CN110480604B - 一种具有三向导轨的三自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

一种具有三向导轨的三自由度并联机构。其包括三向导轨、动平台以及连接动平台与三向导轨之间的第一分支、第二分支和第三分支；本发明提供的具有三向导轨的三自由度并联机构具有如下优点：采用不同向的第一导轨、第二导轨和第三导轨的三向导轨组合，并通过多个分支的协调运动可使动平台实现两个移动与一个转动共三个自由度的运动，增大了动平台的活动范围；第一分支与动平台采用转动副连接，动平台与第一滑块之间的连接杆采用了可伸缩式结构，第二、第三分支与动平台采用球面副连接，与第二滑块采用万向副连接，提高了动平台的灵活性；通过驱动三个滑块的移动以实现动平台的三自由度运动，可满足某些特殊工况要求。

Description

一种具有三向导轨的三自由度并联机构

技术领域

本发明属于并联机构技术领域，具体涉及一种具有三向导轨的三自由度并联机构。

背景技术

并联机构是一种由至少两个独立的运动链将动平台与静平台连接而成，并具有两个或两个以上自由度的闭环机构。与串联机构相比，并联机构具有刚度大、无累计误差和工作稳定等优点，因此其承载能力更强、精度更高，因而具有重要的实际应用价值。

三自由度并联机构应用广泛，部分三自由度并联机构采用不在同一平面的三条平行导轨作为运动支链滑块的导向机构，如中国专利申请CN105855921A，其包括竖直设置的3条运动支链和设置于3条运动支链所围成的空间内的动平台，每条运动支链均包括直线进给系统。此类采用不在同一平面的三条平行导轨的并联机构大多可以实现绕两条轴线的转动，但由于不在同一平面的三条平行导轨对动平台运动空间的限制，大多只能实现一个方向的移动。部分三自由度并联机构运动支链在同一平面，如中国专利申请CN104964829A，通过电机驱动三条运动支链联动，并利用交叉滚柱轴环、十字交叉导轨来实现动平台的纵向、侧向和回转运动。该机构虽然在水平方向上活动范围较大，具有两个移动自由度，但不具备竖直方向上的移动自由度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种具有三向导轨的三自由度并联机构。

为了达到上述目的，本发明提供的具有三向导轨的三自由度并联机构包括三向导轨、动平台以及连接动平台与三向导轨之间的第一分支、第二分支和第三分支；

其中，所述的三向导轨包括底座、第一导轨、第二导轨和第三导轨；底座为横截面呈六边形的板状结构，水平设置；第一导轨为竖直设置的长方形板状结构，下端连接在底座的一个侧面上，并且面向底座的侧面上沿第一导轨的长度方向形成有轨道；第二导轨和第三导轨结构相同，均为设置在同一水平面的长方形板状结构，内端分别连接在底座上与第一导轨不相邻的两个侧面上，表面上分别沿第二导轨或第三导轨的长度方向形成有轨道，并且第一导轨、第二导轨和第三导轨在水平面上相距120°设置；

第一分支包括第一滑块、外凸台、方形内直杆、插销和转动头；第一滑块垂直设置，外侧面上设有与第一导轨上的轨道相配合的长条形凸缘；长条形凸缘与该轨道构成移动副，通过该移动副的连接，第一滑块可沿第一导轨上的轨道进行竖直方向的移动；外凸台为水平设置的四棱台状结构，下底面固定在第一滑块的内侧面上，上底面的中部凹陷形成有一个方形内孔；方形内直杆的内端嵌套在外凸台上的方形内孔中而形成移动副，从而使方形内直杆能够沿方形内孔进行移动，并且方形内孔中安装有易于更换的套筒，以减少方形内孔与方形内直杆间的磨损；方形内直杆的外端呈半圆柱体形，并且该半圆柱体处形成有与半圆柱体同轴线的贯穿圆孔；外凸台与方形内直杆构成总长度能够改变的可伸缩杆结构；转动头为由顶板、底板和侧板构成的“凹”字形结构，顶板和底板上均形成有圆孔，并且方形内直杆的外端位于转动头的开口中；插销同时插入在转动头的顶板、底板的圆孔以及方形内直杆上的贯穿圆孔内，与转动头共同构成转动副；

