CN108555889A - 含冗余约束的空间五自由度混联加工装备及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含冗余约束的空间五自由度混联加工装备，包括二自由度旋转头、动平台、静平台、转轴架、第一支链、第二支链、第三支链以及第四支链；二自由度旋转头与动平台串接，动平台经第二支链、第四支链与转轴架连接在一起，转轴架与静平台相连接，动平台经第一支链、第三支链与静平台连接在一起；第一支链为UPS型运动支链，第二支链为UPR型运动支链，第三支链为UPS型运动支链，第四支链为UP型运动支链。本发明通过合理的结构设计和结构优化，使机构具有工作空间大、高承载能力、高刚度的特点，不仅可以作为独立运动模块实现2R1T动作，亦可通过串接不同形式的末端执行器实现多种作业，在高速、精密以及高刚度加工领域都有着广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种含冗余约束的空间五自由度混联加工装备及其使用方法。
背景技术
组成并联机器人机构的运动副可分为简单运动副和复合运动副两大类。常见的简单运动副有：转动副R(revolute pair)、移动副P(prismatic pair)、螺旋副H(helixpair)、圆柱副C(cylinder pair)、球面副S(spherical pair)、万向铰或虎克铰U(universaUoint)。
少自由度并联机构，特别是具有两转动一平动(2R1T)的三自由度并联机构，凭借其结构简单、紧凑、易于实现控制以及制造成本相对较低等优点，已然成为机器人领域的一大研究热点。鉴于2R1T并联机构所具有良好的定位精度、结构刚度、加工性能以及动力学性能，大量的五自由度混联机器人采用了这类机构串接具有两自由度转动头或两自由度x-y移动平台的设计方案，其中最具代表性的有：专利WO2006054935中提出的Exechon机构、专利US4732525中提出的Tricept机构、专利CN1524662A中提出的TriVariant机构等。
在这些2R1T并联机构中，机构刚度和灵巧度低，机构较为复杂，而且运动构件数较多，维护成本高，操作复杂、繁琐。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种含冗余约束的空间五自由度混联加工装备及其使用方法，不仅结构简单，而且便捷高效。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种含冗余约束的空间五自由度混联加工装备，包括二自由度旋转头、动平台、静平台、转轴架、第一支链、第二支链、第三支链以及第四支链；所述动平台经第二支链、第四支链与转轴架连接在一起，所述转轴架与静平台相连接，所述动平台经第一支链、第三支链与静平台连接在一起；所述第一支链为UPS型运动支链，所述第二支链为UPR型运动支链，所述第三支链为UPS型运动支链，所述第四支链为UP型运动支链。
优选的，所述第一支链包含第一虎克铰、第一移动副以及第一球副，所述第一虎克铰与静平台相连接，所述第一移动副作为机构的主动运动副，所述第一球副与动平台相连接，组成UPS型运动支链；所述二自由度旋转头与动平台串接。
优选的，所述第二支链包含第一转动副、第二移动副以及第二转动副，所述第二转动副与转轴架相连接，构成虎克铰，所述第二移动副作为机构的主动运动副，所述第一转动副与动平台相连接，组成UPR型运动支链。
优选的，所述第三支链包含第二虎克铰、第三移动副以及第二球副，所述第二虎克铰与静平台相连接，所述第三移动副作为机构的主动运动副，所述第二球副与动平台相连接，组成UPS型运动支链。
