链，从而带动动平台运动。
本机构为固定滑动副、浮动滑动副混合驱动方式。截至目前，此种方式并联机构尚未出现。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构，本机构可实现两转动三移动与三转动两移动可切换的五自由度，切换条件易控；除具有误差小、承受能力大、运动学反解容易等普通并联机器人的优点外，还具有结构参数可调、运动性能可变、工作空间大与工况针对性强的优点。
为解决上述技术问题，本发明涉及一种五自由度并联机构，更具体的说是一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构，包括五条驱动分支机构，本机构可实现两转动三移动与三转动两移动可切换的五自由度，切换条件易控；除具有误差小、承受能力大、运动学反解容易等普通并联机器人的优点外，还具有结构参数可调、运动性能可变、工作空间大与工况针对性强的优点。
驱动分支机构的一端与静平台相连接，驱动分支机构的另一端与动平台相连接。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构所述驱动分支机构包括中间驱动分支机构和四周驱动分支机构，中间驱动分支机构的一端安装在静平台上，并且位于静平台的几何中心，中间驱动分支机构的另一端安装在动平台上，并且位于动平台的几何中心；四周驱动分支机构有四条，并且四周驱动分支机构的一端活动安装在静平台上，四周驱动分支机构的另一端活动安装在动平台上。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构所述中间驱动分支机构包括两个万向节Ⅰ、两个固定装置和中间伸缩装置Ⅰ，中间伸缩装置Ⅰ的两端分别通过一个万向节Ⅰ与固定装置活动连接，两个固定装置分别固定在静平台和动平台上。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构所述中间伸缩装置Ⅰ为液压缸或者气压缸。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构所述四周驱动分支机构包括两个滑块、万向节Ⅱ、中间伸缩机构Ⅱ和球副，中间伸缩机构Ⅱ的一端通过万向节Ⅱ和滑块与静平台上的滑道Ⅰ活动连接，中间伸缩机构Ⅱ的另一端通过球副和滑块与动平台上的滑道Ⅱ活动连接。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构所述静平台上的滑道Ⅰ的相邻轴线正交，且分别平行位于静平台的四个边上。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构所述动平台上的滑道Ⅱ的相邻轴线正交，且分别平行位于动平台的四个边上。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构所述滑道Ⅰ和滑道Ⅱ为丝杠。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构所述中间伸缩机构Ⅱ为液压缸或者气压缸。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构所述动平台的几何中心上设置有主轴电机和刀具，主轴电机与刀具同轴。
本发明一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构的有益效果为：
本发明一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构，本机构可实现两转动三移动与三转动两移动可切换的五自由度，切换条件易控；除具有误差小、承受能力大、运动学反解容易等普通并联机器人的优点外，还具有结构参数可调、运动性能可变、工作空间大与工况针对性强的优点。
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为本发明一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构的结构示意图。
图2为本发明一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构的A的局部放大图。
图3为本发明一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构的B的局部放大图。
图中：驱动分支机构1；中间驱动分支机构1-1；万向节Ⅰ1-1-1；固定装置1-1-2；中间伸缩装置Ⅰ1-1-3；四周驱动分支机构1-2；滑块1-2-1；万向节Ⅱ1-2-2；中间伸缩机构Ⅱ1-2-3；球副1-2-4；静平台2；滑道Ⅰ2-1；动平台3；滑道Ⅱ3-1；主轴电机4；刀具5。
具体实施方式
具体实施方式一：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本发明涉及一种五自由度并联机构，更具体的说是一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构，本机构可实现两转动三移动与三转动两移动可切换的五自由度，切换条件易控；除具有误差小、承受能力大、运动学反解容易等普通并联机器人的优点外，还具有结构参数可调、运动性能可变、工作空间大与工况针对性强的优点。
驱动分支机构1的一端与静平台2相连接，驱动分支机构1的另一端与动平台3相连接，通过控制驱动分支机构1的伸缩来调节动平台3相对于静平台2的位置。
具体实施方式二：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述驱动分支机构1包括中间驱动分支机构1-1和四周驱动分支机构1-2，中间驱动分支机构1-1的一端安装在静平台2上，并且位于静平台2的几何中心，中间驱动分支机构1-1的另一端安装在动平台3上，并且位于动平台3的几何中心。四周驱动分支机构1-2有四条，并且四周驱动分支机构1-2的一端通过铰链活动安装在静平台2上，四周驱动分支机构1-2的另一端通过球副1-2-4活动安装在动平台3上，通过控制中间驱动分支机构1-1和四周驱动分支机构1-2的伸缩可以调节刀具5的位置。
具体实施方式三：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述中间驱动分支机构1-1包括两个万向节Ⅰ1-1-1、两个固定装置1-1-2和中间伸缩装置Ⅰ1-1-3，中间伸缩装置Ⅰ1-1-3的两端分别通过一个万向节1-1-1Ⅰ与固定装置1-1-2活动连接，两个固定装置1-1-2分别固定在静平台2和动平台3上，中间伸缩装置Ⅰ1-1-3的伸缩使得中间驱动分支机构1-1的长短发生变化，根据需要调节。
