CN112518721A - 一种四自由度完全解耦复合驱动并联机构 - Google Patents

Abstract

一种四自由度完全解耦复合驱动并联机构。其包括基座、动平台、第一支链、第二支链和第三支链，机构具有三平动一转动的自由度。本发明有以下优点：机构的四个自由度每个都由单一运动副完全控制，实现了完全解耦，极大的简化了对机构理论分析与控制系统开发；机构在机架上的支链采用两个主动副，采用了复合驱动，减少了支链数，避免了各支链之间干涉，减少了零件数，进一步降低了制造成本；机构采用一条双平行四边形支链，替换了一般的多转动副解耦支链，增加了运动稳定性且提高了机构刚度。

Description

一种四自由度完全解耦复合驱动并联机构

技术领域

本发明属于并联机构技术领域，特别是涉及一种四自由度完全解耦复合驱动并联机构。

背景技术

并联机构结构为多条串联支链连接动、静平台，兼具刚度大，速度快，精度高的优点；而且在加工领域，并联机构有易模块化，通用性高的优点，是我国制造业向高端进步的突破口之一。

并联机构是国内外研究的热点，但因其结构特点具有强耦合性，相对多主轴机床结构复杂，控制系统开发困难与精度问题是制约并联机构在加工领域发展的主要瓶颈，而实现完全解耦则能解决上述问题，但现阶段已有的完全解耦并联机构结构复杂，支链有大量运动副，且自由度较少，很少具有工程价值，多仅存在于理论阶段；另外，复合驱动可减少支链数，大大降低机构复杂度，因此提出适用于加工制造的完全解耦复合驱动并联机构将会是制造业革命性的进步。

发明内容

为了解决上述问题，本发明目的在于提供一种四自由度完全解耦复合驱动并联机构。

为了达到上述目的，本发明提供的四自由度完全解耦复合驱动并联机构包括基座、动平台、第一支链、第二支链和第三支链；

其中，所述的基座包括第一轨道、第二轨道、第三轨道、机架和底板；第一轨道和第二轨道呈T字型固定在底板的表面；机架的下端固定在底板的表面，并且与第一轨道分别位于第二轨道的两侧；第三轨道固定在机架上面向第一轨道的侧面且垂直于底板；

动平台包括第一铰接支座、第二铰接支座、第三铰接支座和台板；第一铰接支座固定在台板的底面中部；第二铰接支座和第三铰接支座分别设置在台板的两侧面中部；第一铰接支座的转动轴线平行于台板的底面，并且与第二铰接支座的转动轴线平行；第三铰接支座的转动轴线与第一铰接支座的转动轴线垂直，并且与台板的侧面平行；

第一支链包括第一滑块、第一连杆与第二连杆；第一滑块通过第一移动副连接在第一轨道上；第一连杆与第二连杆的结构相同，并且两端的转动轴线平行，其中第一连杆的一端通过第一转动副连接在第一滑块的顶面上，另一端通过第二转动副与第二连杆的一端相连接，第二连杆的另一端通过第三转动副连接在动平台的第二铰接支座上；并且第一转动副、第二转动副与第三转动副的转动轴线皆平行于第一轨道；

第二支链包括第二滑块、两个第三连杆、两个第四连杆、第五连杆和第六连杆；第二滑块通过第二移动副连接在基座的第二轨道上；两个第三连杆的一端分别通过一个第四转动副间隔距离连接在第二滑块的顶面上，每个第三连杆的另一端通过一个第五转动副同时与第五连杆的一端以及一个第四连杆的一端相连接；两个第四连杆的另一端分别通过一个第六转动副与第六连杆的两端相连接；并且第四转动副、第五转动副与第六转动副的转动轴线平行于第二轨道，且每对转动副间隔距离相等，因此第二支链整体呈双平行四边形结构；

第三支链包括第三滑块、连接件、第七连杆与第八连杆；第三滑块通过第三移动副连接在第三轨道上；连接件的一端通过第七转动副连接在第三滑块的顶面上，另一端通过第八转动副与第七连杆的一端相连接，并且第七转动副的转动轴线平行于第一轨道；第七转动副与第八转动副的转动轴线相互垂直；第八连杆的一端与第七连杆的另一端通过第九转动副连接，第八连杆的另一端通过第十转动副连接在动平台的第三铰接支座上，并且第八转动副、第九转动副与第十转动副的转动轴线相互平行。

