CN110682274A

CN110682274A - 一种具有大转角的五自由度冗余驱动并联机构

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Publication number: CN110682274A
Application number: CN201910976171.0A
Authority: CN
Inventors: 房海蓉; 姜丙山; 张海强; 赵福群
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2020-01-14
Anticipated expiration: 2039-10-15
Also published as: CN110682274B

Abstract

本发明涉及一种具有大转角的五自由度冗余驱动并联机构，包括定平台、铰接动平台、转动机构；连接定平台与铰接动平台之间通过第一驱动支链、第二驱动支链、第五驱动支链、第六驱动支链进行连接；定平台和转动机构之间通过第三驱动支链、第四驱动支链进行连接；第一驱动支链、第二驱动支链、第五驱动支链、第六驱动支链联动可驱动所述铰接动平台进行前后翻转、左右平移；第一驱动支链、第二驱动支链、第五驱动支链、第六驱动支链、第三驱动支链、第四驱动支链联动可驱动所述铰接动平台进行上下移动、水平转动和左右翻转。本发明机构调整能力强、转角大、灵活性高，可进行超大复杂曲面局部加工。

Description

一种具有大转角的五自由度冗余驱动并联机构

技术领域

本发明属于制造技术领域，特别适应超大工件局部复杂自由曲面的加工，该机构是具有高刚度、高精度的五轴并联加工头。

背景技术

火箭运载能力是衡量一个国家综合实力和科技水平的重要标志，未来重载运载火箭贮箱直径尺寸近十米，总长近百米，而重载火箭贮箱结构属于超大工件一类，其火箭贮箱具有工件超大、壳体薄易变形、有凸起复杂曲面结构等特点，然而，目前Tricept和Exechon机器人等是采用一移二转三自由度并联机构串联二自由度转动头，其转动头动态特性及刚度有待提高。申请号为201610169598.6的发明专利所公开的大摆角五轴联动混联机床采用的是四自由度两转两移的并联机构串联到长导轨实现五轴联动，其不满足局部复杂自由曲面五轴联动加工。公开号为105690361A的中国专利所公开的五轴联动机床，其转角较小，灵巧性较低。现阶段加工装备如大型数控机床以及专用机床虽然可以满足一定精度加工要求，但是在工作空间、局部复杂曲面、刚度、灵活性上还无法完全满足重载火箭加工要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有大转角、高刚度、高灵巧性的五自由度冗余驱动并联机构，其作为机械本体串联到空间三正交坐标高速导轨上，进而形成八轴五联动高档并联机器人，能够解决工作空间小、刚度低、转角小、灵巧性低、局部复杂曲面难加工等难题，为智能制造提供技术支承。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种具有大转角的五自由度冗余驱动并联机构，其特殊之处在于：

包括定平台、铰接动平台、转动机构；铰接动平台位于定平台之上，转动机构设置在铰接动平台的下部，铰接动平台可相对于转动机构进行旋转和平移；

连接定平台与铰接动平台之间通过第一驱动支链、第二驱动支链、第五驱动支链、第六驱动支链进行连接；定平台和转动机构之间通过第三驱动支链、第四驱动支链进行连接；

第一驱动支链、第二驱动支链、第五驱动支链、第六驱动支链联动可驱动所述铰接动平台进行前后翻转、左右平移；第一驱动支链、第二驱动支链、第五驱动支链、第六驱动支链、第三驱动支链、第四驱动支链联动可驱动所述铰接动平台进行上下移动、水平转动和左右翻转。

进一步地，上述所述定平台包括圆形支架板和六个第一球座，所述六个第一球座圆周均布在圆形支架板上。

进一步地，上述铰接动平台包括板状结构，所述板状结构的前后两侧均连接一个第四转动副，板状结构可相对于第四转动副转动，第四转动副的两侧分别设有一个第二球座，板状结构的下表面设有两个支耳，两个支耳上分别设有转动孔，两个转动孔同轴设置。

进一步地，上述转动机构包括三个转动副，分别为第一转动副、第二转动副和第三转动副，其中第一转动副、第三转动副平行，第二转动副连接第一转动副、第三转动副且与第一转动副、第三转动副呈正交关系；第二转动副穿过板状结构下表面两个支耳的转动孔。

