CN113319826A

CN113319826A - 一种含闭环支链三自由度并联机构

Info

Publication number: CN113319826A
Application number: CN202110769058.2A
Authority: CN
Inventors: 孙涛; 王猛; 王攀峰; 赵学满; 宋轶民; 连宾宾; 霍欣明; 陈跃程
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2021-07-07
Filing date: 2021-07-07
Publication date: 2021-08-31

Abstract

本发明公开了一种含闭环支链三自由度并联机构，包括固定立柱、三组导轨、三组丝杠系统、三个伺服电机、三个滑鞍、一个平面闭环运动支链以及动平台；所述三组丝杠系统可在对应所述三个伺服电机的独立驱动下带动所述三个滑鞍沿相应的所述三组导轨进行滑动，实现所述动平台的三自由度平动；本发明所述一种含闭环支链三自由度并联机构具有运动解耦、工作空间大、控制简单的特点，可应用于机械加工等领域。

Description

一种含闭环支链三自由度并联机构

技术领域

本发明涉及加工机器人技术领域，特别涉及一种含闭环支链三自由度并联机构。

背景技术

相较于串联型机床和机器人，并联机构由多个支链环抱而成，具备承载能力强、运动精度高、可重构性好等优点，广泛应用于大型装备制造等领域中。其中，少自由度并联机构相较于六自由度并联机构驱动/构件少、制造成本低、控制简单，故而得到了工业界与学术界的青睐。三平动作为较为典型的运动形式，复合众多工业场合对加工的需求，所以三平动并联机构得到了广泛研究。

现有的三平动并联机构主要分为两类：1.由相互垂直的平面机构叠加而成的并联机构(如CN203305211U，CN101708609A)；2.由三条空间运动支链耦合而成的并联机构(如CN204748616U，CN1524663A)。前者在实际工程中多以平面单向导轨配合5R平面并联机构的形式出现；而后者由于结构复杂，工作空间小、控制要求高、造价高，所以很少见到真实样机。此外，需要指出的是，前者虽然有一些实际应用，但普遍存在刚度低、精度低等缺点，难以满足高端零部件高效率高质量的加工需求。因此，亟需发明一种兼备大工作空间、高刚度、易于控制等特点的新型三自由度并联机构。

发明内容

为了克服上述三平动并联机构现存技术的不足，本发明提出了一种含闭环支链三自由度并联机构，解决现有技术中三平动并联机构刚度低、精度低等问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种含闭环支链三自由度并联机构，包括固定立柱，三组导轨，三组丝杠系统，三个伺服电机，三个滑鞍，一个平面闭环运动支链以及动平台；所述三组导轨相互垂直布置，第一导轨固定连接于所述固定立柱，第二导轨和第三导轨固定连接于第一滑鞍上，且两者相互垂直；所述三个滑鞍分别与所述三组导轨滑动连接；所述三个伺服电机分别与所述三组丝杠系统通过联轴器或同步带连接；在所述三个伺服电机的独立驱动下，所述三个滑鞍产生相互垂直的直线运动；所述平面闭环运动支链包含四个平面连杆；第一连杆的一端与所述第二滑鞍转动连接，另一端与第二连杆的一端转动连接；第三连杆的一端与所述第二连杆转动连接；所述第三连杆的另一端与第四连杆的一端转动连接，且共同转动连接于所述第三滑鞍上；所述第四连杆的另一端与所述第一连杆转动连接；所述动平台与所述第二连杆的末端固定连接；在三个滑鞍的共同驱动作用下，实现所述动平台三个方向的平动。

由所述四个平面连杆组成的所述平面闭环运动支链呈平行四边形。

所述第一连杆与所述第二滑鞍连接的转动轴线、所述第一连杆与所述第二连杆连接的转动轴线、所述第二连杆与所述第三连杆连接的转动轴线、所述第三连杆与所述第四连杆连接的转动轴线均相互平行且共同垂直于平面运动支链所在平面。

本发明具有以下的技术特点：

1.本发明所述的一种含闭环支链三自由度并联机构，在保持所述各运动副及所述各连杆相对几何关系不变的前提下，所述各连杆的尺寸、截面参数可随意调整，且所述三个滑鞍在对应所述导轨轴线方向移动的工作距离亦可根据具体需求进行调整，因此本发明所述的一种含闭环支链三自由度并联机构具有工作空间大的特点。

