CN106078698A - 一种多自由度并联随行机构及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多自由度并联随行机构及其驱动方法，属于多自由度并联随行机构。支架和滑轨组件固定在试验平台上，上支撑板安装在支架上，上板固定在上支撑板上，主运动组件和随行运动组件通过虎克铰安装在上板上，圆柱滑轨组件中的滑块与滑轨组件中的滑轨配合连接，并且其圆柱滑轨两端通过转动副与运动组件伸缩杆套筒上固定的连接件连接，两运动组件内侧的伸缩杆通过连杆连接，连杆两端以转动副将主运动组件和随行运动组件的连接件连接；通过上位机驱动虎克铰驱动电机和伸缩杆驱动电机，改变主动平台的位姿，同时，使随行运动组件同步完成运动。优点是结构新颖，能够完成对主运动组件空间运动的随行，增多了可随行运动的自由度。

Description

一种多自由度并联随行机构及其驱动方法

技术领域

本发明属于机械工程领域，特别涉及一种多自由度并联随行机构，并提供一种该机构的驱动方法。

背景技术

随行机构能够完成对主运动部件运动的随行。目前的随行机构大多只能完成单自由度的随行，不能满足对空间运动的随行任务；并且，往往需要液压、气压等系统的辅助，结构较为复杂。例如一种随行机构(专利号：CN203266227U)以伸缩机构为主体，利用液压系统实现控制，改变随行部分杆件伸缩长度，可完成单自由度运动的随行。所以，实现随行机构结构的简单化、运动自由度的多样化是十分有必要的。

发明内容

本发明提供一种多自由度并联随行机构及其驱动方法，可以实现对主运动平台运动的运动随行，并提供一种对其进行控制的方法。

本发明采取的技术方案是：支架Ⅰ、支架Ⅱ和滑轨组件固定在试验平台上，上支撑板两端安装在支架上，上板固定在上支撑板上；主运动组件和随行运动组件分别通过虎克铰安装在上板下部，圆柱滑轨组件Ⅰ和圆柱滑轨组件Ⅱ通过它们连接板上的滑块与滑轨组件纵向滑轨座上的滑轨配合连接，并且其圆柱滑轨两端以转动副与主运动组件和随行运动组件外侧的两对伸缩杆上的连接件和连接件连接；两运动组件内侧的伸缩杆通过连杆连接，连杆两端以转动副与两运动组件中的连接件连接。

所述主运动组件的结构是：虎克铰一驱动电机通过电机支架固定在上板，电机转轴与虎克铰一十字轴横轴配合安装，虎克铰一与伸缩杆推杆上端配合安装；推杆下端为丝杠螺母副，与滚珠丝杠配合安装，滚珠丝杠下端与齿轮组中最右面的齿轮配合安装；导向装置固定在推杆上，两侧的导向轮与伸缩杆套筒内壁凸台滚动接触；伸缩杆套筒与转接架以螺栓连接，并与推杆顶端配合；伸缩杆驱动电机安装在转接架上，转轴与齿轮组最左面齿轮配合安装，齿轮组固定装在转接架上，连接件固定安装在伸缩杆套筒上，转接架通过球铰链固定在运动平台上，另外两组伸缩杆结构与此相同。

所述随行运动组件的结构是：伸缩杆上端通过虎克铰二固定在上板上，下端通过球铰链固定在运动平台上，连接件固定安装在伸缩杆套筒壁上，另外两组伸缩杆结构与此相同。

所述滑轨组件的结构是：滑轨Ⅰ、滑轨Ⅱ与纵向滑轨座固定连接，滑轨Ⅲ、滑轨Ⅳ与横向滑轨座固定连接，纵向滑轨座下端与连接板相互固定，连接板下面固定有滑块Ⅰ、滑块Ⅱ，并与横向滑轨座上滑轨配合安装，滑块可沿滑轨直线运动，另一纵向滑轨座相关配合结构与纵向滑轨座相同。

所述圆柱滑轨组件Ⅰ的结构是：圆柱滑轨和圆柱滑块面接触连接，圆柱滑块固定安装在连接板上，连接板反面固定安装滑块一、安装滑块二，与滑轨组件纵向滑轨组件上的滑轨配合安装。

