CN108908292B

CN108908292B - 一种可实现两转三移的混联解耦机床

Info

Publication number: CN108908292B
Application number: CN201810722393.5A
Authority: CN
Inventors: 屈淑维; 郭志宏; 梁世杰; 李瑞琴
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2018-06-04
Filing date: 2018-07-04
Publication date: 2021-05-11
Anticipated expiration: 2038-07-04
Also published as: CN108908292A

Abstract

本发明属于机器人领域，为了解决现有混联机床存在的运动惯性大、稳定性差、可控性弱、精度低等问题，本发明提供了一种可实现两转三移的混联解耦机床，包括三支链各向同性并联移动解耦机构、两支链并联转动解耦机构和底座夹持装置，三支链各向同性并联移动解耦机构，完成机床三个方向的平移；两支链并联转动解耦机构，完成机床两个方向的转动；底座夹持装置，完成工件在机床上的准确定位。该机床由两个并联机构通过U副串联构成，具有较大的运动空间及运动刚度，控制容易，运动精度高，刚度大；且在运行过程转动轴线的方向不会发生改变。

Description

一种可实现两转三移的混联解耦机床

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种可实现两转三移的混联解耦机床。

背景技术

由于并联解耦机运动空间小，混联解耦机构集成了串联构型大的工作空间及并联构型高精度、高刚度、高承载的构型优势，能够适应现代高端智能装备各种复杂环境的工作需求。但是目前由两个并联机构串联在一起构成的并联机构串联化的局部解耦混联构型运动惯性大，不易操作；由并联解耦机构与运动副串联构成的混联机构，其部分驱动必须安装于运动副上，抑制了混联机构操作的灵活性，且末端操作器的刚度较小，尤其不适用于机床设备。

发明内容

本发明针对现有混联机床存在的运动惯性大、稳定性差、可控性弱、精度低、末端操作器刚度小等问题，提出了一种可实现两转三移的混联解耦机床。

本发明采用如下技术方案：

一种可实现两转三移的混联解耦机床，包括：三支链各向同性并联移动（3T）解耦机构、两支链并联转动（2R）解耦机构和底座夹持装置；三支链各向同性并联移动（3T）解耦机构，完成I号平台的移动；两支链并联转动（2R）解耦机构，完成II号平台的转动；底座夹持装置，完成工件在机床上的准确定位；所述三支链各向同性并联移动解耦机构与两支链并联转动解耦机构按上下结构通过U副串联，两个并联机构的所有驱动支链均安装于由若干立柱和横杆组成的矩形柱体框架上，矩形柱体框架底部与底座夹持装置顶面固定连接，构成了机床的基座。

所述三支链各向同性并联移动解耦机构包括I号动平台和三条(4R)RR支链，其中两条支链对称布置，外侧端分别与矩形柱体框架顶部的两根相邻横杆连接，内侧端与I号动平台的侧面连接，另一条支链的外侧端与所述两根相邻横杆垂直连接的竖直立柱连接，内侧端与I号动平台的侧面连接；

三条支链的结构组成相同，所述支链包括I号转动杆、长转动杆、长转动轴、两根II号转动杆、转轴箱、齿轮箱和伺服电机。转轴箱、齿轮箱和伺服电机固定于支链所在的横杆和立柱上；I号转动杆的一端与I号动平台转动副连接，I号转动杆的另一端与长转动杆一端转动连接，长转动杆的另一端与长转动轴圆柱套筒副连接，长转动轴的两端分别与两根II号转动杆的一端转动副连接，两根II号转动杆相互平行、另一端与转轴箱的两个轴对应连接，齿轮箱的输入轴与伺服电机连接，齿轮箱的输出轴与转轴箱的两个轴连接，转轴箱的两个轴与两根II号转动杆的一端对应连接；转轴箱、2个II号转动杆和长转动轴组成一个平行四边形机构，且平行四边形机构与对应连接的横杆或立柱平行；与两根横杆连接的两条支链带动I号动平台实现水平方向的前后左右运动，与立柱连接的支链带动I号平台实现上下移动。