2.本发明所述的一种含闭环支链三自由度并联机构，其中包含相互垂直分布的所述三组导轨，在所述三个伺服电机的驱动下，所述三个滑鞍可分别产生相互垂直的直线运动；所述动平台的三向运动可由对应所述伺服电机独立控制，因此本发明所述的一种含闭环支链三自由度并联机构具有运动完全解耦、控制简单的特点。

3.本发明所述的一种含闭环支链三自由度并联机构中所述平面闭环运动支链由四条所述连杆组成，运动时呈可伸缩的平行四边形结构；与机构中其他部分组合形成多闭环结构。因此，本发明所述的一种含闭环支链三自由度并联机构具有刚度高的特点。

附图说明

图1为本发明所述一种含闭环支链三自由度并联机构整体示意图；

图2为本发明所述一种含闭环支链三自由度并联机构中所述平面闭环运动支链结构轴视图；

图3为本发明所述一种含闭环支链三自由度并联机构中所述平面闭环运动支链结构俯视图；

图中标号所代表的含义为：

1-固定立柱，2-第二导轨，3-第二丝杠系统，4-第二伺服电机，5-第一滑鞍，6-第一导轨，7-第一丝杠系统，8-第一伺服电机，9-第二滑鞍，10-第三丝杠系统，11-第三导轨，12-动平台，13-第三滑鞍，14-第三伺服电机；

A-平面闭环运动支链，L1-第一连杆，L2-第二连杆，L3-第三连杆，L4-第四连杆，R1-第一转动副，R2-第二转动副，R3-第三转动副，R4-第四转动副。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明提供的一种含闭环支链三自由度并联机构进行详细说明，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，本发明所述一种含闭环支链三自由度并联机构，包括固定立柱1，三组导轨2、6、11，三组丝杆系统3、7、10，三个伺服电机4、8、14，三个滑鞍5、9、13，一个平面闭环运动支链A以及动平台12。

如图1所示，所述三组导轨2、6、11相互垂直布置，所述第一导轨6固定连接于所述固定立柱1，所述第二导轨2和所述第三导轨11固定连接于所述第一滑鞍5上，且两者相互垂直；所述三个滑鞍5、9、13分别与所述三组导轨6、2、11滑动连接；所述伺服电机4、8、14分别与所述丝杠系统3、7、10通过联轴器或同步带连接；在所述三个伺服电机4、8、14的独立驱动下，所述三个滑鞍5、9、13可产生相互垂直的直线运动。

所述第一导轨6安装于所述固定立柱1上，联同所述第一丝杠系统7、所述第一滑鞍5在所述第一伺服电机8的控制下沿垂直方向移动；所述第二导轨2和所述第三导轨11分别安装在所述第一滑鞍5互相垂直的两块基座底板上，分别连接所述第二丝杠系统3、第三丝杠系统10，所述第二、第三滑鞍9、13分别在对应所述三个伺服电机的控制下沿着水平两个方向移动。

所述三个滑鞍分别与所述三组导轨滑动连接，所述三个伺服电机分别与所述三组丝杠系统通过联轴器或同步带连接，在所述三个伺服电机的驱动下，所述三个滑鞍可分别产生相互垂直的直线运动；所述第一滑鞍5沿所述第一导轨6轴线方向的直线运动决定所述动平台垂直方向单自由度的平动，所述第二滑鞍9、所述第三滑鞍13分别沿所述第二导轨2、所述第三导轨11轴线方向的运动决定所述动平台平面内二自由度平动。

如图2所示，所述平面闭环运动支链A由所述四条连杆L1、L2、L3、L4组成，所述四条连杆之间通过所述转动副R1、R2、R3、R4连接，每个所述转动副的回转轴线相互平行布置，运动时所述平面闭环运动支链A呈可伸缩的平行四边形结构；所述第一连杆L1的一端与所述第二滑鞍9转动连接，另一端与所述第二连杆L2的一端转动连接；所述第三连杆L3的一端与所述第二连杆L2转动连接；所述第三连杆L3的另一端与所述第四连杆L4的一端转动连接，且共同转动连接于所述第三滑鞍13上；所述第四连杆L4的另一端与所述第一连杆L1转动连接；所述动平台12与所述第二连杆L2的末端固定连接。在所述三个滑鞍5、9、13共同驱动作用下，实现所述动平台12三个方向的平动。