具体实施方式四：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述中间伸缩装置Ⅰ1-1-3为液压缸或者气压缸，实现自动伸缩。
具体实施方式五：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述四周驱动分支机构1-2包括两个滑块1-2-1、万向节Ⅱ1-2-2、中间伸缩机构Ⅱ1-2-3和球副1-2-4，中间伸缩机构Ⅱ1-2-3的一端通过万向节Ⅱ1-2-2和滑块1-2-1与静平台2上的滑道Ⅰ2-1活动连接，中间伸缩机构Ⅱ1-2-3的另一端通过球副1-2-4和滑块1-2-1与动平台3上的滑道Ⅱ3-1活动连接，根据需要控制中间伸缩机构Ⅱ1-2-3的伸缩。
具体实施方式六：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述静平台2上的滑道Ⅰ2-1的相邻轴线正交，且分别平行位于静平台2的四个边上。
具体实施方式七：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述动平台3上的滑道Ⅱ3-1的相邻轴线正交，且分别平行位于动平台3的四个边上。
具体实施方式八：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式对实施方式五或六或七作进一步说明，所述滑道Ⅰ2-1和滑道Ⅱ3-1为丝杠，丝杠与相配合的丝杠螺母即滑块1-2-1具有自锁功能，可以随时调节滑块1-2-1在滑道Ⅱ3-1上的位置并且实现自锁。
具体实施方式九：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述中间伸缩机构Ⅱ1-2-3为液压缸或者气压缸，实现自动伸缩。
具体实施方式十：
下面结合图1、2、3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3的几何中心上设置有主轴电机4和刀具5，主轴电机4与刀具5同轴，稳定性好。
装置的工作原理：静平台2与动平台3上的八个滑块1-2-1可分别在在滑道Ⅰ2-1与滑道Ⅱ3-1上滑动，并且滑动相互独立。在机构实施动作之前，根据零件加工位置或者夹持位置等工况确定动平台3所需要达到的工作空间，根据此工作空间的大小和方位确定动静平台2上滑块1-2-1在滑道上划过的距离。待机构运动后，因为滑道Ⅰ2-1和滑道Ⅱ3-1为丝杠为丝杠，丝杠与丝杠螺母即滑块1-2-1具有自锁功能，所以滑块不在相对滑道滑动。
当根据情况选定动平台3与静平台2参数时，工作空间扩大了13倍，深度扩大5.25倍，可达广度半径扩大1.86倍。可见，根据工况需要确定机构参数的这种参数可变的机构可有效扩大工作空间。
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 (10)

1.一种结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构，包括五条驱动分支机构(1)、静平台(2)和动平台(3)，其特征在于：所述驱动分支机构(1)的一端与静平台(2)相连接，驱动分支机构(1)的另一端与动平台(3)相连接。
2.根据权利要求1所述的结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构，其特征在于：所述驱动分支机构(1)包括中间驱动分支机构(1-1)和四周驱动分支机构(1-2)，中间驱动分支机构(1-1)的一端安装在静平台(2)上，并且位于静平台(2)的几何中心，中间驱动分支机构(1-1)的另一端安装在动平台(3)上，并且位于动平台(3)的几何中心；四周驱动分支机构(1-2)有四条，并且四周驱动分支机构(1-2)的一端活动安装在静平台(2)上，四周驱动分支机构(1-2)的另一端活动安装在动平台(3)上。
3.根据权利要求2所述的结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构，其特征在于：所述中间驱动分支机构(1-1)包括两个万向节Ⅰ(1-1-1)、两个固定装置(1-1-2)和中间伸缩装置Ⅰ(1-1-3)，中间伸缩装置Ⅰ(1-1-3)的两端分别通过一个万向节Ⅰ(1-1-1)与固定装置(1-1-2)活动连接，两个固定装置(1-1-2)分别固定在静平台(2)和动平台(3)上。
4.根据权利要求3所述的结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构，其特征在于：所述中间伸缩装置Ⅰ(1-1-3)为液压缸或者气压缸。
5.根据权利要求2所述的结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构，其特征在于：所述四周驱动分支机构(1-2)包括两个滑块(1-2-1)、万向节Ⅱ(1-2-2)、中间伸缩机构Ⅱ(1-2-3)和球副(1-2-4)，中间伸缩机构Ⅱ(1-2-3)的一端通过万向节Ⅱ(1-2-2)和滑块(1-2-1)与静平台(2)上的滑道Ⅰ(2-1)活动连接，中间伸缩机构Ⅱ(1-2-3)的另一端通过球副(1-2-4)和滑块(1-2-1)与动平台(3)上的滑道Ⅱ(3-1)活动连接。
6.根据权利要求5所述的结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构，其特征在于：所述静平台(2)上的滑道Ⅰ(2-1)的相邻轴线正交，且分别平行位于静平台(2)的四个边上。
7.根据权利要求5所述的结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构，其特征在于：所述动平台(3)上的滑道Ⅱ(3-1)的相邻轴线正交，且分别平行位于动平台(3)的四个边上。
8.根据权利要求5或6或7所述的结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构，其特征在于：所述滑道Ⅰ(2-1)和滑道Ⅱ(3-1)为丝杠。
9.根据权利要求5所述的结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构，其特征在于：所述中间伸缩机构Ⅱ(1-2-3)为液压缸或者气压缸。
10.根据权利要求1所述的结构参数和工作空间可变的五自由度并联机构，其特征在于：所述动平台(3)的几何中心上设置有主轴电机(4)和刀具(5)，主轴电机(4)与刀具(5)同轴。
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