优选的，所述第四支链包含第三转动副、第四移动副，所述第三转动副与转轴架相连接，构成虎克铰,组成UP型运动支链。
优选的，所述第一球副包含转动轴线第一虎克铰包含转动轴线第一移动副的移动轴线为所述第一转动副转动轴线为第二转动副转动轴线为第二移动副的移动轴线为所述第二球副包含转动轴线第二虎克铰包含转动轴线 第三移动副的移动轴线为所述第三转动副转动轴线为第四移动副的移动轴线为所述第四转动副转动轴线为转动轴线转动轴线以及转动轴线相交于一点且不共面，转动轴线与转动轴线垂直相交；转动轴线与转动轴线平行；转动轴线转动轴线以及转动轴线相交于一点且不共面，转动轴线与转动轴线平行；转动轴线与转动轴线垂直相交；移动轴线垂直于转动轴线移动轴线垂直于转动轴线移动轴线垂直于转动轴线移动轴线垂直于转动轴线
优选的，所述第一移动副、第二移动副、第三移动副以及第四移动副均采用丝杠滑台，所述第一移动副包含第一滑块、第一丝杠、与第一滑块相配合的第一直线导轨、第一连杆以及驱动第一丝杠的第一伺服电机，所述第一滑块作为第一移动副的承导件，所述第一滑块固定连接在第一虎克铰上，所述第一直线导轨作为第一移动副的运动件，固定连接在所述第一连杆；当第一伺服电机工作，由于所述第一虎克铰与静平台相连接，所述第一滑块不能相对静平台发生移动，所述第一丝杠带动第一连杆相对第一滑块发生移动，从而所述第一支链相对静平台发生移动。
优选的，所述第二移动副包含第二滑块、第二丝杠、与第二滑块相配合的第二直线导轨、第二连杆以及驱动第二丝杠的第二伺服电机，所述第二滑块作为第二移动副的承导件，所述第二滑块固定连接在第二转动副上，所述第二直线导轨作为第二移动副的运动件，固定连接在所述第二连杆；当第二伺服电机工作，由于所述第二转动副与转轴架相连接，转轴架与静平台相连接，所述第二滑块不能相对静平台发生移动，所述第二丝杠带动第二连杆相对第二滑块发生移动，从而所述第二支链相对静平台发生移动。
优选的，所述第三移动副包含第三滑块、第三丝杠、与第三滑块相配合的第三直线导轨、第三连杆以及驱动第三丝杠的第三伺服电机，所述第三滑块作为第三移动副的承导件，所述第三滑块固定连接在第二虎克铰上，所述第三直线导轨作为第三移动副的运动件，固定连接在所述第三连杆；当第三伺服电机工作，由于所述第二虎克铰与静平台相连接，所述第三滑块不能相对静平台发生移动，所述第三丝杠带动第三连杆相对第三滑块发生移动，从而所述第三支链相对静平台发生移动；所述第四移动副包含第四滑块、与第四滑块相配合的第四直线导轨、第四连杆，所述第四滑块作为第四移动副的承导件，所述第四滑块固定连接在第三转动副上，所述第四直线导轨作为第三移动副的运动件，固定连接在所述第四连杆；由于所述第三转动副与转轴架相连接，转轴架与静平台相连接，故所述第四滑块不能相对静平台发生移动，所述第四连杆相对第四滑块发生移动，从而所述第四支链相对静平台发生移动。
一种含冗余约束的空间五自由度混联加工装备的使用方法，按以下步骤进行：根据并联机构运动机理，在第一移动副、第二移动副、第三移动副、第四移动副的共同作用下，唯一确定动平台一个位姿，从而实现动平台相对静平台两转动与一平动的动作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明实现动平台相对静平台2R1T三自由度的运动输出；结构紧凑，具有四条运动支链，冗余约束的方式有利于机构整体刚度的提高；承载能力大、刚度大、精度高模块化程度高，既可以作为独立运动模块实现2R1T动作，通过运动平台串接不同形式的末端执行器实现多种作业，在高速、精密以及高刚度加工领域都有着广泛的应用前景。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例的构造示意图一。