第二分支与第三分支结构完全相同，均包括第二滑块、万向节连接杆、万向节接头、连杆、球面副内球体和球面副外球壳；第二滑块的顶面上设有一对凸起的转动节，底面上设有与第二导轨或第三导轨上的轨道相配合的长条形凸缘；长条形凸缘与各自的轨道构成移动副，通过该移动副的连接，第二滑块可沿第二导轨或第三导轨进行水平方向的移动；万向节连接杆为由水平圆杆与垂直圆杆构成的对称十字形杆状结构，其中水平圆杆的两端分别与第二滑块上的两个转动节铰接，使万向节连接杆能够以水平圆杆为轴进行转动；万向节接头为由顶板、底板和侧板构成的“凹”字形结构；垂直圆杆的两端分别与万向节接头上的顶板和底板铰接，使万向节接头能够以垂直圆杆为轴进行转动；通过上述转动的组合，万向节接头能够同时以万向节连接杆上的水平圆杆和垂直圆杆为轴进行转动，进而与万向节连接杆和第二滑块顶面上的转动节共同构成万向副；连杆的一端固定在万向节接头的侧板外表面上，另一端与球面副内球体相连接；球面副外球壳由带有开口的壳体和一端连接在壳体上的连接杆构成，其中壳体套在球面副内球体的外部，并且壳体的内球面与球面副内球体的外表面相接触，二者共同构成球面副；

动平台为横截面呈六边形的板状结构，转动头的侧面外表面、第二分支与第三分支上球面副外球壳的连接杆外端分别连接在动平台上三个不相邻的侧面上，并且动平台在本机构中始终保持水平状态。

所述的第一导轨、第二导轨和第三导轨与底座之间均采用可拆卸的方式连接，以方便安装。

所述的外凸台的四个侧面均与第一滑块的外侧面呈100°夹角，以增强外凸台的抗剪强度。

本发明提供的具有三向导轨的三自由度并联机构具有如下优点：

采用不同向的第一导轨、第二导轨和第三导轨的三向导轨组合，并通过多个分支的协调运动可使动平台实现两个移动与一个转动共三个自由度的运动，增大了动平台的活动范围；第一分支与动平台采用转动副连接，动平台与第一滑块之间的连接杆采用了可伸缩式结构，第二、第三分支与动平台采用球面副连接，与第二滑块采用万向副连接，提高了动平台的灵活性；通过驱动三个滑块的移动以实现动平台的三自由度运动，可满足某些特殊工况要求，并且计算简单、易于控制。

附图说明

图1为本发明提供的具有三向导轨的三自由度并联机构整体结构示意图。

图2为本发明提供的具有三向导轨的三自由度并联机构中三向导轨局部结构示意图。

图3为本发明提供的具有三向导轨的三自由度并联机构中第一分支局部结构示意图。

图4为本发明提供的具有三向导轨的三自由度并联机构中第二分支、第三分支局部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的具有三向导轨的三自由度并联机构进行详细说明。

如图1—图4所示，本发明提供的具有三向导轨的三自由度并联机构包括三向导轨1、动平台2以及连接动平台2与三向导轨1之间的第一分支3、第二分支4和第三分支5；

其中，所述的三向导轨1包括底座6、第一导轨7、第二导轨8和第三导轨9；底座6为横截面呈六边形的板状结构，水平设置；第一导轨7为竖直设置的长方形板状结构，下端连接在底座6的一个侧面上，并且面向底座6的侧面上沿第一导轨7的长度方向形成有轨道；第二导轨8和第三导轨9结构相同，均为设置在同一水平面内的长方形板状结构，内端分别连接在底座6上与第一导轨7不相邻的两个侧面上，表面上分别沿第二导轨8或第三导轨9的长度方向形成有轨道，并且第一导轨7、第二导轨8和第三导轨9在水平面上相距120°设置；

