CN102626871B

CN102626871B - 一种具有高灵活特性的三自由度空间并联机构

Info

Publication number: CN102626871B
Application number: CN201210135821.7A
Authority: CN
Inventors: 谢福贵; 刘辛军; 苏铮; ***; 汪劲松
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-05-03
Filing date: 2012-05-03
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2032-05-03
Also published as: CN102626871A

Abstract

本发明涉及一种具有高灵活特性的三自由度空间并联机构，属于数控机床技术领域。包括一个安装执行器的动平台和定平台，连接所述动平台和定平台之间的具有相同结构的第一、第二支链，以及连接所述动平台和定平台之间的与第一、第二支链结构不同的第三支链，该第一、第二、第三支链均含有一个主动驱动的运动副；所述第一、第二和第三支链分别与定平台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，该空间并联闭环机构通过三个输入运动驱动动平台运动，实现一个移动自由度和两个转动自由度。该空间并联机构具有高灵活特性，并具有转动轴线明确、伴随运动相对简单等特点，更容易保证机构的操作精度和质量。

Description

一种具有高灵活特性的三自由度空间并联机构

技术领域

本发明属于数控机床技术领域，特别涉及一种具有高灵活特性的三自由度空间并联机构。

背景技术

传统机构多采用单个开链结构形式实现终端的多个自由度，一般将其称为串联机构，与其对应的并联机构则是由多个支链构成的闭环机构，其自由度数最多为六，而自由度数少于六的并联机构被称为少自由度并联机构，三自由度并联机构则是其中最重要的一类。近年来，少自由度并联机构中的三自由度并联机构越来越受到研究者的重视和青睐，尤其是具有一维移动和两维转动的空间并联机构，这类机构具有灵活的转动能力，非常适用于飞机大型薄壁结构件以及具有典型空间复杂自由曲面零部件的加工，该类三自由度并联机构已经在工业中得到了成功应用，如德国DS Technologie公司采用3-PRS三自由度并联机构研制了Sprint Z3并联主轴头以及西班牙Fatronick公司研制的Hermes主轴头。Sprint Z3和Hermes主轴头分别作为ECOSPEED系列数控加工中心以及Space-5H加工中心的一个并联模块，具有一维移动和两维转动自由度，采用并联结构形式实现了传统的A/B关节摆头（绕机床的X轴回转的坐标轴为A轴，绕机床的Y轴回转的坐标轴为B轴，一般把能够绕X轴和Y轴转动的主轴头称为A/B关节摆头）的功能，该类机构具有较灵活的转动能力。但是，上述两类机构的转动轴线不明确且均具有复杂的伴随运动（伴随运动是发生在约束自由度方向上的强迫运动，是在机构运动时伴随产生的不希望的运动，但对机构运动自由度的实现却又是必要的），增加了运动学分析的难度，而伴随运动会直接导致机构操作精度和质量的下降，在机床应用领域则会增加相应设备的制造、控制以及标定的难度，进而影响到加了工精度。

发明内容

本发明的目的是为了满足典型空间复杂自由曲面零部件对现代加工设备的高灵活度需求，提出一种具有高灵活特性的三自由度空间并联机构,可克服或减少现有加工设备中转动轴线不明确以及伴随运动复杂等对机构操作精度和质量的影响，具有转动能力高、转动轴线明确且伴随运动相对简单的特点。

本发明提出的一种具有高灵活特性的三自由度空间并联机构，包括一个安装执行器的动平台和定平台，连接所述动平台和定平台之间的三个支链；第一、第二支链结构相同均包括：滑块、连杆以及运动副，所述运动副有三个，一个是连接于定平台和滑块之间的移动副（P），一个是连接于滑块和连杆之间的转动副（R），一个是连接于连杆和动平台之间的球铰（S），其中，连接于定平台和滑块之间的移动副（P）是主动驱动的，该支链为PRS型运动支链；其特征在于：第三支链包括：第三支链滑块、平行四边形机构（Pa）、连接件以及第三支链运动副，所述第三支链运动副有四个，一个是连接于定平台和滑块之间的第三支链移动副（P），一个是连接于第三支链滑块和平行四边形机构之间的第三支链转动副（R）、一个是连接于平行四边形机构和连接件之间的第三支链转动副（R），另一个是连接于连接件和动平台之间的第三支链转动副（R），所述平行四边形机构包括上连杆、下连杆、左连杆、右连杆以及连接上述上连杆、下连杆、左连杆、右连杆的相互平行的四个平行四边形机构转动副（R），其中，连接于定平台和滑块之间的平行四边形机构移动副（P）是主动驱动的，该支链为PR(Pa)RR型运动支链；所述第一、第二和第三支链分别与定平台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，该空间并联闭环机构通过三个输入运动驱动动平台运动，实现一个移动自由度和两个转动自由度。

