CN115741639A - 一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人，并联加工机器人包括作为装配基础的静平台、作为位姿调节的支链组、作为输出装配的动平台，动平台中设置作为输出单元的电主轴，支链组包括无约束支链组和第六支链，第六支链通过第二移动副与静平台相连，第二移动副的移动方向与静平台端面垂直。本发明整机刚度大，转角输出强，五条无约束支链采用上下双关节及中部伸缩的方式，适于平面安装，成本低；在无约束支链组的单独连接和调节下，输出装配实现六自由度变化，第六支链与输出装配采用第二虎克铰连接，使得输出装配的灵活性更好；约束支链中第二虎克铰、第三虎克铰通过独立或者配合运动实现五自由度并联机器人的AB两向转动。

Description

一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人

技术领域

本发明属于加工机器人技术领域，具体涉及一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人。

背景技术

目前，加工机器人在制造业发挥着重要作用，特别是高技术领域的关键设备中具有空间自由曲面特征的核心部件、复杂结构件的制造中，并联机器人具有举足轻重的作用。先进制造业对复杂曲面以及大动态负载类构件例如钢结构件以及航天构件等的加工需求日益广泛，所以设计研发一款高性能具有五轴加工能力的机器人是重点行业发展的必然趋势。

目前，大部分五自由度加工机器人主要存在以下不足：

其一、机构灵活性不够，如中国专利CN113319828A公开的五自由度并联加工机器人结构，由于机构布置形式的特点，限制其末端执行机构的摆动范围，难以满足复杂曲面的高效加工。

其二、机构工作空间小，如中国专利CN102490187A公开的五自由度并联加工机器人结构，由于机构布置形式的特点，限制其末端执行机构的工作范围，难以满足大型结构件的高效加工。

其三、采用电机成本大，如中国专利CN103753235B公开的五自由度并联加工机器人结构，由于驱动副为中空无刷电机，机器人制作成本较大。

为解决上述五自由度并联加工机器人存在的不足，更好地满足对大型复杂零部件的加工需求，亟需发明一种具有高刚度、高精度、灵活性好、大工作空间、成本较低的五自由度并联加工机器人，并提出面向高技术装备中复杂曲面结构件高效高质量加工的解决方案。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人。

本发明的技术方案是：一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人，并联加工机器人包括作为装配基础的静平台、作为位姿调节的支链组、作为输出装配的动平台，动平台中设置作为输出单元的电主轴，支链组包括无约束支链组和第六支链，所述第六支链通过第二移动副与静平台相连，所述第二移动副的移动方向与静平台端面垂直。

更进一步的，所述第二移动副包括设置在静平台上端的一对支撑座，所述支撑座的安装侧面相对。

更进一步的，所述支撑座的安装侧面处设置有移动基础，所述移动基础上设置有沿其升降动作的移动单元，移动单元带动第六支链在垂直静平台的方向上升降。

更进一步的，所述第二移动副的升降端设置有第三虎克铰，所述第三虎克铰与支链杆活动相连。

更进一步的，所述支链杆的上端与第二虎克铰相连，所述第二虎克铰与动平台活动相连。

更进一步的，所述动平台包括第一层动平台、第二层动平台、第三层动平台，第一层动平台、第二层动平台、第三层动平台相固定。

更进一步的，所述第二虎克铰与第三层动平台活动相连。

更进一步的，所述无约束支链组包括上层支链和中层支链，上层支链、中层支链、第六支链顶部顶部与动平台为三层连接，从而进行电主轴的位姿调节。

更进一步的，所述静平台中形成装配槽，所述装配槽与第二移动副相对应。

更进一步的，所述上层支链、中层支链中均设置有能够自驱动伸缩的第一移动副。

本发明的有益效果如下：

本发明由五条无约束支链和一条约束支链并联组成，整机刚度大，五条无约束支链采用上下双关节及中部伸缩的方式，更适于平面安装，成本更低；在无约束支链组的单独连接和调节下，输出装配可以实现六自由度变化，第六支链与输出装配采用第二虎克铰连接，使得输出装配的灵活性更好；第六支链作为约束支链，约束支链中第二虎克铰、第三虎克铰通过独立或者配合运动实现五自由度并联机器人的AB两向转动，本发明中五自由度并联加工机器人还兼具强大的转角输出能力。

本发明具有高刚度、高精度、灵活性好、大工作空间、成本较低的优点，可实现对高端装备中复杂曲面构件的高效加工。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是本发明中第一支链的结构示意图；