所述圆柱滑轨组件Ⅱ的结构与圆柱滑轨组件Ⅰ相同。

本发明提供一种该多自由度并联随行机构的驱动方法，步骤如下：通过上位机控制虎克铰一驱动电机改变虎克铰转轴角度，通过控制伸缩杆驱动电机的转动，由齿轮组进行运动传递，由丝杠螺母机构将圆周运动变为直线运动，从而改变伸缩杆长度；伸缩杆长度和虎克铰转轴角度的改变将改变主运动组件运动平台位姿；通过滑轨组件和圆柱滑轨组件的作用，使随动运动组件运动平台实现预期运动。

本发明的优点是：结构新颖，将三杆并联机构引入随行机构，充分发挥其在空间中运动范围广的优点，可以实现空间多自由度的运动随行；结构简单，通过滑轨组件、圆柱滑轨组件及连杆的作用，产生随行运动的组件无需通过额外的液压、气压等系统提供动力，即可实现对运动的精确随行；用于机加工等领域时，可以实现双工位加工，并省去一套驱动机构，降低了成本；将主运动组件中电机控制部分除去，变换成普通的伸缩杆机构，也可以实现对手动运动的随行。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2(a)是本发明主运动组件结构示意图；

图2(b)是本发明主运动组件伸缩杆剖面示意图；

图2(c)是本发明主运动组件伸缩杆套筒剖面示意图；

图3是本发明随行运动组件结构示意图；

图4是本发明滑轨组件的示意图；

图5是本发明圆柱滑轨组件示意图；

图6是本发明多自由度运动随行机构简图；

其中：上板1，主运动组件2，支架Ⅰ3，试验平台4，随行运动组件5，滑轨组件6，连杆7，上支撑板8，圆柱滑轨组件Ⅰ9，圆柱滑轨组件Ⅱ10，支架Ⅱ11，电机支架201，虎克铰一驱动电机202，虎克铰一203，伸缩杆套筒204，连接件205，伸缩杆驱动电机206，转接架207，球铰链208，运动平台209，齿轮组210，推杆211，导向装置212，滚珠丝杠213，虎克铰二501，伸缩杆502，连接件503，球铰链504，运动平台505，滑轨Ⅰ601，纵向滑轨座602，滑轨Ⅱ603，滑轨Ⅲ604，滑轨Ⅳ605，连接板606，横向滑轨座609，圆柱滑轨901，连接板902，滑块一903，圆形滑块904，滑块二905。

具体实施方式

该运动随行机构由上板1，主运动组件2，支架Ⅰ3，试验平台4，随行运动组件5，滑轨组件6，连杆7，上支撑板8，圆柱滑轨组件Ⅰ9，圆柱滑轨组件Ⅱ10，支架Ⅱ11组成；支架Ⅰ3、支架Ⅱ11和滑轨组件6固定在试验平台4上，上支撑板8两端安装在支架上，上板1固定在上支撑板8上；主运动组件2和随行运动组件5分别通过虎克铰安装在上板1下部，圆柱滑轨组件Ⅰ9和圆柱滑轨组件Ⅱ10通过它们连接板上的滑块与滑轨组件6纵向滑轨座上的滑轨配合连接，并且其圆柱滑轨两端以转动副与主运动组件2和随行运动组件5外侧的两对伸缩杆上的连接件205和连接件503连接；两运动组件内侧的伸缩杆通过连杆7连接，连杆7两端以转动副与两运动组件中的连接件连接。

所述主运动组件2的结构是：虎克铰一驱动电机202通过电机支架201固定在上板，电机转轴与虎克铰一203十字轴横轴配合安装；虎克铰一203与伸缩杆推杆211上端配合安装；推杆211下端为丝杠螺母副，与滚珠丝杠213配合安装，滚珠丝杠下端与齿轮组210中最右面的齿轮配合安装；导向装置212固定在推杆211上，两侧的导向轮与伸缩杆套筒204内壁凸台滚动接触；伸缩杆套筒204与转接架207以螺栓连接，并与推杆顶端配合；伸缩杆驱动电机206安装在转接架207上，转轴与齿轮组最左面齿轮配合安装；齿轮组固定装在转接架207上；连接件205固定安装在伸缩杆套筒204上；转接架207通过球铰链208固定在运动平台209上；另外2组伸缩杆结构与此相同。

所述随行运动组件5的结构是：伸缩杆502上端通过虎克铰二501固定在上板1上，下端通过球铰链504固定在运动平台505上；连接件503固定安装在伸缩杆套筒壁上；另外两组伸缩杆结构与此相同。

