CN105690165B - 一种大姿态角2r1t三自由度空间并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于三自由度并联机构的领域，具体涉及一种大姿态角2R1T三自由度空间并联机构，克服了已有现两维转动和一维移动三自由度并联机构转角范围小的不足之处，包括安装执行器的定平台和动平台以及能实现动平台两维转动和一维移动的第一支链和第二支链；第一支链包含两个主动驱动的运动副；第二支链包含一个主动驱动的运动副；所述第一、第二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。本发明转动灵活性更好、精度和刚度更高，更容易实现模块化。

Description

一种大姿态角2R1T三自由度空间并联机构
技术领域
本发明属于三自由度并联机构的领域，具体涉及一种大姿态角2R1T三自由度空间并联机构，应用于数控控制装置制造领域的一种模块化机构。
背景技术
并联机构是由多个支链构成的闭环机构，相对于传统的串联机构具有以下优点：结构简单紧凑、刚度高、单位重量上承载能力大、无误差积累、运动部件质量小、易于实现高速运动等优点。这些优点在一定程度上弥补了传统数控装置的不足。然而，并联机构也有其天生的缺陷，尤其是六自由度并联机构，其运动耦合性强、工作空间小、运动学正解复杂、工作空间不规则、数控编程复杂，等等。这些缺点增加了控制和后续的标定工作的复杂性，从而使得并联机构的推广应用受到了较大程度的限制。
近年来，少自由度并联机构（自由度数少于六的并联机构）越来越受到研究者的重视和青睐。一些少自由度的并联装置已经得到了成功应用，如德国DS-Technology公司研制的Sprint Z3三自由度并联主轴头在数控加工中获得了巨大的成功。该主轴头作为数控加工中心的一个模块，实现一个移动和两个转动自由度。该类机构的特点是：容易实现加工模块化、运动学简单、具有解耦或是部分解耦的特性。运动解耦的机构容易控制，并且可以达到更高的运动精度，并且解耦运动对运动控制和轨迹规划都有一定意义。
在2009年初开始实施的“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项中，将三自由度并联机构功能附件以及装备有此类功能部件的五轴联动加工中心作为其中的课题之一。可见，并联模块是此类装备研发的关键。从加工灵活度和加工效率的角度讲，并联模块应具备很高的转动灵活度，以动平台转动能力达到90°为最佳(以期实现立卧转换、五面加工)，而这恰恰是传统并联机构的局限性所在，最具影响力的Sprint Z3 并联主轴头的转动能力也仅为40°(不能实现严格意义上的五面加工)。可见，在保证高刚度的前提下突破传统并联机构摆角受限是在此类装备的研发过程中亟待突破的瓶颈性问题。本发明提出的机构也同属于少自由度并联机构中的三自由度并联机构，能实现两维转动和一维移动。但其可以实现更大的转动角度，尤其是其中一个转动范围更大。
发明内容
本发明的目的为克服已有现两维转动和一维移动三自由度并联机构转角范围小的不足之处，该机构在具备一般三自由度并联机构的优点的同时，其转角范围有了明显提高。
本发明采用如下的技术方案实现：一种大姿态角2R1T三自由度空间并联机构，包括安装执行器的定平台和动平台以及能实现动平台两维转动和一维移动的第一支链和第二支链；第一支链包含两个主动驱动的运动副；第二支链包含一个主动驱动的运动副；所述第一、第二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。
所述的第一支链为 (2-RPR & RP)+R 型混联运动支链，其包括平面并联闭环机构2-RPR & RP以及平面并联闭环机构连接动平台的转动副R，平面并联闭环机构由两条结构相同的RPR支链以及一条RP支链组成，两条RPR支链的移动副P是主动驱动，平面并联闭环机构所有转动副R的轴线是相互平行的、且与平面并联闭环机构连接动平台的转动副R的轴线相互垂直。
