CN1193862C - 用于虚拟轴数控机床与机械测量机的六自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

用于虚拟轴数控机床、测量机及并联机器人的六自由度并联机构，由动平台、静平台及其二条相同的混合链腿与二条相同的简单开链腿组成。混合链腿由一平面闭路结构及一开链结构组成，平面闭路结构由五杆依次通过五个转动副组成，其二构件与静平台用转动副机械连接；开链结构由三个构件分别通过轴线相互平行的二个转动副组成，其一端构件与平面闭路结构中作平面运动的二构件构成复合铰链，另一端构件与动平台用一个转动副机械连接；而简单开链腿由二构件通过一球副连接组成，其一构件与静平台用转动副机械连接，另一构件与动平台也用一球副机械连接。控制静平台上六个驱动关节的运动，就可控制动平台实现三维平移及三维转动输出。该机构可作为并联结构的虚拟轴数控机床、测量机及并联机器人的执行机构。

Description

用于虚拟轴数控机床与机械测量机的六自由度并联机构

技术领域

本发明涉及一类机床、机器人与坐标测量机的执行机构，具体地说是为并联结构的虚拟轴数控机床、虚拟轴并联坐标测量机与并联机器人提供一类(2种)新型的六自由度并联机构。

背景技术

并联结构数控机床被认为是二十世纪以来机床结构的一次革命，目前在美国、日本、中国等国已研制出这种机床的样机，所采用的并联机构大多为传统的Stewart机构或其改进型机构，它们主要由基座、运动平台和连杆组成，连杆两端分别为球副和万向节，通过控制6个连杆的长度，改变刀具在空间的位置。Stewart机构及其改进型机构具有以下缺点：①运动学正解求解困难；②运动平台的位置与方向为强耦合；③运动空间较小；④制造高精度球副困难。基于上述情况，Tsai提出虚拟轴数控机床用两个并联机构：下平台为三维平移并联机构，上平台为三维转动并联机构(US Patent，Tsai，Patent Nember：5656905，1997)。其主要特点是运动学正解为8次；位置与方向解耦；与Stewart机构相比，工作空间较大；完全由转动副组成并联机构，与球面副相比容易制造。并联结构的虚拟轴坐标测量机，也是近年来科学测量仪上的一个重大进展，与传统的串联结构的测量机相比，并联结构坐标测量机具有结构刚性大、运动速度高、误差不叠加等独特性，可使测量精度及测量效率等性能得到很大改善。目前，已有的相对成熟的并联坐标测量机结构有6-SPS 6-RSS以及3-RPS等。对于6-SPS和6-RSS机构来说，由于其可动平台相对于基平台具有6个空间自由度，因而其末端执行器的空间位姿比较灵活，但由于该机构的结构相对比较复杂，空间约束较少，致使其末端执行器的求解较困难。

