CN107571245A - 一种数控6自由度并联机构小型吊运机 - Google Patents

一种数控6自由度并联机构小型吊运机 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种数控6自由度并联机构小型吊运机,用于机械部件的精确对接装配。它由可在地面运动的底盘、主杆、升降杆、悬臂、6自由度并联机构组成。工件通过夹具安装在并联机构的末端,数控装置控制伺服电机和减速机驱动并联机构运动,能够准确控制工件的空间位置和姿态。操作人员通过手持操作盒的操作按钮,发出工件在空间3个方向的移动和3个方向的旋转运动指令,控制并联机构调整工件的位置和姿态,完成工件的精确对接装配。本发明涉及的小型吊运机结构紧凑、重量轻、造价低、能完成空间6自由度位置姿态精确控制,操作省力、安全,适合人力难于完成的工件对接装配操作。

Description

一种数控6自由度并联机构小型吊运机
技术领域
[0001]本发明涉及小型吊运设备技术领域,具体涉及一种数控6自由度并联机构小型吊 运机,用于机械产品对接装配。
背景技术
[0002]小型吊运机是一种应用广泛的小型起重设备,负载范围通常为几十千克至几百千 克,体积小,运动灵活,适用于室内外较小活动空间的吊运作业。图1(a)是一种常用小型吊 运机的示意图,由安装有车轮的底盘1,主杆2,转动臂3组成,转动臂可在主杆2上转动。电动 机4通过减速器5收放钢丝绳6,升降吊钩7和负载8。小型吊运机是机械设备装配的常用辅助 设备,经常用于机械部件对接装配操作。如图2 (a)和图2⑹所示,第一机械部件9固定放置, 第二机械部件10由吊运机移动。第一机械部件9和第二机械部件10对接装配操作时,要求调 整第二机械部件10的位置和姿态,使第二机械部件1〇的中心线Y2与第一机械部件9的中心 线Y1接近重合,第二机械部件10的相位角B2与第一机械部件9的相位角B1接近重合,然后沿 第二机械部件10的中心线方向Y2’移动第二机械部件10,与第一机械部件9完成对接,如图2 (c)所示。此过程需要操作第二机械部件10完成相对第一机械部件9的空间平移、A、B、C三个 方向的转动和Y2’方向的移动。普通小型吊运机只能提供负载的升降和水平方向承力运动, 其他运动,如图2中的A、B、C方向旋转和Y’方向运动必须由人力辅助完成。这是具有较大操 作难度和需要较强体力的操作。同时,也难于达到较高的运动精度。图1(b)是采用龙门架结 构的小型吊运机示意图。现有技术中也可以采用关节式搬运工业机器人夹持机械部件进行 对接装配,但是能够负载几十千克至几百千克的搬运工业机器人价格昂贵,体积庞大,尚未 获得广泛应用。
[0003]因此有必要研宄出一种能够操作负载完成6自由度运动(3个移动,3个转动)和定 位的数控小型吊运机,用于机械部件的对接装配。
发明内容
[0004]本发明的目的是克服现有小型吊运机用于机械部件对接装配的技术不足,提供一 种数字控制、伺服电机驱动的6自由度的小型吊运机,用于机械部件(以下文中称为工件)的 对接装配。可以提高工件的对接装配精度,提高装配效率,降低操作劳动强度。
[0005]本发明采用的技术方案为:一种数控6自由度并联机构小型吊运机,用于工件的对 接装配,包括底盘、主杆、升降杆和悬臂,由升降杆粗略调整吊起高度,主杆固定在底盘上, 用于支撑升降杆和悬臂,在底盘上可以安装车轮或支架,便于在地面固定或移动,还包括6 自由度并联机构,该小型吊运机由6自由度并联机构实现被吊工件的空间位置和姿态调整, 6自由度并联机构安装在悬臂上,数控装置控制伺服电机和减速机驱动6自由度并联机构运 动,工件通过夹具安装在6自由度并联机构的末端,操作人员通过手持操作盒的操作按钮, 发出X-Y-Z 3个方向的移动和A-B-C 3个方向的转动运动指令,控制6自由度并联机构实现 工件的空间6自由度运动,调整工件的位置和姿态,与待对接的工件对准,实现工件的准确 对接操作。
