CN1238157C - 一种实现两维平动和一维转动的三自由度冗余并联机构 - Google Patents

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Abstract

一种可用作并联机床结构实现两维平动和一维转动的三自由度冗余并联机构由动平台、静平台及四根单自由度支链组成。其中三根支链两端通过球铰连接动、静平台，另一根支链两端采用平行的转动副连接两平台。该机构具有四个输入、三个输出运动，动平台可以实现两维平动和一维转动，不存在非期望输出运动。冗余驱动可以提高并联机构的刚性和精度，消除机构奇异，扩大姿态空间，改善力学性能。该机构具有结构简单，控制容易等优点，适合用作高精度、实现大姿态角的并联机床的主体结构。

Description

一种实现两维平动和一维转动的三自由度冗余并联机构
技术领域
本发明涉及机械制造领域，是一种可以作为并联机床的主体结构。
背景技术
并联机床是一种新型的数控加工设备，它是以并联机构为主体的机床。并联机构是在上世纪中期被首次提出，后来被用于飞行模拟器、坐标测量机等。以并联机构为主体的机床于上世纪末出现，并引起轰动。初期的并联机床大都以六自由度的斯图尔特(Stewart)机构作为主体。后来一些少自由度的并联机床以其结构简单、容易控制等优点渐渐受到重视，比如德国斯图加特大学的林娜剖德(Linapod)三自由度机床，瑞典妮欧丝入奥伯提克(Neos Robotics)公司的齐赛特(Tricept)系列等。
并联机床具有刚度重量比大、响应速度快、适合于复杂型面加工、机床结构简单、技术附加值高、机床部件便于模块化设计和批量生产等优点。但并联机床的工作空间较小，尤其是姿态空间，对于六自由度纯并联机床一般不超过30°，难于适应大倾角多坐标数控作业的需要。此外，由于并联机床的运动副多数为铰链，铰链的精度、间隙和接触刚性等问题，使得并联机床的实际精度和刚性大打折扣。所以，工作空间小、实际可达到的精度和刚性低是影响现有并联机床实用化的主要原因。
影响现有并联机床工作空间的主要因素是结构约束和奇异位形。为了扩大并联机床的工作空间，结构约束可通过采用新的结构形式、结构布局和改变结构参数来得到改善；但奇异位形是并联机构的固有特性，当并联机床处于奇异位形时，其动平台具有多余不可控的自由度，这时各支链的合力无法平衡动平台受到的负载力，并联机床也就失去了控制。并联机床不仅应该避免工作在奇异位形而且应该远离奇异位形工作。并联机床存在大量的奇异位形，奇异位形将工作空间分成互不连通的数个小工作空间，所以并联机床实用工作空间非常小。
六自由度纯并联机构有它天生的无法克服的缺陷，如位置姿态强耦合，位置解析困难等，现在并联机床有采用混合机构发展的趋势，即采用两个少自由度并联机构或串、并联机构混合组合而成。
发明内容
本发明就是针对上述问题而提出的一种新型可实现两维平动和一维转动的三自由度具有冗余驱动的并联机构。该机构主要由静平台、动平台、四根单自由度支链组成，所说的四个支链中的三根支链两端通过球铰连接动、静平台，另一根支链两端采用平行的转动副连接动、静平台。
在本发明的一个实施例中，所述四根单自由度支链均采用丝杠和螺母结构来实现各支链的单自由度运动。
可优选的是，所述四根单自由度支链均采用定长连杆的滑轨和滑块结构来实现各支链的单自由度运动，并将所述滑轨固定在与静平台固连的一立柱上，并使滑块在滑轨上移动。
更可取的是，所述四根单自由度支链可分别采用滑轨和滑块结构或丝杠和螺母结构。
可优选的是，在本发明的空间冗余并联机构中，所述四根单自由度支链的两端均可以采用平行的转动副连接动、静平台。
本发明可以实现动平台的两维平动和一维转动，并且不存在非期望输出运动，因此易于求得这种机构位置解的解析解，使得控制比较容易。机构有四个输入运动，它们彼此相互冗余，在驱动时要满足一定的运动协调条件，机构才可以实现确定的运动。采用冗余驱动可以克服奇异，可以使得动平台的姿态能力增大。冗余驱动还可以改善机构的力学性能，提高机构的精度和刚性等。该机构具有结构简单、控制容易、精度和刚性高，且不易与动平台上的主轴电机发生干涉等优点，易于实现动平台的大角度摆动。可将此机构作为并联机床的主体结构，再附以两自由度(一维平动和一维转动)串联运动的工作台，实现五坐标的数控加工机床。
下面结合实例对本发明给予进一步说明。
附图说明
附图1为本发明的一个实施例。
附图2为本发明的另一个实施例。
具体实施方式
图1中，1框架；2立柱；3、6、15、17滑块；4、18转动副；5、7、13、16连杆；8动平台；9工件；10工作台；11切削刀具；12、14球铰。如图所示，该图是以滑轨滑块形式实现各支链单自由度运动输入的立式结构。图中立柱2上装有滑轨，滑块3、6、15、17可以分别在立柱2上滑动作运动输入。支链5的两端通过平行转动副4和18分别连接滑块3和动平台8。支链7、13、16的两端均为球铰以连接动平台8和对应滑块。动平台可实现两维平动和一维转动。图中附以具有一维转动和一维平动的工作台9，该机床可实现5坐标数控加工。另外机构的各球铰也可以换成与转动副4和18平行的转动副，此时机构虽然过约束，但机构仍能实现上述运动，且机构刚性有所提高。
图2中，19静平台框架；20、27、31球铰；21、22、29、30伸缩支链；23动平台；24切削刀具；25工作台；26工件；28、32转动副。该图是以丝杠/螺母结构来实现各支链伸缩作运动输入的实例。图中支链30两端通过平行的转动副28和32分别连接静平台19和动平台23。支链21、22、29通过球铰连接两平台。机构的输入为四支链的伸缩运动，动平台可实现两维平动和一维转动。类似地，该机构在图示的工作台25下，也可实现5轴加工。机构的各球铰也可换成与转动副28和32平行的转动副，再附加一些结构尺寸的约束，此时机构仍可实现三个自由度运动。
该发明的另外一种实例的四个支链可分别采用定长连杆和伸缩连杆，采用定长连杆时，其单自由度运动采用采用滑轨及滑块实现，采用伸缩杆支链时，其单自由度运动采用丝杠螺母结构实现。

