CN110480600A - 带随动约束的两转一移混联式平行驱动摆头机构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种带随动约束的两转一移混联式平行驱动摆头机构，该机构包括安装架、伸出体、第一伸出筒、第二伸出筒、第一直线驱动单元、第二直线驱动单元、第三直线驱动单元、第一连杆、第二连杆、第三连杆、动平台和电主轴。由于该混联摇摆头的并联部分只有两条主驱动分支和一条随动约束分支，所以较具有四条或四条以上运动分支的并联加工头相比，支链少，具有结构紧凑，刚度高、工作空间大，动态性能好的特点。

Description

带随动约束的两转一移混联式平行驱动摆头机构

技术领域

本发明属于数控机床工业制造技术领域，特别涉及一种带随动约束的两转一移混联式平行驱动摆头机构。

背景技术

并联加工头相比串联机构具有刚度大、精度高、自由度多等优点，应用于机械加工领域可实现曲面加工，有效的提高加工精度，对一个国家的航空航天、船舶、精密器械、医疗装备等行业有重要的影响力。

目前并联加工头多为三自由度并联机构，如Z3主轴头。中国专利200910228104.7公开了一种可以实现二维平动二维转动的并联机构，包括固定架、动平台以及四条支链结构，支链结构由直线单元以及定长杆件组成，四条支链呈四周型均匀布置，存在奇异性问题，在实际应用中对伺服电机的要求较高甚至损坏伺服电机。中国专利201010507587.7公开了一种空间四自由度并联机构及喷涂机器人，该专利的喷涂作业机构为四分支并联机构，四个直线驱动分支直接驱动动平台，驱动杆摆动占用空间较大，不适合作为并联加工头的机构，且该机构布置形式存在奇异性问题，运动状态欠佳。通过以上分析，现有并联加工头由于驱动支链多，普遍存在刚度较差、工作空间较小、动态性能较差、运动不灵活的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种驱动支链少、刚度大、工作空间大、动态性能好、运动灵活的并联加工头。

为解决上述技术问题，本发明提出一种带随动约束的两转一移混联式平行驱动摆头装置，其包括安装架、伸出体、第一伸出筒、第二伸出筒、第一直线驱动单元、第二直线驱动单元、第三直线驱动单元、第一连杆、第二连杆、第三连杆、动平台和电主轴；

所述安装架通过第一移动副与所述伸出体连接，安装架中心轴线与所述伸出体的中心轴线重合；

所述伸出体的端面有三个按120°均布的等大圆柱第一通孔、第二通孔和第三通孔，伸出体通过第一移动副与安装架连接，安装架中心轴线与伸出体的中心轴线重合，所述三个通孔的中心轴线与伸出体的中心轴线相互平行；

所述第一伸出筒通过第一圆柱副与所述第一通孔连接；

所述第二伸出筒通过第二圆柱副与所述第二通孔连接；

所述第一直线驱动单元的安装固定端与所述第一通孔的底部安装端面固连，所述第一直线驱动单元的运动连接部件与所述第一伸出筒的底部端面固连，将所述第一直线驱动单元内部电机的旋转运动转化为第一伸出筒通过第一圆柱副相对于第一通孔的直线运动。

所述第二直线驱动单元的安装固定端与所述第二通孔的底部安装端面固连，所述第一直线驱动单元的运动连接部件与所述第二伸出筒的底部端面固连，将所述第二直线驱动单元内部电机的旋转运动转化为第二伸出筒通过第二圆柱副相对于第二通孔的直线运动。

所述第三直线驱动单元的安装固定端与所述安装架的内部末端固连，所述第三直线驱动单元的运动连接部件与所述第三细圆柱筒的底部安装端面固连，将所述第三直线驱动单元内部电机的旋转运动转化为伸出体通过第一移动副相对于安装架的直线运动；

所述第一连杆的一端通过第一转动副与第一伸出筒的顶部安装端面连接，所述第一转动副回转轴线与第一圆柱副的轴线垂直，所述第一连杆的另一端通过第一万向铰与所述动平台相连，所述第一万向铰的第一回转轴线与所述第一转动副回转轴线平行，所述第一万向铰的第二回转轴线与所述第一回转轴线垂直；

所述第二连杆的一端通过第二转动副与第二伸出筒的顶部安装端面连接，所述第二转动副回转轴线与第二圆柱副的轴线垂直，所述第二连杆的另一端通过第二万向铰与所述动平台相连；所述第二万向铰的第一回转轴线与所述第二转动副回转轴线平行，所述第二万向铰的第二回转轴线与所述第一回转轴线垂直；