由于上述几种结构中均含有较多的球面副，因此其制造及装配均较复杂。

综上所述，虚轴数控机床和坐标测量机、机器人的发展和实用化需要创造出优于现有机构的新机型。

发明内容

本发明目的是要克服现有技术的缺点，提供一类(2种)新的六自由度并联机构，其特点是：

①机构动平台可实现六自由度(三个平移及三个转动)运动输出。

②机构较简单，具有重量轻、刚性好，可高速运动等优点。

③运动输入—输出具有部分解耦性，可简化虚拟轴机床与机器人系统的控制问题；也可大大地减少在建立并联虚轴测量机测量模型、测量校正与补偿模型等方面的难度。

④所有驱动马达均在静平台上，可减少机构的运动负载，改善动力学性能。

总之，本发明为虚拟轴数控机床、并联坐标测量机与机器人、娱乐运动平台等提供了具有上述特点的新机型，有利于其开发及实用化。

附图说明：

下面通过附图和实例对本发明的技术给予进一步地说明。

附图1为本发明的六自由度并联机构的结构示意图，它由上动平台0、下静平台1及连接上下平台的二条结构相同的混合链与二条结构相同的简单开链组成。混合链包含一个五杆1、2、3、4、5依次通过五个转动副R₂、R₉、R₁₁、R₁₀、R₃连接组成的平面闭路结构及一个由构件6、7、8通过轴线相互平行的二个转动副R₈、R₇组成的开链结构；开链结构的构件6与平面闭路结构中作平面运动的构件3、4构成复合铰链副R₁₁(即三个构件6、3、4的转动中心在R₁₁处重合)，开链结构的构件8与上动平台0用转动副R₁₂机械连接；而平面闭路结构的构件1与静平台1固接(即构件2、5分别与静平台1用转动副R₂、R₃机械联接)；简单开链由二构件9、10通过球副S₁₄连接组成，而构件9与动平台0用球副S₁₅机械连接，构件10与静平台1用转动副R₁机械联接。因此，动平台0有四个联接点R₁₂、R₁₃、S₁₅、S₁₆，静平台有六个联接点R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆。

附图2为附图1所示并联机构的混合链的衍生结构简图。它由一个五杆1、2、3、4、5依次通过转动副R₆、R₇、R₃、R₄、R₅连接构成的平面闭路结构及构件6组成，平面闭路结构的构件2、5分别与静平台1用转动副R₆、R₅机械联接，构件3与构件6以转动副R₂机械连接，而构件6与上动平台0用球副S₁机械连接。

具体实施方式

附图1所示的并联机构可为本发明的一个实施例，它由上动平台0、下静平台1及连接上下平台的二条结构相同的混合链与二条结构相同的简单开链组成。混合链由一平面闭路结构及一开链结构组成，平面闭路结构R₂-R₉-R₁₁-R₁₀-R₃由一个五杆1、2、3、4、5依次通过五个转动副R₂、R₉、R₁₁、R₁₀、R₃连接组成，其构件2、5分别与静平台1用转动副R₂、R₃机械联接；开链结构R₁₁-R₈-R₇-R₁₂的构件6、7、8分别通过轴线相互平行的二个转动副R₈、R₇组成，而构件6与平面闭路结构中作平面运动的构件3、4在转动副R₁₁处构成复合铰链，构件8与上动平台0用转动副R₁₂机械连接；而简单开链腿由二构件9、10通过球副S₁₄连接组成，而构件9与动平台0用球副S₁₅机械连接，构件10与静平台1用转动副R₁机械联接。因此，该并联机构静平台有六个联接点R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆，动平台有四个联接点R₁₂、R₁₃、S₁₅、S₁₆，但静平台上的六个转动副可用六个移动副代替。

当四条联接腿的连杆结构尺寸参数及其在动、静平台上的分布位置一定时，控制静平台1上六个驱动关节R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、的运动，就可控制动平台0在空间的一般位置和姿态，实现三维平移及三维转动输出，该种并联机构的结构设计及驱动控制等均可按常规机电技术进行设计和安装。该并联机构如在动平台上安装刀具或探头，即可以作为并联结构的虚拟轴数控机床及虚拟轴并联坐标测量机的执行机构。

Claims (2)

1、用于虚拟轴数控机床、虚拟轴坐标测量机及并联机器人的六自由度并联机构，由上动平台、下静平台及连接上下平台的四条腿组成，其特征在于这四条腿为二条相同的含回路的混合链及二条相同的简单开链；混合链包含一个由五个构件依次通过五个转动副组成的平面闭路结构及一个由三个构件通过轴线平行的二个转动副组成的开链结构，平面闭路结构的两构件与静平台通过转动副机械连接，而开链结构的一外接构件与平面闭路结构中作平面运动的二构件构成复合铰链，其另一外接构件与动平台用一转动副机械连接；而简单开链由二构件通过一球副连接组成，其一构件与静平台用转动副机械连接，另一构件与动平台也用一球副机械连接。

2、按照权利要求1所述的并联结构，其特征在于混合链的平面闭路结构仍由五个构件依次通过五个转动副组成，其中两构件与静平台通过转动副机械连接；而开链结构可由一构件代替，但该构件的一端与平面闭路结构中作平面运动的一构件用一转动副机械连接，另一端与动平台用球副机械连接。

Images