Claims (5)

1、一种具有两维平动和一维转动的空间冗余并联机构，该并联机构包括静平台、动平台、四根单自由度支链，具有四个输入驱动，它们彼此相互冗余来实现动平台的两维平动和一维转动，所述四根支链中三根单自由度支链的两端通过球铰连接动、静平台，另一个单自由度支链的两端分别采用平行的转动副连接动、静平台。
2、按照权利要求1所述的空间冗余并联机构，其特征在于，所述四根单自由度支链均采用伸缩连杆的丝杠和螺母结构来实现各支链的单自由度运动。
3、按照权利要求1所述的空间冗余并联机构，其特征在于，所述四根单自由度支链均采用定长连杆的滑轨和滑块结构来实现各支链的单自由度运动，并将所述滑轨固定在与静平台固连的一立柱上，并使滑块在滑轨上移动。
4、按照权利要求1所述的空间冗余并联机构，其特征在于，所述四根单自由度支链可分别采用定长连杆的滑轨和滑块结构或者伸缩连杆的丝杠和螺母结构，并且当支链采用定长连杆的滑轨和滑块机构时，将所述滑轨固定在与静平台固连的一立柱上，并使滑块在滑轨上移动。
5、按照权利要求1所述的空间冗余并联机构，所述四根单自由度支链的两端均可以采用平行的转动副连接动、静平台。
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