CN1270869C - 一种具有规范位置工作空间的3自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

一种具有规范位置工作空间的3自由度并联机构，可作为5自由度混联机床的位置执行机构。主要由动平台、机架及三条主动支链构成。第一条主动支链由移动副、连架杆、虎克铰和连杆组成，其连杆与动平台刚性联结。第二、第三条主动支链中增设了球铰，并通过球铰与动平台相连。该机构中，每条主动支链中的移动副均被设置为主动关节，三个移动副的轴线彼此垂直并汇交于一点；第一条主动支链与动平台之间的刚性联接点到动平台的几何中心点的连线同时垂直于第二和第三条主动支链上球铰的中心点与动平台的几何中心点的连线，且第二和第三条主动支链上球铰的中心点与动平台的几何中心点的连线也彼此垂直。本机构具有组成简单、各支链之间无运动干涉等特点。

Description

一种具有规范位置工作空间的3自由度并联机构

技术领域

本发明涉及一种数控机床、工业机器人的位置执行机构，属于数控加工装备技术领域。

背景技术

Tricept机器人是瑞典Neos Robotic公司研制和生产的一种混联型6自由度工业机器人，该机器人机构由一个3自由度并联机构串接一个3自由度转台机构构成。其中3自由度并联机构为机器人的位置机构，用于改变机器人夹爪的位置，3自由度转台机构为机器人的姿态机构，可调整机器人夹爪的姿态。该机器人位置机构的机构简图见图1，由动平台1、机架2、一条被动支链和三条结构相同的主动支链构成。被动支链由虎克铰3、连架杆4、移动副5及连杆6组成，连架杆4和连杆6的各一端通过移动副5相连，连架杆4的另一端通过虎克铰3与机架2相连，连杆6的另一端与动平台1刚性联结、且连杆6垂直于动平台1。主动支链由虎克铰3、连架杆4、移动副5、连杆6及球铰7组成，连架杆4及连杆6的各一端通过移动副5相连，连架杆4的另一端通过虎克铰3与机架2相连，连杆6的另一端由球铰7与动平台1相连。为保证该位置机构具有对称的工作空间，被动支链上的虎克铰3设置于机架2的几何中心B处，被动支链上连杆6与动平台1的刚性联结点设置于动平台1台面的几何中心C处。同时，三条主动支链在动平台1和机架2之间对称布置。因采用并联机构作为位置执行机构，Tricept机器人具有较大的承载能力和刚性。此外，由于位置机构的支链数目较少、减少了支链干涉现象。该机器人还具有较大的位置作业空间。在动平台1上串接3自由度转台机构后，Tricept机器人的夹爪具有很强的姿态能力。上述优点使得Tricept机器人成为工业机器人中以并联机构作为位置执行机构的应用范例之一。SMT Tricept公司推出了以Tricept机器人位置机构为位置执行机构的混联型数控机床。德国的Dekel Maho公司也以Tricept机器人位置机构为基础开发了相应的混联机床。

申请号为03144281.1的发明专利申请公布了《非对称空间5自由度混联机器人》，该机器人机构由一个3自由度并联机构串接一个2自由度转台机构构成。该机器人的位置机构简图见图2，由动平台1、机架2、三条主动支链构成。其中的一条主动支链由虎克铰3、连架杆4、移动副5及连杆6组成，连架杆4和连杆6的各一端通过移动副5相连，连架杆4的另一端通过虎克铰3与机架2相连，连杆6的另一端与动平台1刚性联结。其余两条主动支链由虎克铰3、连架杆4、移动副5、连杆6及球铰7组成，连架杆4及连杆6的一端通过移动副5相连，连架杆4的另一端通过虎克铰3与机架2相连，连杆6的另一端通过球铰7与动平台1相连。与Tricept机器人的位置机构相比，该位置机构的显著特点是减少了一条被动支链，进一步降低了机构的复杂程度及支链干涉的可能性，提高了机构的动态特性并可获得更大的工作空间。

上述两种3自由度并联机构都可作为5自由度混联数控机床的位置机构。在其动平台上设置2自由度刀具台后，均可实现复杂形貌曲面的加工作业。但多坐标数控加工机床要求其位置机构具有较为规范的工作空间及较均衡的伺服刚度特性，由图3及图4所示的Tricept机器人和非对称空间5自由度混联机器人位置工作空间的示意图可知，两位置工作空间均为多片曲面片所围成的封闭区间，它们的几何形状均不够规范。由这两种并联机构与2自由度刀具台串接构成的5自由度混联机床在进行复杂形貌曲面加工时，需要进行较为繁复的位置工作空间检验以判定刀具位置是否超出工作空间边界。此外，由图1和图2知，这两种并联机构在运动过程中，其主动关节(移动副5)的轴线与Z轴的夹角较小，与X轴及Y轴的夹角较大，故两并联机构在Z轴方向上均具有较大的伺服刚度，而在X轴及Y轴方向的伺服刚度均较小，致使所构成的5自由度混联机床在其位置空间内的伺服刚度分布呈现出较强的不均匀性。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明设计出了一种用于5自由度混联机床的具有规范位置工作空间的3自由度并联机构。