所述滑轨组件6的结构是：滑轨Ⅰ601、滑轨Ⅱ603与纵向滑轨座602固定连接，滑轨Ⅲ604、滑轨Ⅳ605与横向滑轨座609固定连接；纵向滑轨座602下端与连接板606相互固定；连接板606下面固定有滑块Ⅰ607、滑块Ⅱ608，并与横向滑轨座609上滑轨配合安装；滑块可沿滑轨直线运动。另一纵向滑轨座相关配合结构与纵向滑轨座602相同。

所述圆柱滑轨组件Ⅰ9的结构是：圆柱滑轨901和圆柱滑块904面接触连接；圆柱滑块904固定安装在连接板902上；连接板902反面固定安装滑块一903、安装滑块二905，与滑轨组件6纵向滑轨组件上的滑轨配合安装。

所述圆柱滑轨组件Ⅱ10的结构与圆柱滑轨组件Ⅰ9相同。

本发明提供一种该随行机构的驱动方法：通过伸缩杆驱动电机206带动齿轮组210的转动，齿轮组210与滚珠丝杠213下端连接，发生转动，通过推杆211下端丝杠螺母副，及导向装置212作用，使推杆211伸出长度发生变化；通过虎克铰驱动电机201带动虎克铰转轴转动，从而改变十字轴与静平台夹角，并影响伸缩杆方向；通过二者共同作用，使主运动组件运动平台位姿发生变化，通过滑轨组件6和圆柱滑轨组件Ⅰ9、Ⅱ10的作用，使随行运动组件5产生随行运动。

首先，对运动组件的的驱动方式的选择进行说明：

如图2所示，对结构进行简化可知，可运动构件数目N＝7；移动副数目为3，每个移动副限制空间的5个自由度；虎克铰数目为3，每个限制空间4个自由度；球铰数目为3，每个限制空间3个自由度，故由空间自由度的计算公式可得：

$F=6N-\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i=6\×7-3\×4-3\×5-3\×3=42-36=6$

由于机构的原动件数目与自由度数目相等时，机构才能有确定性的运动。所以，总共选用6个电机来控制主运动机构的确定性运动。

其次，对机构运动随行的同步性进行说明：

如图5所示：运动机构动平台和经平台之间通过伸缩杆连接，伸缩杆和动静平台之间为球铰链接触。伸缩杆B₁P₁和B₁'P₁'、B₂P₂和B₂'P₂'之间通过圆柱滑轨连接，每根圆柱滑轨与两个圆柱滑块配合；伸缩杆B₃P₃和B₃'P₃'通过连杆连接。其中，B₁B₂B₃和B₁'B₂'B₃'为静平台，P₁P₂P₃和P₁'P₂'P₃'为动平台，B_i和B_i'(i＝1,2,3)为静平台铰点，P_i和P_i'(i＝1,2,3)为动平台铰点。圆形滑轨组件中，由于滑块与滑轨组件的约束关系有MM'//NN'//OO'；并且，有以下关系：OO'＝MM'＝NN'＝KK'＝l。

以静平台B₁B₂B₃的中心点O为坐标原点，建立静坐标系O-XYZ；以动平台P₁P₂P₃中心点o为原点，建立动坐标系o-xyz；以动平台P₁'P₂'P₃'的中心点o'为坐标原点，建立动坐标系o-x'y'z'。

运动通过圆柱滑轨和连杆进行传递。在图中，由于

MM'//NN'//OO'

所以，可以得到下面的结论

x_M＝x_M'，y_M＝y_M'+l，z_M＝z_M'；

x_N＝x_N'，y_N＝y_N'+l，z_N＝z_N'；

又由于静平台各铰点坐标有以下关系

B_i'(x_i',y_i',z_i')＝B_i(x_i,y_i,z_i)+(0,l,0)

故，

由于安装后从转动副到动平台铰点的距离相等，故

由此可知，这两对伸缩杆在空间中的方向和长度是相同的，这也说明了他们运动的同步性。下面只需证明剩下的一对伸缩杆B₃P₃和B₃'P₃'运动的同步性即可。只需证明KK'//OO'即可。

由静平台各铰点连接线之间的关系，有

B₂B₃//B₂'B₃'，B₁B₃//B₁'B₃'

