CN110039517A - 一种面向大型筒形工件加工的五自由度串并联机器人附加轴机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向大型筒形工件加工的五自由度串并联机器人附加轴机构，包括五自由度串并联机器人、机器人安装平台、头架、尾架、分度锁紧装置、驱动装置，所述五自由度串并联机器人安装于机器人安装平台上，所述头架、尾架对称安装于所述机器人安装平台两侧，所述机器人安装平台由所述驱动装置驱动，绕所述头架、尾架的公共轴线转动，所述机器人安装平台转动至特定角度时，所述机器人安装平台与所述头架、尾架之间由所述分度锁紧装置锁紧。该机构能够增大五自由度串并联机器人在大型筒形工件圆周方向上运动范围，同时保持结构紧凑和较高刚度，满足大型筒形工件内部加工处理的需求。

Description

一种面向大型筒形工件加工的五自由度串并联机器人附加轴 机构

技术领域

本发明涉及一种串并联机器人附加轴机构，特别是涉及一种面向大型筒形工件加工的五自由度串并联机器人附加轴机构。

背景技术

目前航空、化工、船舶等多个行业均存在对大型筒形工件的加工需求，如飞机机身钻孔、化工大型反应炉内壁铣削等。大型筒形工件移动不便，加工特征沿其圆周分布分散，且通常需要对工件内壁进行加工处理：如飞机机身钻孔加工中，沿机身圆周均分布的孔系需要加工装备在大型筒形工件圆周方向上具有较大的运动范围，以便在筒形工件一次装夹后，加工尽量多的特征；筒形工件如化工大型反应炉内壁铣削，常见的方式是将加工装备置于大型工件内部，需要加工装备本身结构紧凑，且具有沿筒形圆周运动的能力。大型筒形工件应用环境特殊，且对加工质量有较高要求，因此需要加工装备具有较高的刚度、紧凑的结构、较高的自由度，以保证足够的加工能力和良好的加工质量。

目前大型工件加工多采用机器人完成，其中串并联机器人，如专利CN108500953A所公开的一种含有动平台附加约束的五自由度精密串并联机器人，包括转动平台、固定底座支架、动平台、串联第一关节、运动末端、底座、第一杆、第二杆、第三杆，其中第一杆和第二杆结构相同。其相较于普通串联机器人有刚度大、精度高、部署灵活等优点，在加工领域有很广泛的应用前景，但如果单独使用，受制于其底座支架固定的结构特点和其运动空间特点，运动范围较小，直接应用无法适应大型筒形工件的加工需求。目前，Exechon 、Tricept等公司通过为其旗下的特定构型的串并联机器人添加附加轴来扩展其运动范围，实现对大型工件的加工。如Exechon公司2018年发布了多款针对其Xmini串并联机器人的附加轴应用形式，包括串并联机器人安装于龙门底座，串并联机器人安装于平移导轨上等。这些形式虽然扩大了运动范围，但主要适用于大型平面形工件，如飞机机翼、汽车车身等，无法适应大型筒形工件加工需要的圆周方向上较大的运动范围；由于添加附加轴，增加了附加轴驱动装置，削弱了加工装置整体的刚度，可能影响加工质量；目前附加轴形式自身体积较大，不利于安装于大型筒形工件内部进行加工作业。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向大型筒形工件加工的五自由度串并联机器人附加轴机构，该机构能够增大五自由度串并联机器人在大型筒形工件圆周方向上运动范围，同时保持结构紧凑和较高刚度，满足对大型筒形工件内壁加工处理的需求。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种面向大型筒形工件加工的五自由度串并联机器人附加轴机构，包括五自由度串并联机器人、机器人安装平台、头架、尾架、分度锁紧装置、驱动装置，所述五自由度串并联机器人安装于机器人安装平台上，所述头架、尾架对称安装于所述机器人安装平台两侧，所述机器人安装平台由所述驱动装置驱动，绕所述头架、尾架的公共轴线转动，所述机器人安装平台转动至特定角度时，所述机器人安装平台与所述头架、尾架之间由所述分度锁紧装置锁紧。

所述五自由度串并联机器人包括转动平台、第一杆、第二杆、第三杆、动平台、串联第一关节、运动末端，所述第一杆和第二杆结构相同，包括第一转动铰链、第二转动铰链、杆体和驱动装置，所述第三杆包括第三转动铰链、球铰、杆体和驱动装置，所述第一杆和第二杆分别通过2个第一转动铰链穿过并连接于转动平台的两侧，所述第一杆和第二杆通过2个第二转动铰链对称地连接于动平台的左右两侧，所述第三杆通过所述球铰连接于动平台的后侧；所述的运动末端通过转动铰链连接于所述串联第一关节的内部中间位置，所述的串联第一关节通过转动铰链连接于动平台的下侧。

