CN115138964A - 一种面向复杂零部件激光加工的超大工作空间并联机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种面向复杂零部件激光加工的超大工作空间并联机器人，属于机器人技术领域；包括机架、动平台、五个驱动电机、末端执行器以及并联连接在机架与动平台之间的第一、第二、第三分支，其中第一和第二分支的结构完全相同且对称分布。所述的第一分支从机架到动平台顺序连接有导轨、滑块、旋转平台、连杆二；所述的第三分支从机架到动平台顺序连接有导轨、滑块、四万向铰平行四边形机构。本发明采用三分支并联机构实现五自由度运动，结构紧凑、制造成本低，同时具备高刚度和超大工作空间，在航空航天等领域具有良好的应用前景。

Description

一种面向复杂零部件激光加工的超大工作空间并联机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种面向复杂零部件激光加工的超大工作空间并联机器人。
背景技术
激光加工由于具有热变形小，高精度和高效率的特点，在航空航天领域的应用前景巨大。目前，国内外应用于航空航天领域的激光加工机器人主要可以分为龙门式和悬臂式。龙门式加工机器人尽管精度较高，但运动部件质量大、惯性高，实现高速运动困难，另外，龙门式加工机器人运动轴线相对固定，设备运动灵活性差；悬臂式加工机器人是以多串联机器臂作为执行机构，较于龙门式设备，其机构紧凑，运动灵活，但由于仍采用串联机构，存在刚度差和加工精度低的缺点。
并联机器人作为一种闭环机构，其末端执行器通过至少两个独立分支与定平台相连，与采用串联机构的龙门式加工设备相比，在保证刚度的情况下其制造成本和难度大大降低，与悬臂式加工设备相比，其结构更紧凑，刚度和加工精度更好，但大多数并联机器人工作空间小，不能满足大尺寸件的激光加工。
中国专利(CN108858142A)提出了一种五自由度并联机器人，可实现复杂曲面的焊接、激光加工工作等，但该结构工作空间小且对于装配精度提出较高要求；中国专利(CN101497193A)提出一种三分支五自由度混联激光加工机器人，采用三分支三自由度并联机构与二自由度串联机构串联实现五轴运动，但其动平台安装有一定重量的串联机构转头，导致其动力学性能较差且位置工作空间仍有限。现有的并联激光加工机器人方案工作空间非常小，杆件易干涉，杆件惯性大，速度不够高，没有兼具龙门式机床和串联机器人的优点，不能满足航空航天等领域大尺寸薄壁结构零部件的激光加工要求。
发明内容
本发明提供了一种面向复杂零部件激光加工的超大工作空间并联机器人，其采用三分支并联机构构型实现五自由度运动，分支与机架通过滑轨连接，结构紧凑、制造成本低，同时具备高刚度和超大工作空间，动平台可连接包括激光头在内的多种执行器，能够实现复合加工并保证大型工件复杂曲面的加工精度。
针对上述问题，本发明采用的技术方案如下：
一种面向复杂零部件激光加工的超大工作空间并联机器人，属于机器人技术领域，包括机架、动平台、五个驱动电机、末端执行器以及并联连接在机架与动平台之间的第一分支、第二分支、第三分支；其中第一分支和第二分支的结构完全相同且对称分布；所述第一分支从机架到动平台顺序连接件有导轨一、滑块一、连杆二；上述导轨一固定在机架上，上述滑块一与导轨一通过移动副一连接，连杆二通过转动副一和转动副二与滑块一连接；连杆一通过转动副三、转动副四和转动副五与动平台连接；上述转动副一和转动副二垂直相交；上述转动副三、转动副四和转动副五汇交；上述转动副三、转动副四和转动副五替换为球副；
上述第三分支从机架到动平台顺序连接有导轨三、滑块三、四万向铰平行四边形机构；上述导轨三固定在机架上，上述滑块三与导轨三通过移动副二连接，上述四万向铰平行四边形机构的连杆五与滑块三固连，上述四万向铰平行四边形机构的连杆九与动平台通过转动副十二连接，转动副十二与动平台垂直；上述四万向铰平行四边形机构替换为四球铰平行四边形机构；