本发明提供的一种具有规范位置工作空间的3自由度并联机构所采用的技术方案如图5、6、7、8和9所示。该机构包括有动平台1、机架2和三条主动支链。其中第一条主动支链由移动副5、连架杆4、虎克铰3及连杆6组成。连架杆4和连杆6的各一端通过虎克铰3相连，连架杆4的另一端通过移动副5与机架2相连，连杆6的另一端与动平台1刚性联结、且连杆6垂直于动平台1的上台面。第二、第三条主动支链的结构相同，由移动副5、连架杆4、虎克铰3、连杆6及球铰7组成。连架杆4及连杆6的各一端通过虎克铰3相连，连架杆4的另一端通过移动副5与机架2相连，连杆6的另一端通过球铰7与动平台1相连。三条主动支链上的移动副5为机构的主动关节；本发明的特征在于：三条主动支链中的移动副5的轴线彼此垂直并汇交于一点；第一条主动支链与动平台1之间的刚性联接点C到动平台1的几何中心点D的连线CD同时垂直于第二和第三条主动支链上球铰7的中心点E、F与动平台1的几何中心点D的连线ED、FD，且连线ED和FD也彼此垂直。

上述所述的一种具有规范位置工作空间的3自由度并联机构，三条主动支链中移动副5和虎克铰3的设置位置可以相互对调。

该机构的工作原理如下所述：该机构为具有3个自由度的并联机构，当设置三条主动支链上的3个移动副5为主动关节后，机构具有确定的空间运动。令3个移动副5沿其轴线滑移，即可带动平台1运动并实现动平台几何中心点D的三维空间移动。

本发明的突出优点是机构组成简单、无支链干涉现象，位置工作空间大、且具有规范的几何形状，当采用该机构作为5自由度混联机床的位置执行机构时，无需对刀具的位置进行工作空间检验。此外，由于三条主动支连中主动关节的轴线分别与X、Y、Z轴平行，机构在其位置工作空间内的伺服刚度分布更为理想。

附图说明

图1Tricept机器人的位置机构简图。

图2非对称空间5自由度混联机器人的位置机构简图。

图3Tricept机器人的位置工作空间示意图。

图4非对称空间5自由度混联机器人的位置工作空间示意图。

图5本发明的并联机构的机构简图。

图6第一条支链的机构简图。

图7第二和第三条支链的机构简图。

图8本发明的并联机构的位置工作空间示意图。

图9主动支链中移动副5和虎克铰3的设置位置相互对调示意图。

图1～图9中：

1、动平台；2、机架；3、虎克铰；4、连架杆；5、移动副；6、连杆；7、球铰。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

具体实施方式

实施方式一

图5为本发明的具体实施方式一。将市售的常规部件移动副5、虎克铰3和加工制作的连架杆4、连杆6等部件组装成主动支链。然后将动平台1、机架2、三条主动支链组装成整体并联机构。组装时，第一条主动支链中的连杆6的一端与动平台1在点C(动平台1上台面的几何中心)处刚性联结。第二、第三条主动支链通过球铰7与动平台1相连。按设计要求保证三条主动支链的3个移动副5的3条轴线彼此垂直、且汇交于一点；保证第一条主动支链与动平台1之间的刚性联接点C到动平台1几何中心D的连线CD、第二及第三条主动支链与动平台1的连接铰链(虎克铰3)的中心点E、F与点D的连线ED、FD，这三条连线彼此垂直、并汇交于点D。在本实施方式中，三条主动支链上的移动副5为机构的主动关节。

实施方式二

图10为本发明的另一具体实施方式。实施方式二与实施方式一采用相同的部件组成该并联机构，不同之处在于3条主动支链上的移动副5与虎克铰3的设置位置进行了对调。

Claims (2)

1.一种具有规范位置工作空间的3自由度并联机构，包括有动平台(1)、机架(2)和三条主动支链；其中第一条主动支链由移动副(5)、连架杆(4)、虎克铰(3)及连杆(6)组成，连架杆(4)和连杆(6)的各一端通过虎克铰(3)相连，连架杆(4)的另一端通过移动副(5)与机架(2)相连，连杆(6)的另一端与动平台(1)刚性联结、且连杆(6)垂直于动平台(1)的上台面；第二、第三条主动支链的结构相同，由移动副(5)、连架杆(4)、虎克铰(3)、连杆(6)及球铰(7)组成，连架杆(4)及连杆(6)的各一端通过虎克铰(3)相连，连架杆(4)的另一端通过移动副(5)与机架(2)相连，连杆(6)的另一端通过球铰(7)与动平台(1)相连；三条主动支链上的移动副(5)为机构的主动关节；特征在于：三条主动支链中的移动副(5)的轴线彼此垂直并汇交于一点；第一条主动支链与动平台(1)之间的刚性联接点(C)到动平台(1)的几何中心点(D)的连线(CD)同时垂直于第二和第三条主动支链上球铰(7)的中心点(E)、(F)与动平台(1)的几何中心点(D)的连线(ED)、(FD)，且连线(ED)和(FD)也彼此垂直。

2.根据权利要求1所述的一种具有规范位置工作空间的3自由度并联机构，特征在于：三条主动支链中移动副(5)和虎克铰(3)的设置位置可以相互对调。

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