CN111496765A - 一种空间两转动和一移动的三自由度并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空间两转动和一移动的三自由度并联机构，包括：固定架，三根固定架竖直设置且呈三角形布置；运动支链，三条运动支链的一端分别滑动连接在三根固定架上；动平台，设置在三根固定架所围成的空间内，且动平台与三条运动支链的另一端活动连接；运动支链均包括：直线进给机构，设置在固定架上，其具有在固定架上移动的输出部；连接杆，一端通过转动副与直线进给机构的输出部连接，另一端通过万向关节与动平台连接；三条运动支链共同作用使动平台具备绕x轴和绕y轴的两转动自由度以及沿z轴的一平动自由度。本发明能够有效增加动平台摆角范围，铰链数量减少有利于保证动平台运动精度，同时两个方向摆动和移动可单独解耦，降低了控制难度。

Description

一种空间两转动和一移动的三自由度并联机构
技术领域
本发明涉及一种并联机构，具体是关于一种空间两转动和一移动的三自由度并联机构，属于机械制造领域。
背景技术
并联机构结构紧凑，模块化性能好，刚度质量比大，易于实现高速运动。并联机构是由多个支链和动、静平台共同构成的闭环系统，其自由度最多为六。自由度少于六的并联机构被称为少自由度并联机构。其中，三自由度并联机构是一种重要的少自由度并联机构。近年来，一些基于三自由度并联机构的混联制造装备在工业中得到了成功应用，如基于2-UPR/SPR机构的Exechoon五轴混联加工中心(W02006054935)，以及基于3-PRS机构的Ecospeed五轴混联加工中心(W02000025976)等。混联机构兼具串联机构工作空间大以及并联机构结构紧凑、动态响应特性好的优点，能够实现大工作空间的五轴联动高速切铣加工，适合应用于空间自由曲面类零部件的加工。
专利US6431802和CN100377847C为目前两种常见的三自由度并联机构，分别为3PRS构型和3RPS构型，二者均已应用于混联机床领域。上述两个机构都包括静平台、动平台及三条结构相同且呈轴对称分布的支链。US6431802所涉及的机构支链依次包含一个移动副、一个转动副和一个球铰；其中，移动副为驱动单元，通过导轨与静平台配合；转动副和球铰为被动单元，球铰连接相应的连接杆和动平台。CN100377847C所涉及的机构支链依次包含一个转动副、一个移动副和一个球铰；其中，转动副与定平台相连接，移动副为驱动单元；球铰为被动单元，连接相应的连接杆和动平台。
此外，还有诸多研究单位和科研机构构型出多种两转一移的三自由度并联机构。但是运动副数目少、结构简单、控制容易的该类并联式主轴头结构还相对比较少。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种空间两转动和一移动的三自由度并联机构，该机构能够有效增加动平台摆角范围，铰链数量减少有利于保证动平台运动精度，同时两个方向摆动和移动可单独解耦，降低了控制难度，并且可与串联机构连接组成五轴联动数控装备，克服了已有的空间两转动和一移动并联机构技术的缺点。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种空间两转动和一移动的三自由度并联机构，包括：固定架，三根所述固定架竖直设置且呈三角形布置；第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链，所述第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链的一端分别滑动连接在三根所述固定架上；动平台，设置在三根所述固定架所围成的空间内，且所述动平台与所述第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链的另一端活动连接；所述第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链均包括：直线进给机构，设置在所述固定架上，其具有在所述固定架上移动的输出部；连接杆，所述连接杆的一端通过转动副与所述直线进给机构的输出部连接，所述连接杆的另一端通过万向关节与所述动平台连接；所述第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链共同作用使所述动平台具备绕x轴和绕y轴的两转动自由度以及沿z轴的一平动自由度。