图2为本发明实施例的构造示意图二。
图3为本发明实施例中转轴架的构造示意图。
图4为本发明实施例中第一支链的构造示意图。
图5为本发明实施例中第二支链的构造示意图。
图6为本发明实施例中第三支链的构造示意图。
图7为本发明实施例中第四支链的构造示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1～7所示，一种含冗余约束的空间五自由度混联加工装备，包括二自由度旋转头8、动平台1、静平台2、转轴架7、第一支链3、第二支链4、第三支链5以及第四支链6；所述二自由度旋转头与动平台串接，所述动平台经第二支链、第四支链与转轴架连接在一起，所述转轴架与静平台相连接，所述动平台经第一支链、第三支链与静平台连接在一起；所述第一支链为UPS型运动支链，所述第二支链为UPR型运动支链，所述第三支链为UPS型运动支链，所述第四支链为UP型运动支链；根据并联机构运动机理，该并联模块的拓扑构型为2UPS1UPR1UP。
在本发明实施例中，所述转轴架包含第四转动副，所述第四转动副与静平台相连接。
在本发明实施例中，所述第一支链包含第一虎克铰U1、第一移动副P1以及第一球副S1，所述第一虎克铰与静平台相连接，所述第一移动副作为机构的主动运动副，所述第一球副与动平台相连接，组成UPS型运动支链。
在本发明实施例中，所述第二支链包含第一转动副R1、第二移动副P2以及第二转动副R2，所述第二转动副与转轴架相连接，构成虎克铰，所述第二移动副作为机构的主动运动副，所述第一转动副与动平台相连接，组成UPR型运动支链。
在本发明实施例中，所述第三支链包含第二虎克铰U2、第三移动副P3以及第二球副S2，所述第二虎克铰与静平台相连接，所述第三移动副作为机构的主动运动副，所述第二球副与动平台相连接，组成UPS型运动支链。
在本发明实施例中，所述第四支链包含第三转动副R3、第四移动副P4，所述第三转动副与转轴架相连接，构成虎克铰,组成UP型运动支链。
在本发明实施例中，所述第一球副包含转动轴线第一虎克铰包含转动轴线 第一移动副的移动轴线为所述第一转动副转动轴线为第二转动副转动轴线为第二移动副的移动轴线为所述第二球副包含转动轴线第二虎克铰包含转动轴线第三移动副的移动轴线为所述第三转动副转动轴线为第四移动副的移动轴线为所述第四转动副转动轴线为转动轴线转动轴线以及转动轴线相交于一点且不共面，转动轴线与转动轴线垂直相交；转动轴线与转动轴线平行；转动轴线转动轴线以及转动轴线相交于一点且不共面，转动轴线与转动轴线平行；转动轴线与转动轴线垂直相交；移动轴线垂直于转动轴线移动轴线垂直于转动轴线移动轴线垂直于转动轴线移动轴线垂直于转动轴线
在本发明实施例中，所述第一移动副、第二移动副、第三移动副以及第四移动副均采用丝杠滑台，所述第一移动副包含第一滑块301、第一丝杠302、与第一滑块相配合的第一直线导轨303、第一连杆304以及驱动第一丝杠的第一伺服电机305，所述第一滑块作为第一移动副的承导件，所述第一滑块固定连接在第一虎克铰上，所述第一直线导轨作为第一移动副的运动件，固定连接在所述第一连杆；当第一伺服电机工作，由于所述第一虎克铰与静平台相连接，所述第一滑块不能相对静平台发生移动，所述第一丝杠带动第一连杆相对第一滑块发生移动，从而所述第一支链相对静平台发生移动。
