CN113119072A - 含双动平台的对称式冗余驱动并联操作头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含双动平台的对称式冗余驱动并联操作头，包括机架、第一支链、第二支链、第一动平台、第三支链、第四支链、第二动平台，第一支链、第二支链对称设置在第一动平台下方两侧，第一支链、第二支链上端连接第一动平台，下端连接机架，第三支链、第四支链对称设置在第二动平台下方两侧，第三支链、第四支链上端连接第二动平台，下端连接机架，所述第一动平台与第二动平台经平台转动副连接在一起，第一动平台和第二动平台均设置有末端执行器接口，各个支链的结构完全相同，均包括依次连接的移动副、转动副以及虎克铰，移动副固定安装在机架上，虎克铰与对应的动平台连接固定，各个支链相对同一个轴线圆周均布的设置。
Description
技术领域
本发明涉及一种含双动平台的对称式冗余驱动并联操作头。
背景技术
并联操作头机构是一类通过至少两个独立的运动支链将动平台与机架相连接且以并联方式驱动的一种闭环机构。从拓扑结构来看，目前成功商用的混联机床均采用两转动一平动并联机构作为其核心功能模块的设计方案。
在这些具有两转动一平动的并联机构中，冗余驱动并联机构因其具有消除奇异点、提高机构刚度和灵巧度的优点，而更适合于构建高负载能力和高动力稳定性的混联机床。一般来说，并联机构具有两类冗余驱动：（1）在恰驱动并联操作头的被动关节上添加驱动输入，使被动关节变为主动关节；（2）添加一条或多条主动运动支链到恰驱动并联操作头上，但不改变原有机构自由度。从提高机构刚度性能的角度考虑，这类既能满足所需运动形式，又能提高机构性能的冗余驱动并联机构使研究者投入了大量心血。现有机构中，专利CN106965153中提出了一种驱动冗余的并联机床本体、专利CN107127738A中提出了刚柔混合线解耦变刚度的可重构冗余驱动广义并联机构。然而，为满足这类机构严苛的几何约束条件，现有的两转动一平动冗余驱动并联机构不得不采用多类型带球副支链组合的设计方案，导致现有机构存在转角空间小、精度保持性差、制造装配困难、性能不够对称的缺点，难以满足现有工程对复杂异型结构件的加工需求。这也是现有这类机构目前尚无法真正实现商业化推广的原因之一。
因此，近年来众多学者与工程师致力于寻找一种、具有对称的结构、对称的运动/力学性能，对称的工作空间、不存在球副这种制造困难、精度保持性差的运动副，且具有大转角运动能力的两转动一平动冗余驱动并联机构。为达成这一构想，专利申报人前期也做了大量的研究，提出大量的冗余驱动并联机构的设计方案，如专利CN201821027965.X、专利CN201721700818.X等。但这些机构仍难以同时满足上述的需求，使其在工程应用上受到一定程度的制约，尚只能适应一些具有小曲率曲面的浅浮雕加工。因此，如何突破一种能够同时满足上述工程需求冗余驱动并联机构的设计，仍是当前学术界与工程领域一大难题。
发明内容
本发明提出一种含双动平台的对称式冗余驱动并联操作头。
本发明解决技术问题所采用的方案是，一种含双动平台的对称式冗余驱动并联操作头，包括机架、第一闭环运动支链、第二闭环运动支链，所述第一闭环运动支链由第一支链、第二支链以及第一动平台组成，第一支链、第二支链对称设置在第一动平台下方两侧，第一支链、第二支链上端连接第一动平台，下端连接机架，所述第二闭环运动支链由第三支链、第四支链以及第二动平台组成，第三支链、第四支链对称设置在第二动平台下方两侧，第三支链、第四支链上端连接第二动平台，下端连接机架，所述第一动平台与第二动平台经平台转动副连接在一起，第一动平台和第二动平台均设置有末端执行器接口；
各个支链的结构完全相同，均包括依次连接的移动副、转动副以及虎克铰，移动副固定安装在机架上，虎克铰与对应的动平台连接固定，各个支链相对同一个轴线圆周均布的设置。
