CN108527323A - 一种大回转范围的球面并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大回转范围的球面并联机构，包括静平台、三个对称设置在静平台的减速机、设置在静平台圆形空腔内的动平台、第一支链、第二支链、第三支链；第一支链和第二支链的一端分别与动平台转动环和动平台底座同轴连接，另一端和减速机在静平台的安装孔处同轴连接，用来控制动平台的俯仰和倾侧；第三支链一端通过轴连接在动平台工作台上，另一端和减速机在静平台的安装孔处同轴连接，用来控制动平台的回转；卸载装置位于动平台和静平台之间，且同时与两者接触。减速机用来控制各支链的转动，三条支链上的所有转动副都交于球心，使得机构具有解耦性。本发明的球面并联机构刚度大、回转范围大且解耦精度高。

Description

一种大回转范围的球面并联机构
技术领域
本发明属于并联机构领域，特别是一种大回转范围的球面并联机构。
背景技术
通常的球面机构所有转动副都绕其球心转动，以三自由度球面机构为例，该种机构的九个转动副的轴线均交于球心，动平台可以绕该点实现三维转动，当动平台的质心位于球心位置时，便有最小的转动惯量，便于实现快速角度调转。这种机构在一些轻载荷条件下得到了部分有效应用，如电子眼、摄像云台等。但对于数控回转工作台，却由于刚度、承载能力运动范围等问题，限制了其应用。对于这种工作台来说，既需要运动范围大且解耦简单，又需要转动惯量小，以提高快速跟踪能力，还需要承受重载荷和冲击载荷，现有球面机构都不能满足要求。
中国专利CN107160365A公开了一种三自由度解耦球面并联机构，该机构所述旋转部可带动所述动平台绕垂直静平台的方向做360°旋转，动平台和静平台通过两根支链连接，且支链比较单薄，不易于承受大载荷，该机构使用三个驱动单元来分别独立驱动动平台和两根支链，具有解耦性。中国专利CN102275163B公开了一种球面并联运动机构，该并联机构结构简单、工作空间较大、制造安装方便，动平台和静平台之间通过圆弧支链连接，没有卸载装置，刚度较差。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种大回转范围的球面并联机构，以解决球面并联机构工作范围较小和刚度不足等问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种大回转范围的球面并联机构，包括静平台，三个设置在静平台的减速机，设置在静平台圆形空腔内的动平台、第一支链、第二支链、第三支链；
所述静平台上设有减速机的安装孔，且安装孔的轴向与静平台的球心相交，三个安装孔的轴向两两夹角为120°；所述动平台包括工作台、转动环、底座；所述工作台下端设有转轴，所述转动环设置在转轴中间外圆上，可与转轴相对转动；所述底座设置在转轴下端，可与转轴相对转动；所述第一支链包括第一安装板、第一连杆；所述第一安装板与转动环固连；所述第一连杆一端与第一安装板通过转轴连接，另一端与其中一个减速机相连；所述第二支链包括第二安装板、第二连杆；所述第二安装板与底座固连；所述第二连杆一端与第二安装板通过转轴连接，另一端与其中第二个减速机相连；所述第三支链包括第三安装板、第三连杆、第四连杆、滑块；所述第三安装板与动平台通过转轴连接；所述第三连杆一端与第三安装板通过转轴连接，另一端与其中第三个减速机相连；所述第三安装板长度方向上设有滑槽，所述滑块设置在滑槽内，可在滑槽内滑动；所述第四连杆一端与滑块通过转轴连接，另一端与其中第三个减速机相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明的大回转范围的球面并联机构，其中一个控制动平台回转的第三支链采用球面曲柄滑块的结构，可以增大动平台的回转范围。
(2)本发明的大回转范围的球面并联机构，动平台和静平台之间设有卸载装置，将动平台受到的载荷通过卸载装置传递给静平台，减小支链的受力，可以增大此球面机构的刚度，从而增大精度。
(3)本发明的大回转范围的球面并联机构，所有转动副的轴线均交于球心，减速机分别控制三条支链，解耦易于控制。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明一种大回转范围的球面并联机构立体结构示意图。
图2为本发明静平台结构示意图。
图3为本发明动平台结构示意图。
图4为本发明动平台工作台示意图。
图5为本发明动平台转动环与第一支链的连接示意图。
图6为本发明动平台底座与第二支链的连接示意图。
图7为本发明第一支链示意图。
图8为本发明第二支链示意图。
图9就本发明第三支链示意图。
图10为本发明第三支链中滑块行程示意图。
图11为本发明没有第四连杆的情况下，工作台的回转范围示意图。
图12为本发明有第四连杆的情况下，工作台的回转范围示意图。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明的一种大回转范围的球面并联机构，包括静平台3，三个均布设置在静平台3的减速机1，设置在静平台3圆形空腔内的动平台2、第一支链4、第二支链5、第三支链6；
结合图2-图10，所述静平台3上设有减速机1的安装孔3-1，且三个安装孔3-1的轴向与静平台3的球心相交，三个安装孔3-1的轴向两两夹角为120°；所述动平台2包括工作台2-1、转动环2-2、底座2-3；所述工作台2-1下端设有转轴，所述转动环2-2设置在转轴中间外圆上，可与转轴相对转动；所述底座2-3设置在转轴下端，可与转轴相对转动；所述第一支链4包括第一安装板4-1、第一连杆4-2；所述第一安装板4-1与转动环2-2固连；所述第一连杆4-2一端与第一安装板4-1通过转轴连接，另一端与其中一个减速机1相连；所述第二支链5包括第二安装板5-1、第二连杆5-2；所述第二安装板5-1与底座2-3固连；所述第二连杆5-2一端与第二安装板5-1通过转轴连接，另一端与其中第二个减速机1相连；所述第三支链6包括第三安装板6-1、第三连杆6-4、第四连杆6-3、滑块6-2；所述第三安装板6-1与动平台2通过转轴连接；所述第三连杆6-4一端与第三安装板6-1通过转轴连接，另一端与其中第三个减速机1相连；所述第三安装板6-1长度方向上设有滑槽，所述滑块6-2设置在滑槽内，可在滑槽内滑动；所述第四连杆6-3一端与滑块通过转轴连接，另一端与其中第三个减速机1相连。
优选的，所述底座2-3下端为半球形结构。
进一步的，所述第一连杆4-2、第二连杆5-2、第三连杆6-4、第四连杆6-3均为圆弧板，圆弧弯曲朝向与静平台3内圆空腔弯曲方向一致，且连杆的弯曲半径大于底座2-3的外径且小于静平台3的内径，防止连杆与静平台3和动平台2之间产生干涉。
进一步的，所述动平台2和静平台3之间还设有卸载装置，所述卸载装置用于支撑底座2-3下端面，从而将整个动平台2重量传递给静平台3，使得动平台2具有更好的载荷效果。
在一些实施方式中，所述卸载装置设置在静平台3，空腔底部设有安装空腔，安装空腔内设有多个蜂窝巢3-2，蜂窝巢3-2内设有滚珠，滚珠与动平台2和静平台3相接触，而且可以在蜂窝巢3-2内自由转动。
在另外一些实施方式中，所述卸载装置设置在底座2-3下端外圆上，所述底座2-3下端外圆上设有多个滚珠座，滚珠座与动平台2和静平台3相接触。
结合图11-12，工作时，三个减速机分别带动三条支链运动，第一支链4、第二支链5用来控制动平台2的俯仰和倾侧，第三支链6用来控制动平台2的回转；第三支链6的第四连杆6-3为主动杆，带动动平台2绕自身轴线回转；图11-12中，AB为第三连杆6-4，BC为第三安装板6-1，AD为第四连杆6-3，A1B1C1D1和A2B2C2D2为两两共圆弧的两种极限位置，回转角度为α+β(图12)，若无第四连杆6-3，则动平台回转角度为α(图11)，很显然，本发明第三支链6增大了动平台2的回转范围；运动受载时，加在动平台2上的载荷通过卸载装置传到静平台3上，增大了并联机构的刚度和精度，且卸载装置不会影响动平台2的运动。