所述基座为圆形板状结构。

所述动平台为方形板状结构。

所述第一连杆与第二连杆为两端呈弯折状态的杆状结构，并且两端的弯折方向相反。

本发明提供的四自由度完全解耦复合驱动并联机构具有以下优点：

1、本机构的四个自由度每个都由单一运动副完全控制，实现了完全解耦，极大地简化了对机构的理论分析与控制系统开发。

2、本机构在机架上的支链采用两个主动副，采用了复合驱动，减少了支链数，避免了各支链之间干涉，减少了零件数，进一步降低了制造成本。

3、本机构采用一条双平行四边形支链，替换了一般的多转动副解耦支链，增加了运动稳定性且提高了机构刚度。

附图说明

图1为本发明提供的四自由度完全解耦复合驱动并联机构整体结构示意图。

图2为本发明提供的四自由度完全解耦复合驱动并联机构中基座示意图。

图3为本发明提供的四自由度完全解耦复合驱动并联机构中动平台示意图。

图4为本发明提供的四自由度完全解耦复合驱动并联机构中第一支链示意图。

图5为本发明提供的四自由度完全解耦复合驱动并联机构中第二支链示意图。

图6为本发明提供的四自由度完全解耦复合驱动并联机构中第三支链示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的四自由度完全解耦复合驱动并联机构进行详细说明。

如图1—图6所示，本发明提供的四自由度完全解耦复合驱动并联机构包括基座1、动平台2、第一支链Ⅰ、第二支链Ⅱ和第三支链Ⅲ；

其中，所述的基座1包括第一轨道101、第二轨道102、第三轨道103、机架104和底板105；第一轨道101和第二轨道102呈T字型固定在底板105的表面；机架104的下端固定在底板105的表面，并且与第一轨道101分别位于第二轨道102的两侧；第三轨道103固定在机架104上面向第一轨道101的侧面且垂直于底板105；

动平台2包括第一铰接支座201、第二铰接支座202、第三铰接支座203和台板204；第一铰接支座201固定在台板204的底面中部；第二铰接支座202和第三铰接支座203分别设置在台板204的两侧面中部；第一铰接支座201的转动轴线平行于台板204的底面，并且与第二铰接支座202的转动轴线平行；第三铰接支座203的转动轴线与第一铰接支座201的转动轴线垂直，并且与台板204的侧面平行；

第一支链Ⅰ包括第一滑块3、第一连杆4与第二连杆5；第一滑块3通过第一移动副11连接在第一轨道101上；第一连杆4与第二连杆5的结构相同，并且两端的转动轴线平行，其中第一连杆4的一端通过第一转动副301连接在第一滑块3的顶面上，另一端通过第二转动副302与第二连杆5的一端相连接，第二连杆5的另一端通过第三转动副15连接在动平台2的第二铰接支座202上；并且第一转动副301、第二转动副302与第三转动副15的转动轴线皆平行于第一轨道101；

第二支链Ⅱ包括第二滑块404、两个第三连杆405、两个第四连杆406、第五连杆407和第六连杆408；第二滑块404通过第二移动副12连接在基座1的第二轨道102上；两个第三连杆405的一端分别通过一个第四转动副401间隔距离连接在第二滑块404的顶面上，每个第三连杆405的另一端通过一个第五转动副402同时与第五连杆407的一端以及一个第四连杆406的一端相连接；两个第四连杆406的另一端分别通过一个第六转动副403与第六连杆408的两端相连接；并且第四转动副401、第五转动副402与第六转动副403的转动轴线平行于第二轨道102，且每对转动副间隔距离相等，因此第二支链Ⅱ整体呈双平行四边形结构；

第三支链Ⅲ包括第三滑块7、连接件8、第七连杆9与第八连杆10；第三滑块7通过第三移动副13连接在第三轨道103上；连接件8的一端通过第七转动副501连接在第三滑块7的顶面上，另一端通过第八转动副502与第七连杆9的一端相连接，并且第七转动副501的转动轴线平行于第一轨道101；第七转动副501与第八转动副502的转动轴线相互垂直；第八连杆10的一端与第七连杆9的另一端通过第九转动副503连接，第八连杆10的另一端通过第十转动副16连接在动平台2的第三铰接支座203上，并且第八转动副502、第九转动副503与第十转动副16的转动轴线相互平行。

所述基座1为圆形板状结构。

所述动平台2为方形板状结构。

所述第一连杆4与第二连杆5为两端呈弯折状态的杆状结构，并且两端的弯折方向相反。

现以第一轨道101方向作为x轴方向，第二轨道102方向作为y轴方向，第三轨道103方向作为z轴方向，对本发明提供的四自由度完全解耦复合驱动并联机构的工作原理阐述如下：

