CN104625767A - 一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，它包括一呈等边三角形的动平台、一呈等边三角形的静平台和三个连接所述动平台与所述静平台的支链；每一支链均包括一连接杆，所述连接杆的一端通过一具有两个转动自由度的第一铰链连接所述动平台的一个角，在每一所述连接杆的内侧均设置一直线导轨，在每一所述直线导轨上均可滑动地设置一滑块，在每一所述支链上紧固连接一用于驱动所述滑块在所述直线导轨上移动的驱动装置，每一所述滑块均通过一具有两个转动自由度的第二铰链连接所述静平台的一个角。

Description

一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构
技术领域
本发明涉及一种应用于混联数控机床的具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，属于机械制造领域。
背景技术
并联机构具有结构紧凑、模块化性能好、刚度质量比大，以及易于实现高速运动的优点，但是并联机构工作空间有限，并且通常需要采用加工精度较难保证的球铰作为其必要的运动副，这在一定程度上制约了其在机械制造领域的发展。近年来，一些基于少自由度并联机构的混联制造装备在工业中得到了成功应用，如基于Tricept机构的五轴混联加工中心，和基于Sprint Z3主轴头的Ecospeed五轴混联加工中心等。混联机构兼具串联机构工作空间大以及并联机构结构紧凑、动态响应特性好等优点，能够实现大工作空间的五轴联动高速切铣加工，适合应用于空间自由曲面类零部件的加工。
美国专利US6431802公开了一种目前常见的空间两转动一平动并联机构，其为3PRS构型，应用于混联机床领域。该并联机构具体包括静平台、动平台及三条结构相同且呈轴对称分布的支链，每一支链依次包括一个移动副、一个转动副和一个球铰；其中，移动副为驱动单元，通过导轨与静平台配合；转动副和球铰为被动单元，球铰连接相应的连接杆和动平台。
上述机构采用了转动角度有限且精度较难保证的球铰作为运动副，这既限制了其末端动平台的转角范围，又有可能对机构精度产生不确定的影响。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效增加动平台摆角范围且保证动平台运动精度的空间并联***。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，它包括一呈等边三角形的动平台、一呈等边三角形的静平台和三个连接所述动平台与所述静平台的支链；每一支链均包括一连接杆，所述连接杆的一端通过一具有两个转动自由度的第一铰链连接所述动平台的一个角，在每一所述连接杆的内侧均设置一直线导轨，在每一所述直线导轨上均可滑动地设置一滑块，在每一所述支链上紧固连接一用于驱动所述滑块在所述直线导轨上移动的驱动装置，每一所述滑块均通过一具有两个转动自由度的第二铰链连接所述静平台的一个角。
所述静平台的三个角所在的位置均带有一缺角，三个所述缺角形成了三个均匀布置在所述静平台侧面的平台，在每一所述平台上紧固连接一U形件，所述滑块通过上述第二铰链连接所述U形件的两个伸出端。
所述第二铰链靠近所述静平台一端的转动轴线与所述静平台的厚度方向平行，所述第二铰链靠近所述滑块一端的转动轴线与所述第二铰链靠近所述静平台一端的转动轴线垂直，且与所述连接杆的长度方向垂直。
所述第一铰链靠近所述连接杆一端的转动轴线与所述第二铰链靠近所述滑块一端的转动轴线平行，所述第一铰链靠近所述动平台一端的转动轴线与所述第一铰链靠近所述连接杆一端的转动轴线垂直。
所述第二铰链为一个虎克铰或者由两个转动副组合而成。
所述第一铰链为一个虎克铰或者由两个转动副组合而成。
所述驱动装置包括一紧固连接在所述固定架上的伺服电机，所述伺服电机的输出端通过一滚珠丝杠副连接所述滑块。
所述驱动装置包括一紧固连接在所述固定架上的通长的直线电机初级，在所述直线电机初级上设置一直线电机次级，所述直线电机次级与所述滑块紧固连接。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明动平台和静平台均呈等边三角形，动平台和静平台的三个角对应连接支链，三个支链呈轴对称分布，并且在支链的连接杆上紧固连接滑块的驱动装置，减少了驱动装置与动平台之间的传递环节，可有效降低驱动装置所需要的功率和尺寸，从而减小整个并联结构的质量和惯量。2、本发明的每一连接杆的一端通过一具有两个转动自由度的第一铰链与动平台连接，每一滑块通过一具有两个转动自由度的第二铰链与静平台连接，因此本发明所述的并联机构所包含的全部运动链都未采用球铰，进而保证了动平台能够获得较高的转角范围和较好的输出精度。本发明可广泛应用于五轴联动混联数控机床中，在本发明机床上所开发的五轴联动混联数控机床具有能够对复杂自由曲面类零件的高效、高精度加工能力。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明支链的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括一呈等边三角形的动平台1、一呈等边三角形的静平台2和三个连接动平台1与静平台2的支链3。
如图1、图2所示，每一支链3包括一连接杆4，连接杆4的一端通过一具有两个转动自由度的铰链5连接动平台1的一个角，在每一连接杆4的内侧均设置一直线导轨6，在每一直线导轨6上均可滑动地设置一滑块7。在每一支链3上还紧固连接一用于驱动滑块7在直线导轨6上进行移动的驱动装置。每一滑块7均通过一具有两个自由度的铰链8连接静平台2的一个角。
