CN112428255B

CN112428255B - 一种具有双驱动约束支链的五自由度并联加工机器人

Info

Publication number: CN112428255B
Application number: CN202011266344.9A
Authority: CN
Inventors: 汪从哲; 梁志芳; 张彬
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2020-11-13
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2022-12-27
Anticipated expiration: 2040-11-13
Also published as: CN112428255A

Abstract

本发明请求保护一种具有双驱动约束支链的五自由度并联加工机器人，其包括：定平台、动平台以及布置在所述定平台与动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和双驱动约束支链；所述定平台与基座固定，所述动平台用于安装主轴头；所述第一支链、第二支链与第三支链为主动无约束支链；所述双驱动约束支链为混联结构，提供一个转动约束，使得整个机构具有三个移动与两个转动自由度；所述第一支链、第二支链和第三支链对称布置在所述定平台上；所述第一支链、第二支链和第三支链结构相同。相比于传动五自由度并联机构构型，本发明提出的五自由度并联加工机器人具有结构紧凑、大转角转动等优点。

Description

一种具有双驱动约束支链的五自由度并联加工机器人

技术领域

本发明属于并联机器人加工技术领域，特别是涉及一种具有双驱动约束支链的五自由度并联加工机器人。

背景技术

随着工业制造技术的持续升级，针对一些空间大型复杂结构件的加工越来越精细化。例如，在现代航空航天制造业中，许多骨架零件，尤其是主承力结构件，普遍采用由大型整块毛坯直接掏空再加工成复杂槽腔、筋条、凸台和减轻孔等整体结构件。此类整体结构件具有结构复杂、薄壁部位多、刚性差、加工难度大等工艺特点，其金属切削量约占成品件的85％以上。因此，需要开发专门针对大型整体结构件的高端数控加工装备，而这也是国内外航空航天制造业所要竞争的技术高地。

传统的五轴加工设备多采用串联结构，虽具有较大的作业空间，但存在误差累计、刚度差、加工精度低等问题。与串联结构不同，采用并联结构的并联机床具有刚度高、精度高、承载能力大、动态响应速度好的优点，被广泛应用于航空航天铝合金结构件的加工、汽车箱体类零件的加工以及大型模具的高速加工等作业中。但目前在实际使用时，大多是以并联机构为核心进行构建的混联机床为主，如Tricept机床、Exechon机床、Trivariant机床等，而这类混联机床仍存在非线性、运动耦合性强，以及控制复杂等问题。虽然可以使用五自由度并联机构，但该类并联机构由于转动能力有限，缺乏具有实用价值的构型，因此相关的应用案例极少。德国Metrom公司研发的一系列五轴并联加工机器人是这类并联机构为数不多的成功应用案例。因此，设计具有大转角转动能力的五自由度并联机构仍然是一个具有挑战性的问题。

发明内容

本发明旨在解决以上现有的技术问题，提出了一种具有双驱动约束支链的五自由度并联加工机器人。该五自由度并联加工机器人通过使用一组具有混联结构的双驱动约束支链，以及减少主动支链的数量，实现了大转角转动。本发明的技术方案如下：

一种具有双驱动约束支链的五自由度并联加工机器人，其包括：定平台、动平台以及布置在所述定平台与动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和双驱动约束支链；所述定平台与基座固定，所述动平台用于安装主轴头；所述第一支链、第二支链与第三支链为主动无约束支链，所述双驱动约束支链提供一个转动约束，使得整个机构具有三个移动与两个转动自由度；所述第一支链、第二支链和第三支链对称布置在所述定平台上；所述第一支链、第二支链和第三支链结构相同。

进一步的，所述第一支链、第二支链和第三支链均包括虎克铰A、转动滑块A、推杆A、虎克铰B；所述虎克铰A包括虎克铰A转动轴与虎克铰A转动孔；所述虎克铰A转动轴与定平台通过转动副连接；所述转动滑块A的两端通过转动副与所述虎克铰A转动孔相连；所述转动滑块A的中间部分通过移动副与所述推杆A相连，且该移动副为主动驱动副；所述虎克铰B与所述虎克铰A结构相似，同样包括虎克铰B转动轴与虎克铰B转动孔；所述推杆A的另一端通过转动副与所述虎克铰B转动轴连接；所述虎克铰B转动孔与所述动平台的一端通过万向铰连接。

进一步的，所述定平台的中间部分为镂空设计，在镂空部分的两端还设有转动孔；所述约束支链包括十字轴、转动滑块B、推杆B、转动滑块C、推杆C、连接杆；所述转动滑块B与转动滑块C结构相同；所述推杆B与推杆C结构相同；所述十字轴包括十字轴第一转动轴、十字轴第二转动轴与十字轴第三转动轴；所述十字轴的第二转动轴与第三转动轴的转动轴线重合，且与所述十字轴第一转动轴的转动轴线垂直；所述十字轴的第一转动轴与所述定平台的两端转动孔通过转动副连接；所述十字轴的第二转动轴与所述转动滑块B的一端通过转动副连接；所述十字轴的第三转动轴与所述转动滑块C的一端通过转动副连接。

