CN200988220Y - 实现两维移动两维转动的并联机器人机构 - Google Patents

实现两维移动两维转动的并联机器人机构 Download PDF

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李兵
胡颖
于洪健
王颖
王志臣
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Abstract

本实用新型涉及一种两维移动两维转动并联机器人机构以及由此形成的五轴及五轴以上混联机床。其基本结构由固定框架、动平台和五个分支组成。其中四个结构相同的驱动分支位于平台的四周，具有六个或六个以上自由度，对机构没有约束作用，这样整个并联平台的自由度数取决于位于机构中央的被动支链的自由度数。由于被动约束支链提供两维移动和两维转动自由度，该机构具有五个分支四个自由度。本实用新型具有结构简单、刚性好、易于控制以及动态性能好等特点。根据本实用新型可以设计出多种五轴和五轴以上加工机床。

Description

实现两维移动两维转动的并联机器人机构
技术领域
本实用新型属于机械制造技术领域，涉及一类两维移动两维转动并联机器人机构以及与此相关的五轴和五轴以上混联机床。
背景技术
传统的数控机床采用串联式结构，造成机床体积大、零部件多、结构复杂，由于各传动链串联而成，因而存在误差累积，加工精度难以提高。并联机器人机构由于具有刚度重量比大、承载能力强、误差累积小、动态性能好、结构紧凑等特点，近年来被广泛应用于数控机床、微动操作台、模拟器及航天器对接等技术领域。目前，三自由度和六自由度并联机床的应用已经非常广泛，能够提供五自由度的并联机床机构也已经得到重视。具有两维移动两维转动的四自由度并联机构，由于需要附加一维平动才可实现五坐标加工运动，因此一直没有得到重视。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种两维移动两维转动并联运动机构，该机构具有结构简单、刚性好、易于控制以及动态性能好等特点。以此机构为基础推演出的并联运动平台和混联机床作为该机构的实际应用实例。
为达到上述目的，本实用新型可通过下述方案加以实现。并联运动机构包括固定框架、动平台和连接于固定框架和动平台之间的五个分支组成。五个分支中的四个驱动分支位于平台的四周，一端与动平台通过球铰相连，另一端通过球铰或虎克铰连接滑块，该滑块可沿滑道移动，滑道可以垂直于水平面或与水平面倾斜一定角度安装。动平台以及四个滑块上安装的铰链可分别按照矩形、梯形等任意儿何形状布置，铰点可以选择水平布置或者上下错落布置。四个驱动分支可由电机加丝杠螺母传动副驱动或由液压传动装置驱动或由直线运动模块驱动。五个分支中的约束分支位于机构的中央，其结构为通过移动副相连的两根连杆。该支链的一端与动平台通过虎克铰相连，另一端通过转动副与固定平台或固定框架连接，这样动平台可获得两维移动和两维转动自由度。
本实用新型的特点是：实现两维移动和两维转动，机构相对简单，结构轴向对称，且刚度高，动态性能好。在本实用新型所述的并联运动平台上放置加工工件，可使工件作四坐标运动，加上刀具可提供另一个方向的移动，可实现五坐标的加工能力；如果在本实用新型并联运动平台上安装主轴电机，可使切削刀具作四坐标运动，工件放置在移动工作台上，同样可以实现五坐标的加工能力。由于具有中央支链的并联机床机构提供的高刚度，使机床加工的动态性能得到改善，从而使工件获得高的加工精度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的结构原理示意图。
图2是本实用新型的结构变形示意图。
图3是本实用新型第一个实施例的结构示意图。
图4是本实用新型第二个实施例的结构示意图。
图5是本实用新型第三个实施例的结构示意图。
图6是本实用新型第四个实施例的结构示意图。
图中1.固定框架，2.滑块，3.滑道，4.定长杆，5.球铰，6.虎克铰，7.动平台，8.连杆，9.连杆，10.转动副，11.虎克铰(或球铰)，12.被加工件，13.刀具，14.主轴电机，15.移动平台，16.固定平台，17.连杆，18.连杆。
具体实施方式
附图1是本实用新型的结构原理示意图，其本身为两维移动两维转动并联运动平台。其结构包括固定框架1、动平台7和连接两者之间的五个分支，从而构成空间并联闭环结构。其中四个结构相同的驱动分支位于平台的四周，每个分支均包含一个定长连杆4，其一端通过球铰5与动平台7相连，另一端通过球铰或虎克铰11连接滑块2，滑块2可沿固定框架1上的滑道3移动，滑道3可以垂直于水平面或与水平面倾斜一定角度安装，动平台和各滑块上的铰链可分别按照矩形、梯形等任意几何形状布置，铰点可以水平布置或者上下错落布置。约束分支位于动平台中央，其结构为通过移动副相连的两根连杆8和9，连杆8通过虎克铰6与动平台7相连，连杆9通过转动副10与固定框架1连接，转动副的转轴与虎克铰6的一个转轴平行。该并联平台的运动过程为：在伺服电机或直线电机等驱动装置的驱动下四个滑块2带动四个驱动支链沿各自滑道3移动，中央被动约束支链随动，使得动平台获得两维移动两维转动自由度。
附图2为本实用新型结构变形示意图，同图1一样，可作为两维移动两维转动并联运动平台。该并联运动平台结构包括固定平台16、动平台7和连接两者之间的五个分支，从而构成空间并联闭环结构。其中四个结构相同的驱动分支位于平台的四周，与动平台和固定平台通过球铰或虎克铰相连，在两个平台上的铰点可分别按照梯形等任意几何形状布置，铰点可以选择水平布置或者上下错落布置。每个驱动分支结构均为通过移动副相连的两根连杆17和18，连杆17通过球铰或虎克铰11与固定平台16相连，连杆18通过球铰5与动平台7相连；约束分支位于并联平台中央，其结构为通过移动副相连的两根连杆8和9，连杆8通过虎克铰6与动平台7相连，连杆9通过转动副10与固定平台16连接，转动副10的转轴与虎克铰6的一个转轴平行。该并联平台的运动过程为：在伺服电机或直线电机等驱动装置的驱动下四个驱动支链做伸缩或直线运动，中央被动约束支链随动，使得动平台获得两维移动两维转动自由度。
附图3为本实用新型的第一个实施例，即在图1所示的并联平台基础上，配合主轴电机所提供的Y方向(坐标系设置如图所示)位移，构成五轴混联机床。机床的工作过程为：四自由度并联平台可放置被加工工件12，在驱动装置的驱动下，四个滑块2带动四个驱动支链沿各自滑道3移动，中央约束支链随动，使得放置在并联平台上的被加工工件获得两维移动两维转动(X、Z方向移动和绕X、Y轴转动)自由度；同时，切削刀具13由主轴电机14驱动，并一起沿固联在机架1上的移动平台15作Y方向移动，从而获得五轴联动，实现对复杂曲面的加工。
附图4为本实用新型的第二个实施例，即在图2所示的并联机床基础上，配合主轴电机所提供的Y方向(坐标系设置如图所示)位移，构成五轴混联机床。机床的工作过程为：四自由度并联平台可放置被加工工件12，在驱动装置的驱动下，驱动支链作伸缩运动，中央约束支链随动，使得放置在并联平台上的被加工工件获得两维移动两维转动(X、Z方向移动和绕X、Y轴转动)自由度；同时并联平台放置于固定框架1中，切削刀具13由主轴电机14驱动，并一起沿固联在机架1上的移动平台15作Y方向移动，从而获得五轴联动，实现对复杂曲面的加工。
附图5为本实用新型的第三个实施例，即在图1所示并联平台基础上，配合移动平台15所提供的Y方向(坐标系设置如图所示)位移，构成五轴混联机床。机床的工作过程为：四自由度并联平台如图倒置，主轴电机14安装在动平台上。在驱动装置的驱动下，四个滑块2带动四个驱动支链沿各自滑道3移动，中央约束支链随动，使得主轴电机14及其所驱动的切削刀具13获得两维移动两维转动(X、Z方向移动和绕X、Y轴转动)自由度；同时被加工工件12固定在移动平台15上，并随之一起沿Y向移动，从而获得五轴联动，实现对复杂曲面的加工。
附图6为本实用新型的第四个实施例，即在图2所示的并联平台基础上，配合移动平台15所提供的Y方向(坐标系设置如图所示)位移，构成五轴混联机床。机床的工作过程为：四自由度并联平台如图倒置固定于固定框架1上，主轴电机14安装在动平台上。在驱动装置的驱动下，驱动支链做伸缩运动，中央约束支链随动，使得主轴电机14及其所驱动的切削刀具13获得两维移动两维转动(X、Z方向移动和绕X、Y轴转动)自由度；同时被加工工件12固定在移动平台15上，并随之一起沿Y向移动，从而获得五轴联动，实现对复杂曲面的加工。
本实用新型的结构型式不限于实施例中描述的型式。