所述第三连杆的一端通过两个轴线相互垂直的第三转动副和第四转动副与所述伸出体的第三通孔的顶部安装端面连接，所述第四转动副的回转轴线与所述伸出体第三通孔的中心轴线重合，所述第三转动副回转轴线与第四转动副的回转轴线垂直；所述第三连杆的另一端通过第三万向铰与所述动平台连接，所述第三万向铰的第一回转轴线与所述第三转动副回转轴线平行，所述第三万向铰的第二回转轴线与所述第一回转轴线垂直；

所述第一万向铰、第二万向铰、第三万向铰的铰链点中心呈120°均布，且第一万向铰的第二回转轴线、第二万向铰的第二回转轴线与第三万向铰的第二回转轴线相交于空间一点；

所述三条连杆的长度相等；

所述动平台的侧面与所述第一连杆、第二连杆、第三连杆相连，顶部中心位置安装有用于磨削或铣削加工的电主轴。

优选的，所述第一伸出筒两端安装第一滑动套与第二滑动套，所述两个滑动套与第一通孔接触滑动，且所述两个铜套直径相等均大于第一伸出筒的外径；第二伸出筒两端安装有第三滑动套与第四滑动套，所述两个滑动套与第二通孔接触滑动，且所述两个滑动套直径相等均大于第二伸出筒的外径。

优选地，所述安装架、伸出体与伸出筒的外形可以为圆柱体、三棱柱或四棱柱。

优选地，改变分支运动副的连接顺序或改变安装结构倾角，其机构构型的自由度不变。

优选地，同时更换所述第一转动副与所述第一万向铰的位置、所述第二转动副与所述第二万向铰的位置或者所述第三转动副与所述第三万向铰的位置，所述摆头机构的自由度不变。

本发明综合出一类具有两转一移的三自由度的混联式平行驱动机械手腕摇摆头，所述两条主驱动RHRU分支可以替换为主驱动RHUR分支，所述随动RRU分支可以替换为随动RUR分支。

本发明具有如下有益效果：

(1)由于该混联摇摆头的并联部分只有两条主驱动分支和一条随动约束分支，所以较具有四条或四条以上运动分支的并联加工头相比，支链少，结构紧凑，只需合理地控制三个主驱动分支的输出量便可使刀头到达指定的加工位置，能实现更大的转动角度而不发生铰链干涉，可规避并联加工头奇异性问题；

(2)该混联摇摆头的并联部分支链长度短，刚度高，具有很好的静态与动态刚度，可以保证高的加工精度；

(3)该混联机构的串联部分可以大大增加机床的进给量，进一步增加了工作空间，配合X-Y(X-Y-Z)高精密直线导轨，便可使该加工头刀头具有六个自由度的运动，可以实现大型异构件的加工；

(4)该混联摇摆头的运动构件质量小，惯性小，动态性能好，能更好地实现复杂曲面的磨削与铣削加工。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的伸出体的结构示意图；

图3是本发明实施例的整体结构剖视示意图；

图4是本发明实施例的第一主驱动RHRU分支的结构示意图；

图5是本发明实施例的第一主驱动RHRU分支结构爆炸示意图；

图6是本发明实施例的第二主驱动RHRU分支结构爆炸示意图；

图7是本发明实施例的随动约束RRU分支的结构示意图；以及

图8是本发明实施例的串联P分支的结构示意图。

具体实施方式

一种带随动约束的两转一移混联式平行驱动摆头机构，其主要包括安装架1、伸出体2、第一伸出筒33、第二伸出筒43、第一直线驱动单元34、第二直线驱动单元44、第三直线驱动单元61、第一连杆31、第二连杆41、第三连杆51、动平台7和电主轴71。两个伸出筒采用空心钢管、伸出体2采用空心缸筒与钢板焊接的工艺。

伸出体2包括外筒层21、上连接板221、中间连接板222、下连接板223、第一细圆柱筒231、第二细圆柱筒232和第三细圆柱筒233；每个连接板均开有三个按120°均布的通孔且三个连接板平行布置、中心轴线重合，三个连接板的通孔轴线相互重合；三个细圆柱筒分别穿过上连接板221的三个通孔，三个细圆柱筒顶部端面与上连接板221外端面重合，三个细圆柱筒底部端面与下连接板223外端面重合，中间连接板222布置于上连接板221与下连接板223中间；外筒层21内径与连接板直径相等，且将连接板与细圆柱筒包覆，从而形成一体；

第一直线驱动单元34、第一细圆柱筒231、第一伸出筒33、第一转动副安装座32、第一连杆31和动平台7形成第一主驱动RHRU分支3；第一直线驱动单元34可将电机的旋转运动转化为第一伸出筒33通过第一圆柱副333相对于第一细圆柱筒231的直线运动与相对转动。