图3是本发明中第四支链的结构示意图；

图4是本发明中第六支链的结构示意图；

图5是本发明的又一种结构示意图；

其中：

1 静平台 2 电主轴

3 动平台 4 球铰

31 第一层动平台 32 第二层动平台

33 第三层动平台

L1 第一支链 L2 第二支链

L3 第三支链 L4 第四支链

L5 第五支链 L6 第六支链

P1 第一移动副 P2 第二移动副

U1 第一虎克铰 U2 第二虎克铰

U3 第三虎克铰。

具体实施方式

以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：

如图1至图5所示，一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人，并联加工机器人包括作为装配基础的静平台1、作为位姿调节的支链组、作为输出装配的动平台3，动平台3中设置作为输出单元的电主轴2，支链组包括无约束支链组和第六支链L6，所述第六支链L6通过第二移动副P2与静平台1相连，所述第二移动副P2的移动方向与静平台1端面垂直。

所述第二移动副P2包括设置在静平台1上端的一对支撑座，所述支撑座的安装侧面相对。

所述支撑座的安装侧面处设置有移动单元，移动单元带动第六支链在垂直静平台（1）的方向上升降。

所述第二移动副P2的升降端设置有第三虎克铰U3，所述第三虎克铰U3与支链杆活动相连。

所述支链杆的上端与第二虎克铰U2相连，所述第二虎克铰U2与动平台3活动相连。

所述动平台3包括第一层动平台31、第二层动平台32、第三层动平台33，第一层动平台31、第二层动平台32、第三层动平台33相固定。

所述第二虎克铰与第三层动平台33活动相连。

所述无约束支链组包括上层支链和中层支链，上层支链、中层支链、第六支链顶部顶部与动平台3为三层连接，从而进行电主轴2的位姿调节。

所述静平台1中形成装配槽，所述装配槽与第二移动副相对应。

所述上层支链、中层支链中均设置有能够自驱动伸缩的第一移动副P1。

具体的，所述第六支链L6对动平台3的下端进行调整，所述无约束支链组对动平台3的外壁进行关节支撑，第六支链L6、无约束支链组组合对动平台3进行位姿调节。

具体的，电主轴2与动平台3固定，从而实现第六支链L6、无约束支链组组合对电主轴2进行位姿调节。

本发明中的加工输出可以但不限于电主轴2。

具体的，所述支撑座为L型结构，所述支撑座的下端与静平台1通过法兰结构相连。

具体的，所述支撑座的背部设置有支撑肋板，通过支撑肋板保证支撑座整体的刚度。

具体的，所述第二移动副P2再其移动基础的方向上进行升降移动，所述移动基础与静平台1相垂直。

具体的，所述第六支链L6中的第二虎克铰U2与第三层动平台33活动相连。

具体的，所述上层支链的一端与第一层动平台31的外壁关节连接，上层支链的另一端与静平台1关节连接。

所述中层支链与第二层动平台32的外壁关节连接，中层支链的另一端与静平台1关节连接。

具体的，所述关节连接为球铰连接或虎克铰连接。

所述上层支链、中层支链中均设置有第一移动副P1，所述第一移动副P1实现实现自身沿长度方向的伸缩。

具体的，所述第六支链L6对动平台3的下端进行调整，所述无约束支链组对动平台3的外壁进行关节支撑，第六支链L6、无约束支链组组合对动平台3进行位姿调节。

具体的，所述第一层动平台31、第二层动平台32、第三层动平台33为分体固定或者一体成型。

具体的，所述第一层动平台31、第二层动平台32外壁处形成与上层支链、中层支链对应的装配孔。

具体的，无约束支链组包括五根无约束支链，即第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5。

实施例一

如图1至图4所示，一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人，包括静平台1、电主轴2、动平台3、第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5、第六支链L6。

具体的，第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5和第六支链L6两端分别与静平台1和动平台3活动相连。动平台3包括第一层动平台31、第二层动平台32、第三层动平台33，且相邻平台之间保持固定接触，电主轴2固定安装在动平台3中央，共同构成了五自由度并联加工机器人。

具体的，无约束支链组中的无约束支链包括第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5，无约束支链包括第一移动副P1、球铰4和第一虎克铰U1。其中，第一移动副P1布置在球铰4和第一虎克铰U1中间。

具体的，第六支链L6包括第二移动副P2、第二虎克铰U2、第三虎克铰U3。其中，第三虎克铰U3布置在第二虎克铰U2和第二移动副P2中间。

具体的，无约束支链的一端通过第一虎克铰U1或球铰4与静平台1连接，无约束支链的另一端通过球铰4或第一虎克铰U1与动平台3连接，球铰4与第一虎克铰U2之间设置第一移动副P1；第六支链L6为约束支链，约束支链一端通过第二移动副P3与静平台1连接，另一端通过第二虎克铰U2与动平台3连接。