进一步地，上述第一驱动支链、第二驱动支链、第五驱动支链、第六驱动支链为结构相同的SPS支链，其中每条SPS支链包括摆动杆和伸缩杆；其中伸缩杆包括第一杆件以及设置在第一杆件端部的球副，所述球副与铰接动平台的第二球座配合；摆动杆包括第二杆件以及设置在第二杆件端部的球副，所述球副与定平台的第一球座配合。

进一步地，上述第三驱动支链、第四驱动支链为结构相同的SPR支链，所述SPR支链包括摆动杆和伸缩杆，其中伸缩杆包括第三杆件以及设置在第三杆件端部的第五转动副，两个第五转动副分别与转动机构上的第一转动副、第三转动副相连；摆动杆包括第四杆件以及设置在第四杆件端部的球副，所述球副与定平台的第一球座配合。

本发明的优点：

(1)本发明提出的并联机构机构调整能力强、转角大、灵活性高，可进行超大复杂曲面局部加工；

(2)减少了传统并联机构的奇异位置，具有刚度高、动态响应快的优点；

(3)该机构可以提高超大复杂工件的加工效率以及抵抗切削作用反力引起的机床变形。

附图说明

图1是本发明的具有大转角的五自由度冗余驱动并联机构示意图；

图2是本发明冗余驱动并联机构的定平台的结构示意图；

图3是本发明冗余驱动并联机构的铰接动平台的结构示意图；

图4是本发明冗余驱动并联机构的转动机构的结构示意图；

图5是本发明冗余驱动并联机构的第一驱动支链、第二驱动支链、第五驱动支链、第五驱动支链的结构示意图；

图6是本发明冗余驱动并联机构的第三驱动支链、第四驱动支链的结构示意图。

其中：1.定平台；2.铰接动平台；3.转动机构；4.第一驱动支链；5.第二驱动支链；6.第三驱动支链；7.第四驱动支链；8.第五驱动支链；9.第六驱动支链；101.第一球座；102.圆形支架板；201.第二球座；202.板状结构；203.第四转动副；204.支耳；205.转动孔；301.第一转动副；302.第二转动副；303.第三转动副；402.第一杆件；403.第二杆件；601.第五转动副；602.第三杆件；603.第四杆件。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

参见图1，一种具有大转角的五自由度冗余驱动并联机构，包括定平台1、铰接动平台2、转动机构3；铰接动平台2位于定平台1之上，转动机构3设置在铰接动平台2的下部，铰接动平台2可相对于转动机构3进行旋转和平移；连接定平台1与铰接动平台2之间通过第一驱动支链4、第二驱动支链5、第五驱动支链8、第六驱动支链9进行连接；定平台1和转动机构3之间通过第三驱动支链6、第四驱动支链7进行连接。

第一驱动支链4、第二驱动支链5、第五驱动支链8、第六驱动支链9联动可驱动所述铰接动平台2进行前后翻转、左右平移；第一驱动支链4、第二驱动支链5、第五驱动支链8、第六驱动支链9、第三驱动支链6、第四驱动支链7联动可驱动所述铰接动平台2进行上下移动、水平转动和左右翻转。

参见图2，所述定平台1包括圆形支架板102和六个第一球座101，所述六个第一球座101圆周均布在圆形支架板102上。

参见图3，所述铰接动平台2包括板状结构202，所述板状结构202的前后两侧对称设置一个第四转动副203，板状结构202可相对于第四转动副203转动，第四转动副203为“丁”字形结构，其两侧分别设有一个第二球座201，板状结构202的下表面设有两个支耳204，两个支耳204上分别设有转动孔205，两个转动孔205同轴设置。

参见图4，所述转动机构3“工”字形结构，包括三个转动副，分别为第一转动副301、第二转动副302和第三转动副303，其中第一转动副301、第三转动副303平行，第二转动副302连接第一转动副301、第三转动副303且与第一转动副301、第三转动副303呈正交关系；第二转动副302穿过板状结构202下表面两个支耳204的转动孔205。

参见图5，第一驱动支链4、第二驱动支链5、第五驱动支链8、第六驱动支链9为结构相同的SPS无约束支链，其中每条SP无约束支链包括摆动杆和伸缩杆；其中伸缩杆包括第一杆件402以及设置在第一杆件402端部的球副，所述球副与铰接动平台2的第二球座201配合；摆动杆包括第二杆件403以及设置在第二杆件403端部的球副，所述球副与定平台1的第一球座101配合。

