CN106671066A - 一种立式可重构多功能并联机构 - Google Patents

Abstract

为解决现有技术中的5R并联机构运动空间小、不能快速重构、杆与杆连接摩擦大的问题。本发明公开了一种立式可重构多功能并联机构，包括工作平台、五杆机构、可重构末端执行器和机架位置调节装置。机架固定在位置调节装置上，末端执行器安装在并联机构的连杆上，机架位置移动装置通过步进电机驱动滚珠丝杠实现机架位置的变化，从而整个并联机构在滚珠丝杆轴线方向移动，获得更大的工作空间。可重构末端执行器采用夹持范围可变、易拆卸的结构，实现夹持电主轴、3D打印头、激光烧结头等不同的部件，达到快速重构实现不同的加工工艺。

Description

一种立式可重构多功能并联机构

技术领域

本发明涉及机器与机构技术领域，具体涉及一种立式可重构多功能并联机构。

背景技术

可重构并联机构是一种可以根据任务或环境的变化而改变构形的装置。通过对模块进行组合，可重构能够简单快速的装配成适合不同任务的装置。目前并联机构应用比较成熟的多为少自由度并联机构，其中2自由度5R并联机构最为典型。2自由度5R并联机构结构简单紧凑，容易控制，作为并联机械手和机器人的主体运动结构，广泛用于微小零部件精密取放、机械加工等作业领域。

专利CN201510246105.X公开了一种混合驱动可重构五杆机构实验台，但该实验台只实现了五杆构型的重构，没有实现功能的重构，杆与杆之间的连接方式均为面与面的接触，在实际应用中杆转动时摩擦较大，转动不灵活，功能单一。德国阿亨工业大学研发了一种Dyna-M型卧式加工中心，其运动部件质量大，故其运动速度受到限制；其运动空间为立式，而且机架与底座固连，五杆机构运动范围受到框型支撑部件的限制，其工作空间较小，而且结构比较复杂，传动链较长。

发明内容

本发明主要针对现有技术中的五杆模型工作空间小，不能快速重构，并联机构功能单一，杆的转动不灵活，摩擦较大的问题，提供一种结构紧凑，工作空间大，转动灵活，组装拆卸方便的立式可重构多功能并联机构。

本发明为解决上述问题而采取的技术方案为：

一种立式可重构多功能并联机构，包括工作平台及支撑框架、功能可重构装置和机架位置调节装置，所述功能可重构装置通过并联机构与机架位置调节装置连接；

所述功能可重构装置包括夹持机构、工具头，工具头安装在夹持机构内；

所述并联机构包括两路连接机构，每路连接机构的连杆与摇杆连接，摇杆与伺服电机连接，伺服电机固定在机架位置调节装置上；

连杆与摇杆的结构是：连杆上端面和下端面均加工有阶梯孔，深沟球轴承安装在连杆的上阶梯孔中；推力球轴承的上半圈安装在连杆的下阶梯孔中，下半圈安装在摇杆的上阶梯孔中；螺栓穿过深沟球轴承和推力球轴承后用螺母将连杆与摇杆固定；

摇杆与伺服电机的连接结构是：伺服电机轴垂直于工作平台，轴端面向下，与联轴器的上端相联接，联轴器另一端与圆柱销相联接，圆柱销上安装有内胀套，外胀套安装在摇杆的孔内，圆柱销外设置套筒，所述套筒上端与将内胀套抵接，下端与端盖抵接；所述端盖旋接在圆柱销下端的螺纹上；推力球轴承的上半圈安装在摇杆的下阶梯孔内，下半圈安装在机架的锪平孔内，外胀套设置在深沟球轴承内；

所述的机架位置调节装置包括机架、联轴器、挂板、滚珠丝杠、导向轴(18)、步进电机；机架固定在挂板上，挂板与滑块固定，滑块与丝杠螺母固定；两根平行的导向轴穿过滑块；步进电机轴与滚珠丝杠用联轴器连接，丝杠与丝杠螺母螺纹连接。

所述工具头是电主轴、激光烧结头、3D打印头的一种。

为保证连杆与摇杆之间的距离，所述推力球轴承的厚度大于连杆与摇杆的阶梯孔的深度之和。

为保证摇杆与机架的距离，推力球轴承的厚度大于摇杆下部阶梯孔与机架的锪平孔的高度之和。

与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：

1、本发明的主轴垂直于工作台面，工作台面即工作平台与机架位置调节装置一起固定连接铝框架上，形成五杆机构的卧式工作空间，区别于传统的立式工作空间。卧式工作空间具有工作平面范围广、运动性能稳定、杆件之间的的起始角容易控制、并且可以在杆件的铰接处安放角度、速度、应力等传感器，为五杆机构的运动学，动力学分析提供有力的实验基础。