第二直线驱动单元44、第二细圆柱筒232、第二伸出筒43、第二转动副安装座42、第二连杆41和动平台7形成第二主驱动RHRU分支4；第二直线驱动单元44可将电机的旋转运动转化为第二伸出筒43通过第二圆柱副433相对于第二细圆柱筒232的直线运动与相对转动。

第三细圆柱筒233、第三连杆51与动平台7形成随动约束RRU分支5。安装架1、伸出体2以及第三直线驱动单元61构成主驱动串联P分支，第三直线驱动单元61可将其内部电机的旋转运动转化为伸出体2通过移动副62相对于安装架1的直线运动。

第一伸出筒33通过第一圆柱副333与伸出体的第一细圆柱筒231连接，第二伸出筒43通过第二圆柱副433与伸出体2的第二细圆柱筒232连接。第一直线驱动单元34的安装固定部件341与伸出体2的第一细圆柱筒231的底部安装端面固连，其运动连接部件342与第一伸出筒33的底部端面固连，第一伸出筒33两端安装有滑动铜套331与332，两个滑动铜套与第一细圆柱筒231接触滑动，且两个滑动铜套直径相等，均大于第一伸出筒33的外径；第二直线驱动单元44的安装固定部件441与伸出体2的第二细圆柱筒232的底部安装端面固连，其运动连接部件442与第二伸出筒43的底部端面固连，第二伸出筒43两端安装有滑动铜套431与432，两个滑动铜套与第二细圆柱筒232接触滑动，且两个滑动铜套直径相等，均大于第二伸出筒43的外径；第三直线驱动单元61的安装固定部件611与安装架1的内部末端固连，其运动连接部件612与伸出体2的第三细圆柱筒233的底部安装端面固连。

第一连杆31和第二连杆41的一端分别通过第一转动副312、第二转动副412与第一转动副安装座32和第二转动副安装座42连接，两转动副安装座依次与第一伸出筒33和第二伸出筒43的顶部安装端面固连；第一连杆31和第二连杆41的另一端分别通过第一万向铰311、第二万向铰411与动平台7相连；第三连杆51的一端通过第三转动副512与第三转动副安装座52连接，第三转动副安装座52通过第四转动副513与安装套杯53连接，安装套杯53固连于伸出体2的第三细圆柱筒233上，第三连杆51的另一端通过第三万向铰511与动平台7连接。动平台7的中心安装有用于磨削或铣削加工的电主轴71。

第一转动副312的回转轴线与第一圆柱副333的轴线垂直，第二转动副412的回转轴线与第二圆柱副433的轴线垂直，第四转动副513的回转轴线与伸出体2的第三细圆柱筒233的中心轴线重合；第一万向铰311的第一回转轴线与第一连杆31另一端的第一转动副312的回转轴线平行，其第二回转轴线与第一回转轴线垂直；第二万向铰411的第一回转轴线与第二连杆41另一端的第二转动副412回转轴线平行，其第二回转轴线与第一回转轴线垂直；第三万向铰511的第一回转轴线与第三连杆51另一端的第三转动副512的回转轴线平行，其第二回转轴线与第一回转轴线垂直。

上平台的第一万向铰311、第二万向铰411、第三万向铰511的铰链点中心呈120°均布且第一万向铰311的第二回转轴线、第二万向铰411的第二回转轴线与第三万向铰511的第二回转轴线相交于空间一点；第一连杆31、第二连杆41、第三连杆51的长度相等；两个主驱动RHRU分支的结构相同。

改变本实施例分支运动副的连接顺序或改变安装结构倾角，其机构构型的自由度不变。

本实施例第一主驱动RHRU分支3与第二主驱动RHRU分支4可以替换为主驱动RHUR分支，随动约束RRU分支5可以替换为随动RUR分支。

本实施例安装架1、伸出体2、第一伸出筒33、第二伸出筒43的外形为圆柱体，也可以为三棱柱或四棱柱。

本发明实施例具有以下有益效果：

(1)由于该混联摇摆头的并联部分只有两条主驱动分支，串联部分只有一条主驱动分支，只需合理地控制三个主驱动分支的输出量便可使刀头到达指定的加工位置，并较具有四条或四条以上运动分支的并联加工头相比，能实现更大的转动角度而不发生铰链干涉；

(2)在该混联摇摆头末端继续串联两个与该加工头串联P副相垂直的两个移动自由度，便可使该加工头刀头具有六个自由度的运动，可以实现大型异构件的加工；

(3)该混联摇摆头的并联部分支链长度短，刚度高，具有很好的静态与动态刚度，可以保证高的加工精度；

(4)三条连杆长度短、两个伸出筒采用空心钢管、伸出体采用空心缸筒与钢板焊接的工艺，使得整个混联摇摆头的运动构件质量小，惯性小，动态性能好，能实现复杂曲面的磨削与铣削加工；

