CN109383174B - 一种两维移动一维转动混联雕刻机 - Google Patents

一种两维移动一维转动混联雕刻机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种两维移动一维转动混联雕刻机，包括定平台、动平台、复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ和简单支链Ⅴ。本发明基于方位特征集理论和方法采用简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ以及复杂支链Ⅰ连接动平台和定平台来构建并联机构，该并联机构能实现空间两维移动。在该并联机构基础上串联一个转动副构成的串联链，该串联具有一个自由度，因此该混联机构的自由度为三，具有空间三维运动。该混联机构综合了串联机构工作空间大，运动灵活的特点，又结合了并联机构强度、刚度大的特点，因此其结构简单，易于控制，能实现空间两维移动和一维转动，可用于雕刻领域中只在同一个平面内进行雕刻作业的场合。

Description

一种两维移动一维转动混联雕刻机
技术领域
本发明涉及一种两维移动一维转动混联雕刻机，属于混联机器人技术领域。
背景技术
在雕刻领域中，很多时候均只需要对物体进行平面雕刻，这个时候仅仅需要几个能实现空间平面的二维移动再配上一维转动能实现空间姿态变化就够了。如果要求的位置和姿态参数过多，会导致机构的耦合度增强，同时极大的增加了机构控制的复杂度。为了在功能达到的前提下，综合考虑并联和串联机构的优缺点对机构综合有着特殊的意义。国内外一些学者认为将串联机器人的优点和并联机器人的优点结合起来构成混联机构。这种机构能克服串联和并联的缺点，因此混联机构成为现代机器人研究领域的热点。然而混联机构中的并联机构的选取是一个较大的难题，其主要性能也直接决定了混联机构的性能。
发明内容
本发明提供了一种两维移动一维转动混联雕刻机，通过采用两条复杂支链和两条简单支链连接动平台和定平台来构建并联机构，该并联机构能实现空间两维移动，在该并联机构基础上串联一个转动副构成的串联链，该串联具有一个自由度，使得整个混联机构的自由度为三，具有空间三维运动。
本发明的技术方案是：一种两维移动一维转动混联雕刻机，包括定平台P、动平台Q、复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ和简单支链Ⅴ；
所述复杂支链Ⅰ对动平台Q产生三维移动和一维转动的作用；
所述简单支链Ⅱ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台Q运动产生约束；
所述简单支链Ⅲ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台Q运动产生约束；简单支链Ⅲ采用的结构与简单支链Ⅱ相同；
所述复杂支链Ⅳ对动平台Q产生两维移动和一维转动的作用；
所述定平台P、动平台Q通过复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ四条支链连接构成了并联机构，简单支链Ⅴ与动平台Q中心点连接，整体形成了混联机构；四条支链的复合运动构成了动平台Q的输出运动为两维移动，该两维移动与简单支链Ⅴ产生的空间一维转动共同构成简单支链Ⅴ的刀具8输出的末端运动为两维移动和一维转动。
所述动平台Q采用任意梯形形式配置；定平台P采用任意形式配置。
所述复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ和简单支链Ⅳ一端各自与动平台Q的其中一个角通过运动副连接，复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ和简单支链Ⅳ另一端通过运动副与定平台P连接，简单支链Ⅴ一端的转动副与动平台Q的中心点连接；复杂支链Ⅰ与定平台P连接的运动副、简单支链Ⅳ与定平台P连接的运动副轴线垂直，复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ和简单支链Ⅳ四条支链互不相交。
与动平台Q的四个角连接的四条支链一端分别为：复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅳ的一端为转动副，简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ的一端为球副或虎克铰；作为驱动副的与定平台P连接的复杂支链Ⅰ另一端的运动副为转动副；作为驱动副的与定平台P连接的简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ另一端的运动副为转动副或者移动副。