2、本发明可以实现末端执行器三种构型，包括以电主轴为主的机械加工，以激光烧结头和3D打印头为主的增材制造，以机械爪为主的物体取放，实现了末端执行器结构的模块化、可重构设计。机架位置调节装置采用用步进电机驱动，通过滚珠丝杆将旋转运动转化为直线运动，可以改变五杆并联机构的位置，从而扩大工作空间范围。原动件的驱动装置采用伺服电机驱动方式，通过运动控制卡制定不同的控制策略，输出预期可控轨迹。本发明为可重构多功能五杆并联机构的运动学与动力学特性规律研究奠定实验基础，有利于可重构多功能五杆并联机构在从事机械加工、增材制造、微小零部件精密取放作业等领域的推广应用。

3、本发明采用胀套连接，依靠摩擦力传递扭矩，可是起到一定的防过载作用，而且避免了过多的机械加工，维修拆卸十分方便容易；另外，本发明采用深沟球与推力球轴承的组合形式将杆件相互连接，其摩擦力非常小，装动灵活，而且连接处刚度足够高，满足了加工的高速、高精度、灵活的要求。

附图说明

图1为本发明立式可重构多功能并联机构的等轴测三维结构示意图；

图2为本发明立式可重构多功能并联机构的俯视结构示意图；

图3为本发明立式可重构多功能并联机构的左视结构示意图；

图4为本发明立式可重构多功能并联机构的连杆与摇杆连接示意图；

图5为本发明立式可重构多功能并联机构的伺服电机驱动摇杆连接结构示意图；

图6为本发明立式可重构多功能并联机构的胀套连接结构示意图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本实例一种立式可重构多功能并联机构，其中由工作平台及支撑框架、功能可重构装置和机架位置调节装置组成，所述工作平台及支撑框架包括10条40系列铝型材1、角连接件9、工作台面14，10条40系列铝型材1构成整体的支撑框架，并用角连接件9连接加固，工作台面14用螺栓和螺母紧固在40系列铝型材1上。

所述功能可重构装置包括左连杆16、连接块27、圆柱销21、螺钉22、连接架20、夹持机构15、工具头13，圆柱销21从一端将连接块27连接在左连杆16上，起定位和支承作用，螺钉22将连接块27紧固连杆上，兼顾支承作用，连接架20用螺栓紧固在连接块27另一端，夹持机构15用螺钉紧固在连接架20上，工具头13安装在夹持机构内夹紧。所述的工具头13可以是电主轴、激光烧结头、3D打印头等不同的工具，如果其直径相差不大，可以仅更换工具头13，如果直径相差较大，可以将夹持机构15与工具头13一起更换，以改变加工工艺，适应不同的加工要求。

所述机架位置调节装置包括机架11、联轴器3、挂板19、滚珠丝杠2、丝杠螺母26、滑块7、导向轴18、步进电机4、步进电机支架5、40系列铝型材1、中间垫块23、紧固板8、支架板6、角连接件9、圆柱销25、螺钉24组成。机架11用圆柱销25定位在挂板19上，并起到支承作用，用螺钉24将机架11固定在在挂板上，同样地，用圆柱销和螺钉将挂板与滑块相固连，丝杠螺母26用螺钉紧固在滑块7上，两根平行的导向轴18也穿过滑块7，步进电机4固定在步进电机支架5上，用联轴器3将步进电机轴与滚珠丝杠2相连，从而带动滚珠丝杆2旋转，滚珠丝杠2与丝杠螺母26将步进电机4的旋转运动转化为直线运动，从而带动机架11运动，从而带动整个并联机构及末端执行器平移，扩大了工作空间。滚珠丝杠2以及步进电机支架5均安装在支架板6上，并放在由40系列铝型材1和角连接件9组成的框架上，支架板6上预留有沉头孔，通过螺栓，穿过中间垫块23紧固在紧固板8上，而紧固板8通过使用螺栓紧固在40系列铝型材1组成的框架上。