上述三个分支的导轨相互平行，末端执行器与动平台固连。第一分支的滑块一上安装有两个电机，第一分支的移动副一和转动副一是驱动副，第二分支与第一分支有相同的驱动，第三分支的滑块三上安装有一个电机，第三分支的移动副二是驱动副。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明提出一种五自由度超大工作空间激光加工机器人，它是一种混联结构，能输出三个移动与两个转动。本机器人区别于其他激光加工机器人的重要优点在于关节转动限制少、工作空间大，具有龙门式加工机器人的优点；采用多关节耦合运动结构，具有串联加工机器人的灵活性；所有驱动靠近基座，末端质量轻，运动性能优越；动平台可连接包括激光头在内的多种加工头，能够实现复合加工并保证大型工件复杂曲面的加工精度。
附图说明
附图1为本发明一种面向复杂零部件激光加工的超大工作空间并联机器人的结构示意图；
附图2为本发明一种面向复杂零部件激光加工的超大工作空间并联机器人的第一分支的结构示意图；
附图3为本发明一种面向复杂零部件激光加工的超大工作空间并联机器人的第三分支的结构示意图；
附图4为本发明一种面向复杂零部件激光加工的超大工作空间并联机器人的导轨的齿条与滑块的齿轮的啮合示意图。
标注说明：1-机架、2-动平台、3-末端执行器、4-加工件、5-加工平台、a-电机一、b-电机二、c-电机三、d-电机四、e-电机五、Ⅰ-第一分支、Ⅱ-第二分支、Ⅲ-第三分支、W1-槽轮、C1-齿轮、C2-齿条、D1-导轨一、D2-导轨二、D3-导轨三、T-旋转平台、H1-滑块一、H2-滑块二、H3-滑块三、P1-移动副一、P2-移动副二、L1-连杆一、L2-连杆二、L3-连杆三、L4-连杆四、L5-连杆五、L6-连杆六、L7-连杆七、L8-连杆八、L9-连杆九、L10-连杆十、R1-转动副一、R2转动副二、R3-转动副三、R4-转动副四、R5-转动副五、R6-转动副六、R7-转动副七、R8-转动副八、R9-转动副九、R10-转动副十、R11-转动副十一、R12-转动副十二。
具体实施方式
请参阅图1-4所示，一种面向复杂零部件激光加工的超大工作空间并联机器人，包括机架(1)、动平台(2)、五个驱动电机(a、b、c、d、e)、末端执行器(3)以及并联连接在机架与动平台之间的第一分支(I)、第二分支(II)、第三分支(III)；所述第一分支(I)和第二分支(II)的结构完全相同；所述第一分支(I)从机架(1)到动平台(2)顺序连接有导轨一(D1)、滑块一(H1)、旋转平台(T)、连杆一(L1)、连杆二(L2)、连杆三(L3)、连杆四(L4)；所述滑块一(H1)通过槽轮(W1)安装在导轨一(D1)上，同时齿轮(C1)和齿条(C2)啮合；导轨一(D1)固连在机架(1)上；连杆一(L1)与旋转平台(T)通过转动副一(R1)连接，旋转平台(T)固连在滑块一(H1)上；连杆二(L2)与连杆一(L1)通过转动副二(R2)连接，连杆三(L3)与连杆二(L2)通过转动副三(R3)连接，连杆四(L4)与连杆三(L3)通过转动副四(R4)连接，动平台(2)与连杆四(L4)通过转动副五(R5)连接；所述转动副一(R1)轴线垂直于滑块二(H2)平面，转动副一(R1)轴线与转动副二(R2)轴线相交并垂直，转动副二(R2)轴线与转动副三(R3)轴线垂直相交，转动副三(R3)轴线与转动副四(R4)轴线、转动副五(R5)轴线汇交，转动副五(R5)轴线垂直于动平台(2)平面；所述转动副三(R3)、转动副四(R4)和转动副五(R5)构成复合球副；所述第三分支(III)从机架(1)到动平台(2)顺序连接有导轨三(D3)、滑块三(H3)、四万向铰平行四边形机构；所述滑块三(H3)通过槽轮(W1)安装在导轨三(D3)上，同时齿轮(C1)和齿条(C2)啮合；导轨三