[0006]其中,6自由度并联机构由1个上平台、1个下平台、以及连接在上下平台之间的6组 作动机构组成。
[0007]其中,6组作动机构具有相同的结构,都是由上铰链、上臂、中球铰链、下杆和下球 铰链按照自上而下的顺序串联构成,上较链是具有1个自由度的普通铰链,中球铰链和下球 铰链属于球铰链,每组作动机构通过上铰链和上平台连接,通过下球铰链和下平台连接。 [0008]其中,每组作动机构都可以通过上臂绕上铰链的主动运动,驱动本组作动机构运 动,通过6组作动机构的协同运动,实现下平台相对于上平台的位置和姿态改变。
[0009]其中,数控装置将工件在空间3个方向的移动和3个方向的旋转运动指令转换成并 联机构摇臂的旋转运动,控制并联机构产生工件空间位置和姿态。
[0010]其中,通过给数控装置设置并联机构的规格尺寸参数,数控装置可以控制多种规 格尺寸的并联机构吊运机。
[0011]本发明的数控6自由度并联机构小型吊运机与现有技术比较具有如下有益效果: [0012] (1)本发明能够准确控制工件的位置和姿态,实现工件快速准确对接装配;
[0013] (2)本发明操作省力、安全,适合人力难于完成的工件对接装配操作;
[00M] ⑶本发明由于并联机构的负载总重量由6套关节和连杆并联负担,每个电机和关 节连杆只负担总负载重量其中的一部分,与现有的关节式搬运机器人相比,每个电机、关节 和连杆构件的载荷大大降低,因此能够显著减小设备的重量和体积,降低造价;
[0015] (4)本发明采用不同尺寸规格的构件,通过配置数控装置的控制参数,可以非常快 速方便的构建各种尺寸规格的吊运机,适合不同尺寸工件对接装配要求。
附图说明
[0016]图1是一种现有小型吊运机的结构示意图,其中,图1(a)为吊臂式小型吊运机,图1 ⑹为龙门式小型吊运机;
[0017]图2是机械部件对接装配运动示意图,其中,图2 (a)为机械部件对接装配原始状 态,图2 (b)为机械部件对接装配轴向调整状态,图2 (c)为机械部件对接装配完毕状态;
[0018]图3是并联机构的机械原理图;
[0019]图4是并联机构的结构示意图;
[0020]图5是本发明的数控6自由度并联机构小型吊运机的结构和工作原理图;
[0021 ]图6是本发明的龙门式数控6自由度并联机构小型吊运机结构图;
[0022]图7是本发明的控制装置原理图;
[0023]图8是并联机构铰链结构图,其中,图8 (a)为并联结构的球型铰链结构,图8 (b)为 并联结构的万向铰链结构,图8 (c)为万向铰链关节结构;
[0024]图9是并联机构结构参数图;
[0025]图10是f用平行摇臂的6自由度并联机构的结构示意图;
[0026]图11是采用平行摇臂的6自由度并联机构的结构参数图;
[0027]图I2是采用平行摇臂的6自由度并联机构的结构参数图的俯视图,其中,图12 (a) 为采用平行摇臂的6自由度并联机构的上平台结构参数图,图12 (b)为采用平行摇臂的6自 由度并联机构的下平台结构参数图。
[0028]图中附图标记含义为:1为底盘,2为主杆一,3为转动臂,4为电动机,5为减速器,6 为钢丝绳,7为升降吊钩,8为负载,9为第一机械部件,10为第二机械部件,11为底盘,12为主 杆二,13为第一减速机,14为升降杆一,15为悬臂,16为上平台,17为第一伺服电机,18为减 速机,19为第一铰链,20为第二铰链,21为第三铰链,22为第四铰链,23为第五铰链,24为第 六铰链,25为摇臂,26为中间铰链,27为连杆,28为第七铰链,29为第八较链,30为第九较链, 31为第十铰链,32为第i^一铰链,33为第十二铰链,34为下平台,35为夹具,36为工件,37为 升降杆二,38为行车,39为横梁,40为手持操作盒,41为数控装置,42为现场总线,43为第一 伺服装置,44为第二伺服装置,45为第三伺服装置,46为第四伺服装置,47为第五伺服装置, 48为第六伺服装置,49为第二伺服电机,50为第三伺服电机,51为第四伺服电机,52为第五 伺服电机,53为第六伺服电机,54为零部件一,55为零部件二,100为作动机构,101为上铰 链,102为上臂,103为中球铰链,104为下杆,105为下球铰链,1001为并联机构,1002关节结 构。