所述的三自由度并联机构，优选地，所述直线进给机构包括：驱动单元，安装在所述固定架上；直线导轨，沿所述固定架的长度方向固定在所述固定架上；滚珠丝杠，沿所述固定架的长度方向布置且与所述驱动单元的输出端连接；滑块，滑动连接在所述直线导轨上且与所述滚珠丝杠螺纹连接。
所述的三自由度并联机构，优选地，所述第一运动支链中的连接杆与之一端连接的滑块间转动副轴线、该连接杆与之另一端连接的万向关节间转动轴线、所述第二运动支链中的连接杆与之一端连接的滑块间转动副的轴线、该连接杆与之另一端连接的万向关节间转动轴线平行布置；
同时，所述第三运动支链中的连接杆与之一端连接的滑块间转动副轴线和该连接杆与之另一端连接的万向关节间转动轴线平行布置，并与所述第一运动支链中的连接杆与之一端连接的滑块间转动副轴线、该连接杆与之另一端连接的万向关节间转动轴线相互垂直。
所述的三自由度并联机构，优选地，所述第一运动支链中的万向关节与所述动平台的连接轴线与所述第二运动支链中的万向关节与所述动平台的连接轴线同轴共线布置；
同时，所述第三运动支链中的万向关节与所述动平台的连接轴线与所述第一运动支链中的万向关节与所述动平台的连接轴线共面垂直布置。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的运动支链仅包含转动副和万向关节，运动支链结构简单，减少了运动副数量，避免了球铰加工难度大等问题，加工制造容易，成本低，精度容易保证。2、本发明中三条运动支链的结构完全一致(均为PRU)，便于制造，并且三条运动支链具有特定的位置关系，实现了机构X和Y两个方向的转动自由度和Z向移动自由度解耦，不仅其末端动平台因此获得较高的转角范围和较好的输出精度，而且控制使用简单，不容易导致干涉。3、本发明可以在该空间两转动一平动并联机构的基础上，通过采用与串联平台混联的形式可以实现五轴联动的运动能力，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明运动支链的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
如图1、图2所示，本发明提供的空间两转动和一移动的三自由度并联机构，包括：固定架10，三根固定架10竖直设置且呈三角形布置；第一运动支链101、第二运动支链102和第三运动支链103，第一运动支链101、第二运动支链102和第三运动支链103的一端分别滑动连接在三根固定架10上；动平台201，设置在三根固定架10所围成的空间内，且动平台201与第一运动支链101、第二运动支链102和第三运动支链103的另一端活动连接。
第一运动支链101、第二运动支链102和第三运动支链103均包括：直线进给机构1，设置在固定架10上，其具有在固定架10上移动的输出部；连接杆2，连接杆2的一端通过转动副3与直线进给机构1的输出部连接，连接杆2的另一端通过万向关节4与动平台201连接。
第一运动支链101、第二运动支链102和第三运动支链103共同作用使动平台201具备绕x轴和绕y轴的两转动自由度以及沿z轴的一平动自由度。
在上述实施例中，优选地，直线进给机构1包括：驱动单元11，安装在固定架10上；直线导轨12，沿固定架10的长度方向固定在固定架10上；滚珠丝杠13，沿固定架10的长度方向布置且与驱动单元11的输出端连接；滑块14，滑动连接在直线导轨12上且与滚珠丝杠13螺纹连接。由此，驱动单元11带动滚珠丝杠13转动，滚珠丝杠13转动作用下驱动滑块14沿直线导轨12移动，为相应的运动支链输入运动。
在上述实施例中，优选地，第一运动支链101中的连接杆2与之一端连接的滑块14间转动副3轴线、该连接杆2与之另一端连接的万向关节4间转动轴线、第二运动支链102中的连接杆2与之一端连接的滑块14间转动副3的轴线、该连接杆2与之另一端连接的万向关节4间转动轴线平行布置。
同时，第三运动支链103中的连接杆2与之一端连接的滑块14间转动副25轴线和该连接杆2与之另一端连接的万向关节4间转动轴线平行布置，并与第一运动支链101中的连接杆2与之一端连接的滑块14间转动副3轴线、该连接杆2与之另一端连接的万向关节4间转动轴线相互垂直。
在上述实施例中，优选地，第一运动支链101中的万向关节4与动平台201的连接轴线与第二运动支链102中的万向关节4与动平台201的连接轴线同轴共线布置。
同时，第三运动支链103中的万向关节4与动平台201的连接轴线与第一运动支链101中的万向关节4与动平台201的连接轴线共面垂直布置。