本发明提供的四自由度完全解耦复合驱动并联机构选取第一移动副11、第二移动副12、第三移动副13与第七转动副501作为主动副。第一支链Ⅰ上的第一滑块3在第一轨道101上移动，可为动平台2提供x轴方向移动自由度；第二支链Ⅱ上的第二滑块404在第二轨道102上移动时，可为动平台2提供y轴方向移动自由度；第三支链Ⅲ上的第三滑块7在第三轨道103上移动时，可为动平台2提供z轴方向移动自由度，第三支链Ⅲ上的连接件8随第七转动副501转动时，可为动平台2提供绕x轴方向转动自由度，最终，动平台2可实现三个方向的移动自由度与绕x轴的转动自由度共四个自由度。

Claims (4)

1.一种四自由度完全解耦复合驱动并联机构，其特征在于：所述并联机构包括基座(1)、动平台(2)、第一支链(Ⅰ)、第二支链(Ⅱ)和第三支链(Ⅲ)；

其中，所述的基座(1)包括第一轨道(101)、第二轨道(102)、第三轨道(103)、机架(104)和底板(105)；第一轨道(101)和第二轨道(102)呈T字型固定在底板(105)的表面；机架(104)的下端固定在底板(105)的表面，并且与第一轨道(101)分别位于第二轨道(102)的两侧；第三轨道(103)固定在机架(104)上面向第一轨道(101)的侧面且垂直于底板(105)；

动平台(2)包括第一铰接支座(201)、第二铰接支座(202)、第三铰接支座(203)和台板(204)；第一铰接支座(201)固定在台板(204)的底面中部；第二铰接支座(202)和第三铰接支座(203)分别设置在台板(204)的两侧面中部；第一铰接支座(201)的转动轴线平行于台板(204)的底面，并且与第二铰接支座(202)的转动轴线平行；第三铰接支座(203)的转动轴线与第一铰接支座(201)的转动轴线垂直，并且与台板(204)的侧面平行；

第一支链(Ⅰ)包括第一滑块(3)、第一连杆(4)与第二连杆(5)；第一滑块(3)通过第一移动副(11)连接在第一轨道(101)上；第一连杆(4)与第二连杆(5)的结构相同，并且两端的转动轴线平行，其中第一连杆(4)的一端通过第一转动副(301)连接在第一滑块(3)的顶面上，另一端通过第二转动副(302)与第二连杆(5)的一端相连接，第二连杆(5)的另一端通过第三转动副(15)连接在动平台(2)的第二铰接支座(202)上；并且第一转动副(301)、第二转动副(302)与第三转动副(15)的转动轴线皆平行于第一轨道(101)；

第二支链(Ⅱ)包括第二滑块(404)、两个第三连杆(405)、两个第四连杆(406)、第五连杆(407)和第六连杆(408)；第二滑块(404)通过第二移动副(12)连接在基座(1)的第二轨道(102)上；两个第三连杆(405)的一端分别通过一个第四转动副(401)间隔距离连接在第二滑块(404)的顶面上，每个第三连杆(405)的另一端通过一个第五转动副(402)同时与第五连杆(407)的一端以及一个第四连杆(406)的一端相连接；两个第四连杆(406)的另一端分别通过一个第六转动副(403)与第六连杆(408)的两端相连接；并且第四转动副(401)、第五转动副(402)与第六转动副(403)的转动轴线平行于第二轨道(102)，且每对转动副间隔距离相等，因此第二支链Ⅱ整体呈双平行四边形结构；

第三支链(Ⅲ)包括第三滑块(7)、连接件(8)、第七连杆(9)与第八连杆(10)；第三滑块(7)通过第三移动副(13)连接在第三轨道(103)上；连接件(8)的一端通过第七转动副(501)连接在第三滑块(7)的顶面上，另一端通过第八转动副(502)与第七连杆(9)的一端相连接，并且第七转动副(501)的转动轴线平行于第一轨道(101)；第七转动副(501)与第八转动副(502)的转动轴线相互垂直；第八连杆(10)的一端与第七连杆(9)的另一端通过第九转动副(503)连接，第八连杆(10)的另一端通过第十转动副(16)连接在动平台(2)的第三铰接支座(203)上，并且第八转动副(502)、第九转动副(503)与第十转动副(16)的转动轴线相互平行。

2.根据权利要求1所述的四自由度完全解耦复合驱动并联机构，其特征在于：所述基座(1)为圆形板状结构。

3.根据权利要求1所述的四自由度完全解耦复合驱动并联机构，其特征在于：所述动平台(2)为方形板状结构。

4.根据权利要求1所述的四自由度完全解耦复合驱动并联机构，其特征在于：所述第一连杆(4)与第二连杆(5)为两端呈弯折状态的杆状结构，并且两端的弯折方向相反。

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