(D3)固连在机架(1)上；所述四万向铰平行四边形机构由连杆五(L5)、连杆六(L6)、连杆七(L7)、连杆八(L8)、连杆九(L9)、连杆十(L10)、转动副六(R6)、转动副七(R7)、转动副八(R8)、转动副九(R9)、转动副十(R10)、转动副十一(R11)、转动副十二(R12)构成；连杆五(L5)固连在滑块三(H3)上；连杆六(L6)与连杆五(L5)通过转动副六(R6)连接，连杆七(L7)与连杆六(L6)通过转动副七(R7)连接，连杆八(L8)与连杆七(L7)通过转动副八(R8)连接，连杆九(L9)与连杆八(L8)通过转动副九(R9)连接，连杆十(L10)与连杆九(L9)通过转动副十(R10)连接，连杆十(L10)与连杆六(L6)通过转动副十一(R11)连接，动平台(2)与连杆九(L9)通过转动副十二(R12)连接；所述转动副六(R6)轴线与转动副七(R7)轴线垂直相交，转动副八(R8)轴线与转动副九(R9)轴线垂直相交，转动副九(R9)轴线与转动副十(R10)轴线垂直相交，转动副十一(R11)轴线与转动副六(R6)轴线垂直相交，转动副六(R6)轴线与转动副九(R9)轴线平行，转动副七(R7)、转动副八(R8)、转动副十(R10)和转动副十一(R11)的轴线互相平行，转动副十二(R12)轴线垂直于动平台(2)平面；所述转动副六(R6)和转动副七(R7)构成万向铰，转动副八(R8)和转动副九(R9)构成万向铰，转动副九(R9)和转动副十(R10)构成万向铰，转动副十一(R11)和转动副六(R6)构成万向铰；所述电机一(a)、电机二(b)安装于第一分支(I)的滑块一(H1)上，移动副一(P1)和转动副一(R1)是驱动副；第二分支(Ⅱ)和第一分支(I)有相同的驱动；电机五(e)安装于第三分支(Ⅲ)的滑块三(H3)上，移动副二(P2)是驱动副；第一分支(Ⅰ)、第二分支(Ⅱ)对称布置，第三分支(Ⅲ)竖直布置；加工件(4)固定于加工平台(5)上。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例以及实施例的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (3)

1.一种面向复杂零部件激光加工的超大工作空间并联机器人，其特征在于：包括机架、动平台、五个驱动电机、末端执行器以及并联连接在机架与动平台之间的第一分支、第二分支、第三分支；其中第一分支和第二分支的结构完全相同且对称分布；所述第一分支从机架到动平台顺序连接件有导轨一、滑块一、连杆二；上述导轨一固定在机架上，上述滑块一与导轨一通过移动副一连接，连杆二通过转动副一和转动副二与滑块一连接；连杆一通过转动副三、转动副四和转动副五与动平台连接；上述转动副一和转动副二垂直相交；上述转动副三、转动副四和转动副五汇交；
上述第三分支从机架到动平台顺序连接有导轨三、滑块三、四万向铰平行四边形机构；上述导轨三固定在机架上，上述滑块三与导轨三通过移动副二连接，上述四万向铰平行四边形机构的连杆五与滑块三固连，上述四万向铰平行四边形机构的连杆九与动平台通过转动副十二连接，转动副十二与动平台垂直；
上述三个分支的导轨相互平行，末端执行器与动平台固连，第一分支的滑块一上安装有两个电机，第一分支的移动副一和转动副一是驱动副，第二分支与第一分支有相同的驱动，第三分支的滑块三上安装有一个电机，第三分支的移动副二是驱动副。
2.根据权利要求1所述的一种面向复杂零部件激光加工的超大工作空间并联机器人，其特征在于：所述的四万向铰平行四边形机构替换为四球铰平行四边形机构。
3.根据权利要求1所述的一种面向复杂零部件激光加工的超大工作空间并联机器人，其特征在于：所述的转动副三、转动副四和转动副五替换为球副。
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