(5)混联机构的串联部分串联P副具有较大的行程，可以大大增加机床的进给量，进一步增加了工作空间。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种带随动约束的两转一移混联式平行驱动摆头机构，其特征在于，该机构包括安装架、伸出体、第一伸出筒、第二伸出筒、第一直线驱动单元、第二直线驱动单元、第三直线驱动单元、第一连杆、第二连杆、第三连杆、动平台和电主轴；

所述安装架通过第一移动副与所述伸出体连接，安装架中心轴线与所述伸出体的中心轴线重合；

所述伸出体的端面有三个按120°均布的等大圆柱第一通孔、第二通孔和第三通孔，伸出体通过第一移动副与安装架连接，安装架中心轴线与伸出体的中心轴线重合，所述三个通孔的中心轴线与伸出体的中心轴线相互平行；

所述第一伸出筒通过第一圆柱副与所述第一通孔连接；

所述第二伸出筒通过第二圆柱副与所述第二通孔连接；

所述第一直线驱动单元的安装固定端与所述第一通孔的底部安装端面固连，所述第一直线驱动单元的运动连接部件与所述第一伸出筒的底部端面固连，将所述第一直线驱动单元内部电机的旋转运动转化为第一伸出筒通过第一圆柱副相对于第一通孔的直线运动；

所述第二直线驱动单元的安装固定端与所述第二通孔的底部安装端面固连，所述第二直线驱动单元的运动连接部件与所述第二伸出筒的底部端面固连，将所述第二直线驱动单元内部电机的旋转运动转化为第二伸出筒通过第二圆柱副相对于第二通孔的直线运动；

所述第三直线驱动单元的安装固定端与所述安装架的内部末端固连，所述第三直线驱动单元的运动连接部件与所述第三细圆柱筒的底部安装端面固连，将所述第三直线驱动单元内部电机的旋转运动转化为伸出体通过第一移动副相对于安装架的直线运动；

所述第一连杆的第一端通过第一转动副与第一伸出筒的顶部安装端面连接，所述第一转动副回转轴线与第一圆柱副的轴线垂直，所述第一连杆的第二端通过第一万向铰与所述动平台相连，所述第一万向铰的第一回转轴线与所述第一转动副回转轴线平行，所述第一万向铰的第二回转轴线与所述第一回转轴线垂直；

所述第二连杆的第一端通过第二转动副与第二伸出筒的顶部安装端面连接，所述第二转动副回转轴线与第二圆柱副的轴线垂直，所述第二连杆的第二端通过第二万向铰与所述动平台相连；所述第二万向铰的第一回转轴线与所述第二转动副回转轴线平行，所述第二万向铰的第二回转轴线与所述第一回转轴线垂直；

所述第三连杆的第一端通过两个轴线相互垂直的第三转动副和第四转动副与所述伸出体的第三通孔的顶部安装端面连接，所述第四转动副的回转轴线与所述伸出体第三通孔的中心轴线重合，所述第三转动副回转轴线与第四转动副的回转轴线垂直；所述第三连杆的第二端通过第三万向铰与所述动平台连接，所述第三万向铰的第一回转轴线与所述第三转动副回转轴线平行，所述第三万向铰的第二回转轴线与所述第一回转轴线垂直；

所述第一万向铰、第二万向铰、第三万向铰的铰链点中心呈120°均布，且第一万向铰的第二回转轴线、第二万向铰的第二回转轴线与第三万向铰的第二回转轴线相交于空间一点；

所述三条连杆的长度相等；

所述动平台的侧面与所述第一连杆、第二连杆、第三连杆相连，顶部中心位置安装有电主轴。

2.根据权利要求1所述的带随动约束的两转一移混联式平行驱动摆头机构，其特征在于，所述第一伸出筒两端安装第一滑动套与第二滑动套，所述两个滑动套与第一通孔接触滑动，且所述两个滑动套直径相等均大于第一伸出筒的外径；第二伸出筒两端安装有第三滑动套与第四滑动套，所述两个滑动套与第二通孔接触滑动，且所述滑动两个套直径相等均大于第二伸出筒的外径。

3.根据权利要求1所述的带随动约束的两转一移混联式平行驱动摆头机构，其特征在于，所述安装架、伸出体与伸出筒的外形可以为圆柱体、三棱柱或四棱柱。

4.根据权利要求1所述的带随动约束的两转一移混联式平行驱动摆头机构，其特征在于，改变分支运动副的连接顺序或改变安装结构倾角，其机构构型的自由度不变。

5.根据权利要求1所述的带随动约束的两转一移混联式平行驱动摆头机构，其特征在于，同时更换所述第一转动副与所述第一万向铰的位置、所述第二转动副与所述第二万向铰的位置或者所述第三转动副与所述第三万向铰的位置，所述摆头机构的自由度不变。