所述机器人安装平台为半包式框架结构，所述机器人安装平台与转动平台通过第四转动铰链互相连接，所述机器人安装平台与第三杆通过第三转动铰链互相连接，完成安装后，所述第三转动铰链的轴线、所述第四转动铰链的轴线与所述公共轴线两两互相平行。

所述驱动装置包括伺服电机、直角行星减速器、小齿轮、大齿轮，所述伺服电机输出轴连接所述直角行星减速器，所述直角行星减速器壳体与所述头架紧固，输出轴连接所述小齿轮，所述大齿轮安装于所述机器人安装平台上，所述大齿轮与所述小齿轮互相啮合。

所述分度锁紧装置包括分度盘、液压驱动锁紧销，所述分度盘共2块，分别安装于机器人安装平台两侧，所述分度盘上一周均匀分布有24个锁紧孔，所述液压驱动锁紧销，共2组，每组6个，安装于所述头架和尾架内，所述机器人安装平台转动至0°、15°、30°……180°特定角度时，所述液压驱动锁紧销伸出，至所述锁紧孔内，将所述机器人安装平台与所述头架、尾架锁紧，所述液压驱动锁紧销缩回后，至所述头架或尾架内解锁。

本发明的与现有技术相比，具有的优点和积极效果主要有：

（1）所述五自由度串并联机器人安装于机器人安装平台上，机器人安装平台可绕头尾架公共轴线转动，使所述五自由度串并联机器人在大型筒形工件圆周方向上有较大的运动范围，便于对大型筒形工件上分散的特征进行加工。

（2）所述机器人安装平台为半包式框架结构，所述五自由度串并联机器人完成安装后，第三、第四转动铰链的轴线与头架尾架的公共轴线互相平行，所述机器人安装平台的结构形式和所述五自由度串并联机器人在其上的安装形式使得整体结构较为紧凑，便于安装于大型筒形工件内部执行加工任务。

（3）五自由度串并联机器人进行加工作业时，所述液压驱动锁紧销插入所述锁紧孔内形成刚性连接，在0°、15°、30°…… 180°等特定角度将所述机器人安装平台、所述头架、所述尾架锁紧，增加了结构沿圆周方向上的刚度，避免传动机构刚度不足影响加工精度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是五自由度串并联机器人的结构示意图；

图3是五自由度串并联机器人于机器人平台连接示意图；

图4是驱动装置结构示意图；

图5是分度装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种面向大型筒形工件加工的五自由度串并联机器人附加轴机构做出详细说明。

参照图1所示，一种面向大型筒形工件加工的五自由度串并联机器人附加轴机构，包括五自由度串并联机器人1、机器人安装平台2、头架3、尾架6、分度锁紧装置5、驱动装置4，所述五自由度串并联机器人1安装于机器人安装平台2上，所述头架3、尾架6对称安装于所述机器人安装平台2两侧，所述机器人安装平台2由所述驱动装置4驱动，绕所述头架3、尾架6的公共轴线7转动，所述机器人安装平台2转动至0°、15°、30°…… 180°特定角度时，所述机器人安装平台2和所述头架3、尾架6之间可由所述分度锁紧装置5锁紧。

参照图2所示，此附加轴机构上安装的所述五自由度串并联机器人1为以下特定构型，包括转动平台101、第一杆102、第二杆103、第三杆104、动平台105、串联第一关节106、运动末端107，所述第一杆102和第二杆103结构相同，包括第一转动铰链108、第二转动铰链109、杆体和驱动装置，所述第三杆104包括第三转动铰链110、球铰111、杆体和驱动装置，所述第一杆102和第二杆103分别通过2个第一转动铰链108穿过并连接于转动平台101的两侧，所述第一杆102和第二杆103通过2个第二转动铰链109对称地连接于动平台105的左右两侧，所述第三杆104通过所述球铰111连接于动平台105的后侧；所述的运动末端107通过转动铰链连接于所述串联第一关节106的内部中间位置，所述的串联第一关节106通过转动铰链连接于动平台105的下侧。

参照图3所示，所述机器人安装平台2为半包式框架结构，通过以下安装形式与所述五自由度串并联机器人1互相连接：所述机器人安装平台2与所述转动平台101通过第四转动铰链112互相连接，所述机器人安装平台2与所述第三杆104通过第三转动铰链110互相连接，完成安装后，所述第三转动铰链110的轴线、所述第四转动铰链112的轴线与所述公共轴线7两两互相平行。

参照图4所示，所述驱动装置4包括伺服电机401、直角行星减速器402、小齿轮403、大齿轮404，所述伺服电机401输出轴连接所述直角行星减速器402，所述直角行星减速器402壳体与所述头架3紧固，输出轴连接所述小齿轮403，所述大齿轮404安装于所述机器人安装平台2，所述大齿轮404与所述小齿轮403互相啮合。

