CN1342547A - 用于虚拟轴数控机床和坐标测量机的一类三维平移并联机构 - Google Patents
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提供一类(3种)三维平移并联机构。其中一种三维平移并联机构,其组成包括动、静平台及联接在动、静平台之间的三条支路;其特征在于:每条支路由一个转动副、一个圆柱副和一个万向铰串联而成,其中转动副、圆柱副以及万向铰中所包含的两个转动副中的一个保持相互平行;三条支路与两平台联接的配置方式是:3条支路的3个万向铰所在平面没有公共交线。该机构具有结构简单、输入－输出有解耦性、工作空间较大、便于制造、安装等优点。特别是极大地简化了机器人系统的控制与轨迹规划的复杂性。为虚轴机床、机器人以及虚轴机械测量机等提供了新机型,为它们的开发与实用化提供了可能。
Description
本发明涉及机床、机器人和机械测量机的执行机构，具体地说是为并联结构虚轴数控机床、并联机器人与虚轴机械测量机提供一类新型并联机构。
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、日本和国内已研制出这种机床的样机，所采用的并联机构均为传统的斯图尔特(Stewart)机构。这种机构用来控制刀具在空间的位置和姿态变化，它主要由基座、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。该机构上备有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置和姿态。
Stewart机构具有以下缺点：①运动学正解非常困难；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提出虚轴数控机床用两个并联机构：动平台为三维平移并联机构，静平台为三维转动并联机构(US Patent，Tsai，Patent Number：5656905，1997)。其主要特点是运动学正解为8次；位置与方向解耦；与六腿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。但Tsai机构仍有以下缺点：
①运动学正解为8次封闭解，需建立一元8次方程并求解，这使得系统的控制和轨迹
规划较为复杂。
②三维平移机构的运动输入—输出为强耦合，使系统控制甚为复杂。
③机构存在虚约束，使其制造与装配较复杂。
④工作空间仍相对较小。
基于并联机构的坐标测量机(亦称虚轴机械测量机)，是近年来科学测量仪上的一个重大进展。与传统的属于串联式机构的测量机相比，并联结构的坐标测量机具有结构刚性大、运动速度高、误差不叠加等优良特性，可使测量精度及测量效率等性能得到很大改善。目前，已用于坐标测量机的并联机构有6-SPS 6-RSS以及3-RPS等。对于6-SPS和6-RSS机构，其可动平台相对于基座平台具有6个空间自由度，因而末端执行器的空间位姿比较灵活，但该机构结构复杂，运动学正逆解和误差分析与校正较困难。对3-RPS机构，其自由度为3，空间位姿灵活度稍差，但结构简单。由于3-RPS机构的非期望输出不是常量，又不存在解耦性，故其误差分析与校正虽比6-SPS机构有改善，但仍较复杂。另外上述几种结构中均含有多个球面副，因此其制造及装配均较复杂，不利于提高测量精度。
综上所述，虚轴数控机床、机器人与虚轴机械测量机的发展和实用化需要创造出优于现有机构的新机型。
本发明目的是克服现有机构的缺点，提供一类(3种)新的三维平移并联机构。机构具有结构简单、运动输入—输出具有解耦性、工作空间较大、便于制造安装等优点，特别是极大地简化了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。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。为虚轴机床、机器人、虚轴坐标测量机及微动机器人提供了新机型，为它们的开发与实用化提供了可能。
附图1是本发明中一种机构的结构简图。它由动平台(1)、静平台(2)和三条结构相同的支路组成。每条支路由一个转动副(3)、一个圆柱副(4)和一个万向铰(5)串联而成，且使三者轴线保持相互平行(即R∥C∥R⊥R)。支路两端构件分别固联在动、静平台上，三条支路与两平台联接的配置方式是：3条支路的3个万向铰所在平面没有公共交线。
附图1中每条支路亦可用其衍生结构替代，如附图2所示。但在动、静平台上的配置方式不变。图2支路中的回路为转动副平行四边形机构，其它转动副仍相互平行。
附图1中每条支路亦可用其衍生结构替代，如附图3所示。每条支路由5个转动副串联而成，其中3个转动副应保持平行，另两个转动副保持平行，两组相邻的两个转动副可以组成万向铰；3条支路与两平台联接的配置方式是：3条支路的3个万向铰所在平面没有公共交线。
控制静平台上三个驱动关节(即三个转动副)的运动，就可控制动平台在空间的位置，实现三维平移输出。如在上动平台上安装动力头和刀具，即可以作为并联结构的虚拟轴数控机床；如在上动平台上安装探头即可以作为并联坐标测量机。
本发明为一类(3种)三维平移新型并联机构。该机构具有以下特点：①机构工作平台可实现三维平移运动输出，无任何转动。②机构简单，具有重量轻、刚性好，可高速运动等优点。③运动学正解为8次，即只需建立与求解三个一元二次方程，解为解析公式，运动输入—输出又具有部分解耦性，极大地简化了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机构不存在虚约束，使机构制造、安装较为简单。⑤使用转动副和圆柱副，易于精密加工且成本较低，利于提高并联机构的运动精度。且成本较低。⑥工作空间较大。
附图4所示为本发明用于虚轴机械测量机的实施例。在动平台(1)上安装测量头(7)，在基座(2)上安装被测工件(8)，驱动基座(2)上的3个转动副，即可控制动平台上测量头(7)在空间的位置(三维移动)，完成指定测量过程。若将附图4动平台(1)上的测量头(7)换为机械手夹持器，亦可视为本发明用于只需三维平移的装配机器人的实施例。
总之，本发明为虚轴数控机床、虚轴机械测量机、步行(含爬行、爬壁等)机器人、工业机器人(如装配、堆垛机器人)等提供了具有上述特点的新机型，有利于新型机床、新型机械测量机和新型机器人的开发和实用化。
Claims (3)
1.可用于虚轴数控机床、机器人、虚轴机械测量机等的一种三平移并联机构，其组成包括动、静平台及联接在动、静平台之间的三条支路；其特征在于：每条支路由一个转动副、一个圆柱副和一个万向铰串联而成，其中转动副、圆柱副以及万向铰中所包含的两个转动副中的一个保持相互平行；三条支路与两平台联接的配置方式是：3条支路的3个万向铰所在平面没有公共交线。
2.按照权利要求1所述的并联机构，每条支路上园柱副的移动自由度可用转动副平行四边形机构替代，即支路由两个转动副、一个转动副平行四边形机构及一个万向铰串联而成，前两个转动副的轴线与平行四边形的4个转动副轴线呈垂直配置，且前两个转动副和万向铰中所包含两个转动副中的一个保持相互平行。
3.按照权利要求1所述的并联机构，每条支路可用5个转动副串联而成的支路替代，其中3个转动副应保持平行，另两个转动副保持平行，两组相邻的两个转动副可以组成万向铰；3条支路与两平台联接的配置方式是：3条支路的3个万向铰所在平面没有公共交线。
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