如图4所示，所述并联机构的连接形式为左连杆16、左摇杆17、右连杆12、右摇杆10、深沟球轴承29、推力球轴承30、铰制孔用螺栓28、大平垫圈31、小平垫圈34与弹簧垫圈33。以左连杆16与左摇杆17的连接为例，在左连杆16上端面和下端面均加工有阶梯孔，深沟球轴承29安装在左连杆16上的上阶梯孔中，推力球轴承30的上半圈安装在左连杆16的下阶梯孔中，推力球轴承30的下半圈安装在左摇杆17的上阶梯孔中，保证左连杆16和左摇杆17之间有1-2mm的空隙，在左连杆16中的深沟球轴承29上安装一个小平垫圈34，用铰制孔用螺栓28穿过深沟球轴承29与小平垫圈34，然后将大平垫圈31置于左摇杆17下端面，再放一个弹簧垫圈33用于防松，然后用螺母32将铰制孔用螺栓28紧固。同理，右连杆12与右摇杆10、左连杆16与右连杆12之间的连接形式也是如此。

如图5所示，所述伺服电机驱动摇杆的连接形式包括伺服电机35、伺服电机支架42、联轴器41、圆柱销36、拧紧端盖38、推力球轴承39、深沟球轴承40、胀套43、44、套筒37。以左侧伺服电机35轴与左摇杆17连接形式为例，伺服电机35轴垂直于工作平台，轴端面向下，与联轴器41的上端相联接，联轴器41另一端与圆柱销36相联接，如图6所示圆柱销36上安装有内胀套44，外胀套43安装在左摇杆17的孔内，拧紧端盖38紧固在左摇杆17上，将拧紧端盖38紧固后，迫使套筒37沿轴向向上运动，压紧外胀套43，左摇杆17上阶梯孔内安装有深沟球轴承40，用于定位并压紧外胀套43，使得内胀套44和外胀套43相互挤压，产生径向变形，从而使圆柱销36与左摇杆17之间依靠摩擦力相对固定连接，推力球轴承39的上半圈安装在左摇杆17的下阶梯孔内，推力球轴承39的下半圈安装在机架11的锪平孔内，保证左摇杆17与机架11之间有1-2mm的间隙，圆柱销36穿过左摇杆17的孔与推力球轴承39上半圈以过渡配合连接，保证圆柱销36的中心线与孔的中心重合并能灵活转动。同理，右侧伺服电机与右摇杆10的连接形式也是如此。

当确定出所要运动的轨迹后，通过程序实现对运动控制卡的操作，运动控制卡便可以将数据传给伺服驱动器控制伺服电机运动，控制末端执行器实现预定的轨迹。

Claims (4)

1.一种立式可重构多功能并联机构，其特征在于：包括工作平台及支撑框架、功能可重构装置和机架位置调节装置，所述功能可重构装置通过并联机构与机架位置调节装置连接；

所述功能可重构装置包括夹持机构、工具头，工具头安装在夹持机构内；

所述并联机构包括两路连接机构，每路连接机构的连杆与摇杆连接，摇杆与伺服电机连接，伺服电机固定在机架位置调节装置上；

连杆与摇杆的结构是：连杆上端面和下端面均加工有阶梯孔，深沟球轴承安装在连杆的上阶梯孔中；推力球轴承的上半圈安装在连杆的下阶梯孔中，下半圈安装在摇杆的上阶梯孔中；螺栓穿过深沟球轴承和推力球轴承后用螺母将连杆与摇杆固定；

摇杆与伺服电机的连接结构是：伺服电机轴垂直于工作平台，轴端面向下，与联轴器的上端相联接，联轴器另一端与圆柱销相联接，圆柱销上安装有内胀套，外胀套安装在摇杆的孔内，圆柱销外设置套筒，所述套筒上端与将内胀套抵接，下端与端盖抵接；所述端盖旋接在圆柱销下端的螺纹上；推力球轴承的上半圈安装在摇杆的下阶梯孔内，下半圈安装在机架的锪平孔内，外胀套设置在深沟球轴承内；

所述的机架位置调节装置包括机架、联轴器、挂板、滚珠丝杠、导向轴(18)、步进电机；机架固定在挂板上，挂板与滑块固定，滑块与丝杠螺母固定；两根平行的导向轴穿过滑块；步进电机轴与滚珠丝杠用联轴器连接，丝杠与丝杠螺母螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的一种立式可重构多功能并联机构，其特征在于：所述工具头是电主轴、激光烧结头、3D打印头的一种。

3.根据权利要求1所述的一种立式可重构多功能并联机构，其特征在于：所述推力球轴承的厚度大于连杆与摇杆的阶梯孔的深度之和。

4.根据权利要求1所述的一种立式可重构多功能并联机构，其特征在于：推力球轴承的厚度大于摇杆下部阶梯孔与机架的锪平孔的高度之和。