CN112238446B - 一种含有滑动球副的并联机构 - Google Patents

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Abstract

一种含有滑动球副的并联机构。其包括基座、动平台、第一支链、第二支链、第三支链与复合支链，机构具有五个自由度。本发明的优点为：采用带有滑动球副的复合支链，减少了机构支链数，大幅降低了支链间发生干涉的可能性，减少了机构奇异性并增加了机构灵活度，有利于提升机构运动特性；本机构采用三条相同UPS支链，具有较好互换性，降低了制造与维护的成本，机构共采用三根伸缩杆与不可伸缩的H型杆承受载荷，使机构整体获得较高刚度；末端执行机构可安装在动平台上空间与下空间，可实现内外双工作空间，增加了机构功能性。

Description

一种含有滑动球副的并联机构
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滑动球副的并联机构。
背景技术
并联机构中动平台与基座间通常具有两条或两条以上支链，各支链对动平台同时进行控制，相对于串联机构具有运动学反解容易、响应速度快的特点，因此可广泛应用于机床、地下开采、医疗与生物工程等领域，所以近年来引起研究人员的广泛关注。
并联机构中研究与应用最深入与广泛的是六自由度并联机构，如经典的Stewart并联机构，但在诸多工作场景中并不需要六个自由度，从而采用六个自由度机构增加了控制难度与成本，因此少自由度并联机构在一些加工制造等工作中更为高效，其中五自由度并联机构逐渐成为研究热点，具有广泛的市场需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明目的在于提供一种含有滑动球副的并联机构。
为了达到上述目的，本发明提供的含有滑动球副的并联机构包括基座、动平台、第一支链、第二支链、第三支链与复合支链；
所述基座包括第一铰接支座、第二铰接支座、第三铰接支座、第一立柱式导轨、第二立柱式导轨和基座板；其中，第二铰接支座与第三铰接支座对称设置在基座板的表面前后部位；第一铰接支座安装在基座板的表面一侧中部，第二铰接支座与第三铰接支座的转动轴线共线，并与第一铰接支座的转动轴线相互垂直，第一铰接支座、第二铰接支座与第三铰接支座的转动轴线平行于基座板的表面；第一立柱式导轨与第二立柱式导轨的下端间隔安装在基座板的表面另一侧，并且其上的轨道面向第一铰接支座；
所述动平台包括第一球铰支座、第二球铰支座、第三球铰支座、第四铰接支座和台板；其中，第一球铰支座和第二球铰支座对称设置在台板的底面前后部位；第三球铰支座设置在台板的底面一侧中部，并且第一球铰支座、第二球铰支座与第三球铰支座的转动中心不共线；两个第四铰接支座间隔安装在台板另一侧的侧面上，并且转动轴线共线；
所述复合支链Ⅳ包括第一滑块、第二滑块、H型杆和第三球铰；其中，第一滑块的外侧面以滑动的方式安装在基座的第一立柱式导轨上而构成第一移动副，内侧面上形成有一个横向滑槽；第二滑块的外侧面以滑动的方式安装在基座的第二立柱式导轨上而构成第二移动副，内侧面上形成有一个横向滑槽；H型杆由第一连杆、第二连杆及连接杆组成，第一连杆和第二连杆平行设置且长度相同；连接杆的两端分别连接在第一连杆和第二连杆的中部；第一连杆和第二连杆的一端分别通过一个第三球铰以滑动的方式设置在第一滑块和第二滑块的横向滑槽内，另一端分别连接在动平台的两个第四铰接支座而构成两个第一转动副，并且两个第一转动副的转动轴线平行于连接杆；
所述第一支链包括第一伸缩杆、第一虎克铰和第一球铰；其中第一伸缩杆的一端通过第一虎克铰连接在基座的第一铰接支座上，另一端通过第一球铰连接在动平台的第三球铰支座上；
所述第二支链与第三支链结构相同，均包括第二伸缩杆、第二虎克铰和第二球铰；其中第二伸缩杆的一端通过第二虎克铰连接在基座的第二铰接支座或第三铰接支座上，另一端通过第二球铰连接在动平台的第一球铰支座或第二球铰支座上。
所述基座为矩形板状结构，中部设有减重孔。
所述动平台为矩形框架板状结构。
本发明提供的含有滑动球副的并联机构具有以下优点：
1、采用带有滑动球副的复合支链，减少了机构支链数，大幅降低了支链间发生干涉的可能性，减少了机构奇异性并增加了机构灵活度，有利于提升机构运动特性。
2、本机构采用三条相同UPS支链，具有较好互换性，降低了制造与维护的成本，机构共采用三根伸缩杆与不可伸缩的H型杆承受载荷，使机构整体获得较高刚度。
3、末端执行机构可安装在动平台上空间与下空间，可实现内外双工作空间，增加了机构功能性。
附图说明
图1为本发明提供的含有滑动球副的并联机构整体结构示意图。
图2为本发明提供的含有滑动球副的并联机构中复合支链示意图。
图3为本发明提供的含有滑动球副的并联机构中基座示意图。