所述复杂支链Ⅰ由转动副R11、转动副R12、转动副R13、四个转动副构成的平行四边形机构ABCD、第一连接杆1组成；其中，第一连接杆1的一端通过转动副R11与动平台Q一个角连接，第一连接杆1另一端通过转动副R12与平行四边形边机构ABCD一条边的中点连接，平行四边形机构ABCD该条边的另一对边中点通过转动副R13与定平台P连接；转动副R11、转动副R12、转动副R13的轴线平行，该复杂支链Ⅰ能实现空间三维移动移和一维转动运动。
所述简单支链Ⅱ由转动副R23、球副S21、球副S22、第二连接杆2、第三连接杆3组成；其中，第二连接杆2一端通过球副S21与动平台Q一个角连接，第二连接杆2另一端通过球副S22与第三连接杆3一端连接，第三连接杆3的另一端通过转动副R23与定平台P连接；作为驱动副的转动副R23能由移动副代替，使得该支链为PSS结构，该机构的作用效果与RSS支链作用效果等价。
所述简单支链Ⅲ由转动副R33、球副S31、球副S32、第四连接杆4、第五连接杆5组成；其中，第四连接杆4一端通过球副S31与动平台Q一个角连接，第四连接杆4另一端通过球副S32与第五连接杆5一端连接，第五连接杆5的另一端通过转动副R33与定平台P连接；作为驱动副的转动副R33能由移动副代替，使得该支链为PSS结构，该机构的作用效果与RSS支链作用效果等价。
所述简单支链Ⅳ由转动副R41、转动副R42、转动副R43、第六连接杆6、第七连接杆7组成；其中，第六连接杆6一端通过转动副R41与动平台Q一个角连接，第六连接杆6另一端通过转动副R42与第七连接杆7一端连接，第七连接杆7的另一端通过转动副R43与定平台P连接；作为驱动副的转动副R43能由移动副代替，转动副R41、转动副R42、转动副R43的轴线平行。
所述简单支链Ⅴ由转动副R51与刀具8组成；其中刀具8通过转动副R51安装在动平台Q的中心；转动副R51的轴线与动平台Q垂直。
本发明的有益效果是：本发明基于方位特征集理论和方法采用简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ以及复杂支链Ⅰ连接动平台和定平台来构建并联机构，该并联机构能实现空间两维移动。在该并联机构基础上串联一个转动副构成的串联链，该串联具有一个自由度，因此该混联机构的自由度为三，具有空间三维运动。该混联机构综合了串联机构工作空间大，运动灵活的特点，又结合了并联机构强度、刚度大的特点，因此其结构简单，易于控制，能实现空间两维移动和一维转动，可用于雕刻领域中只在同一个平面内进行雕刻作业的场合，是一种新型混联机构。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中各标号为：P-定平台、Q-动平台、1-第一连接杆、2-第二连接杆、3-第三连接杆、4-第四连接杆、5-第五连接杆、6-第六连接杆、7-第七连接杆、8-刀具。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1所示，一种两维移动一维转动混联雕刻机，包括定平台P、动平台Q、复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ和简单支链Ⅴ；所述复杂支链Ⅰ对动平台Q产生三维移动和一维转动的作用；所述简单支链Ⅱ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台Q运动产生约束；所述简单支链Ⅲ为能实现空间6自由度运动的串联链，不对动平台Q运动产生约束；简单支链Ⅲ采用的结构与简单支链Ⅱ相同；所述复杂支链Ⅳ对动平台Q产生两维移动和一维转动的作用；所述定平台P、动平台Q通过复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ四条支链连接构成了并联机构，简单支链Ⅴ与动平台Q中心点连接，整体形成了混联机构；四条支链的复合运动构成了动平台Q的输出运动为两维移动，该两维移动与简单支链Ⅴ产生的空间一维转动共同构成简单支链Ⅴ的刀具8输出的末端运动为两维移动和一维转动。
进一步地，可以设置所述动平台Q采用任意梯形形式配置（如特殊梯形中的等腰梯形、直角梯形，其它非特殊梯形等）；定平台P采用任意形式配置。
进一步地，可以设置所述复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ和简单支链Ⅳ一端各自与动平台Q的其中一个角通过运动副连接，复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ和简单支链Ⅳ另一端通过运动副与定平台P连接，简单支链Ⅴ一端的转动副与动平台Q的中心点连接；复杂支链Ⅰ与定平台P连接的运动副、简单支链Ⅳ与定平台P连接的运动副轴线垂直（即R13、R43轴线垂直），复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ和简单支链Ⅳ四条支链互不相交。