所述的第二支链为UPR型运动支链，该支链移动副P是主动驱动，U副的一条与定平台相连的转轴与第一支链中平面并联闭环机构所有转动副R轴线是相互平行的、且与该支链连接动平台的转动副R轴线相互垂直。
所述的第一支链的第一条RPR支链由连接定平台的转块Ⅰ、连杆Ⅰ及连接连杆Ⅰ与连杆Ⅱ的转动副R组成，第二条RPR支链由连接定平台与连杆Ⅲ的转块Ⅲ、连杆Ⅲ及连接连杆Ⅲ与连杆Ⅱ的转动副R组成，中间的RP支链由连接定平台与连杆Ⅱ的转块Ⅱ及连杆Ⅱ组成，转块Ⅰ与连杆Ⅰ之间的移动副P及转块Ⅲ与连杆Ⅲ之间的移动副P是两个主动输入。
所述的第二支链由连接定平台与转块Ⅳ的方形架、连接方形架与连杆Ⅳ的转块Ⅳ及连接连杆Ⅳ与动平台的转动副R组成，转块Ⅳ与连杆Ⅳ之间的移动副P是一个主动输入，方形架与定平台相连的运动副转轴与第一支链中平面并联闭环机构所有转动副R轴线是相互平行的，且与连接连杆Ⅳ与动平台的转动副R轴线相互垂直。
所述的连杆Ⅱ包括杆件以及杆件底端设置的与杆件连接为一体的块件，块件底部有两铰耳，块件一端与连杆Ⅲ之间有转动副，块件另一端与连杆Ⅰ有转动副，块件底部与动平台有转动副。
本发明在能实现一维转动和一维移动的平面并联闭环机构的基础上，通过添加一个与动平台连接的R副及添加另一条支链使动平台实现另一维转动，且此转动范围较大，从而使此新型2R1T并联机构可以实现较大的转动范围，是此机构的一个突出优点，克服了以往并联机构转动能力有限的缺点。
本发明相对现有技术具有如下有益效果：（1）结构简单、紧凑；（2）刚度高；（3）工作空间大，尤其是转动工作空间，一维可达100°（-50°~50°），另一维转动可达160°（-80°~80°）。这些优点使得该机构灵活度更好，加工精度更高，更容易实现模块化，配合其它装置可以实现复杂自由度曲面零件的多轴联动数控加工。
附图说明
图1为本发明的实施例的结构示意图，
图2为图1所示的机构中的第一支链的结构示意图，
图3为图1所示的机构中的第二支链的结构示意图，
图4为连杆Ⅱ的结构示意图，
图5为图4的分解图，
图中：1-定平台，2-连杆Ⅰ，3-转块Ⅰ，4-连杆Ⅱ，5-转块Ⅱ，6-连杆Ⅲ，7-转块Ⅲ，8-连杆Ⅳ，9-方形架，10-转块Ⅳ，11-动平台。
具体实施方式
一种大姿态角2R1T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，以及连接所述动平台和定平台之间的一条由平面并联闭环机构串联R副组成的能实现动平台两维转动和一维移动的第一支链，以及第二支链。所述第一支链和第二支链分别于定平台以及动平台连接形成一个空间并联闭环机构，该空间闭环机构通过三个输入运动驱动，实现动平台两维转动和一维移动。所述第一支链为 (2-RPR & RP)+R 型混联运动支链。其包括平面并联闭环机构，此平面并联闭环机构由两条结构相同的RPR支链以及一条RP支链组成。RPR支链的移动副P是主动驱动，第一支链中平面并联闭环机构所有转动副R轴线是相互平行的，且与该支链连接动平台的转动副R轴线相互垂直；第二支链为UPR型运动支链，该支链移动副P是主动驱动，U副一条与定平台相连的转轴与第一支链中平面并联闭环机构所有转动副R轴线是相互平行的，且与该支链连接动平台的转动副R轴线相互垂直。第一支链中的平面并联闭环机构，通过RP支链其连杆一头突出的平台将自身以及将两个RPR支链连在一起，与定平台连接的是三个转块，其三条连杆可以垂直穿过转块沿自身轴线滑动。第二支链的连杆也是穿过转块沿自身轴线滑动，其转块通过R副连于方形架，方形架通过R副连于定平台。
结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
实施例：如图1所示，包括一个安装执行器的定平台1、动平台11，以及连接所述动平台和定平台之间第一支链、第二支链。所述第一支链和第二支链分别于定平台1以及动平台11连接形成一个空间并联闭环机构。