进一步的，各个支链的移动副的轴线与转动副的轴线相互垂直，转动副的轴线平行于虎克铰的第一轴线且垂直于虎克铰的第二轴线。
进一步的，第一支链的转动副的轴线平行于第二支链的转动副的轴线，第三支链的转动副的轴线平行于第四支链的转动副轴线；第一支链的虎克铰的第二轴线与第二支链的虎克铰的第二轴线共线；第三支链的虎克铰的第二轴线与第四支链的虎克铰的第二轴线共线；平台转动副的轴线垂直并相交于第三支链的虎克铰的第二轴线及第一支链的虎克铰的第二轴线，第一支链的虎克铰的第二轴线与第三支链的虎克铰的第二轴线相交。
进一步的，所述第一支链、第二支链、第三支链及第四支链在第一动平台和第二动平台构成的动平台组件上施加了两个沿第一支链的转动副的轴线相等的约束力，两个沿第三支链的转动副的轴线相等的约束力，两个同时垂直于第一支链的虎克铰的第一轴线与第一支链的虎克铰的第二轴线的约束力偶。
进一步的，所述第一动平台和第二动平台具有两转动一平动的运动能力，其中一个转动自由度的轴线与第一支链的虎克铰的第二轴线重合，而另一个转动自由度的轴线与第三支链的虎克铰的第二轴线重合。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：结构简单，设计合理，实现两个动平台相对静平台2R1T三自由度的运动输出，双动平台的结构可提供两类不同类型的接口，串接不同形式的执行机构，极大改善机构的应用柔性。仅含单一运动支链类型、全对称分布、无球关节、含过约束、冗余驱动及模块化程度高的结构特征，极大提高了操作头整体的工作空间、大转角运动能力、力学性能、精度性能以及承载能力，且在其工作全域内能够具有一个对称的运动和力学性能，在高速、精密以及高刚度加工领域都有着广泛的应用前景。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为本发明实施例的构造示意图一。
图2为本发明实施例的构造示意图二。
图3为本发明实施例中闭环支链的构造示意图。
图4为本发明实施例中支链的构造示意图。
图5为本发明实施例中动平台与第五转动副连接的构造示意图。
图6本发明实施例的工作空间示意图。
图中：M1-第一动平台，M2-第二动平台，B-机架，CL1-第一闭环运动支链，CL2第二闭环运动支链，L1-第一支链，L2-第二支链，L3-第三支链，L4-第四支链；P-移动副，R-转动副，U-虎克铰；R5-平台转动副；SP1-第一支链的移动副轴线，SR1-第一支链的转动副轴线，SU11-第一支链的虎克铰第一轴线，SU12-第一支链的虎克铰第二轴线，SP2-第二支链的移动副轴线，SR2-第二支链的转动副轴线，SU21-第二支链的虎克铰第一轴线，SU22-第二支链的虎克铰第二轴线，SP3-第三支链的移动副轴线，SR3-第三支链的转动副轴线，SU31-第三支链的虎克铰第一轴线，SU32-第三支链的虎克铰第二轴线，SP4-第四支链的移动副轴线，SR4-第四支链的转动副轴线，SU41-第四支链的虎克铰第一轴线，SU42-第四支链的虎克铰第二轴线, SR5-平台转动副轴线；1-伺服电机，2-导轨架，3-导轨，4-丝杠副，5-滑块，6-滑动架，7-连杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1-6所示，一种含双动平台的对称式冗余驱动并联操作头，包括机架B、第一闭环运动支链CL1、第二闭环运动支链CL2，所述第一闭环运动支链由第一支链L1、第二支链L2以及第一动平台M1组成，第一支链、第二支链对称设置在第一动平台下方两侧，第一支链、第二支链上端连接第一动平台，下端连接机架，所述第二闭环运动支链由第三支链L3、第四支链L4以及第二动平台M2组成，第三支链、第四支链对称设置在第二动平台下方两侧，第三支链、第四支链上端连接第二动平台，下端连接机架，所述第一动平台与第二动平台经平台转动副R5连接在一起，第一动平台和第二动平台均设置有末端执行器接口，第一动平台和第二动平台可配置不同末端执行器接口，用于如铣削主轴、磨削主轴、钻削主轴等模块的快速换接；