进一步地，可以设置与动平台Q的四个角连接的四条支链一端分别为：复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅳ的一端为转动副，简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ的一端为球副或虎克铰；作为驱动副的与定平台P连接的复杂支链Ⅰ另一端的运动副为转动副；作为驱动副的与定平台P连接的简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ另一端的运动副为转动副或者移动副。
进一步地，可以设置所述复杂支链Ⅰ由转动副R11、转动副R12、转动副R13、四个转动副构成的平行四边形机构ABCD、第一连接杆1组成；其中，第一连接杆1的一端通过转动副R11与动平台Q一个角连接，第一连接杆1另一端通过转动副R12与平行四边形边机构ABCD一条边AB的中点连接，平行四边形机构ABCD该条边的另一对边CD中点通过转动副R13与定平台P连接；转动副R11、转动副R12、转动副R13的轴线平行，该复杂支链Ⅰ能实现空间三维移动移和一维转动运动。
进一步地，可以设置所述简单支链Ⅱ由转动副R23、球副S21、球副S22、第二连接杆2、第三连接杆3组成；其中，第二连接杆2一端通过球副S21与动平台Q一个角连接，第二连接杆2另一端通过球副S22与第三连接杆3一端连接，第三连接杆3的另一端通过转动副R23与定平台P连接；作为驱动副的转动副R23能由移动副代替，使得该支链为PSS结构，该机构的作用效果与RSS支链作用效果等价。
进一步地，可以设置所述简单支链Ⅲ由转动副R33、球副S31、球副S32、第四连接杆4、第五连接杆5组成；其中，第四连接杆4一端通过球副S31与动平台Q一个角连接，第四连接杆4另一端通过球副S32与第五连接杆5一端连接，第五连接杆5的另一端通过转动副R33与定平台P连接；作为驱动副的转动副R33能由移动副代替，使得该支链为PSS结构，该机构的作用效果与RSS支链作用效果等价。
进一步地，可以设置所述简单支链Ⅳ由转动副R41、转动副R42、转动副R43、第六连接杆6、第七连接杆7组成；其中，第六连接杆6一端通过转动副R41与动平台Q一个角连接，第六连接杆6另一端通过转动副R42与第七连接杆7一端连接，第七连接杆7的另一端通过转动副R43与定平台P连接；作为驱动副的转动副R43能由移动副代替，转动副R41、转动副R42、转动副R43的轴线平行。
进一步地，可以设置所述简单支链Ⅴ由转动副R51与刀具8组成；其中刀具8通过转动副R51安装在动平台Q的中心；转动副R51的轴线与动平台Q垂直。
本发明的工作原理是：
该混联机构的支链Ⅰ末端作用在动平台Q上，其末端最终的输出运动为三维移动和一维转动。支链Ⅳ末端作用在动平台Q上，其末端最终的输出运动为两维移动和一维转动。因为转动副R13和转动副R43的轴线垂直，因此支链Ⅰ和支链Ⅳ共同约束了机构的一维转动，根据并联机构的求并运算，最终动平台Q的输出运动为两维移动（2T）。支链Ⅱ和支链Ⅲ是自由度为6的空间运动链，其不对动平台Q产生任何作用，其存在是产生输入驱动和增加机构强度且提供输入驱动，最终根据并联机构的求交运算，可以得出动平台输出运动为两维移动。因为支链Ⅴ是由一个转动副构成的串联链，其能够产生空间一维转动。所以整个混联雕刻机的刀具输出的末端运动为两维移动和一维转动。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种两维移动一维转动混联雕刻机，其特征在于：包括定平台（P）、动平台（Q）、复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ和简单支链Ⅴ；
所述复杂支链Ⅰ对动平台（Q）产生三维移动和一维转动的作用；
所述简单支链Ⅱ为能实现空间六自由度运动的串联链，不对动平台（Q）运动产生约束；
所述简单支链Ⅲ为能实现空间六自由度运动的串联链，不对动平台（Q）运动产生约束；简单支链Ⅲ采用的结构与简单支链Ⅱ相同；
所述复杂支链Ⅳ对动平台（Q）产生两维移动和一维转动的作用；
所述定平台（P）、动平台（Q）通过复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ四条支链连接构成了并联机构，简单支链Ⅴ与动平台（Q）中心点连接，整体形成了混联机构；四条支链的复合运动构成了动平台（Q）的输出运动为两维移动，该两维移动与简单支链Ⅴ产生的空间一维转动共同构成简单支链Ⅴ的刀具（8）输出的末端运动为两维移动和一维转动；