在本发明实施例中，所述第二移动副包含第二滑块401、第二丝杠402、与第二滑块相配合的第二直线导轨403、第二连杆404以及驱动第二丝杠的第二伺服电机405，所述第二滑块作为第二移动副的承导件，所述第二滑块固定连接在第二转动副上，所述第二直线导轨作为第二移动副的运动件，固定连接在所述第二连杆；当第二伺服电机工作，由于所述第二转动副与转轴架相连接，转轴架与静平台相连接，所述第二滑块不能相对静平台发生移动，所述第二丝杠带动第二连杆相对第二滑块发生移动，从而所述第二支链相对静平台发生移动。
在本发明实施例中，所述第三移动副包含第三滑块501、第三丝杠502、与第三滑块相配合的第三直线导轨503、第三连杆504以及驱动第三丝杠的第三伺服电机505，所述第三滑块作为第三移动副的承导件，所述第三滑块固定连接在第二虎克铰上，所述第三直线导轨作为第三移动副的运动件，固定连接在所述第三连杆；当第三伺服电机工作，由于所述第二虎克铰与静平台相连接，所述第三滑块不能相对静平台发生移动，所述第三丝杠带动第三连杆相对第三滑块发生移动，从而所述第三支链相对静平台发生移动；所述第四移动副包含第四滑块601、与第四滑块相配合的第四直线导轨602、第四连杆603，所述第四滑块作为第四移动副的承导件，所述第四滑块固定连接在第三转动副上，所述第四直线导轨作为第三移动副的运动件，固定连接在所述第四连杆；由于所述第三转动副与转轴架相连接，转轴架与静平台相连接，故所述第四滑块不能相对静平台发生移动，所述第四连杆相对第四滑块发生移动，从而所述第四支链相对静平台发生移动。
在本发明实施例中，本发明以所述静平台作为机构机架、动平台作为输出部件，所述第一移动副P1、所述第二移动副P2、所述第三移动副P3为机构的主动运动副，实现动平台1相对静平台2在进动角ψ、章动角θ及高度z方向的两转动一平动运动输出。
一种含冗余约束的空间五自由度混联加工装备的使用方法，按以下步骤进行：根据并联机构运动机理，在第一移动副、第二移动副、第三移动副、第四移动副的共同作用下，唯一确定动平台一个位姿，从而实现动平台相对静平台两转动与一平动的动作；通过串接二自由度旋转头或二自由度移动平台，可构成五自由度混联加工装备。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的含冗余约束的空间五自由度混联加工装备及其使用方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种含冗余约束的空间五自由度混联加工装备，其特征在于：包括二自由度旋转头、动平台、静平台、转轴架、第一支链、第二支链、第三支链以及第四支链；所述动平台经第二支链、第四支链与转轴架连接在一起，所述转轴架与静平台相连接，所述动平台经第一支链、第三支链与静平台连接在一起；所述第一支链为UPS型运动支链，所述第二支链为UPR型运动支链，所述第三支链为UPS型运动支链，所述第四支链为UP型运动支链。
2.根据权利要求1所述的含冗余约束的空间五自由度混联加工装备，其特征在于：所述第一支链包含第一虎克铰、第一移动副以及第一球副，所述第一虎克铰与静平台相连接，所述第一移动副作为机构的主动运动副，所述第一球副与动平台相连接，组成UPS型运动支链；所述二自由度旋转头与动平台串接。
3.根据权利要求2所述的含冗余约束的空间五自由度混联加工装备，其特征在于：所述第二支链包含第一转动副、第二移动副以及第二转动副，所述第二转动副与转轴架相连接，构成虎克铰，所述第二移动副作为机构的主动运动副，所述第一转动副与动平台相连接，组成UPR型运动支链。
4.根据权利要求3所述的含冗余约束的空间五自由度混联加工装备，其特征在于：所述第三支链包含第二虎克铰、第三移动副以及第二球副，所述第二虎克铰与静平台相连接，所述第三移动副作为机构的主动运动副，所述第二球副与动平台相连接，组成UPS型运动支链。
