CN112238443B - 一种含有恰约束和复合驱动支链的并联机构 - Google Patents

一种含有恰约束和复合驱动支链的并联机构 Download PDF

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Abstract

一种含有恰约束和复合驱动支链的并联机构。其包括定平台、动平台、第一支链、第二支链和第三支链，具有三平动两转动的自由度。本发明优点：首先，通过两组驱动组件实现支链的复合驱动，减少了支链数，降低干涉，增大机构的工作空间，相较于直接驱动转动副等常规复合驱动方式，降低了控制难度；其次，采用恰约束主动支链与复合驱动支链相配合，使机构整体呈面对称，可以有效减小动平台的不可控误差，获得面对称的运动学和动力学性能，提高了各向同性性能；最后，复合驱动支链选用板状杆，相较于常规的伸缩杆，可以加强支链的径向刚度，增大机构的承载能力，提高运动稳定性。

Description

一种含有恰约束和复合驱动支链的并联机构
技术领域
本发明属于并联机构技术领域，特别是涉及一种含有恰约束和复合驱动支链的五自由度并联机构。
背景技术
在现代装备制造业中，空间自由曲面类零部件在很多重要领域得到了广泛的应用，如汽车外壳、涡轮叶片、飞机蒙皮等。实现这类复杂曲面加工的机构应具备较高的灵活性，至少需要五个自由度的运动能力。与多轴串联加工机构相比，并联机构具有结构紧凑、刚度髙、承载能力强及响应速度快的优点。
复合驱动支链的构型方式应用到并联机构中，具有简化结构、降低干涉、增大工作空间的优点。中国专利CN201410448759.6中公开了一种复合驱动三分支六自由度运动模拟台，具有较强的承载能力。中国专利CN201410397874.5公开了一种冗余驱动六自由度运动模拟台，采用六条复合驱动支链，使动平台的有效工作空间有了一定的提高。与六自由度并联机构相比，五自由度并联机构既能够满足加工复杂曲面的要求，又有着结构更简单、驱动部件更少、运动学简单等优点。中国专利CN201110199258.5公开了一种含双复合驱动分支三腿五自由度并联机构，有较高的灵巧度并且结构较为简单。目前应用于并联机构的复合驱动支链多采用伸缩杆或转动副作为直接驱动，但是仅选用伸缩杆会降低径向刚度，直接驱动转动副的控制难度高，均会影响复合驱动支链的性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种含有恰约束和复合驱动支链的并联机构。
为了达到上述目的，本发明提供的含有恰约束和复合驱动支链的并联机构包括定平台、动平台、第一支链、第二支链和第三支链；
其中，定平台包括固定在地面上的底座和垂直固定在底座上的机架；
动平台的一端表面上固定有第二虎克铰支座和两个球铰支座；
第一支链与第二支链为复合驱动支链，每条复合驱动支链包括第一移动组件、第一连杆、第二连杆、第一驱动组件和第三驱动组件；第一移动组件包括第一导轨和与之配合的第一滑块；第一导轨为直线导轨，第一支链与第二支链中的两条第一导轨固定在机架的前端面上部两侧部位且关于机架的竖直中心轴线呈八字形对称设置；第一连杆的末端与固定在第一滑块上的第一铰接支座相连构成第一转动副，前端与第二连杆的后部相连构成第二转动副；第二连杆的前端通过一个球铰与球铰支座相连；第一转动副的转动轴线与第二转动副的转动轴线平行于第一导轨；第一驱动组件包括第一电机、第一丝杠以及第一丝杠螺母；第一电机固定在机架的前端面上，输出轴连接到第一丝杠上，并且第一丝杠平行于第一导轨，第一丝杠螺母与第一滑块固接；第一电机驱动第一丝杠旋转，并通过第一丝杠螺母带动第一滑块沿第一导轨移动；第三驱动组件包括第三电机以及与第三电机输出轴连接的伸缩杆，伸缩杆一端与第一连杆的末端相连构成第三转动副，另一端与第二连杆的后端相连构成第四转动副；第三转动副、第四转动副与第二转动副的转动轴线相互平行；第三电机驱动伸缩杆伸缩，并带动第二转动副转动；