各个支链的结构完全相同，均包括依次连接的移动副P、转动副R以及虎克铰U，移动副固定安装在机架上，虎克铰与对应的动平台连接固定，各个支链相对同一个轴线圆周均布的设置，形成一种机械结构对称的设置单一支链类型、无球副的结构特征有效地提高了这类机构的模块化设计、工作空间、负载能力及运动精度性能，并极大降低其制造难度和成本；
在四条支链的共同驱动下，第一动平台与第二动平台能够输出空间两转动一平动的运动。
在本实施例中，第一支链、第二支链、第三支链及第四支链均采用完全相同的结构形式且对称分布，实现了并联操作头结构特征、运动性能和力学性能的对称分布，解决以往此类机构由于工作空间、承载能力分布不均匀而诱发的作业局限。
在本实施例中，各个支链的移动副均作为机构的主动运动副，可经由电机丝杠模块、液/气压模块等动力输入模块进行驱动。这类所有主动移动副固定的特征，消去了由移动架、电机、丝杠/导轨副等大质量部件向系统引进的运动惯量，改善了此类机构的动力学响应及高速切削加工性能。优选的，如图4所示，移动副采用丝杠滑台组合机构展开设计，并通过伺服电机1进行驱动，伺服电机安装在导轨架1上，导轨架固定安装在机架上，导轨架上安装有相平行导轨3及丝杆副4，滑动架6固定在滑块5和丝杠副4上，滑块与导轨滑动片配合，滑动架与丝杠副螺纹配合；连杆7通过一个转动副连接到滑动架上，并经一个虎克铰与动平台连接；当伺服电机工作时，丝杠副拖动滑动架相对机架发生移动，滑动架带动连杆，从而驱使动平台运动。各个支链上的伺服电机的共同驱使下，唯一确定第一动平台和第二动平台的位姿和姿态，实现第一动平台和第二动平台两转动一平动的运动输出。
在本实施例中，各个支链的移动副的轴线与转动副的轴线相互垂直，转动副的轴线平行于虎克铰的第一轴线且垂直于虎克铰的第二轴线。
在本实施例中，第一支链的转动副的轴线SR1平行于第二支链的转动副的轴线SR2，第三支链的转动副的轴线SR3平行于第四支链的转动副轴线SR4；第一支链的虎克铰的第二轴线SU12与第二支链的虎克铰的第二轴线SU22共线；第三支链的虎克铰的第二轴线SU32与第四支链的虎克铰的第二轴线SU42共线；平台转动副的轴线SR5垂直并相交于第三支链的虎克铰的第二轴线及第一支链的虎克铰的第二轴线，第一支链的虎克铰的第二轴线与第三支链的虎克铰的第二轴线相交。在此约束下形成的过约束、冗余驱动特征，极大提高了其力学性能。
在本实施例中，所述第一支链、第二支链、第三支链及第四支链在第一动平台和第二动平台构成的动平台组件上施加了两个沿第一支链的转动副的轴线相等的约束力，两个沿第三支链的转动副的轴线相等的约束力，两个同时垂直于第一支链的虎克铰的第一轴线与第一支链的虎克铰的第二轴线的约束力偶，，形成一种运动约束对称的设置，使得这类机构在每个方向上有且只有一个过约束，实现过约束的对称分布。
在本实施例中，所述第一动平台和第二动平台具有两转动一平动的运动能力，其中一个转动自由度的轴线与第一支链的虎克铰的第二轴线重合，而另一个转动自由度的轴线与第三支链的虎克铰的第二轴线重合，，形成一种交叉转轴的设置，两转动运动轴线均分布于动平台上的运动特征，有利于消除机构的牵连运动、简化其的运动学，并确保机构不同方向上具有相同转动能力且易于控制。
本含双动平台的对称式冗余驱动并联操作头具有最少的被动关节，其被动关节数仅为13，并且是首次运用不含球副的支链来构造具有交叉转轴的1T2R冗余驱动并联机构。
本发明实施例的结构参数如下所示:
如图6所示，本发明实施例具有对称分布的转角工作空间，在两个转动运动方向上的运动均能达到-53°-53°，能够实现大转角的运动。而现有两转动一平动冗余驱动并联机构的转动能力均在-35°-35°以内，且相关研究表明其工作空间、运动学特性及力学性能分布不均匀，使得这些机构难以满足大曲率结构件的高速加工。与现有机构相比，本并联操作头的大转角、均匀分布特征，可为复杂铝合金航空结构件的快速加工提供一种新的方案。
本含双动平台的对称式冗余驱动并联操作头具有如下优点：（1）单一支链类型、无球副的支链特征有效地提高了这类机构的模块化设计、工作空间、负载能力及运动精度性能，并能极大降低其制造难度和成本；（2）移动副均作为机构的主动运动副的支链特征，消去了由移动架、电机、丝杠/导轨副等大质量部件向系统引进的运动惯量，改善了此类机构的动力学响应及高速切削加工性能；（3）交叉转轴的运动特征，有利于消除机构的牵连运动、简化其的运动学，并确保机构不同方向上具有相同转动能力且易于控制。综上所述，所设计的含双动平台的对称式冗余驱动并联操作头结构简单、模块化程度高，极大提高了这类1T2R冗余驱动并联操作头整体的工作空间、大转角运动能力、力学性能、精度性能以及承载能力，且在其工作全域内能够具有一个对称的运动和力学性能，在高速、精密以及高刚度加工领域都有着广泛的应用前景
本专利如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种含双动平台的对称式冗余驱动并联操作头，其特征在于：包括机架、第一闭环运动支链、第二闭环运动支链，所述第一闭环运动支链由第一支链、第二支链以及第一动平台组成，第一支链、第二支链对称设置在第一动平台下方两侧，第一支链、第二支链上端连接第一动平台，下端连接机架，所述第二闭环运动支链由第三支链、第四支链以及第二动平台组成，第三支链、第四支链对称设置在第二动平台下方两侧，第三支链、第四支链上端连接第二动平台，下端连接机架，所述第一动平台与第二动平台经平台转动副连接在一起，第一动平台和第二动平台均设置有末端执行器接口；
各个支链的结构完全相同，均包括依次连接的移动副、转动副以及虎克铰，移动副固定安装在机架上，虎克铰与对应的动平台连接固定，各个支链相对同一个轴线圆周均布的设置。
2.根据权利要求1所述的含双动平台的对称式冗余驱动并联操作头，其特征在于：各个支链的移动副的轴线与转动副的轴线相互垂直，转动副的轴线平行于虎克铰的第一轴线且垂直于虎克铰的第二轴线。
3.根据权利要求1所述的含双动平台的对称式冗余驱动并联操作头，其特征在于：第一支链的转动副的轴线平行于第二支链的转动副的轴线，第三支链的转动副的轴线平行于第四支链的转动副轴线；第一支链的虎克铰的第二轴线与第二支链的虎克铰的第二轴线共线；第三支链的虎克铰的第二轴线与第四支链的虎克铰的第二轴线共线；平台转动副的轴线垂直并相交于第三支链的虎克铰的第二轴线及第一支链的虎克铰的第二轴线，第一支链的虎克铰的第二轴线与第三支链的虎克铰的第二轴线相交。
4.根据权利要求1所述的含双动平台的对称式冗余驱动并联操作头，其特征在于：所述第一支链、第二支链、第三支链及第四支链在第一动平台和第二动平台构成的动平台组件上施加了两个沿第一支链的转动副的轴线相等的约束力，两个沿第三支链的转动副的轴线相等的约束力，两个同时垂直于第一支链的虎克铰的第一轴线与第一支链的虎克铰的第二轴线的约束力偶。
5.根据权利要求1所述的含双动平台的对称式冗余驱动并联操作头，其特征在于：所述第一动平台和第二动平台具有两转动一平动的运动能力，其中一个转动自由度的轴线与第一支链的虎克铰的第二轴线重合，而另一个转动自由度的轴线与第三支链的虎克铰的第二轴线重合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210716 |