参见图6，第三驱动支链6、第四驱动支链7为结构相同的SPR支链，所述SPR支链包括摆动杆和伸缩杆，其中伸缩杆包括第三杆件602以及设置在第三杆件602端部的第五转动副601，两个第五转动副601分别与转动机构3上的第一转动副301、第三转动副303相连；摆动杆包括第四杆件603以及设置在第四杆件603端部的球副，所述球副与定平台1的第一球座101配合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，本领域的技术人员其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行调节，或者对其中部分技术特征进行等同替换。所以，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种具有大转角的五自由度冗余驱动并联机构，其特征在于：

包括定平台(1)、铰接动平台(2)、转动机构(3)；铰接动平台(2)位于定平台(1)之上，转动机构(3)设置在铰接动平台(2)的下部，铰接动平台(2)可相对于转动机构(3)进行旋转和平移；

连接定平台(1)与铰接动平台(2)之间通过第一驱动支链(4)、第二驱动支链(5)、第五驱动支链(8)、第六驱动支链(9)进行连接；定平台(1)和转动机构(3)之间通过第三驱动支链(6)、第四驱动支链(7)进行连接；

第一驱动支链(4)、第二驱动支链(5)、第五驱动支链(8)、第六驱动支链(9)联动可驱动所述铰接动平台(2)进行前后翻转、左右平移；第一驱动支链(4)、第二驱动支链(5)、第五驱动支链(8)、第六驱动支链(9)、第三驱动支链(6)、第四驱动支链(7)联动可驱动所述铰接动平台(2)进行上下移动、水平转动和左右翻转。

2.根据权利要求1所述的一种具有大转角的五自由度冗余驱动并联机构，其特征在于：

所述定平台(1)包括圆形支架板(102)和六个第一球座(101)，所述六个第一球座(101)圆周均布在圆形支架板(102)上。

3.根据权利要求2所述的一种具有大转角的五自由度冗余驱动并联机构，其特征在于：

所述铰接动平台(2)包括板状结构(202)，所述板状结构(202)的前后两侧均连接一个第四转动副(203)，板状结构(202)可相对于第四转动副(203)转动，第四转动副(203)的两侧分别设有一个第二球座(201)，板状结构(202)的下表面设有两个支耳(204)，两个支耳(204)上分别设有转动孔(205)，两个转动孔(205)同轴设置。

4.根据权利要求3所述的一种具有大转角的五自由度冗余驱动并联机构，其特征在于：

所述转动机构(3)包括三个转动副，分别为第一转动副(301)、第二转动副(302)和第三转动副(303)，其中第一转动副(301)、第三转动副(303)平行，第二转动副(302)连接第一转动副(301)、第三转动副(303)且与第一转动副(301)、第三转动副(303)呈正交关系；

第二转动副(302)穿过板状结构(202)下表面两个支耳(204)的转动孔(205)。

5.根据权利要求4所述的一种具有大转角的五自由度冗余驱动并联机构，其特征在于：

第一驱动支链(4)、第二驱动支链(5)、第五驱动支链(8)、第六驱动支链(9)为结构相同的SPS支链，其中每条SPS支链包括摆动杆和伸缩杆；其中伸缩杆包括第一杆件(402)以及设置在第一杆件(402)端部的球副，所述球副与铰接动平台(2)的第二球座(201)配合；摆动杆包括第二杆件(403)以及设置在第二杆件(403)端部的球副，所述球副与定平台(1)的第一球座(101)配合。

6.根据权利要求5所述的一种具有大转角的五自由度冗余驱动并联机构，其特征在于：

第三驱动支链(6)、第四驱动支链(7)为结构相同的SPR支链，所述SPR支链包括摆动杆和伸缩杆，其中伸缩杆包括第三杆件(602)以及设置在第三杆件(602)端部的第五转动副(601)，两个第五转动副(601)分别与转动机构(3)上的第一转动副(301)、第三转动副(303)相连；摆动杆包括第四杆件(603)以及设置在第四杆件(603)端部的球副，所述球副与定平台(1)的第一球座(101)配合。