所述第一支链所在平面与所述第二支链所在平面关于所述第三支链初始位置所在平面对称，所述第一支链所在平面与所述第二支链所在平面之间的夹角为0到180度之间的任意角度，但不能是0度或180度。

本发明的特点及技术效果

本发明基于已有自由度形式，提出伴随运动简单且转动轴线明确的空间三自由度并联机构。

本发明的三自由度空间并联机构通过三个主动驱动的运动副驱动动平台运动，实现一个移动自由度和两个转动自由度，该机构具有较高的灵活性，实现了A/B关节摆头功能的同时具有较高的转动能力；该机构的移动自由度方向为主动驱动的输入方向，一个转动自由度的旋转轴线在第一、第二支链与动平台相连接的铰链中心的连线上，另一个转动自由度的旋转轴线与第三支链初始位置所在平面平行，为所述第三支链与动平台相连接的转动副的旋转轴线；两条旋转轴线位置明确，且该机构没有绕动平台法向量的旋转伴随运动，伴随运动相对简单，进而从原理构型上保证了机构的操作精度和质量，降低了在机床领域应用时相应设备的制造、控制以及标定的难度，有利于精度的进一步提高。

该空间并联机构具有以下优点：

（1）具有高灵活特性；（2）转动轴线明确且伴随运动相对简单，更容易保证机构操作精度和质量；（3）配合其它装置可实现对复杂空间自由曲面类零部件的多轴联动数控加工。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明的一种具有高灵活特性的三自由度空间并联机构结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的一种具有高灵活特性的三自由度空间并联机构，包括一个安装执行器的动平台和定平台，连接所述动平台和定平台之间的具有相同结构的第一、第二支链；其特征在于：还包括连接所述动平台和定平台之间的与第一、第二支链结构不同的第三支链，该第一、第二、第三支链均含有一个主动驱动的运动副；所述第一、第二和第三支链分别与定平台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，该空间并联闭环机构通过三个主动驱动的运动副驱动动平台运动，实现一个移动自由度和两个转动自由度；所述第一、第二支链不在同一平面内且该两平面相对于所述第三支链初始位置所在平面对称，所述第一支链所在平面与所述第二支链所在平面之间的夹角为0到180度之间的任意角度(但不能为0度或180度)。

本发明的三自由度空间并联机构，第一、第二均为PRS型运动支链，第三支链为PR(Pa)RR型运动支链(其中，P代表移动副，R代表转动副，S代表球铰，Pa代表平行四边形机构，且移动副P是主动驱动运动副)。具体说明如下：

第一、第二支链包括：滑块、连杆以及运动副。所述运动副有三个，一个是连接于定平台和滑块之间的移动副P，一个是连接于滑块和连杆之间的转动副R，一个是连接于连杆和动平台之间的球铰S。其中，连接于定平台和滑块之间的移动副P是主动驱动的，该支链为PRS型运动支链。

第三支链包括：滑块、平行四边形机构Pa、连接件以及运动副。所述运动副有四个，一个是连接于定平台和滑块之间的移动副P，一个是连接于滑块和平行四边形机构之间的转动副R、一个是连接于平行四边形机构和连接件之间的转动副R，另一个是连接于连接件和动平台之间的转动副R；所述平行四边形机构包括上连杆、下连杆、左连杆、右连杆以及连接上述杆件的相互平行的四个转动副R。其中，连接于定平台和滑块之间的移动副P是主动驱动的，该支链为PR(Pa)RR型运动支链。