在上述实施例提供的三自由度并联机构中，第一运动支链101、第二运动支链102和第三运动支链103分别与动平台201以及固定架10连接形成一个空间闭环机构，利用三条运动支链中滑块14的输入运动使得动平台201运动，具体为：利用第一运动支链101和第二运动支链102共同实现动平台201绕y轴方向的转动自由度；利用第三运动支链103实现动平台绕x轴方向的转动自由度；利用第一运动支链101、第二运动支链102和第三运动支链103共同实现动平台201沿z轴方向的移动自由度。由此，三条运动支链共同作用使动平台201具备绕x轴和绕y轴的两转动自由度以及沿z轴的一平动自由度。
需要指出的是，在上述实施例中，驱动单元11采用了伺服电机-滚珠丝杠进给方式，通过直线导轨12为滑块14提供一个移动自由度的运动输入，为了达到同样的目的，驱动单元11也可以采用直线电机进给方式，为滑块14提供一个移动自由度的运动输入。当然，在具体实施过程中，采用其它任意一种可实现相同运动功能的驱动形式都是可以的。同时，本发明可采用模块化设计，可通过固定架10上的机械接口与两个正交的串联移动平台配合使用，进而构成五轴联动的运动单元。
需要指出的是，在上述实施例中，动平台201可以布置在三条运动支链的下方，在不脱离本发明创造本质的情况下，动平台201也可以布置在三条运动支链的上方或其它方向布置，均应属于本发明的保护范围。
需要指出的是，在上述实施例中，三条运动支链中的直线导轨12可以垂直平行布置，在不脱离本发明创造本质的情况下，三条运动支链中的直线导轨12也可以在空间任意方向平行布置、或者其中两条直线导轨12在同一平面内非平行布置，均应属于本发明的保护范围。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种空间两转动和一移动的三自由度并联机构，其特征在于，包括：
固定架(10)，三根所述固定架(10)竖直设置且呈三角形布置；
第一运动支链(101)、第二运动支链(102)和第三运动支链(103)，所述第一运动支链(101)、第二运动支链(102)和第三运动支链(103)的一端分别滑动连接在三根所述固定架(10)上；
动平台(201)，设置在三根所述固定架(10)所围成的空间内，且所述动平台(201)与所述第一运动支链(101)、第二运动支链(102)和第三运动支链(103)的另一端活动连接；
所述第一运动支链(101)、第二运动支链(102)和第三运动支链(103)均包括：
直线进给机构(1)，设置在所述固定架(10)上，其具有在所述固定架(10)上移动的输出部；
连接杆(2)，所述连接杆(2)的一端通过转动副(3)与所述直线进给机构(1)的输出部连接，所述连接杆(2)的另一端通过万向关节(4)与所述动平台(201)连接；
所述第一运动支链(101)、第二运动支链(102)和第三运动支链(103)共同作用使所述动平台(201)具备绕x轴和绕y轴的两转动自由度以及沿z轴的一平动自由度。
2.根据权利要求1所述的三自由度并联机构，其特征在于，所述直线进给机构(1)包括：
驱动单元(11)，安装在所述固定架(10)上；
直线导轨(12)，沿所述固定架(10)的长度方向固定在所述固定架(10)上；
滚珠丝杠(13)，沿所述固定架(10)的长度方向布置且与所述驱动单元(11)的输出端连接；
滑块(14)，滑动连接在所述直线导轨(12)上且与所述滚珠丝杠(13)螺纹连接。
3.根据权利要求2所述的三自由度并联机构，其特征在于，所述第一运动支链(101)中的连接杆(2)与之一端连接的滑块(14)间转动副(3)轴线、该连接杆(2)与之另一端连接的万向关节(4)间转动轴线、所述第二运动支链(102)中的连接杆(2)与之一端连接的滑块(14)间转动副(3)的轴线、该连接杆(2)与之另一端连接的万向关节(4)间转动轴线平行布置；
同时，所述第三运动支链(103)中的连接杆(2)与之一端连接的滑块(14)间转动副(25)轴线和该连接杆(2)与之另一端连接的万向关节(4)间转动轴线平行布置，并与所述第一运动支链(101)中的连接杆(2)与之一端连接的滑块(14)间转动副(3)轴线、该连接杆(2)与之另一端连接的万向关节(4)间转动轴线相互垂直。
4.根据权利要求2所述的三自由度并联机构，其特征在于，所述第一运动支链(101)中的万向关节(4)与所述动平台(201)的连接轴线与所述第二运动支链(102)中的万向关节(4)与所述动平台(201)的连接轴线同轴共线布置；
同时，所述第三运动支链(103)中的万向关节(4)与所述动平台(201)的连接轴线与所述第一运动支链(101)中的万向关节(4)与所述动平台(201)的连接轴线共面垂直布置。
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