图4为本发明提供的含有滑动球副的并联机构中动平台示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的含有滑动球副的并联机构进行详细说明。
如图1—图4所示，本发明提供的含有滑动球副的并联机构包括基座1、动平台2、第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ与复合支链Ⅳ；
所述基座1包括第一铰接支座101、第二铰接支座102、第三铰接支座103、第一立柱式导轨104、第二立柱式导轨105和基座板106；其中，第二铰接支座102与第三铰接支座103对称设置在基座板106的表面前后部位；第一铰接支座101安装在基座板106的表面一侧中部，第二铰接支座102与第三铰接支座103的转动轴线共线，并与第一铰接支座101的转动轴线相互垂直，第一铰接支座101、第二铰接支座102与第三铰接支座103的转动轴线平行于基座板106的表面；第一立柱式导轨104与第二立柱式导轨105的下端间隔安装在基座板106的表面另一侧，并且其上的轨道面向第一铰接支座101；
所述动平台2包括第一球铰支座201、第二球铰支座202、第三球铰支座203、第四铰接支座204和台板205；其中，第一球铰支座201和第二球铰支座202对称设置在台板205的底面前后部位；第三球铰支座203设置在台板205的底面一侧中部，并且第一球铰支座201、第二球铰支座202与第三球铰支座203的转动中心不共线；两个第四铰接支座204间隔安装在台板205另一侧的侧面上，并且转动轴线共线；
所述复合支链Ⅳ包括第一滑块5、第二滑块6、H型杆7和第三球铰13；其中，第一滑块5的外侧面以滑动的方式安装在基座1的第一立柱式导轨104上而构成第一移动副14，内侧面上形成有一个横向滑槽；第二滑块6的外侧面以滑动的方式安装在基座1的第二立柱式导轨105上而构成第二移动副15，内侧面上形成有一个横向滑槽；H型杆7由第一连杆701、第二连杆702及连接杆703组成，第一连杆701和第二连杆702平行设置且长度相同。连接杆703的两端分别连接在第一连杆701和第二连杆702的中部；第一连杆701和第二连杆702的一端分别通过一个第三球铰13以滑动的方式设置在第一滑块5和第二滑块6的横向滑槽内，另一端分别连接在动平台2的两个第四铰接支座204而构成两个第一转动副12，并且两个第一转动副12的转动轴线平行于连接杆703)；
所述第一支链Ⅰ包括第一伸缩杆3、第一虎克铰8和第一球铰11；其中第一伸缩杆3的一端通过第一虎克铰8连接在基座1的第一铰接支座101上，另一端通过第一球铰11连接在动平台2的第三球铰支座203上；
所述第二支链Ⅱ与第三支链Ⅲ结构相同，均包括第二伸缩杆4、第二虎克铰9和第二球铰10；其中第二伸缩杆4的一端通过第二虎克铰9连接在基座1的第二铰接支座102或第三铰接支座103上，另一端通过第二球铰10连接在动平台2的第一球铰支座201或第二球铰支座202上。
所述基座1为矩形板状结构，中部设有减重孔。
所述动平台2为矩形框架板状结构。
现以图1中基座1的左右方向作为x轴方向，前后方向作为y轴方向，垂直方向作为z轴方向，对本发明提供的含有滑动球副的并联机构的工作原理阐述如下：
本含有滑动球副的并联机构选取第一支链Ⅰ上的第一伸缩杆3、第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ上的第二伸缩杆4与复合支链Ⅳ上第一移动副14和第二移动副15作为主动副，第一移动副14和第二移动副15同方向等距离运动，配合其他支链可实现动平台2在x轴方向的移动自由度；第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ上的两个第二伸缩杆4不等距运动，复合支链Ⅳ上第一移动副14和第二移动副15保持固定，可实现动平台2在y轴方向上的移动自由度；第一伸缩杆3与两根第二伸缩杆4同时伸长或缩短并配合第一移动副14和第二移动副15同时上升或下降，可实现动平台2在z轴方向上的移动自由度；复合支链Ⅳ上第一移动副14和第二移动副15反方向或不等距移动，配合两根第二伸缩杆4可实现动平台2在x轴方向的转动自由度；第二支链Ⅱ、第三支链Ⅲ上的两个第二伸缩杆4固定，复合支链Ⅳ上第一移动副14和第二移动副15同向等距运动并配合第一支链Ⅰ上第一伸缩杆3与其不等距或反向运动可实现动平台2在y轴方向上的转动自由度；通过H型杆7使动平台2一侧边与两个第三球铰13的中心连线始终保持平行，从而使动平台2能始终平行于y-z平面，限制了动平台2的z轴方向转动自由度；最终，动平台2共具有三移动两转动共五自由度。另外，第三球铰13与第一滑块5和第二滑块6所构成的关节具有三维转动与一维移动自由度。