进一步的，所述转动滑块B与所述转动滑块C均可相对所述十字轴进行自由转动，两者互不干涉；所述转动滑块B与所述推杆B组成一个单独的分支；所述转动滑块B的中间部分通过移动副与所述推杆B连接，且该移动副为主动驱动副；所述转动滑块C与所述推杆C组成另一个单独的分支；所述转动滑块C的中间部分通过移动副与所述推杆C连接，且该移动副为主动驱动副；所述两个单独分支与所述十字轴组成一个混联支链，且可以实现所述约束支链的双驱动。

进一步的，所述连接杆包括连接杆第一转动轴、连接杆第二转动轴与连接杆第三转动轴；所述连接杆第三转动轴与所述十字轴第一转动轴的转动轴线始终共面；所述连接杆第一转动轴与连接杆第二转动轴的转动轴线相互平行，且与所述连接杆第三转动轴的转动轴线垂直；所述连接杆第一转动轴与所述推杆B的一端通过转动副连接；所述连接杆第二转动轴与所述推杆C的一端通过转动副连接；所述动平台上固设有主轴头；所述主轴头的末端固设有转动孔，该转动孔通过转动副与所述连接杆第三转动轴连接。

本发明的优点及有益效果如下：

(1)在传统五自由度并联机构的构型中，约束支链通常为一单独的串联支链，而本发明采用的双驱动约束支链为混联分支，即通过所述十字轴分别连接了由所述转动滑块B与所述推杆B，以及所述转动滑块C与所述推杆C组成的两条单独分支，在实现约束的同时，还实现了两个驱动输入，有利于提高结构的紧凑性；(2)在由转动滑块B、推杆B、转动滑块C、推杆C以及连接杆组成的平面机构中，由于所述转动滑块B与转动滑块C的转动轴线重合，使得连接杆具有180度的无奇异的大转角转动能力，该转动方向与转动滑块B或转动滑块C的转动方向平行；(3)所述连接杆的中间部分与主轴头的尾端通过一个转动副连接，由于使用的是单自由度的转动关节，可以减少主轴头与约束支链的干涉，从而增加主轴头在该方向上的转动能力。通过以上结构设计，提出的五自由度并联加工机器人具有两个方向上的大转角转动能力。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例的结构示意图；

图2为本发明的第一支链的结构示意图；

图3为本发明的虎克铰A的结构示意图；

图4为本发明的定平台的结构示意图；

图5为本发明的双驱动约束支链的结构示意图；

图6为本发明的十字轴的结构示意图；

图7为本发明的连接杆的结构示意图；

图8为本发明的动平台与主轴头的结构示意图；

图中，定平台-1；动平台-2；第一支链-3；第二支链-4；第三支链-5；双驱动约束支链-6；虎克铰A-33；转动滑块A-34；推杆A-32；虎克铰B-31；虎克铰A转动轴-331；虎克铰A转动孔-332；转动孔-7；十字轴-64；转动滑块B-62；推杆B-61；转动滑块C-63；推杆C-65；连接杆-66；十字轴第一转动轴-641；十字轴第二转动轴-642；十字轴第三转动轴-643；连接杆第一转动轴-661；连接杆第二转动轴-662；连接杆第三转动轴-663；主轴头-9.

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

如图1-8所示，本发明提出的一种具有双驱动约束支链的五自由度并联加工机器人，参照图1，其包括定平台、动平台以及布置在所述定平台与动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和双驱动约束支链；所述第一支链、第二支链和第三支链对称布置在所述定平台上；

参照图2所示，所述第一支链、第二支链和第三支链结构相同，均包括虎克铰A、转动滑块A、推杆A、虎克铰B；参照图3所示，所述虎克铰A包括虎克铰A转动轴与虎克铰转动孔；所述虎克铰A转动轴与所述定平台通过转动副连接；所述转动滑块A的两端通过转动副与所述虎克铰A转动孔相连；所述转动滑块A的中间部分通过移动副与所述推杆A相连，且该移动副为主动驱动副；所述虎克铰B与所述虎克铰A结构相似，同样包括虎克铰B转动轴与虎克铰B转动孔；所述推杆A的另一端通过转动副与所述虎克铰B转动轴连接；所述虎克铰B转动孔与所述动平台的一端通过万向铰连接；