第三支链为恰约束主动支链，包括第二移动组件、定长杆和第二驱动组件，既提供驱动又提供约束，且支链的自由度等于动平台的自由度；第二移动组件包括第二导轨和与之配合的第二滑块；第二导轨为直线导轨，固定在机架的前端面上竖直中心轴线处；定长杆的一端通过第一虎克铰与固定在第二滑块上的第一虎克铰支座相连，另一端通过第二虎克铰与第二虎克铰支座相连；第二驱动组件包括第二电机、第二丝杠以及第二丝杠螺母；第二电机固定在机架的前端面上，输出轴连接到第二丝杠上，并且第二丝杠平行于第二导轨，第二丝杠螺母与第二滑块固接；第二电机驱动第二丝杠旋转，并通过第二丝杠螺母带动第二滑块沿第二导轨移动；由于第三支链中第一虎克铰支座的转动轴线始终平行于第二导轨，所述动平台上的第二虎克铰支座的转动轴线始终平行于动平台，而所述定长杆两端的转动轴线相互平行，因此所述第三支链约束了动平台的一个转动自由度。
所述的第一连杆为板状杆。
所述的第二连杆为倒三角板状杆。
所述的动平台上第二虎克铰支座和两个球铰支座呈品字形分布。
本发明提供的含有恰约束和复合驱动支链的并联机构具有以下优点：
1、通过两组驱动组件实现支链的复合驱动，减少了支链数，降低干涉，增大机构的工作空间，相较于直接驱动转动副等常规复合驱动方式，降低了控制难度。
2、采用恰约束主动支链与复合驱动支链相配合，使机构整体呈面对称，可以有效减小动平台的不可控误差，获得面对称的运动学和动力学性能，提高各向同性性能。
3、复合驱动支链选用板状杆，相较于常规的伸缩杆，可以加强支链的径向刚度，增大机构的承载能力，提高运动稳定性。
附图说明
图1为含有恰约束和复合驱动支链的五自由度并联机构整机结构示意图。
图2为定平台结构示意图。
图3为动平台结构示意图。
图4为第一移动组件与第一驱动组件结构示意图。
图5为第一支链结构示意图。
图6为第二移动组件与第二驱动组件结构示意图。
图7为第三支链结构示意图。
图中：1、定平台；101、底座；102、机架；103、机架的竖直中心轴线；2、动平台；3、第一移动组件；30、第一驱动组件；301、第一导轨；302、第一滑块；303、第一丝杠；304、第一丝杠螺母；4、第二移动组件；40、第二驱动组件；401、第二导轨；402、第二滑块；403、第二丝杠；404、第二丝杠螺母；5、第一转动副；501、第一铰接支座；6、第三驱动组件；601、第三转动副；602、伸缩杆；603、第四转动副；7、第一连杆；8、第二转动副；9、第二连杆；10、球铰；11、球铰支座；12、第一虎克铰；122、第一虎克铰支座；13、定长杆；14、第二虎克铰；142、第二虎克铰支座；15、第一电机；16、第二电机；17、第三电机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的含有恰约束和复合驱动支链的并联机构进行详细说明。
如图1—图7所示，本发明提供的含有恰约束和复合驱动支链的并联机构包括定平台1、动平台2、第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ和第三支链Ⅲ；
其中，定平台1包括固定在地面上的底座101和垂直固定在底座101上的机架102；
动平台2的一端表面上固定有第二虎克铰支座142和两个球铰支座11；