所述两支链并联转动解耦机构包括II号平台和两条(CPUR)支链，II号平台的顶部通过II号虎克铰与I号动平台串联，II号平台的底部安装有刀具连接件，两条支链对称设置，支链内侧端与II号平台连接、外侧端与矩形柱体框架连接；

两条支链的结构组成相同，支链包括滚珠丝杠组件、I号导轨滑块、I号直线导轨、直角转动连接件、直线转动连接件，直线转动连接件的一端与II号平台侧面转动副连接，直线转动连接件的另一端通过I号虎克铰与直角转动连接件的水平端转动副连接，直角转动连接件的竖向端底端安装有I号导轨滑块，I号导轨滑块与横向设置的I号直线导轨移动副连接，I号直线导轨的一端与滚珠丝杠组件的滑块转动副连接，滚珠丝杠组件的竖向丝杠外接驱动伺服电机，且竖向丝杠的上下两端分别通过转动连接件与矩形柱体框架转动副连接。

所述底座夹持装置包括底座和安装于底座上的II号直线导轨、II号导轨滑块、虎钳、III号导轨滑块和III号直线导轨，矩形柱体框架的立柱固定于底座上表面的四个角处，两个II号直线导轨平行设置安装于底座上，III号直线导轨的两端分别通过II号导轨滑块与两侧的II号直线导轨移动副连接，III号直线导轨上移动副安装III号导轨滑块，III号导轨滑块上通过平板固定有虎钳。

本发明由三支链各向同性并联移动解耦机构的动平台和两支链并联转动解耦机构的动平台通过U副串联在一起。装配初始条件须满足：

号平台的中心与

号平台的中心在一条竖直中心线上；

2转动并联解耦机构的两条支链须与各向同性移动并联解耦机构安装于横柱上的两条支链平行；且U副的两个轴分别平行于该两个方向。三支链的各向同性移动并联解耦机构实现机床沿三个方向的平移，两支链的并联解耦转动机构实现机床沿两个方向的转动，夹持机构实现工件在机床上的准确定位。具有如下有益效果：

1、两个并联解耦机构的动平台通过U副连接；并联解耦机构的所有支链

与机床框架相连。因此，机床的运动惯性小，可控性强，运动精度高、末端刀具的工作刚度大。

2、转动并联解耦机构支链的运动自由度包含各向同性并联解耦机构的运动自由度，也就是说，转动并联解耦机构支链存在相对于各向同性并联解耦机构得局部自由度；实现2R转动并联解耦机构与3T并联机构间的解耦。

3、机床由两个并联机构通过U副串联构成，具有较大的运动空间及运动刚度，控制容易，运动精度高，刚度大；且在运行过程转动轴线的方向不会发生改变。

4、该机床可用于各类微、精、细产品的加工成型，如精密机械零件的技工、假牙的精密制造、工艺品的雕刻等。

附图说明

图1为一种能够实现两转三移混联解耦机床的正等轴测视图；

图2为一种能够实现两转三移混联解耦机床的3T各向同性移动并联解耦机构示意图；

图3为一种能够实现两转三移混联机床的2R并联解耦机构示意图；

图4为一种能够实现两转三移混联解耦机床的底座夹持装置示意图；

图5为本发明的结构简图；

图中：1-转动轴，2-I号转动杆，3-长转动杆，4-连接轴，5-长转动轴，6-II号转动杆，7-转轴箱，8-齿轮箱，9-伺服电机，10-立柱连接件，11-固定连接件，12-I号平台，13-桁架，14-立柱，15-横杠，16-转动连接件，17-滚珠丝杠组件，18-I号导轨滑块，19-I号直线导轨，20-转动连接轴，21-直角转动连接件，22-固定板，23-直线转动连接件，24-I号虎克铰，25-II号平台，26-II号虎克铰，27-刀具连接件，28-刀具，29-II号直线导轨，30-II号导轨滑块，31-虎钳，32-平板，33-III号导轨滑块，34-III号直线导轨，35-底座。