Claims (5)

1、实现两维移动两维转动并联机器人机构，包括固定框架(1)、动平台(7)和连接于二者之间的五个分支组成，其特征在于：固定框架(1)通过位于平台周围的四个结构相同的驱动分支以及一个位于平台中央的被动约束分支与动平台(7)相连，构成空间并联闭环结构。
2、根据权利要求1所述的并联机器人机构，其特征在于：驱动分支的结构为一定长杆(4)，其一端与动平台通过球铰(5)相连，另一端通过球铰或虎克铰(11)连接滑块(2)，滑块(2)可沿滑道(3)移动，滑道(3)以垂直于水平面或与水平面倾斜一定角度安装，动平台(7)和各滑块(2)上的铰点分别按照梯形布置，铰点选择水平布置或者上下错落布置。
3、根据权利要求1所述的并联机器人机构，其特征在于：四个驱动分支的结构为伸缩杆，即通过移动副连接的两根连杆，与动平台(7)通过球铰(5)相连，与固定平台(16)通过虎克铰或球铰(11)连接，动平台(7)和固定平台(16)上的铰点分别按照梯形状布置，铰点选择水平布置或者上下错落布置。
4、根据权利要求1所述的并联机器人机构，其特征在于：位于动平台(7)中央的约束分支为被动支链，包含一个虎克铰(6)、一个移动副和一个转动副(10)，与固定框架(1)或固定平台(16)固联的转动副(10)的转轴与虎克铰(6)的一个转轴平行。
5、根据权利要求1所述的并联机器人机构，其特征在于：四个结构相同的驱动分支位于平台的四周，所包含的驱动装置由电机加丝杠螺母传动副、液压传动装置或直线运动模块驱动实现。
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