进一步地，如图4所示，为方便安装所述双驱动约束支链，所述定平台的中间部分为镂空设计，在镂空部分的两端还设有转动孔；如图5所示，所述约束支链包括十字轴、转动滑块B、推杆B、转动滑块C、推杆C、连接杆；所述转动滑块B与转动滑块C结构相同；所述推杆B与推杆C结构相同；如图6所示，所述十字轴包括十字轴第一转动轴、十字轴第二转动轴与十字轴第三转动轴；所述十字轴的第二转动轴与第三转动轴的转动轴线重合，且与所述第一转动轴的转动轴线垂直；所述十字轴的第一转动轴与所述定平台的两端转动孔通过转动副连接；所述十字轴的第二转动轴与所述转动滑块B的一端通过转动副连接；所述十字轴的第三转动轴与所述转动滑块C的一端通过转动副连接；所述转动滑块B与所述转动滑块C均可相对所述十字轴进行自由转动，两者互不干涉；所述转动滑块B与所述推杆B组成一个单独的分支；所述转动滑块B的中间部分通过移动副与所述推杆B连接，且该移动副为主动驱动副；所述转动滑块C与所述推杆C组成另一个单独的分支；所述转动滑块C的中间部分通过移动副与所述推杆C连接，且该移动副为主动驱动副；通过两个所述的单独分支，可以实现所述约束支链的双驱动；如图7所示，所述连接杆包括连接杆第一转动轴、连接杆第二转动轴与连接杆第三转动轴；所述连接杆的第三转动轴与所述十字轴的第一转动轴的转动轴线始终共面；所述连接杆的第一转动轴与第二转动轴的转动轴线相互平行，且与所述第三转动轴的转动轴线垂直；所述连接杆的第一转动轴与所述推杆B的一端通过转动副连接；所述连接杆的第二转动轴与所述推杆C的一端通过转动副连接；所述动平台上固设有主轴头；所述主轴头的末端固设有转动孔，该转动孔通过转动副与所述连接杆的第三转动轴连接。

本发明的工作原理：本发明采用了三组具有相同结构的主动支链(如图2所示)，以及一组具有双驱动的约束支链(如图5所示)；所述三条主动支链为六自由度支链，对主轴头所在的动平台不提供任何约束；所述双驱动约束支链为混联结构，对动平台施加一个转动约束，使得整个并联加工机器人具有三个移动与两个转动自由度；通过控制所述双驱动约束支链中的推杆B与推杆C的线性位移，实现主轴头的一个转动运动；进一步，通过控制三条主动支链的推杆A，以及在推杆B与推杆C的共同作用下，可以实现主轴头的三维平移以及另一个转动运动。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种具有双驱动约束支链的五自由度并联加工机器人，其特征在于，包括：定平台、动平台以及布置在所述定平台与动平台之间的第一支链、第二支链、第三支链和双驱动约束支链；所述定平台与基座固定，所述动平台用于安装主轴头；所述第一支链、第二支链与第三支链为主动无约束支链，所述双驱动约束支链提供一个转动约束，使得整个机构具有三个移动与两个转动自由度；所述第一支链、第二支链和第三支链对称布置在所述定平台上；所述第一支链、第二支链和第三支链结构相同；

所述第一支链、第二支链和第三支链均包括虎克铰A、转动滑块A、推杆A、虎克铰B；所述虎克铰A包括虎克铰A转动轴与虎克铰A转动孔；所述虎克铰A转动轴与定平台通过转动副连接；所述转动滑块A的两端通过转动副与所述虎克铰A转动孔相连；所述转动滑块A的中间部分通过移动副与所述推杆A相连，且该移动副为主动驱动副；所述虎克铰B与所述虎克铰A结构相同，同样包括虎克铰B转动轴与虎克铰B转动孔；所述推杆A的另一端通过转动副与所述虎克铰B转动轴连接；所述虎克铰B转动孔与所述动平台的一端通过万向铰连接；

所述定平台的中间部分为镂空设计，在镂空部分的两端还设有转动孔；所述约束支链包括十字轴、转动滑块B、推杆B、转动滑块C、推杆C、连接杆；所述转动滑块B与转动滑块C结构相同；所述推杆B与推杆C结构相同；所述十字轴包括十字轴第一转动轴、十字轴第二转动轴与十字轴第三转动轴；所述十字轴的第二转动轴与第三转动轴的转动轴线重合，且与所述十字轴第一转动轴的转动轴线垂直；所述十字轴的第一转动轴与所述定平台的两端转动孔通过转动副连接；所述十字轴的第二转动轴与所述转动滑块B的一端通过转动副连接；所述十字轴的第三转动轴与所述转动滑块C的一端通过转动副连接；

所述转动滑块B与所述转动滑块C均可相对所述十字轴进行自由转动，两者互不干涉；所述转动滑块B与所述推杆B组成一个单独的分支；所述转动滑块B的中间部分通过移动副与所述推杆B连接，且该移动副为主动驱动副；所述转动滑块C与所述推杆C组成另一个单独的分支；所述转动滑块C的中间部分通过移动副与所述推杆C连接，且该移动副为主动驱动副；两个单独分支与所述十字轴组成一个混联支链，且可以实现所述约束支链的双驱动；

所述连接杆包括连接杆第一转动轴、连接杆第二转动轴与连接杆第三转动轴；所述连接杆第三转动轴与所述十字轴第一转动轴的转动轴线始终共面；所述连接杆第一转动轴与连接杆第二转动轴的转动轴线相互平行，且与所述连接杆第三转动轴的转动轴线垂直；所述连接杆第一转动轴与所述推杆B的一端通过转动副连接；所述连接杆第二转动轴与所述推杆C的一端通过转动副连接；所述动平台上固设有主轴头；所述主轴头的末端固设有转动孔，该转动孔通过转动副与所述连接杆第三转动轴连接。