具体实施方式

结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明所述可实现两转三移的混联解耦机床，由3T各向同性移动并联解耦机构、2R并联解耦机构和底座夹持装置三部分组成，3T各向同性并联解耦机构和2R并联解耦机构间通过II号虎克铰（U副）串联在一起。

3T并联解耦机构如图2所示，由6个转动轴，3个I号转动杆，3个长转动杆，6个II号转动杆，6个连接轴，4个立柱，3个齿轮箱，3个转轴箱，1个3个伺服电机，1个I号平台组成。控制机床实现水平面上两个方向上的平移的支链结构一样，2个齿轮箱通过固定在四方形桁架的相邻两边中间的上方，2个转轴箱通过螺栓固定在2齿轮箱所在的四方形桁架边的下方，并使得转轴箱与齿轮箱的轴通过轴承相连，伺服电机通过螺栓固定在齿轮箱的上方，转轴箱的两个轴通过轴承与两个II号转动杆一端连接，II号转动杆的另一端通过轴承分别与2个连接轴的轴端连接，长转动轴的两端固接于连接轴末端上的轴孔内，使得转轴箱、2个II号转动杆、2个连接轴、长转动轴组成一个平行四边形机构，长转动杆的一端通过轴承连接在长转动杆的中间，另一端通过转动轴与I号转动杆的一端轴承连接，I号转动杆的另一端通过轴承和转动轴连接于I号平台上右端；另一个控制机床水平移动的支链与前面所述的支链的结构完全一样，其末端连接于I号平台的左端。四方形桁架的四个角上通过螺栓固定有四个立柱，控制机床竖直方向移动的第三支链装在由运动支链的桁架边交点处立柱上。立柱连接件通过螺栓固接于立柱上，固定件固接于立柱连接件上，齿轮箱固接于固定件的一侧，伺服电机固定在齿轮箱上，转轴箱固定在固定件的另一侧，转轴箱通过轴承与齿轮箱的两个轴连接，II号转动杆的一端通过轴承与转轴箱上的两个轴连接，另一端通过轴承与连接轴的轴端连接，长转动轴的两端固接于连接轴末端上的轴孔内，使得转轴箱、2个II号转动杆、2个连接轴、长转动轴组成一个平行四边形机构，长转动杆的一端通过轴承连接在长转动杆的中间，另一端通过轴承连接于I号平台的中间位置。固定在桁架两个边上的支链能够实现混联机床的在水平面两个方向上的平移，伺服电机驱动齿轮箱内的齿轮带动转轴箱内的轴，带动II号转动杆左右（前后）摆动，带动通过轴承连接于长转动轴的长转动杆左右（前后）移动，长转动杆带动I号转动杆运动，I号转动杆带动I号平台实现左右（前后）的运动。伺服电机驱动固接在固定连接件上的齿轮箱内的齿轮带动转轴箱内的轴，带动II号转动杆上下运动，带动通过轴承连接于长转动轴的长转动杆实现上下移动，长转动杆带动I号平台实现上下移动。由于I号平台与II号平台间通过II号虎克铰连接在一起，于是II号平台可以和I号平台一起实现三个方向上的平移。