Claims (6)

1.一种大回转范围的球面并联机构，其特征在于，包括静平台(3)，三个设置在静平台(3)的减速机(1)，设置在静平台(3)圆形空腔内的动平台(2)、第一支链(4)、第二支链(5)、第三支链(6)；
所述静平台(3)上设有减速机(1)的安装孔(3-1)，且安装孔(3-1)的轴向与静平台(3)的球心相交，三个安装孔(3-1)的轴向两两夹角为120°；所述动平台(2)包括工作台(2-1)、转动环(2-2)、底座(2-3)；所述工作台(2-1)下端设有转轴，所述转动环(2-2)设置在转轴中间外圆上，可与转轴相对转动；所述底座(2-3)设置在转轴下端，可与转轴相对转动；所述第一支链(4)包括第一安装板(4-1)、第一连杆(4-2)；所述第一安装板(4-1)与转动环(2-2)固连；所述第一连杆(4-2)一端与第一安装板(4-1)通过转轴连接，另一端与其中一个减速机(1)相连；所述第二支链(5)包括第二安装板(5-1)、第二连杆(5-2)；所述第二安装板(5-1)与底座(2-3)固连；所述第二连杆(5-2)一端与第二安装板(5-1)通过转轴连接，另一端与其中第二个减速机(1)相连；所述第三支链(6)包括第三安装板(6-1)、第三连杆(6-4)、第四连杆(6-3)、滑块(6-2)；所述第三安装板(6-1)与动平台(2)通过转轴连接；所述第三连杆(6-4)一端与第三安装板(6-1)通过转轴连接，另一端与其中第三个减速机(1)相连；所述第三安装板(6-1)长度方向上设有滑槽，所述滑块(6-2)设置在滑槽内，可在滑槽内滑动；所述第四连杆(6-3)一端与滑块通过转轴连接，另一端与其中第三个减速机(1)相连。
2.根据权利要求1所述的一种大回转范围的球面并联机构，其特征在于，所述底座(2-3)下端为半球形结构。
3.根据权利要求2所述的一种大回转范围的球面并联机构，其特征在于，所述第一连杆(4-2)、第二连杆(5-2)、第三连杆(6-4)、第四连杆(6-3)均为圆弧板，圆弧弯曲朝向与静平台(3)内圆空腔弯曲方向一致，且连杆的弯曲半径大于底座(2-3)的外径且小于静平台(3)的内径，防止连杆与静平台(3)和动平台(2)之间产生干涉。
4.根据权利要求2所述的一种大回转范围的球面并联机构，其特征在于，所述动平台(2)和静平台(3)之间还设有卸载装置，所述卸载装置用于支撑底座(2-3)下端面，从而将整个动平台(2)重量传递给静平台(3)。
5.根据权利要求4所述的一种大回转范围的球面并联机构，其特征在于，所述卸载装置设置在静平台(3)空腔底部设有安装空腔，安装空腔内设有多个蜂窝巢(3-2)，蜂窝巢(3-2)内设有滚珠，滚珠与动平台(2)和静平台(3)相接触，而且可以在蜂窝巢(3-2)内自由转动。
6.根据权利要求4所述的一种大回转范围的球面并联机构，其特征在于，所述卸载装置设置在底座(2-3)下端外圆上，所述底座(2-3)下端外圆上设有多个滚珠座，滚珠座与动平台(2)和静平台(3)相接触。
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