第一分支3包括第一滑块10、外凸台11、方形内直杆12、插销13和转动头14；第一滑块10垂直设置，外侧面上设有与第一导轨7上的轨道相配合的长条形凸缘；长条形凸缘与该轨道构成移动副，通过该移动副的连接，第一滑块10可沿第一导轨7上的轨道进行竖直方向的移动；外凸台11为水平设置的四棱台状结构，下底面固定在第一滑块10的内侧面上，上底面的中部凹陷形成有一个方形内孔；方形内直杆12的内端嵌套在外凸台11上的方形内孔中而形成移动副，从而使方形内直杆12能够沿方形内孔进行移动，并且方形内孔中安装有易于更换的套筒，以减少方形内孔与方形内直杆12间的磨损；方形内直杆12的外端呈半圆柱体形，并且该半圆柱体处形成有与半圆柱体同轴线的贯穿圆孔；外凸台11与方形内直杆12构成总长度能够改变的可伸缩杆结构；转动头14为由顶板、底板和侧板构成的“凹”字形结构，顶板和底板上均形成有圆孔，并且方形内直杆12的外端位于转动头14的开口中；插销13同时插入在转动头14的顶板、底板的圆孔以及方形内直杆12上的贯穿圆孔内，与转动头14共同构成转动副；

第二分支4与第三分支5结构完全相同，均包括第二滑块15、万向节连接杆16、万向节接头17、连杆18、球面副内球体19和球面副外球壳20；第二滑块15的顶面上设有一对凸起的转动节，底面上设有与第二导轨8或第三导轨9上的轨道相配合的长条形凸缘；长条形凸缘与各自的轨道构成移动副，通过该移动副的连接，第二滑块15可沿第二导轨8或第三导轨9进行水平方向的移动；万向节连接杆16为由水平圆杆C与垂直圆杆D构成的对称十字形杆状结构，其中水平圆杆C的两端分别与第二滑块15上的两个转动节铰接，使万向节连接杆16能够以水平圆杆C为轴进行转动；万向节接头17为由顶板、底板和侧板构成的“凹”字形结构；垂直圆杆D的两端分别与万向节接头17上的顶板和底板铰接，使万向节接头17能够以垂直圆杆D为轴进行转动；通过上述转动的组合，万向节接头17能够同时以万向节连接杆16上的水平圆杆C和垂直圆杆D为轴进行转动，进而与万向节连接杆16和第二滑块15顶面上的转动节共同构成万向副；连杆18的一端固定在万向节接头17的侧板外表面上，另一端与球面副内球体19相连接；球面副外球壳20由带有开口的壳体和一端连接在壳体上的连接杆构成，其中壳体套在球面副内球体19的外部，并且壳体的内球面与球面副内球体19的外表面相接触，二者共同构成球面副；

动平台2为横截面呈六边形的板状结构，转动头14的侧面外表面、第二分支4与第三分支5上球面副外球壳20的连接杆外端分别连接在动平台2上三个不相邻的侧面上，并且动平台2在本机构中始终保持水平状态。

所述的第一导轨7、第二导轨8和第三导轨9与底座6之间均采用可拆卸的方式连接，以方便安装。

所述的外凸台11的四个侧面均与第一滑块10的外侧面呈100°夹角，以增强外凸台11的抗剪强度。

现将本发明提供的具有三向导轨的三自由度并联机构的工作过程阐述如下：

本发明可通过电机驱动第一分支3上的第一滑块10以及第二分支4和第三分支5上的第二滑块15在各自轨道上进行移动来实现动平台2的运动。在第二分支4、第三分支5中，通过驱动第二滑块15分别在第二导轨8和第三导轨9上进行位移不同的移动，可以改变动平台2绕z轴的转动角度，由此实现一个绕z轴的转动自由度。在第二分支4、第三分支5中，通过驱动第二滑块15分别在第二导轨8和第三导轨9上进行移动，并利用第一分支3的协调运动，可以实现动平台2在y轴方向上的移动，由此实现一个移动自由度。还可通过同时驱动第一滑块10和两个第二滑块15分别在第一导轨7、第二导轨8和第三导轨9上进行移动，利用第一分支3、第二分支4和第三分支5的协调运动，使动平台2进行z轴方向的移动，由此实现另一个移动自由度。故本并联机构可以实现动平台2的一个转动和两个移动共三个自由度的运动。

Claims (3)

1.一种具有三向导轨的三自由度并联机构，其特征在于：所述的具有三向导轨的三自由度并联机构包括三向导轨(1)、动平台(2)以及连接动平台(2)与三向导轨(1)之间的第一分支(3)、第二分支(4)和第三分支(5)；