2R解耦并联机构如图3所示，由2个滚珠丝杠组件、6个转动连接件、2个固定板、4条横杠、2个转动连接轴、2个I直线导轨、2个I导轨滑块、2个直角转动连接件，4个直线转动连接件、2个I号虎克铰、1个II号虎克铰、1个刀具连接件、1个刀具、2个伺服电机组成。2R解耦并联机构两条支链结构一致。四条横杠分别固定在另外三条立柱上，每条立柱上分别固定两个横杆的一端，每个横杆的中间位置通过螺栓固定有转动连接件，固定板通过轴承与转动连接件连接，滚珠丝杠组件通过螺栓固接于固定板上，伺服电机固定在滚珠丝杠组件的上方，滚珠丝杠组件的滑块上固定有转动连接件，转动连接轴的轴端通过轴承与转动连接件连接，直线导轨通过螺栓固定在转动连接轴末端的平台上，导轨滑块装在直线导轨上，直角转动连接件末端通过螺栓固定在导轨滑块上，直角转动连接件的轴端通过轴承与直线转动连接件的末端连接，直线转动连接件的顶端与I号虎克铰的一端固接，I号虎克铰的另一端固接于直线转动连接件的顶端，其末端通过轴承与II号平台连接，II号平台的上侧与II号虎克铰的一端通过螺栓固定，II号虎克铰的另一端通过螺栓与I号平台固接，II号虎克铰的两个转动轴的轴线分别垂直于滚珠丝杠组件所在平面，II号平面的下侧与刀具连接件的一端固接，刀具连接件的另一端与刀具固接。通过转动连接件连接于横杆上的滚珠丝杠组件可以绕两转动连接件的轴线转动，伺服电机驱动滚珠丝杠组件17的丝杠来带动滑块的上下移动，滑块的上下移动带动通过转动连接件和转动连接轴连接在其上的I号直线导轨上下移动和转动，I号直线导轨可以绕转动连接件的轴线运动，I号直线导轨的上下移动和转动带动I号导轨滑块在导轨上滑动，I号导轨滑块的运动带动直角转动连接件、直线转动连接件、I号虎克铰运动，最终带动II号平台的转动，2R并联解耦机构的两条支链的协调运动能够使得II号平台实现两个方向上的转动。刀具通过刀具连接件27固定在II号平台上，由于II号平台能够实现三个方向的移动和两个方向上的转动，于是刀具也能实现三个方向的移动和两个方向上的转动。

底座夹持装置如图4所示，由2个II号直线导轨、2个II导轨滑块、1个III号直线导轨、1个III号导轨滑块、1个平板、1个虎钳、1个底座组成。四个立柱通过螺栓固接在底座加持装置的底座平台的四个角上，两个II号直线导轨通过螺栓固定在底座平台上，2个II号导轨滑块分别装在2个II号直线导轨上，III号直线导轨的两端通过螺栓固定在2个II号导轨滑块上，III号导轨滑块装在III号直线导轨上，III号导轨滑块上侧固定有平板，虎钳通过螺栓固定在平板上，用于夹持工件，于是虎钳能够实现在水平面上的前后左右移动，用来调节工件的位置。

本发明为具有3移动2转动的混联解耦机床，基座与矩形柱体连接为一体，构成混联解耦机床的支柱框架。在框架的上端通过三个结构相同的支链(4R)RR支链(沿矩形柱的两个水平方向及竖直方向)与动平台

构成各向同性并联解耦机构。下端通过两条CPUR支链(沿矩形柱体水平面方向且与矩形柱的两个水平方向一致)与动平台

相连构成2转动并联解耦机构；动平台

与动平台

通过U副连接在一起，U的轴向与矩形柱体的两个水平方向一致；构成混联解耦机构。

因所有的驱动器均置于矩形柱体框架上，该机床末端输出的运动惯性小，稳定性好；三个正交方向的移动与两个正交方向的转动分别通过两个并联机构实现可控性强，运动精度高；2转动并联解耦机构通过沿与U副轴向一致的两个方向的直线驱动实现了沿与U轴方向一致的两个转动，解决了两转动并联机构中只存在一条固定转轴的情况；该混联解耦机构由于融合了串联机构特征，因此比相同尺寸结构的并联机构运动空间大。

Claims

1.一种可实现两转三移的混联解耦机床，其特征在于包括：三支链各向同性并联移动解耦机构、两支链并联转动解耦机构和底座夹持装置；

三支链各向同性并联移动解耦机构，完成I号平台（12）的移动；

两支链并联转动解耦机构，完成II号平台（25）的转动；

底座夹持装置，完成工件在机床上的准确定位；

所述三支链各向同性并联移动解耦机构与两支链并联转动解耦机构按上下结构通过U副连接，且两个并联解耦机构的所有支链均安装于由若干立柱和横杆连接而成的矩形柱体框架上，矩形柱体框架底部与底座夹持装置顶面连接。