上述实施例中，静平台2的三个角所在的位置均带有一缺角，形成了三个均匀布置在静平台2侧面的平台，在每一平台上均紧固连接一U形件9，滑块7通过铰链8连接U形件9的两个伸出端。
本发明的三个相同的支链3与动平台1、静平台2连接形成一个空间闭环机构，通过三个滑块7的输入运动驱动动平台1运动，实现动平台1的两个转动自由度和一个平动自由度。
上述实施例中，如图1、图2所示，铰链8靠近静平台2一端的转动轴线CC’与静平台2沿厚度方向的轴线OP平行，铰链8靠近滑块7一端的转动轴线AA’与铰链8靠近静平台一端的转动轴线CC’垂直，且与连接杆4沿长度方向的对称轴轴线EE’垂直；铰链5靠近连接杆4一端的转动轴线BB’与铰链8靠近滑块7一端的转动轴线AA’平行，铰链5靠近动平台1一端的转动轴线DD’与铰链5靠近连接杆4一端的转动轴线BB’垂直。铰链8所具有的两个转动自由度可以由两个转动副组合而成，也可以是一个虎克铰，但是两个转动自由度的转动轴线AA’和CC’的方向需满足前述的约束关系；铰链5所具有的两个转动自由度可以由两个转动副组合而成，也可以是一个虎克铰，但是两个转动自由度的转动轴线BB’和DD’的方向需满足前述的约束关系。
上述实施例中，驱动装置可以包括一紧固连接在连接杆4上的伺服电机10，伺服电机10的输出端通过一滚珠丝杠副11连接滑块7。作为驱动装置的一种变形结构，其也可以包括一紧固连接在连接杆4上的通长的直线电机初级，在直线电机初级上设置一直线电机次级，直线电机次级与滑块7紧固连接。当然，在具体实施过程中，采用其它任意一种可实现相同运动功能的形式都是可以的。
本发明利用每条支链3中连接杆4与动平台1之间的两个转动自由度、滑块7与静平台2之间的两个转动自由度，以及滑块7与连接杆4之间的一个平动自由度，使动平台1能够实现相对于静平台2的空间两转动一平动运动。其中，两个转动自由度为绕图1中的x轴和y轴旋转，一个平动自由度为沿图1中z轴方向平移。同时，本发明可以采用模块化设计，可通过静平台2上的机械接口与两个正交串联移动平台配合使用，进而构成五轴联动的混联数控加工单元，其中，图1中的零件12为机床主轴，可安装刀具完成待加工件的切铣任务。
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，它包括一呈等边三角形的动平台、一呈等边三角形的静平台和三个连接所述动平台与所述静平台的支链；
每一支链均包括一连接杆，所述连接杆的一端通过一具有两个转动自由度的第一铰链连接所述动平台的一个角，在每一所述连接杆的内侧均设置一直线导轨，在每一所述直线导轨上均可滑动地设置一滑块，在每一所述支链上紧固连接一用于驱动所述滑块在所述直线导轨上移动的驱动装置，每一所述滑块均通过一具有两个转动自由度的第二铰链连接所述静平台的一个角。
2.如权利要求1所述的一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，所述静平台的三个角所在的位置均带有一缺角，三个所述缺角形成了三个均匀布置在所述静平台侧面的平台，在每一所述平台上紧固连接一U形件，所述滑块通过上述第二铰链连接所述U形件的两个伸出端。
3.如权利要求1或2所述的一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，所述第二铰链靠近所述静平台一端的转动轴线与所述静平台的厚度方向平行，所述第二铰链靠近所述滑块一端的转动轴线与所述第二铰链靠近所述静平台一端的转动轴线垂直，且与所述连接杆的长度方向垂直。
4.如权利要求3所述的一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，所述第一铰链靠近所述连接杆一端的转动轴线与所述第二铰链靠近所述滑块一端的转动轴线平行，所述第一铰链靠近所述动平台一端的转动轴线与所述第一铰链靠近所述连接杆一端的转动轴线垂直。
5.如权利要求3所述的一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，所述第二铰链为一个虎克铰或者由两个转动副组合而成。
6.如权利要求4所述的一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，所述第一铰链为一个虎克铰或者由两个转动副组合而成。
7.如权利要求1或2或4或5或6所述一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，所述驱动装置包括一紧固连接在所述固定架上的伺服电机，所述伺服电机的输出端通过一滚珠丝杠副连接所述滑块。
8.如权利要求3所述一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，所述驱动装置包括一紧固连接在所述固定架上的伺服电机，所述伺服电机的输出端通过一滚珠丝杠副连接所述滑块。
9.如权利要求1或2或4或5或6所述一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，所述驱动装置包括一紧固连接在所述固定架上的通长的直线电机初级，在所述直线电机初级上设置一直线电机次级，所述直线电机次级与所述滑块紧固连接。
10.如权利要求3所述一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，所述驱动装置包括一紧固连接在所述固定架上的通长的直线电机初级，在所述直线电机初级上设置一直线电机次级，所述直线电机次级与所述滑块紧固连接。
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