所述复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ和简单支链Ⅳ一端各自与动平台（Q）的其中一个角通过运动副连接，复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ和简单支链Ⅳ另一端通过运动副与定平台（P）连接，简单支链Ⅴ一端的转动副与动平台（Q）的中心点连接；复杂支链Ⅰ与定平台（P）连接的运动副、简单支链Ⅳ与定平台（P）连接的运动副轴线垂直，复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ和简单支链Ⅳ四条支链互不相交；
所述复杂支链Ⅰ由转动副R11、转动副R12、转动副R13、四个转动副构成的平行四边形机构ABCD、第一连接杆（1）组成；其中，第一连接杆（1）的一端通过转动副R11与动平台（Q）一个角连接，第一连接杆（1）另一端通过转动副R12与平行四边形边机构ABCD一条边的中点连接，平行四边形机构ABCD该条边的另一对边中点通过转动副R13与定平台（P）连接；转动副R11、转动副R12、转动副R13的轴线平行，该复杂支链Ⅰ能实现空间三维移动移和一维转动运动。
2.根据权利要求1所述的两维移动一维转动混联雕刻机，其特征在于：所述动平台（Q）采用任意梯形形式配置；定平台（P）采用任意形式配置。
3.根据权利要求1所述的两维移动一维转动混联雕刻机，其特征在于：与动平台（Q）的四个角连接的四条支链一端分别为：复杂支链Ⅰ、简单支链Ⅳ的一端为转动副，简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ的一端为球副或虎克铰；作为驱动副的与定平台（P）连接的复杂支链Ⅰ另一端的运动副为转动副；作为驱动副的与定平台（P）连接的简单支链Ⅱ、简单支链Ⅲ、简单支链Ⅳ另一端的运动副为转动副或者移动副。
4.根据权利要求1所述的两维移动一维转动混联雕刻机，其特征在于：所述简单支链Ⅱ由转动副R23、球副S21、球副S22、第二连接杆（2）、第三连接杆（3）组成；其中，第二连接杆（2）一端通过球副S21与动平台（Q）一个角连接，第二连接杆（2）另一端通过球副S22与第三连接杆（3）一端连接，第三连接杆（3）的另一端通过转动副R23与定平台（P）连接；作为驱动副的转动副R23能由移动副代替，使得该支链为PSS结构，该机构的作用效果与RSS支链作用效果等价。
5.根据权利要求1所述的两维移动一维转动混联雕刻机，其特征在于：所述简单支链Ⅲ由转动副R33、球副S31、球副S32、第四连接杆（4）、第五连接杆（5）组成；其中，第四连接杆（4）一端通过球副S31与动平台（Q）一个角连接，第四连接杆（4）另一端通过球副S32与第五连接杆（5）一端连接，第五连接杆（5）的另一端通过转动副R33与定平台（P）连接；作为驱动副的转动副R33能由移动副代替，使得该支链为PSS结构，该机构的作用效果与RSS支链作用效果等价。
6.根据权利要求1所述的两维移动一维转动混联雕刻机，其特征在于：所述简单支链Ⅳ由转动副R41、转动副R42、转动副R43、第六连接杆（6）、第七连接杆（7）组成；其中，第六连接杆（6）一端通过转动副R41与动平台（Q）一个角连接，第六连接杆（6）另一端通过转动副R42与第七连接杆（7）一端连接，第七连接杆（7）的另一端通过转动副R43与定平台（P）连接；作为驱动副的转动副R43能由移动副代替，转动副R41、转动副R42、转动副R43的轴线平行。
7.根据权利要求1所述的两维移动一维转动混联雕刻机，其特征在于：所述简单支链Ⅴ由转动副R51与刀具（8）组成；其中刀具（8）通过转动副R51安装在动平台（Q）的中心；转动副R51的轴线与动平台（Q）垂直。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Chen Jiupeng

Inventor after: Wu Xing

Inventor after: San Hongjun

Inventor after: Zhang Daoyi

Inventor after: Xiong Binzhou

Inventor after: Chen Mingfang

Inventor after: Wang Xuejun

Inventor after: He Wei

Inventor after: Wu Haibo

Inventor before: Wu Xing

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GR01 Patent grant
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