2.根据权利要求1所述的可实现两转三移的混联解耦机床，其特征在于，所述三支链各向同性并联移动解耦机构包括I号平台（12）和三条支链，其中两条支链对称设置、外侧端分别与矩形柱体框架顶部的两根相邻横杆连接，内侧端与I号平台（12）的侧面连接，另一条支链的外侧端与同所述两根相邻横杆垂直连接的立柱连接，内侧端与I号平台（12）的侧面连接；

三条支链的结构组成相同，所述支链包括I号转动杆（1）、长转动杆（3）、长转动轴（5）、两根II号转动杆（6）、转轴箱（7）、齿轮箱（8）和伺服电机（9），转轴箱（7）、齿轮箱（8）和伺服电机（9）固定于支链所在的横杆和立柱上，I号转动杆（1）的一端与I号平台（12）转动副连接，I号转动杆（1）的另一端与长转动杆（3）一端转动连接，长转动杆（3）的另一端与长转动轴（5）圆柱套筒副连接，长转动轴（5）的两端分别与两根II号转动杆（6）的一端转动副连接，两根II号转动杆（6）相互平行、另一端与转轴箱（7）的两个轴对应连接，齿轮箱（8）的输入轴与伺服电机（9）连接，齿轮箱（8）的输出轴与转轴箱（7）的两个轴连接，转轴箱（7）的两个轴与两根II号转动杆（6）的一端对应连接，转轴箱（7）、2个II号转动杆（6）和长转动轴（5）组成一个平行四边形机构，且平行机构与对应连接的横杆或立柱平行；

与两根横杆连接的两条支链带动I号平台（12）实现水平方向的前后左右运动，与立柱连接的支链带动I号平台（12）实现上下移动。

3.根据权利要求2所述的可实现两转三移的混联解耦机床，其特征在于，所述两支链并联转动解耦机构包括II号平台（25）和两条支链，II号平台（25）的顶部通过II号虎克铰（26）与I号平台（12）串联，II号平台（25）的底部安装有刀具连接件（27），两条支链对称设置，支链内侧端与II号平台（25）连接、外侧端与矩形柱体框架连接；

两条支链的结构组成相同，支链包括滚珠丝杠组件（17）、I号导轨滑块（18）、I号直线导轨（19）、直角转动连接件（21）、直线转动连接件（23），直线转动连接件（23）的一端与II号平台（25）侧面的转动副连接，直线转动连接件（23）的另一端通过I号虎克铰（24）与直角转动连接件（21）的水平端转动副连接，直角转动连接件（21）的竖向端底端安装有I号导轨滑块（18），I号导轨滑块（18）与横向设置的I号直线导轨（19）移动副连接，I号直线导轨（19）的一端与滚珠丝杠组件（17）的滑块转动副连接，滚珠丝杠组件（17）的竖向丝杠外接驱动伺服电机，且竖向丝杠的上下两端分别通过转动连接件（16）与矩形柱体框架转动副连接。

4.根据权利要求3所述的可实现两转三移的混联解耦机床，其特征在于，所述底座夹持装置包括底座（35）和安装于底座（35）上的II号直线导轨（29）、II号导轨滑块（30）、虎钳（31）、III号导轨滑块（33）和III号直线导轨（34），矩形柱体框架的立柱固定于底座（35）上表面的四个角处，两个II号直线导轨（29）平行设置安装于底座（35）上，III号直线导轨（34）的两端分别通过II号导轨滑块（30）与两侧的II号直线导轨（29）移动副连接，III号直线导轨（34）上移动副安装III号导轨滑块（33），III号导轨滑块（33）上通过平板固定有虎钳（31）。