其中，所述的三向导轨(1)包括底座(6)、第一导轨(7)、第二导轨(8)和第三导轨(9)；底座(6)为横截面呈六边形的板状结构，水平设置；第一导轨(7)为竖直设置的长方形板状结构，下端连接在底座(6)的一个侧面上，并且面向底座(6)的侧面上沿第一导轨(7)的长度方向形成有轨道；第二导轨(8)和第三导轨(9)结构相同，均为设置在同一水平面内的长方形板状结构，内端分别连接在底座(6)上与第一导轨(7)不相邻的两个侧面上，表面上分别沿第二导轨(8)或第三导轨(9)的长度方向形成有轨道，并且第一导轨(7)、第二导轨(8)和第三导轨(9)在水平面上相距120°设置；

第一分支(3)包括第一滑块(10)、外凸台(11)、方形内直杆(12)、插销(13)和转动头(14)；第一滑块(10)垂直设置，外侧面上设有与第一导轨(7)上的轨道相配合的长条形凸缘；长条形凸缘与该轨道构成移动副，通过该移动副的连接，第一滑块(10)可沿第一导轨(7)上的轨道进行竖直方向的移动；外凸台(11)为水平设置的四棱台状结构，下底面固定在第一滑块(10)的内侧面上，上底面的中部凹陷形成有一个方形内孔；方形内直杆(12)的内端嵌套在外凸台(11)上的方形内孔中而形成移动副，从而使方形内直杆(12)能够沿方形内孔进行移动，并且方形内孔中安装有易于更换的套筒，以减少方形内孔与方形内直杆(12)间的磨损；方形内直杆(12)的外端呈半圆柱体形，并且该半圆柱体处形成有与半圆柱体同轴线的贯穿圆孔；外凸台(11)与方形内直杆(12)构成总长度能够改变的可伸缩杆结构；转动头(14)为由顶板、底板和侧板构成的“凹”字形结构，顶板和底板上均形成有圆孔，并且方形内直杆(12)的外端位于转动头(14)的开口中；插销(13)同时插入在转动头(14)的顶板、底板的圆孔以及方形内直杆(12)上的贯穿圆孔内，与转动头(14)共同构成转动副；

第二分支(4)与第三分支(5)结构完全相同，均包括第二滑块(15)、万向节连接杆(16)、万向节接头(17)、连杆(18)、球面副内球体(19)和球面副外球壳(20)；第二滑块(15)的顶面上设有一对凸起的转动节，底面上设有与第二导轨(8)或第三导轨(9)上的轨道相配合的长条形凸缘；长条形凸缘与各自的轨道构成移动副，通过该移动副的连接，第二滑块(15)可沿第二导轨(8)或第三导轨(9)进行水平方向的移动；万向节连接杆(16)为由水平圆杆(C)与垂直圆杆(D)构成的对称十字形杆状结构，其中水平圆杆(C)的两端分别与第二滑块(15)上的两个转动节铰接，使万向节连接杆(16)能够以水平圆杆(C)为轴进行转动；万向节接头(17)为由顶板、底板和侧板构成的“凹”字形结构；垂直圆杆(D)的两端分别与万向节接头(17)上的顶板和底板铰接，使万向节接头(17)能够以垂直圆杆(D)为轴进行转动；通过上述转动的组合，万向节接头(17)能够同时以万向节连接杆(16)上的水平圆杆(C)和垂直圆杆(D)为轴进行转动，进而与万向节连接杆(16)和第二滑块(15)顶面上的转动节共同构成万向副；连杆(18)的一端固定在万向节接头(17)的侧板外表面上，另一端与球面副内球体(19)相连接；球面副外球壳(20)由带有开口的壳体和一端连接在壳体上的连接杆构成，其中壳体套在球面副内球体(19)的外部，并且壳体的内球面与球面副内球体(19)的外表面相接触，二者共同构成球面副；

动平台(2)为横截面呈六边形的板状结构，转动头(14)的侧面外表面、第二分支(4)与第三分支(5)上球面副外球壳(20)的连接杆外端分别连接在动平台(2)上三个不相邻的侧面上，并且动平台(2)在本机构中始终保持水平状态。

2.根据权利要求1所述的具有三向导轨的三自由度并联机构，其特征在于：所述的第一导轨(7)、第二导轨(8)和第三导轨(9)与底座(6)之间均采用可拆卸的方式连接，以方便安装。

3.根据权利要求1所述的具有三向导轨的三自由度并联机构，其特征在于：所述的外凸台(11)的四个侧面均与第一滑块(10)的外侧面呈100°夹角，以增强外凸台(11)的抗剪强度。

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