又B₁P₁//B₁'P₁'，B₂P₂//B₂'P₂',

所以，面B₂B₃P₂//面B₂'B₃'P₂'，面B₁B₃P₁//面B₁'B₃'P₁'；

而B₃P₃是面B₂B₃P₂和面B₁B₃P₁的交线，B₃'P₃'是面B₂'B₃'P₂'和面B₁'B₃'P₁'的交线，所以有

B₃P₃//B₃'P₃'

所以，四边形B₃B₃'K'K是平行四边形，

所以，KK'//B₃B₃'//OO'

所以，

x_K＝x_K'，y_K＝y_K'+l，z_K＝z_K'；

这也说明了伸缩杆B₃P₃和B₃'P₃'的运动也是同步的。

综上所述，本随行机构可以完成对确定性多自由度运动的随行。

具体操作过程如下：通过控制虎克铰转轴驱动电机202和伸缩杆驱动电机206，通过主运动组件2伸缩杆的长度变化及各虎克铰十字轴的转动，使主运动组件动平台位姿发生预期变化，通过滑轨组件6、连杆7及圆柱滑轨组件Ⅰ9、Ⅱ10的约束，使随动运动组件5的动平台能够完成对运动组件2运动的随行。

Claims (6)

1.一种多自由度并联随行机构，其特征在于：支架Ⅰ、支架Ⅱ和滑轨组件固定在试验平台上，上支撑板两端安装在支架上，上板固定在上支撑板上；主运动组件和随行运动组件分别通过虎克铰安装在上板下部，圆柱滑轨组件Ⅰ和圆柱滑轨组件Ⅱ通过它们连接板上的滑块与滑轨组件纵向滑轨座上的滑轨配合连接，并且其圆柱滑轨两端以转动副与主运动组件和随行运动组件外侧的两对伸缩杆上的连接件和连接件连接；两运动组件内侧的伸缩杆通过连杆连接，连杆两端以转动副与两运动组件中的连接件连接。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度并联随行机构，其特征在于：所述主运动组件的结构是：虎克铰一驱动电机通过电机支架固定在上板，电机转轴与虎克铰一十字轴横轴配合安装，虎克铰一与伸缩杆推杆上端配合安装；推杆下端为丝杠螺母副，与滚珠丝杠配合安装，滚珠丝杠下端与齿轮组中最右面的齿轮配合安装；导向装置固定在推杆上，两侧的导向轮与伸缩杆套筒内壁凸台滚动接触；伸缩杆套筒与转接架以螺栓连接，并与推杆顶端配合；伸缩杆驱动电机安装在转接架上，转轴与齿轮组最左面齿轮配合安装，齿轮组固定装在转接架上，连接件固定安装在伸缩杆套筒上，转接架通过球铰链固定在运动平台上，另外两组伸缩杆结构与此相同。

3.根据权利要求1所述的一种多自由度并联随行机构，其特征在于：所述随行运动组件的结构是：伸缩杆上端通过虎克铰二固定在上板上，下端通过球铰链固定在运动平台上，连接件固定安装在伸缩杆套筒壁上，另外两组伸缩杆结构与此相同。

4.根据权利要求1所述的一种多自由度并联随行机构，其特征在于：所述滑轨组件的结构是：滑轨Ⅰ、滑轨Ⅱ与纵向滑轨座固定连接，滑轨Ⅲ、滑轨Ⅳ与横向滑轨座固定连接，纵向滑轨座下端与连接板相互固定，连接板下面固定有滑块Ⅰ、滑块Ⅱ，并与横向滑轨座上滑轨配合安装，滑块可沿滑轨直线运动，另一纵向滑轨座相关配合结构与纵向滑轨座相同。

5.根据权利要求1所述的一种多自由度并联随行机构，其特征在于：所述圆柱滑轨组件Ⅰ的结构是：圆柱滑轨和圆柱滑块面接触连接，圆柱滑块固定安装在连接板上，连接板反面固定安装滑块一、安装滑块二，与滑轨组件纵向滑轨组件上的滑轨配合安装。

6.如权利要求1所述的一种多自由度并联随行机构的驱动方法，其特征在于：步骤如下：通过上位机控制虎克铰一驱动电机改变虎克铰转轴角度，通过控制伸缩杆驱动电机的转动，由齿轮组进行运动传递，由丝杠螺母机构将圆周运动变为直线运动，从而改变伸缩杆长度；伸缩杆长度和虎克铰转轴角度的改变将改变主运动组件运动平台位姿；通过滑轨组件和圆柱滑轨组件的作用，使随动运动组件运动平台实现预期运动。