具体实施方式
[0029]下面结合附图对本发明作进一步的描述。
[0030]图3是并联机构的机械原理图。6自由度并联机构1001由1个上平台16、1个下平台 34、以及连接在上下平台之间的6组作动机构100组成。6组作动机构100具有相同的结构,都 是由上铰链101、上臂102、中球铰链103、下杆104和下球铰链105按照自上而下的顺序串联 构成。上铰链101是具有1个自由度的普通铰链,中球铰链103和下球铰链105属于球铰链。每 组作动机构100通过上铰链101和上平台16连接,通过下球铰链105和下平台34连接。
[0031]图4是本发明的结构示意图。在并联机构1001的上平台16安装了 6个铰链:第一铰 链19,第二铰链20,第三铰链21,第四较链22,第五铰链23,第六较链24,沿一给定半径圆周 布置。下面以其中一个第一铰链19的运动为例,介绍并联机构的运动原理:第一铰链19由第 一伺服电机17和减速机18驱动,产生摇臂25的转动角度J1,然后通过中间铰链26、连杆27、 第七铰链28带动下平台34运动。工件36通过夹具35安装在下平台34上,随下平台34运动。如 图8所示,中间铰链26和第七铰链28可以采用球形铰链或万向铰链,第一伺服电机17的输出 经减速机18减速后,驱动第一铰链19,使其沿a轴转动。
[0032] 在图5中,主杆二12固定在安装有车轮的底盘11上,通过电机和第一减速机13驱动 升降杆一 14,升降杆一 14连接悬臂15,并联机构上平台16安装在悬臂15上。通过底盘11在地 面的移动和升降杆一 14的升降运动Z’,可以完成并联机构上平台16的基本定位,使工件36 接近对接位置。
[0033] 图6是龙门式数控6自由度并联机构小型吊运机结构图。并联机构安装在升降杆二 37上,产生Z方向升降运动。行车38带动升降杆二37在横梁39上运动,产生X方向运动,完成 并联机构上平台的基本定位,使工件接近对接装配位置。然后由并联机构完成准确定位和 工件对接。
[0034] 图7是本发明的控制原理图。操作人员使用手持操作盒40向数控装置41发出工件 移动指令X,Y,Z和旋转指令A,B,C,数控装置41的软件控制程序根据并联机构的结构参数计 算出各个关节的角度位置命令JA1,JA2,JA3,JA4,JA5,JA6,通过伺服驱动现场总线42发送 到第一伺服装置43,第二伺服装置44,第三伺服装置45,第四伺服装置46,第五伺服装置47, 第六伺服装置48,分别控制第一伺服电机17,第二伺服电机49,第三伺服电机5〇,第四伺服 电机51,第五伺服电机52,第六伺服电机53。伺服电机带动减速机产生各摇臂的转动角度 J1,J2,J3,J4,J5,J6,通过各个摇臂的铰链和连杆带动下平台34运动。下平台带动工件产生 X,Y,Z方向的移动和A,B,C方向的转动,到达对接位置和姿态,完成工件对接。 t〇〇35]图8是并联机构铰链结构图。可以采用球形铰链或万向铰链。其中图8 (a)中的中间 铰链26和第七铰链28均为球形铰链,在实际应用中采用工业通用球形铰链。中间铰链26和 第七铰链28采用万向铰链的方式如图8⑹所示,万向铰链的关节结构1002如图8 (c)所示。 该关节结构10〇2由零部件一 54组合2个零部件二55构成,2个零部件二55可分别提供旋转轴 8和e,零部件一54可提供旋转轴0和y,从而实现比球型较链更大自由度的转动。