5.根据权利要求4所述的含冗余约束的空间五自由度混联加工装备，其特征在于：所述第四支链包含第三转动副、第四移动副，所述第三转动副与转轴架相连接，构成虎克铰,组成UP型运动支链。
6.根据权利要求5所述的含冗余约束的空间五自由度混联加工装备，其特征在于：所述第一球副包含转动轴线第一虎克铰包含转动轴线第一移动副的移动轴线为所述第一转动副转动轴线为第二转动副转动轴线为第二移动副的移动轴线为所述第二球副包含转动轴线第二虎克铰包含转动轴线第三移动副的移动轴线为所述第三转动副转动轴线为第四移动副的移动轴线为所述第四转动副转动轴线为转动轴线转动轴线以及转动轴线相交于一点且不共面，转动轴线与转动轴线垂直相交；转动轴线与转动轴线平行；转动轴线转动轴线以及转动轴线相交于一点且不共面，转动轴线与转动轴线平行；转动轴线与转动轴线垂直相交；移动轴线垂直于转动轴线移动轴线垂直于转动轴线移动轴线垂直于转动轴线移动轴线垂直于转动轴线
7.根据权利要求5所述的含冗余约束的空间五自由度混联加工装备，其特征在于：所述第一移动副、第二移动副、第三移动副以及第四移动副均采用丝杠滑台，所述第一移动副包含第一滑块、第一丝杠、与第一滑块相配合的第一直线导轨、第一连杆以及驱动第一丝杠的第一伺服电机，所述第一滑块作为第一移动副的承导件，所述第一滑块固定连接在第一虎克铰上，所述第一直线导轨作为第一移动副的运动件，固定连接在所述第一连杆；当第一伺服电机工作，由于所述第一虎克铰与静平台相连接，所述第一滑块不能相对静平台发生移动，所述第一丝杠带动第一连杆相对第一滑块发生移动，从而所述第一支链相对静平台发生移动。
8.根据权利要求5所述的含冗余约束的空间五自由度混联加工装备，其特征在于：所述第二移动副包含第二滑块、第二丝杠、与第二滑块相配合的第二直线导轨、第二连杆以及驱动第二丝杠的第二伺服电机，所述第二滑块作为第二移动副的承导件，所述第二滑块固定连接在第二转动副上，所述第二直线导轨作为第二移动副的运动件，固定连接在所述第二连杆；当第二伺服电机工作，由于所述第二转动副与转轴架相连接，转轴架与静平台相连接，所述第二滑块不能相对静平台发生移动，所述第二丝杠带动第二连杆相对第二滑块发生移动，从而所述第二支链相对静平台发生移动。
9.根据权利要求5所述的含冗余约束的空间五自由度混联加工装备，其特征在于：所述第三移动副包含第三滑块、第三丝杠、与第三滑块相配合的第三直线导轨、第三连杆以及驱动第三丝杠的第三伺服电机，所述第三滑块作为第三移动副的承导件，所述第三滑块固定连接在第二虎克铰上，所述第三直线导轨作为第三移动副的运动件，固定连接在所述第三连杆；当第三伺服电机工作，由于所述第二虎克铰与静平台相连接，所述第三滑块不能相对静平台发生移动，所述第三丝杠带动第三连杆相对第三滑块发生移动，从而所述第三支链相对静平台发生移动；所述第四移动副包含第四滑块、与第四滑块相配合的第四直线导轨、第四连杆，所述第四滑块作为第四移动副的承导件，所述第四滑块固定连接在第三转动副上，所述第四直线导轨作为第三移动副的运动件，固定连接在所述第四连杆；由于所述第三转动副与转轴架相连接，转轴架与静平台相连接，故所述第四滑块不能相对静平台发生移动，所述第四连杆相对第四滑块发生移动，从而所述第四支链相对静平台发生移动。
10.一种含冗余约束的空间五自由度混联加工装备的使用方法，其特征在于，采用如权利要求1-9所述的任一种含冗余约束的空间五自由度混联加工装备，并按以下步骤进行：根据并联机构运动机理，在第一移动副、第二移动副、第三移动副、第四移动副的共同作用下，唯一确定动平台一个位姿，从而实现动平台相对静平台两转动与一平动的动作。
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