Claims (3)

1.一种含有滑动球副的并联机构，其特征在于：所述的含有滑动球副的并联机构包括基座(1)、动平台(2)、第一支链(Ⅰ)、第二支链(Ⅱ)、第三支链(Ⅲ)与复合支链(Ⅳ)；
所述基座(1)包括第一铰接支座(101)、第二铰接支座(102)、第三铰接支座(103)、第一立柱式导轨(104)、第二立柱式导轨(105)和基座板(106)；其中，第二铰接支座(102)与第三铰接支座(103)对称设置在基座板(106)的表面前后部位；第一铰接支座(101)安装在基座板(106)的表面一侧中部，第二铰接支座(102)与第三铰接支座(103)的转动轴线共线，并与第一铰接支座(101)的转动轴线相互垂直，第一铰接支座(101)、第二铰接支座(102)与第三铰接支座(103)的转动轴线平行于基座板(106)的表面；第一立柱式导轨(104)与第二立柱式导轨(105)的下端间隔安装在基座板(106)的表面另一侧，并且其上的轨道面向第一铰接支座(101)；
所述动平台(2)包括第一球铰支座(201)、第二球铰支座(202)、第三球铰支座(203)、第四铰接支座(204)和台板(205)；其中，第一球铰支座(201)和第二球铰支座(202)对称设置在台板(205)的底面前后部位；第三球铰支座(203)设置在台板(205)的底面一侧中部，并且第一球铰支座(201)、第二球铰支座(202)与第三球铰支座(203)的转动中心不共线；两个第四铰接支座(204)间隔安装在台板(205)另一侧的侧面上，并且转动轴线共线；
所述复合支链(Ⅳ)包括第一滑块(5)、第二滑块(6)、H型杆(7)和第三球铰(13)；其中，第一滑块(5)的外侧面以滑动的方式安装在基座(1)的第一立柱式导轨(104)上而构成第一移动副(14)，内侧面上形成有一个横向滑槽；第二滑块(6)的外侧面以滑动的方式安装在基座(1)的第二立柱式导轨(105)上而构成第二移动副(15)，内侧面上形成有一个横向滑槽；H型杆(7)由第一连杆(701)、第二连杆(702)及连接杆(703)组成，第一连杆(701)和第二连杆(702)平行设置且长度相同；连接杆(703)的两端分别连接在第一连杆(701)和第二连杆(702)的中部；第一连杆(701)和第二连杆(702)的一端分别通过一个第三球铰(13)以滑动的方式设置在第一滑块(5)和第二滑块(6)的横向滑槽内，另一端分别连接在动平台(2)的两个第四铰接支座(204)而构成两个第一转动副(12)，并且两个第一转动副(12)的转动轴线平行于连接杆(703)；
所述第一支链(Ⅰ)包括第一伸缩杆(3)、第一虎克铰(8)和第一球铰(11)；其中第一伸缩杆(3)的一端通过第一虎克铰(8)连接在基座(1)的第一铰接支座(101)上，另一端通过第一球铰(11)连接在动平台(2)的第三球铰支座(203)上；
所述第二支链(Ⅱ)与第三支链(Ⅲ)结构相同，均包括第二伸缩杆(4)、第二虎克铰(9)和第二球铰(10)；其中第二伸缩杆(4)的一端通过第二虎克铰(9)连接在基座(1)的第二铰接支座(102)或第三铰接支座(103)上，另一端通过第二球铰(10)连接在动平台(2)的第一球铰支座(201)或第二球铰支座(202)上。
2.根据权利要求1所述的含有滑动球副的并联机构，其特征在于：所述基座(1)为矩形板状结构，中部设有减重孔。
3.根据权利要求1所述的含有滑动球副的并联机构，其特征在于：所述动平台(2)为矩形框架板状结构。
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