具体的，无约束支链组中的第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5分为上层支链和中层支链，上层支链由第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3组成，上层支链中每条支链结构如图2中所示，中层支链由第四支链L4、第五支链L5组成，中层支链每条支链结构如图3中所示。第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3的上部关节在第一层动平台31的周向间隔布置。第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3的下部关节与静平台1周向伸出的三个突起一一对应相连，所述凸起向上伸出。第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3相邻两条支链成三角形状。

第四支链L4、第五支链L5的上部关节在第二层动平台32的周向间隔布置，第四支链L4、第五支链L5的下部关节在静平台1下层沿周向间隔布置，第四支链L4、第五支链L5成三角形状；第六支链L6的顶部与第三层动平台33活动连接，另一端第二移动副P2通过静平台上的对支撑座与静平台连接。第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3下部关节围成三角形状，该三角形中形成穿过第二移动副P2轴线的对称面，第四支链L4、第五支链L5的下部关节关于上述对称面对称。

具体的，第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5分别由电机独立驱动。第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5中包含的第一移动副P1通过电机独立驱动完成伸缩运动，第一移动副P1两端连接的球铰4和第一虎克铰U1配合其完成动平台3的预定位姿下对应运动，第六支链L6中包含的第二移动副P2随动平台3的运动完成滑动运动，第二移动副P2一端的第二虎克铰U2和第三虎克铰U3亦配合使其满足动平台3的预定位姿下的对应运动；从而实现动平台3实现五自由度运动。

第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3中第一移动副P1的套筒结构中空，且保证组成第一移动副P1的伸缩杆与地面始终保持一定的距离。

实施例二

如图5所示，一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人与上述并联加工机器人的运动形式相同，各运动副、支链等组成形式。

本实施例中无约束支链结构均为图3所示结构，无约束支链中的第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4分为两组A组和B组，A组支链由第一支链L1、第二支链L2组成，B组支链由第三支链L3、第四支链L4组成；第一支链L1、第二支链L2的上部关节在第一层动平台31上临近布置成组，第三支链L3、第四支链L4的上部关节在第一层动平台31上临近布置成组，第五支链L5的上部关节在第一层动平台31上独立布置成组，三组之间成三角形状；第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5的下部关节在静平台1的同一层沿周向间隔布置，相邻支链成三角形状；第六支链L6的上部与第三层动平台33活动连接。第一支链L1、第二支链L2、第三支链L3、第四支链L4、第五支链L5的下部关节围成五角形面，第六支链L6的下部穿过该五角形面后与静平台相连。

以上描述了本发明的基本原理、主要特征和有益效果，也已经示出和扫描本发明的几种具体实施方式，在不脱离本发明的远离和宗旨的情况下，对这些实施进行的任何变化、修改、替换和变型，皆属于本发明的权利要求范围。

Claims (10)

1.一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：并联加工机器人包括作为装配基础的静平台（1）、作为位姿调节的支链组、作为输出装配的动平台（3），动平台（3）中设置作为输出单元的电主轴（2），支链组包括无约束支链组和第六支链，所述第六支链通过第二移动副与静平台（1）相连，所述第二移动副的移动方向与静平台（1）端面垂直。

2.根据权利要求1所述的一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：所述第二移动副包括设置在静平台（1）上端的一对支撑座，所述支撑座的安装侧面相对。

3.根据权利要求2所述的一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：所述支撑座的安装侧面处设置有移动基础，所述移动基础上设置有沿其升降动作的移动单元，移动单元带动第六支链在垂直静平台（1）的方向上升降。

4.根据权利要求3所述的一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：所述第二移动副的升降端设置有第三虎克铰，所述第三虎克铰与支链杆活动相连。

5.根据权利要求4所述的一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：所述支链杆的上端与第二虎克铰相连，所述第二虎克铰与动平台（3）活动相连。

6.根据权利要求5所述的一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：所述动平台（3）包括第一层动平台（31）、第二层动平台（32）、第三层动平台（33），第一层动平台（31）、第二层动平台（32）、第三层动平台（33）相固定。

7.根据权利要求6所述的一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：所述第二虎克铰与第三层动平台（33）活动相连。

8.根据权利要求1所述的一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：所述无约束支链组包括上层支链和中层支链，上层支链、中层支链、第六支链与动平台（3）为多层活动连接，从而进行电主轴（2）的位姿调节。

9.根据权利要求5所述的一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：所述静平台（1）中形成装配槽，所述装配槽与第二移动副相对应。

10.根据权利要求8所述的一种面向复杂曲面的六支链五自由度并联加工机器人，其特征在于：所述上层支链、中层支链中均设置有能够自驱动伸缩的第一移动副。

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