如图1所示，保持所述第二滑鞍9和所述第三滑鞍13固定不动，所述第一伺服电机8驱动所述第一丝杠7，所述第一丝杠系统7的螺母带动所述第一滑鞍5沿着所述第一导轨6的轴线方向滑动，从而实现所述动平台12沿垂直方向的单自由度轴向移动；保持所述第一滑鞍5和所述第三滑鞍13固定不动，所述第二伺服电机4驱动所述第二丝杠系统3，所述第二丝杠系统3的螺母带动所述第二滑鞍9沿着所述第二导轨2的轴线方向滑动；保持所述第一滑鞍5和所述第二滑鞍9固定不动，所述第三伺服电机14驱动所述第三丝杠10，所述第三丝杠系统10的螺母带动所述第三滑鞍13沿着所述第三导轨11的轴线方向滑动；所述第二、第三滑鞍9、13的运动共同实现所述动平台12在水平面内的二自由度平动。

如图3所示，当所述第二滑鞍9沿着所述第二导轨2的轴线方向滑动时，保持所述第三滑鞍13固定不动，所述第二滑鞍9带动所述第一连杆L1相对所述第二滑鞍9绕转动副轴线摆动，进而所述第三连杆L3和所述第四L4相对所述第三滑鞍13绕所述第四转动副R4轴线转动，实现所述动平台12在水平面内的单自由度平动，此时所述各连杆所构成的平行四边形支链结构随着所述第二滑鞍9的左右滑动进行伸缩变换；当所述第三滑鞍13沿着所述第三导轨11的轴线方向滑动时，保持所述第二滑鞍9固定不动，所述第三滑鞍13带动所述第三连杆L3和所述第四L4相对所述第三滑鞍13绕所述第四转动副R4轴线转动，进而所述第一连杆L1相对所述第三滑鞍13绕所述转动副轴线摆动，所述第二连杆L2及所述动平台12在水平面内实现单自由度平动，此时所述各连杆所构成的平行四边形支链结构随着所述第三滑鞍13的滑动进行伸缩变形；所述第二滑鞍9和所述第三滑鞍13的运动共同实现动平台12在水平面内的二自由度平动。

如图1所示，在所述三个伺服电机4、8、14的控制下，当所述三个滑鞍5、9、13在对应所述三组导轨2、6、11上滑动时，实现所述动平台12的三自由度平动。在所述三个伺服电机4、8、14的独立驱动下，所述三个滑鞍9、5、13可分别产生相互垂直的直线运动，所述动平台12实现三向平动完全解耦。

尽管上述内容结合附图对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，即上述具体实施方式为示意性，而非限制性。本领域技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，所做出得若干推演与替换，均应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种含闭环支链三自由度并联机构，其特征在于：包括固定立柱，三组导轨，三组丝杠系统，三个伺服电机，三个滑鞍，一个平面闭环运动支链以及动平台；所述三组导轨相互垂直布置，第一导轨固定连接于所述固定立柱，第二导轨和第三导轨固定连接于第一滑鞍上，且两者相互垂直；所述三个滑鞍分别与所述三组导轨滑动连接；所述三个伺服电机分别与所述三组丝杠系统通过联轴器或同步带连接；在所述三个伺服电机的独立驱动下，所述三个滑鞍产生相互垂直的直线运动；所述平面闭环运动支链包含四个平面连杆；第一连杆的一端与所述第二滑鞍转动连接，另一端与第二连杆的一端转动连接；第三连杆的一端与所述第二连杆转动连接；所述第三连杆的另一端与第四连杆的一端转动连接，且共同转动连接于所述第三滑鞍上；所述第四连杆的另一端与所述第一连杆转动连接；所述动平台与所述第二连杆的末端固定连接；在三个滑鞍的共同驱动作用下，实现所述动平台三个方向的平动。

2.根据权利要求1所述的一种含闭环支链三自由度并联机构，其特征在于：由所述四个平面连杆组成的所述平面闭环运动支链呈平行四边形。

3.根据权利要求1或2所述的一种含闭环支链三自由度并联机构，其特征在于：所述第一连杆与所述第二滑鞍连接的转动轴线、所述第一连杆与所述第二连杆连接的转动轴线、所述第二连杆与所述第三连杆连接的转动轴线、所述第三连杆与所述第四连杆连接的转动轴线均相互平行且共同垂直于平面运动支链所在平面。