实施例：

本实施例的一种具有高灵活特性的三自由度空间并联机构的结构如图1所示，包括定平台11、定平台16、定平台111、动平台113以及第一、第二、第三支链，所述三条支链分别连接于定平台11、定平台16、定平台111和动平台113之间，并与定平台11、定平台16、定平台111和动平台113构成空间闭环机构。

所述第一、第二支链为PRS型运动支链，包括：滑块12、滑块110、连杆114、连杆112以及运动副。所述运动副有三个，一个是连接于定平台11、定平台111和滑块12、滑块110之间的移动副P，一个是连接于滑块12、滑块110和连杆114、连杆112之间的转动副R，一个是连接于连杆114、连杆112和动平台113之间的球铰S。其中，连接于定平台11、定平台111和滑块12、滑块110之间的移动副P是主动驱动的。

所述第三支链为PR(Pa)RR型运动支链，包括：滑块15、平行四边形机构Pa、连接件13以及运动副。所述运动副有四个，一个是连接于定平台16和滑块15之间的移动副P，一个是连接于滑块15和平行四边形机构Pa之间的转动副R、一个是连接于平行四边形机构Pa和连接件13之间的转动副R，另一个是连接于连接件13和动平台113之间的转动副R；所述平行四边形机构Pa包括上连杆17、下连杆19、左连杆18、右连杆14以及连接上述杆件的相互平行的四个转动副R。其中，连接于定平台16和滑块15之间的移动副P是主动驱动的。

所述第一、第二和第三支链与定平台11、定平台16、定平台111和动平台113连接构成空间闭环机构，通过定平台111与滑块110、定平台11与滑块12、定平台16与滑块15之间的三个主动驱动移动副驱动动平台运动，实现一个移动自由度和两个转动自由度。

所述第一、第二支链均被限定在各自的平面内，所述第一支链所在平面与所述第二支链所在平面相对于所述第三支链初始位置所在平面对称，所述第一支链所在平面与所述第二支链所在平面之间的夹角为0到180度之间的任意角度，但不能为0度或180度。本实施例中，所述第一支链所在平面与所述第二支链所在平面之间的夹角为90度。

Claims

1.一种具有高灵活特性的三自由度空间并联机构，包括一个安装执行器的动平台和定平台，连接所述动平台和定平台之间的三个支链；第一、第二支链结构相同均包括：滑块、连杆以及运动副，所述运动副有三个，一个是连接于定平台和滑块之间的移动副（P），一个是连接于滑块和连杆之间的转动副（R），一个是连接于连杆和动平台之间的球铰（S），其中，连接于定平台和滑块之间的移动副（P）是主动驱动的，该支链为PRS型运动支链；其特征在于：第三支链包括：第三支链滑块、平行四边形机构（Pa）、连接件以及第三支链运动副，所述第三支链运动副有四个，一个是连接于定平台和第三支链滑块之间的第三支链移动副（P），一个是连接于第三支链滑块和平行四边形机构之间的第三支链转动副（R）、一个是连接于平行四边形机构和连接件之间的第三支链转动副（R），另一个是连接于连接件和动平台之间的第三支链转动副（R），所述平行四边形机构包括上连杆、下连杆、左连杆、右连杆以及连接上述上连杆、下连杆、左连杆、右连杆的相互平行的四个平行四边形机构转动副（R），其中，连接于定平台和第三支链滑块之间的第三支链移动副（P）是主动驱动的，该支链为PR(Pa)RR型运动支链；所述第一、第二和第三支链分别与定平台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，该空间并联闭环机构通过三个输入运动驱动动平台运动，实现一个移动自由度和两个转动自由度。

2.如权利要求1所述的一种具有高灵活特性的三自由度空间并联机构，其特征在于，所述第一支链所在平面与所述第二支链所在平面关于所述第三支链初始位置所在平面对称，所述第一支链所在平面与所述第二支链所在平面之间的夹角为0到180度之间的任意角度，但不为0度或180度。