第一支链Ⅰ与第二支链Ⅱ均为复合驱动支链，每条复合驱动支链包括第一移动组件3、第一连杆7、第二连杆9、第一驱动组件30和第三驱动组件6；第一移动组件3包括第一导轨301和与之配合的第一滑块302；第一导轨301为直线导轨，第一支链Ⅰ与第二支链Ⅱ中的两条第一导轨301固定在机架102的前端面上部两侧部位且关于机架102的竖直中心轴线103呈八字形对称设置；第一连杆7的末端与固定在第一滑块302上的第一铰接支座501相连构成第一转动副5，前端与第二连杆9的后部相连构成第二转动副8；第二连杆9的前端通过一个球铰10与球铰支座11相连；第一转动副5的转动轴线与第二转动副8的转动轴线平行于第一导轨301；第一驱动组件30包括第一电机15、第一丝杠303以及第一丝杠螺母304；第一电机15固定在机架102的前端面上，输出轴连接到第一丝杠303上，并且第一丝杠303平行于第一导轨301，第一丝杠螺母304与第一滑块302固接；第一电机15驱动第一丝杠303旋转，并通过第一丝杠螺母304带动第一滑块302沿第一导轨301移动；第三驱动组件6包括第三电机17以及与第三电机17输出轴连接的伸缩杆602，伸缩杆602一端与第一连杆7的末端相连构成第三转动副601，另一端与第二连杆9的后端相连构成第四转动副603；第三转动副601、第四转动副603与第二转动副8的转动轴线相互平行；第三电机17驱动伸缩杆602伸缩，并带动第二转动副8转动；
第三支链Ⅲ为恰约束主动支链，包括第二移动组件4、定长杆13和第二驱动组件40，既提供驱动又提供约束，且支链的自由度等于动平台2的自由度；第二移动组件4包括第二导轨401和与之配合的第二滑块402；第二导轨401为直线导轨，固定在机架102的前端面上竖直中心轴线103处；定长杆13的一端通过第一虎克铰12与固定在第二滑块402上的第一虎克铰支座122相连，另一端通过第二虎克铰14与第二虎克铰支座142相连；第二驱动组件40包括第二电机16、第二丝杠403以及第二丝杠螺母404；第二电机16固定在机架102的前端面上，输出轴连接到第二丝杠403上，并且第二丝杠403平行于第二导轨401，第二丝杠螺母404与第二滑块402固接；第二电机16驱动第二丝杠403旋转，并通过第二丝杠螺母404带动第二滑块402沿第二导轨401移动；由于第三支链Ⅲ中第一虎克铰支座122的转动轴线始终平行于第二导轨401，所述动平台2上的第二虎克铰支座142的转动轴线始终平行于动平台2，而所述定长杆13两端的转动轴线相互平行，因此所述第三支链Ⅲ约束了动平台2的一个转动自由度。
所述的第一连杆7为板状杆。
所述的第二连杆9为倒三角板状杆。
所述的动平台2上第二虎克铰支座142和两个球铰支座11呈品字形分布。
现以底座101的长边方向作为x轴方向，短边方向作为z轴方向，垂直方向作为y轴方向，对本发明提供的含有恰约束和复合驱动支链的并联机构的工作原理阐述如下：
本发明提供的含有恰约束和复合驱动支链的并联机构选取两个第一丝杠303、两个伸缩杆602和一个第二丝杠403作为主动副，可实现动平台2的五个自由度；两个伸缩杆602同向等距伸缩，同时锁定第二丝杠403，实现动平台2绕x轴的转动自由度；两伸缩杆602同向不等距或反向伸缩，可实现动平台2绕y轴的转动自由度；由于所述第三支链Ⅲ中的第一虎克铰支座122的转动轴线始终平行于y轴方向，所述动平台2上的第二虎克铰支座142的转动轴线始终平行于动平台2，而所述定长杆13两端的转动轴线相互平行，因此所述第三支链Ⅲ可以约束动平台2绕第一虎克铰12转动轴线所在平面的法线的转动自由度；通过驱动第一丝杠303旋转，使两个第一滑块302在x轴方向上移动分量相等，配合其他主动副，可实现动平台2沿x轴的移动自由度；通过驱动第一丝杠303和第二丝杠403旋转，使第二滑块402配合两个第一滑块302在y轴方向上移动分量相等，可实现动平台2沿y轴的移动自由度；两个伸缩杆602同向伸缩，配合第二丝杠403，可实现动平台2沿z轴的移动自由度。最终，动平台2可实现三个方向的移动自由度与绕x、y轴的转动自由度共五个自由度。

