CN1188246C - 用于虚轴数控机床、机器人的两平移一转动三自由度并联机构 - Google Patents
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Abstract
提供一类(4种)3自由度(两平移一转动)并联机构。一种由动平台、静平台和结构不全相同的3条支路组成，第一条支路由移动副、垂直于移动副的4个转动副组成的平行四边形回路、以及轴线与四边形一边重合的转动副串联而成，另两条支路结构相同，由一个移动副、与移动副垂直且相互平行的两转动副、以及垂直于前两个转动副且相互平行的两转动副串联而成，三条支路两端构件分别固联在动、静平台上：位于动平台上的三转动副呈相互平行配置，位于静平台上的3个移动副亦呈相互平行配置。驱动静平台上3个移动副，即可控制动平台的两平移-转动输出。该机构具有非期望输出为常量、运动学正解容易、结构较简单、刚性好、便于制造等优点。为虚轴机床、机器人等提供新机型，为其开发与实用化提供了可能。
Description
本发明涉及一种机床、机器人等的执行机构，具体的说，是为并联结构虚轴数控机床、并联机器人等提供一类新型并联机构。
并联结构数控机床是指以并联机构为执行机构的机床，该机床被认为是二十世纪以来机床结构的一次革命。目前在美国、日本等国已研制出这种机床的样机，所采用的并联机构均为传统的斯图尔特(Stewart)机构。这种控制刀具在空间的位置和姿态变化的机构主要由基座、运动平台和连杆组成，基座和运动平台之间由连杆相连，连杆两端分别为球副和万向节。该机构有6个连杆，但连杆的长度可调，通过控制6根连杆的长度，改变刀具在空间的位姿。但这类机构有很多关键性技术没能完全解决。如，(1)运动学正解困难；(2)运动平台位姿是输入的强耦合，不利于控制；(3)机构复杂，使其工作空间较小；(4)制造高精度球副困难等。
对虚轴数控机床而言，许多场合需要提供自由度大于3且小于6的更简单的并联机构。例如，对4轴联动数控机床，可提供3自由度(两平移一转动)并联平台机构，就可用于对空间曲面(如模具、叶轮等)加工。因此，虚轴数控机床、机器人等的发展和实用化，需要创造出优于现有机构的新机型。
本发明目的是提供一类(4种)3自由度(两平移一转动)并联机构。该机构具有结构简单、工作空间较大、便于制造、安装等优点。特别是运动学正解较为简单，可简化并联结构虚轴机床和机器人***的控制与轨迹规划的复杂性。为虚轴机床、机器人、微动操作手等提供新机型，为其开发与实用化提供可能。
附图1是本发明机构简图。它由动平台 1、静平台 2 和结构不相同的 3 条支路组成。第一条支路由移动副P1、垂直于移动副的4个转动副R21、R22、R23、R24组成的平行四边形回路、以及轴线与四边形一边重合的转动副R3串联而成。另两条支路结构相同，由一个移动副P8、与移动副垂直且相互平行的两转动副R7，R6以及垂直于前两个转动副且相互平行的两转动副R5、R4串联而成。三条支路两端构件分别固联在动、静平台上：位于动平台上的三转动副R3、R4、R9呈相互平行配置，位于静平台上的3个移动副P1、P8、P13亦呈相互平行配置。
附图1中，两结构相同的支路可用另一种两结构相同的支路替代，新支路由移动副P7、垂直于移动副的4个转动副R51、R52、R53、R54的平行四边形回路、以及轴线与四边形对边重合的两个转动副R6，R4串联而成。三条支路在动、静平台之间的配置方位不变，如附图2所示。
附图1中，两结构相同的支路可用另一种两结构相同的支路替代，新支路由一移动副P6与两球面副S5，S4串联而成。三支路在动、静平台之间的配置方式：动平台上的转动副R3轴线与两球副S4、S7连心线平行，静平台上三移动副P1、P6、P9可任意配置，如附图3所示。
附图1中，含平行四边形的支路可以用一新支路替代，新支路由移动副P1、垂直于移动副且相互平行的两转动副R2、R3、以及与前两转动副垂直的转动副R4串联而成；两结构相同的支路皆用另一新支路替代，新支路由移动副P9、垂直于移动副且相互平行的两转动副R8、R7、以及垂直于前两个转动副且相互平行的两转动副R6、R5串联而成；三条支路两端构件分别固联在动、静平台上：位于动平台的3个转动副R4，R5，R10呈相互平行配置，位于静平台上3个移动副P1、P9、P14亦呈相互平行配置，如附图4所示。
在附图2中，平行四边形回路及其对边两构件连心线上串联的两个转动副，可以用4个球面副S1、S2、S3、S4组成的平行四边形替代，如附图5所示。
在附图1、附图2或附图3中，平行四边形回路及其一边连心线上串联的转动副，可以用2个球面副S1、S2和两个转动副组成的平行四边形替代，如附图6所示。
本发明为一类3自由度(两平移一转动)新型并联机构。该机构具有以下特点：
(1)机构工作平台具有两平移一转动运动输出，且非期望运动输出为常量；
(2)机构存在过约束回路，故刚性好、结构较简单；
(3)运动学正解比Stewart机构简单；
(4)当本发明机构由转动副、移动副及万向节组成时，易于精密加工，利于提高并联机构的运动精度。
总之，本发明为虚轴数控机床、机器人、微动操作手等，提供了具有上述特点的新机型，利于新型机床、机器人、微动操作手的开发与实用化。
Claims (4)
1.一种用于虚轴数控机床、机器人的两平移一转动三自由度并联机构，其组成包括，动平台、静平台、第一条支路、第二条支路和第三条支路，其中，第一条支路由一个移动副、垂直于该移动副的由四个转动副组成的平行四边形回路、以及轴线与平行四边形的一边重合的一转动副串联而成；第二条支路和第三条支路结构相同，分别由一个移动副、与移动副垂直的两个彼此平行的转动副、以及垂直于前两个转动副且彼此平行的两转动副串联而成；三条支路的端部构件分别固联在动、静平台上，而且位于动平台上的三转动副呈相互平行配置，位于静平台上的三个移动副也呈相互平行配置。
2.一种用于虚轴数控机床、机器人的两平移一转动三自由度并联机构，其组成包括，动平台、静平台、第一条支路、第二条支路和第三条支路，其中，第一条支路由一个移动副、垂直于该移动副的由四个转动副组成的平行四边形回路、以及轴线与平行四边形的一边重合的一转动副串联而成；第二条支路和第三条支路结构相同，分别由一个移动副、垂直于该移动副的由四个转动副组成的平行四边形回路、以及轴线与平行四边形回路的两对边分别重合的两转动副串联而成；三条支路的端部构件分别固联在动、静平台上，而且位于动平台上的三转动副呈相互平行配置，位于静平台上的三个移动副也呈相互平行配置。
3.一种用于虚轴数控机床、机器人的两平移一转动三自由度并联机构，其组成包括，动平台、静平台、第一条支路、第二条支路和第三条支路，其中，第一条支路由一个移动副、垂直于该移动副的由四个转动副组成的平行四边形回路、以及轴线与平行四边形的一边重合的一转动副串联而成；第二条支路和第三条支路结构相同，分别由由一移动副与两球面副串联而成；三条支路的端部构件分别固联在动、静平台上，而且动平台上的转动副轴线与两球副连心线平行，静平台上三移动副可任意配置。
4.按照权利要求2所述机构，平行四边形回路及其对边两构件连心线上串联的两个转动副，可以用四个球面副组成的平行四边形替代。
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