[0036]图9是6自由度并联机构结构参数示意图。上平台第一铰链19的位置由半径参数R 和安装角参数al定义。用此定义方法,可以确定上平台所有第二铰链20,第三铰链21,第四 铰链22,第五铰链23,第六较链24的位置。下平台第七较链28的位置由半径参数r和安装角 参数bl定义。用此定义方法,可以确定下平台所有第八铰链29,第九铰链30,第十铰链31,第 十一铰链32,第十二铰链33的位置。各个铰链的安装角可以根据负载特点和工作空间要求, 在满足自由度约束的条件下自由设定。所有摇臂和连杆的长度也可以用参数设定。对应第 一铰链19的摇臂25的长度为L1,连杆27的长度为L2。将以上所有参数存储在数控装置41中, 数控装置的控制软件根据这些参数完成坐标变换控制计算,产生关节的角度转动,通过并 联机构,形成工件36的平移和旋转。
[0037]图10是另一种6自由度并联机构结构示意图。该结构的第一铰链19和第二铰链20, 第三铰链21和第四铰链22,第五铰链23和第六铰链24各自对应的摇臂分别两两平行。图11 是该结构的参数图。图12是该结构的参数图的俯视图。上平台第一铰链19的位置由安装角 参数C1和参数D1定义。用此定义方法,可以确定上平台所有关节第二铰链20,第三铰链21, 第四铰链22,第五铰链23,第六铰链24的位置。下平台第七铰链28的位置由安装角参数cl和 参数d2定义。用此定义方法,可以确定下平台所有第八铰链29,第九铰链30,第十铰链31,第 十一铰链32,第十二铰链33的位置。各个关节的安装角可以根据负载特点和工作空间要求, 在满足自由度约束的条件下自由设定。所有摇臂和连杆的长度也可以用参数设定。对应第 一铰链I9的摇臂25的长度为L1,连杆27的长度为L2。将以上所有参数存储在数控装置41中, 数控装置的控制软件根据这些参数完成坐标变换控制计算,产生关节的角度转动,通过并 联机构,形成工件36的平移和旋转。

Claims (6)

1. 一种数控6自由度并联机构小型吊运机,用于工件的对接装配,包括底盘、主杆、升降 杆和悬臂,由升降杆粗略调整吊起高度,主杆固定在底盘上,用于支撑升降杆和悬臂,在底 盘上可以安装车轮或支架,便于在地面固定或移动,其特征在于:还包括6自由度并联机构, 该小型吊运机由6自由度并联机构实现被吊工件的空间位置和姿态调整,6自由度并联机构 安装在悬臂上,数控装置控制伺服电机和减速机驱动6自由度并联机构运动,工件通过夹具 安装在6自由度并联机构的末端,操作人员通过手持操作盒的操作按钮,发出X-Y-Z3个方向 的移动和A-B-C 3个方向的转动运动指令,控制6自由度并联机构实现工件的空间6自由度 运动,调整工件的位置和姿态,与待对接的工件对准,实现工件的准确对接操作。
2. 根据权利要求1所述的一种数控6自由度并联机构小型吊运机,其特征在于:6自由度 并联机构由1个上平台、1个下平台、以及连接在上下平台之间的6组作动机构组成。
3. 根据权利要求1所述的一种数控6自由度并联机构小型吊运机,其特征在于:6组作动 机构具有相同的结构,都是由上铰链、上臂、中球铰链、下杆和下球铰链按照自上而下的顺 序串联构成,上铰链是具有1个自由度的普通铰链,中球铰链和下球铰链属于球铰链,每组 作动机构通过上铰链和上平台连接,通过下球铰链和下平台连接。
4.根据权利要求1所述的一种数控6自由度并联机构小型吊运机,其特征在于:每组作 动机构都可以通过上臂绕上铰链的主动运动,驱动本组作动机构运动,通过6组作动机构的 协同运动,实现下平台相对于上平台的位置和姿态改变。
5.根据权利要求1所述的一种数控6自由度并联机构小型吊运机,其特征在于:数控装 置将工件在空间3个方向的移动和3个方向的旋转运动指令转换成并联机构摇臂的旋转运 动,控制并联机构产生工件空间位置和姿态。
6.根据权利要求所述的一种数控6自由度并联机构小型吊运机,其特征在于:通过给数 控装置设置并联机构的规格尺寸参数,数控装置可以控制多种规格尺寸的并联机构吊运 机。
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