Claims (4)

1.一种含有恰约束和复合驱动支链的并联机构，其特征在于：所述并联机构包括定平台(1)、动平台(2)、第一支链(Ⅰ)、第二支链(Ⅱ)和第三支链(Ⅲ)；
其中，定平台(1)包括固定在地面上的底座(101)和垂直固定在底座(101)上的机架(102)；
动平台(2)的一端表面上固定有第二虎克铰支座(142)和两个球铰支座(11)；
第一支链(Ⅰ)与第二支链(Ⅱ)均为复合驱动支链，每条复合驱动支链包括第一移动组件(3)、第一连杆(7)、第二连杆(9)、第一驱动组件(30)和第三驱动组件(6)；第一移动组件(3)包括第一导轨(301)和与之配合的第一滑块(302)；第一导轨(301)为直线导轨，第一支链(Ⅰ)与第二支链(Ⅱ)中的两条第一导轨(301)固定在机架(102)的前端面上部两侧部位且关于机架(102)的竖直中心轴线(103)呈八字形对称设置；第一连杆(7)的末端与固定在第一滑块(302)上的第一铰接支座(501)相连构成第一转动副(5)，前端与第二连杆(9)的后部相连构成第二转动副(8)；第二连杆(9)的前端通过一个球铰(10)与球铰支座(11)相连；第一转动副(5)的转动轴线与第二转动副(8)的转动轴线平行于第一导轨(301)；第一驱动组件(30)包括第一电机(15)、第一丝杠(303)以及第一丝杠螺母(304)；第一电机(15)固定在机架(102)的前端面上，输出轴连接到第一丝杠(303)上，并且第一丝杠(303)平行于第一导轨(301)，第一丝杠螺母(304)与第一滑块(302)固接；第一电机(15)驱动第一丝杠(303)旋转，并通过第一丝杠螺母(304)带动第一滑块(302)沿第一导轨(301)移动；第三驱动组件(6)包括第三电机(17)以及与第三电机(17)输出轴连接的伸缩杆(602)，伸缩杆(602)一端与第一连杆(7)的末端相连构成第三转动副(601)，另一端与第二连杆(9)的后端相连构成第四转动副(603)；第三转动副(601)、第四转动副(603)与第二转动副(8)的转动轴线相互平行；第三电机(17)驱动伸缩杆(602)伸缩，并带动第二转动副(8)转动；
第三支链(Ⅲ)为恰约束主动支链，包括第二移动组件(4)、定长杆(13)和第二驱动组件(40)，既提供驱动又提供约束，且支链的自由度等于动平台(2)的自由度；第二移动组件(4)包括第二导轨(401)和与之配合的第二滑块(402)；第二导轨(401)为直线导轨，固定在机架(102)的前端面上竖直中心轴线(103)处；定长杆(13)的一端通过第一虎克铰(12)与固定在第二滑块(402)上的第一虎克铰支座(122)相连，另一端通过第二虎克铰(14)与第二虎克铰支座(142)相连；第二驱动组件(40)包括第二电机(16)、第二丝杠(403)以及第二丝杠螺母(404)；第二电机(16)固定在机架(102)的前端面上，输出轴连接到第二丝杠(403)上，并且第二丝杠(403)平行于第二导轨(401)，第二丝杠螺母(404)与第二滑块(402)固接；第二电机(16)驱动第二丝杠(403)旋转，并通过第二丝杠螺母(404)带动第二滑块(402)沿第二导轨(401)移动；由于第三支链(Ⅲ)中第一虎克铰支座(122)的转动轴线始终平行于第二导轨(401)，所述动平台(2)上的第二虎克铰支座(142)的转动轴线始终平行于动平台(2)，而所述定长杆(13)两端的转动轴线相互平行，因此所述第三支链(Ⅲ)约束了动平台(2)的一个转动自由度。
2.根据权利要求1所述的含有恰约束和复合驱动支链的并联机构，其特征在于：所述的第一连杆(7)为板状杆。
3.根据权利要求1所述的含有恰约束和复合驱动支链的并联机构，其特征在于：所述的第二连杆(9)为倒三角板状杆。
4.根据权利要求1所述的含有恰约束和复合驱动支链的并联机构，其特征在于：所述的动平台(2)上第二虎克铰支座(142)和两个球铰支座(11)呈品字形分布。
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