CN1528568A - 用于虚轴机床与机器人等的一类(三平移一转动)并联机构 - Google Patents

Abstract

提供一类(5种)4自由度(三平移一转动)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四个转动副串联而成，且移动副轴线垂直于轴线相互平行的下部两转动副，上部两个转动副轴线相互平行且垂直于下部两转动副轴线；第2条支路由一个移动副和两个球面副串联而成；第3条支路由两个移动副与三个转动副组成的平面5杆回路再串联3个转动副组成，其中串联的第一个转动副与5杆回路中间转动副轴线重合，串联于上部的另两个转动副轴线相互平行，且垂直于串联的第一个运动副轴线。3条支路的两端构件分别固联在动、静两平台上：第1支路与第3支路上部的4个转动副轴线相互平行；第1支路下部两转动轴线垂直于第3支路5杆回路的转动副的轴线。驱动4个移动副，即可控制动平台的三平移一转动输出。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，运动学分析较简单，机构结构简单、刚性较好等优点。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

用于虚轴机床与机器人等的一类(三平移一转动)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类(5种)4自由度(三平移一转动)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 andLewis公司的Variax型关联机床)，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、误差不叠加等特性，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机多采用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类(5种)4自由度(三平移一转动)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和R₅)串联而成，且移动副(P₂)轴线垂直于轴线相互平行的两转动副(R₁与R₃)的轴线，另两个转动副(R₄与R₅)轴线相互平行且垂直于R₃的轴线；第2条支路由一个移动副(P₇)和四个转动副(R₆、R₈、R₉和R₁₀)串联而成，且移动副(P₇)轴线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)轴线相互平行且垂直于R₈的轴线；第3条支路由一个移动副(P₁₂)和四个转动副(R₁₁、R₁₃、R₁₄与R₁₅)串联而成，且P₁₂轴线垂直于轴线相互平行的R₁₁与R₁₃，R₁₄与R₁₅两者轴线相互平行且垂直于R₁₃的轴线；第4条支路由一个移动副(P₁₇)和四个转动副(R₁₆、R₁₈、R₁₉与R₂₀)串联而成，且P₁₇轴线垂直于轴线相互平行的R₁₆与R₁₈，R₁₉与R₂₀两者轴线相互平行且垂直于R₁₈的轴线。4条支路两端构件分别固联在动、静平台上：4个转动副(R₅、R₁₀、R₁₅与R₂₀)的轴线皆相互平行，2个转动副(R₁与R₆)的轴线相互平行，2个转动副(R₁₁与R₁₆)轴线相互平行且垂直于转动副(R₁与R₆)的轴线。

附图2为附图1所示并联机构的衍生并联机构。附图2的第1条与第4条支路分别同于附图1的第1条与第4条支路，第2条支路由一个移动副(P₇)与两球面副(S₆与S₈)串联而成，第3条支路由一个移动副(P₁₀)与两个球面副(S₉与S₁₁)串联而成。4条支路两端构件分别固联在动、静平台上：2个转动副(R₅与R₂₀)轴线相互平行，2个转动副(R₁与R₁₆)的轴线相互垂直。

附图3亦为一种三平移一转动并联机构。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(P₁)和四个转动副(R₂、R₃、R₄与R₅)串联而成，P₁、R₂、R₃与R₄四者轴线相互平行，且R₅轴线垂直于R₄轴线；第2条、第3条与第4条支路结构皆同于第1条支路，即：P₆、R₇、R₈与R₉四者轴线相互平行，且R₁₀轴线垂直于R₉轴线；P₁₁、R₁₂、R₁₃与R₁₄四者轴线相互平行，且R₁₅轴线垂直于R₁₄轴线；P₁₆、R₁₇、R₁₈与R₁₉四者轴线相互平行，且R₂₀轴线垂直于R₁₉轴线。4条支路两端构件分别固联在动、静平台上：4个转动副(R₅、R₁₀、R₁₉与R₂₀)轴线相互平行；两移动副(P₁与P₆)轴线相互平行，另两移动副(P₁₁与P₁₆)轴线平行，且P₁₁轴线垂直于P₁轴线。

附图4为附图3所示并联机构的衍生并联机构。附图4的第1条与第3条支路分别同于附图3机构的第1条与第3条支路，第2条支路由一移动副(P₇)与两球而副(R₆与R₈)串联而成，第4条支路由一移动副(P₁₇)与两球面副(S₁₆与S₁₈)串联而成。4条支路两端构件分别固联在动、静平台上：两个转动副(R₅与R₁₅)轴线相互平行，两移动副(P₁与P₁₁)轴线相互垂直。

附图5为附图2并联机构的衍生并联机构。附图5的第1支路与第2支路分别同于附图2机构的第1支路与第2支路，其第3条支路由两个移动副(P₁₀与P₁₂)与3个转动副(R₉、R₁₁与R₁₃)组成的平面5杆回路再串联3个转动副(R₁₄、R₁₅与R₁₆)而成，且R₁₄轴线与R₁₁轴线重合，R₁₅与R₁₆两者轴线平行且垂直于R₁₄的轴线。3条支路的两端构件分别固联在动、静平台上：两转动副(R₅与R₁₆)轴线平行，R₁轴线垂直于R₉轴线。

本发明为一类4自由度(三平移一转动)新型并联机构。该类机构具有以下特点：

(1)机构动平台具有三平移一转动输出，且非期望运动输出为常量；

(2)附图5机构的运动输入——输出具有部分解耦性，即可实现部分控制解耦；

(3)机构结构较简单、工作空间较大。

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，其结构已如前述附图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(移动副P₂、P₇、P₁₀与P₁₇)的输入运动，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 (5)

1.一种可用于虚轴机床、机器人与虚轴机械测量机等的4自由度(三平移一转动)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、第2条、第3条与第4条支路皆分别由一个移动副和四个转动副串联而成，下部两转动副轴线相互平行且垂直于移动副轴线，上部两转动副轴线相互平行且垂直于下部转动副轴线，4条支路两端构件分别固联在动、静两平台上：4条支路上部8个转动副的轴线相互平行；4条支路分两组，每组两条支路的下部4个转动副轴线相互平行，且两组下部的转动副轴线相互垂直。

2.按照权利1要求所述并联机构，每组的两支路之一分别用一移动副和两球面副串联而成的支路替代。

3.按照权利1要求所述并联机构，每一支路皆用一移动副与四个转动副串联而成的支路替代，该支路的移动副与下部三个转动副四者轴线相互平行，且垂直上部转动副的轴线，4条支路分两组，每组内两支路下部的转动副轴线相互平行，4条支路两端构件分别固联在动、静两平台上：4条支路上部的4个转动副轴线相互平行，两组支路的下部转动副轴线相互垂直。

4.按照权利3要求所述并联机构，每组两支路之一分别用一移动副与两球面副串联而成的支路替代。

5.按照权利2要求所述并联机构，分别由一移动副与两个球面副串联而成的和由一移动副与四个转动副串联而成的两条支路，用一新的支路替代，该支路由两个移动副与三个转动副组成的平面5杆回路再串联三个转动副而成，串联三转动副之一的轴线与5杆回路中间的转动副轴线复合，另两个串联转动副轴线相互平行且垂直于5杆回路的转动副轴线。

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