所述第一支链为 (2-RPR & RP)+R 型混联运动支链，如图2所示。其包括平面并联闭环机构 2-RPR & RP，2-RPR & RP 由两条结构相同的RPR支链以及一条RP支链组成。第一条RPR支链由连接定平台1的转块Ⅰ3、连杆Ⅰ2及连接连杆Ⅰ2与连杆Ⅱ4的转动副R组成。第二条RPR支链由连接定平台1与连杆Ⅲ6的转块Ⅲ7、连杆Ⅲ6及连接连杆Ⅲ6与连杆Ⅱ4的转动副R组成。中间的RP支链由连接定平台1与连杆Ⅱ4的转块Ⅱ5及连杆Ⅱ4组成。第一支链中，转块Ⅰ3与连杆Ⅰ2之间的移动副P及转块Ⅲ7与连杆Ⅲ6之间的移动副P是两个主动输入。第一支链中2-RPR & RP机构所有转动副R轴线是相互平行的，且与2-RPR & RP机构连接动平台11的转动副R轴线相互垂直。连杆Ⅱ4包括杆件以及杆件底端设置的与杆件连接为一体的块件，块件一端与连杆Ⅲ6之间有转动副，块件另一端与连杆Ⅰ2有转动副，块件底部与动平台11有转动副。
所述第二支链为UPR型运动支链，也可看作是RRPR型运动支链，如图3所示。该支链由连接定平台1与转块Ⅳ10的方形架9、连接方形架9与连杆Ⅳ8的转块Ⅳ10及连接连杆Ⅳ8与动平台11的转动副R组成。该支链转块Ⅳ10与连杆Ⅳ8之间的移动副P是一个主动输入。方形架9与定平台1相连的运动副转轴与第一支链中2-RPR & RP 机构所有转动副R轴线是相互平行的，且与连接连杆Ⅳ8与动平台11的转动副R轴线相互垂直。
所述第一支链和第二支链分别于定平台1以及动平台11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转块Ⅰ3与连杆Ⅰ2之间、转块Ⅲ7与连杆Ⅲ6之间及转块Ⅳ10与连杆Ⅳ8之间三个输入运动驱动动平台11实现两维转动和一维移动运动。

Claims (4)

1.一种大姿态角2R1T三自由度空间并联机构，其特征在于包括安装执行器的定平台和动平台以及能实现动平台两维转动和一维移动的第一支链和第二支链；第一支链包含两个主动驱动的运动副；第二支链包含一个主动驱动的运动副；所述第一、第二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；
所述的第一支链为 (2-RPR & RP)+R 型混联运动支链，其包括平面并联闭环机构 2-RPR & RP以及平面并联闭环机构连接动平台的转动副R，平面并联闭环机构由两条结构相同的RPR支链以及一条RP支链组成，两条RPR支链的移动副P是主动驱动，平面并联闭环机构所有转动副R的轴线是相互平行的、且与平面并联闭环机构连接动平台的转动副R的轴线相互垂直；
所述的第二支链为UPR型运动支链，该支链移动副P是主动驱动，U副的一条与定平台相连的转轴与第一支链中平面并联闭环机构所有转动副R轴线是相互平行的、且与该支链连接动平台的转动副R轴线相互垂直。
2.根据权利要求1所述的一种大姿态角2R1T三自由度空间并联机构，其特征在于：所述的第一支链的第一条RPR支链由连接定平台（1）的转块Ⅰ（3）、连杆Ⅰ（2）及连接连杆Ⅰ（2）与连杆Ⅱ（4）的转动副R组成，第二条RPR支链由连接定平台（1）与连杆Ⅲ（6）的转块Ⅲ（7）、连杆Ⅲ（6）及连接连杆Ⅲ（6）与连杆Ⅱ（4）的转动副R组成，中间的RP支链由连接定平台（1）与连杆Ⅱ（4）的转块Ⅱ（5）及连杆Ⅱ（4）组成，转块Ⅰ（3）与连杆Ⅰ（2）之间的移动副P及转块Ⅲ（7）与连杆Ⅲ（6）之间的移动副P是两个主动输入。
3.根据权利要求1或2所述的一种大姿态角2R1T三自由度空间并联机构，其特征在于：所述的第二支链由连接定平台（1）与转块Ⅳ（10）的方形架（9）、连接方形架（9）与连杆Ⅳ（8）的转块Ⅳ（10）及连接连杆Ⅳ（8）与动平台（11）的转动副R组成，转块Ⅳ（10）与连杆Ⅳ（8）之间的移动副P是一个主动输入，方形架（9）与定平台（1）相连的运动副转轴与第一支链中平面并联闭环机构所有转动副R轴线是相互平行的，且与连接连杆Ⅳ（8）与动平台（11）的转动副R轴线相互垂直。
4.根据权利要求3所述的一种大姿态角2R1T三自由度空间并联机构，其特征在于：所述的连杆Ⅱ（4）包括杆件以及杆件底端设置的与杆件连接为一体的块件、块件底部有两铰耳，块件一端与连杆Ⅲ（6）之间有转动副，块件另一端与连杆Ⅰ（2）有转动副，块件底部与动平台（11）有转动副。
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