参照图5所示，所述分度锁紧装置5，包括分度盘501、液压驱动锁紧销502，所述分度盘共2块，分别安装于机器人安装平台两侧，所述分度盘上一周均匀分布有24个锁紧孔503，所述液压驱动锁紧销，共2组，每组6个，安装于所述头架3和尾架6内，所述液压驱动锁紧销502伸出后，至所述锁紧孔503内，具体位置如图4虚线部分所示，缩回后，至所述头架3或尾架6内，具体位置如图5虚线部分所示。

参照图1、图5所示，一种面向大型筒形工件加工的五自由度串并联机器人附加轴机构的工作过程是：（1）所述液压驱动锁紧销502缩回；（2）所述机器人安装平台2根据加工特征位置转动至0°、15°、30°…… 180°等特定角度；（3）所述液压驱动锁紧销502伸出，将所述机器人安装平台2与所述头架3、尾架6锁紧；（4）所述五自由度串并联机器人1开始运动，对特征进行加工。这一过程循环执行直到所有特征加工完毕。

Claims (5)

1.一种面向大型筒形工件加工的五自由度串并联机器人附加轴机构，其特征在于，包括五自由度串并联机器人（1）、机器人安装平台（2）、头架（3）、尾架（6）、分度锁紧装置（5）、驱动装置（4），所述五自由度串并联机器人（1）安装于机器人安装平台（2）上，所述头架（3）、尾架（6）对称安装于所述机器人安装平台（2）两侧，所述机器人安装平台（2）由所述驱动装置（4）驱动，绕所述头架（3）、尾架（6）的公共轴线（7）转动，所述机器人安装平台（2）转动至特定角度时，所述机器人安装平台（2）与所述头架（3）、尾架（6）之间由所述分度锁紧装置（5）锁紧。

2.根据权利要求1所述的一种面向大型筒形工件加工的五自由度串并联机器人附加轴机构，其特征在于，所述五自由度串并联机器人（1）包括转动平台（101）、第一杆（102）、第二杆（103）、第三杆（104）、动平台（105）、串联第一关节（106）、运动末端（107），所述第一杆（102）和第二杆（103）结构相同，包括第一转动铰链（108）、第二转动铰链（109）、杆体和驱动装置，所述第三杆（104）包括第三转动铰链（110）、球铰（111）、杆体和驱动装置，所述第一杆（102）和第二杆（103）分别通过2个第一转动铰链（108）穿过并连接于转动平台（101）的两侧，所述第一杆（102）和第二杆（103）通过2个第二转动铰链（109）对称地连接于动平台（105）的左右两侧，所述第三杆（104）通过所述球铰（111）连接于动平台（105）的后侧；所述的运动末端（107）通过转动铰链连接于所述串联第一关节（106）的内部中间位置，所述的串联第一关节（106）通过转动铰链连接于动平台（105）的下侧。

3.根据权利要求1所述的一种面向大型筒形工件加工的五自由度串并联机器人附加轴机构，其特征在于，所述机器人安装平台（2）为半包式框架结构，所述机器人安装平台（2）与转动平台（101）通过第四转动铰链（112）互相连接，所述机器人安装平台（2）与第三杆（104）通过第三转动铰链（110）互相连接，完成安装后，所述第三转动铰链（110）的轴线、所述第四转动铰链（112）的轴线与所述公共轴线（7）两两互相平行。

4.根据权利要求1所述的一种面向大型筒形工件加工的五自由度串并联机器人附加轴机构，其特征在于，所述驱动装置（4）包括伺服电机（401）、直角行星减速器（402）、小齿轮（403）、大齿轮（404），所述伺服电机（401）输出轴连接所述直角行星减速器（402），所述直角行星减速器（402）壳体与所述头架（3）紧固，输出轴连接所述小齿轮（403），所述大齿轮（404）安装于所述机器人安装平台（2）上，所述大齿轮（404）与所述小齿轮（403）互相啮合。

5.根据权利要求1所述的一种面向大型筒形工件加工的五自由度串并联机器人附加轴机构，其特征在于，所述分度锁紧装置（5）包括分度盘（501）、液压驱动锁紧销（502），所述分度盘（501）共2块，分别安装于机器人安装平台（2）两侧，所述分度盘（501）上一周均匀分布有24个锁紧孔（503），所述液压驱动锁紧销（502），共2组，每组6个，安装于所述头架（3）和尾架（6）内，所述机器人安装平台（2）转动至0°、15°、30°…… 180°特定角度时，所述液压驱动锁紧销（502）伸出，至所述锁紧孔（503）内，将所述机器人安装平台（2）与所述头架（3）、尾架（6）锁紧，所述液压驱动锁紧销（502）缩回后，至所述头架（3）或尾架（6）内解锁。