CN1246120C - 用于虚拟轴数控机床和机器人的一平移三转动的并联机构 - Google Patents

Abstract

提供一类(3种)4自由度(一平移三转动)并联机构。其中一种，由动平台、静平台和3条支路组成。第1条支路由一移动副和一球面副串联而成，第2条支路由一移动副和两球面副串联而成，第3条支路由两个移动副和三球面副组成的5杆回路再串联一个球面副而成。诸支路两端构件分别固联在动、静平台上。驱动4个移动副，即可控制动平台的一平移三转动输出。该机构具有非期望运动输出的常量，运动输入-输出部分控制解耦，运动学分析可依次对三个基本回路单独求解，结构简单、刚性好，可避免二重球面副制造困难等优点。该机构可作为虚轴机床、虚轴机械测量机、机器人等的执行机构。

Description

用于虚拟轴数控机床和机器人的一平移三转动的并联机构

技术领域

本发明涉及一类机床、机器人与坐标测量机等的执行机构，具体的说是为并联结构虚轴机床、并联机器人与虚轴坐标测量机等提供一种一平移三转动的4自由度新型并联机构

背景技术

并联结构数控机床是指以并联机构为执行机构的机床，该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、日本等国已研制出这种机床的样机(如美国Giddings and Lewis公司的Variax型并联机床)，所采用的并联机构均为传统的斯图尔特(Stewart)机构。这种控制刀具在空间的位置和姿态变化的机构主要由基座、运动平台和连杆组成，基座和运动平台之间由连杆相连，连杆两端分别为球副和万向节。该机构有6个连杆，但连杆的长度可调，通过控制6根连杆的长度，改变刀具在空间的位姿。但这类机构有很多关键性技术没能完全解决。如(1)运动学正解困难；(2)运动平台位姿是输入的强耦合，不利于控制；(3)机构复杂，使其工作空间较小；(4)制造高精度球副困难等。

并联机构的虚轴坐标测量机，也是近年来测量机的一个重大进展，与传统属于串联结构的测量机相比，具有刚度大、运动速度高、误差不叠加等特征，可使测量精度与测量效率等有较大改善。目前已有的并联机构测量多机采用Stewart机构(如俄罗斯Lapic公司的KNM-750型3坐标测量机)。其动平台相对于基平台具有6个空间自由度，但结构相对比较复杂，末端执行器位姿求解困难。

总之，虚轴机床、虚轴测量机与机器人等的发展与实用化，需要创造出优于现有机构的新机型。

发明内容

本发明目的是提供一种一平移三转动的4自由度并联机构。该机构具有结构简单、工作空间较大、便于制造、安装等优点。特别是可实现控制解耦且运动学正解较为简单，显著简化并联结构虚轴机床和机器人系统的控制与轨迹规划的复杂性。为虚轴机床、虚轴测量机、机器人、微动操作手等提供新机型，为其开发与实用化提供可能。

附图说明

附图1是本发明机构简图。它由动平台1、静平台0和结构不全相同4条支路组成。第1条支路由一个移动副P₁和一个球面副S₂串联而成；第2条支路由一个移动副P₄与两个球面副S₃与S₅串联而成；第3条支路由一个移动副P₇与两个球面副S₆与S₈串联而成，第4条支路由一个移动副P₁₀和两个球面副S₉与S₁₁串联而成。诸支路两端物件分别固联在动、静平台。

附图2为附图1所示并联机构的衍生并联机构。它由动平台1、静平台0和结构不全相同的3条支路组成。第1条支路由一移动副P₁和一球面副S₂串联而成；第2条支路由一移动副P₄与两球面副S₃与S₅串联而成；第3条支路由两个移动副P₇与P₉和三个球面副S₆、S₈与S₁₀组成的5杆回路再串联一个球面副S₁₁而成。诸支路两端构件分别固联在动、静平台上：球面副S₂、S₃与S₁₁位于动平台1，球面副S₅、S₆与S₁₀和移动副P₁位于静平台。

附图3为一种一平移三转动并联机构。它由动平台1、静平台0和结构相同的4条支路组成。第1条支路由一个移动副P₂和四个转动副R₁、R₃、R₄与R₅串联而成，且P₂垂直于轴线相互平行的两转动副R₁与R₃，另两个转动副R₄与R₅轴线相交于一点，类似地，对第2条支路，移动副P₇垂直于轴线相互平行的两转动副R₆与R₈，另两个转动副R₉与R₁₀轴线相交于一点；对第3条支路，移动副P₁₂垂直于轴线相互平行的两转动副R₁₁与R₁₃，另两个转动副R₁₄与R₁₅轴线相交于一点；对第4条支路，移动副P₁₇垂直于轴线相互平行的两转动副R₁₆与R₁₈，另两个转动副R₁₉与R₂₀轴线相交于一点。4条支路两端构件在动、静平台之间的固联方式：4条支路的4组轴线交于一点的8个转动副R₄、R₅、R₉、R₁₀、R₁₄、R₁₅、R₁₉与R₂₀的轴线交于同一点；第1条支路的转动副R₁轴线平行于第4条支路的转动副R₁₆轴线；第2条支路的转动副R₆轴线平行于第3条支路的转动副R₁₁轴线。

本发明为一种一平移三转动的4自由度新型并联机构。该类机构具有以下特点：

(1)机构动平台具有一平移三转动输出，且非期望运动输出为常量；

(2)附图1与附图2机构的运动输人——输出具有部分解耦性，即可实现部分控制解耦；

(3)附图2所示并联机构的运动学分析可依次对三个基本回路单独求解，为较简单的解析式，有利于实现机器人的实时控制与在线、离线运动规划；

(4)机构结构较简单、工作空间较大；

(5)附图2所示并联机构避免了二重球面副的制造困难。

总之，本发明为虚轴机床、机器人、虚轴测量机、微动操作手等，提供了具有上述特点的新机型、利于新型机床、机器人、测量机、微动操作手的开发与实用化。

具体实施方式

附图2所示并联机构可视为本发明用于虚轴测量机的一个实施例，其具体结构如前述附图2说明。在动平台1上安装测量头A。当机构各构件尺度参数确定后，控制4个驱动副P₁、P₄、P₇与P₉的输入运动，就可控制动平台1上的测量头A的三维坐标，即可为虚轴机械测量机的执行机构。因有4个主动输入，有利于避开机构的奇异位形。

Claims (3)

1.一种用于虚拟轴数控机床、机器人和测量机的一平移三转动的四自由度并联机构，其组成包括动、静平台及联接在动、静平台之间的4条支路：第1条支路由一移动副和一球面副串联而成，而且所述的球面副与动平台固联，所述的移动副与静平台固联；第2条、第3第与第4条支路皆分别由一移动副和两个球面副串联而成，而且这些支路中的每条上的两个球面副分别与动平台和静平台固联。

2.按照权利要求1所述的并联机构，其特征在于，所述第3条和第4条支路被替换成由两移动副和三个球面副组成的5杆回路再串联一个与动平台固联的球面副组成的一支路，而且5杆回路通过所述的两个球面副分别固联在静平台上。

3.按照权利要求1所述并联机构，其特征在于，所述第1条、第2条、第3条与第4条支路分别用结构相同的一支新路替代，新支路由一个移动副和4个转动副串联而成，且移动副垂直于轴线相互平行的两个转动副，另两个转动副线相交于一点，4条支路在动、静两平台之间的配置方式：4条支路的4组轴线相交于一点的8个转动线应交于同一点，4条支路分两组，每组2条支路的2组轴线相互平行的4个转动副轴线应相互平行。

Images