CN1225343C - 用于虚拟轴数控机床和机器人的两平移三转动的并联机构 - Google Patents

Abstract

提供一类(3种)5自由度(两平移三转动)并联机构。其中一种，由动平台、静平台和3条支路组成。第1条支路由两个移动副与三个转动组成的平面5杆回路再串联一个球面副而成；第2条支路由一移动副和两球面副串联而成，第3条支路由两个移动副与三个球面副组成的5杆回路再串联一个球面副而成。3条支路的两端构件分别固联在动、静平台上。驱动5个移动副，即可控制动平台的两平移三转动输出。该机构具有非期望运动输出的常量，运动输入—输出部分控制解耦，运动学分析可依次对各基本回路单独求解，且各回路仅为二次解析式，机构结构简单等优点。该机构可作为虚轴机床、虚轴机械测量机、机器人等的执行机构。

Description

用于虚拟轴数控机床和机器人的两平移三转动的并联机构

技术领域

本发明涉及一类机床、机器人与坐标测量机等的执行机构，具体的说，是为并联结构虚拟轴数控机床、并联机器人和测量机提供一种两平移三转动的五自由度新型并联机构。

背景技术

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(如美国Giddings and Lewis公司的Variax型并联机床)，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。

并联机构的虚轴坐标测量机，也是近年来测量机的一个重大进展，与传统属于串联结构的测量机相比，具有刚度大、运动速度高、误差不叠加等特征，可使测量精度与测量效率等有较大改善。目前已有的并联机构测量多机采用Stewart机构(如俄罗斯Lapic公司的KNM-750型3坐标测量机)。其动平台相对于基平台具有6个空间自由度，但结构相对比较复杂，末端执行器位姿求解困难。

总之，虚轴机床、虚轴测量机与机器人等的发展与实用化，需要创造出优于现有机构的新机型。

发明内容

本发明目的是提供一种两平移三转动的4自由度并联机构。该机构具有结构简单、工作空间较大、便于制造、安装等优点。特别是可实现控制解耦且运动学正解较为简单，显著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、虚轴测量机、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。

附图说明

附图1是本发明机构简图。它由动平台1、静平台0和结构不完全相同的4条支路组成。第1条支路由两个移动副P₂与P₄和三个转动副R₁、R₃与R₅组成的平面5杆回路再串联一个球面副S₆而成；而且两个转动副R₁和R₅固联在静平台上，球面副S₆固联在动平台上；第2条支路由一个移动副P₈和两个球面副S₇与S₉串联而成；第3条支路由一个移动副P₁₁和两个球面副S₁₀与S₁₂串联而成；第4条支路由一移动副P₁₄和两个球面副S₁₃与S₁₅串联而成；而且这三条支路中的每条上的两上球面副分别与动平台和静平台固联。

附图2为附图1所示并联机构的衍生并联机构。它由动平台1、静平台0和3条支路组成。其第1条、第2条支路分别同于附图1机构的第1条、第2条支路，第3条支路由两个移动副P₁₂与P₁₃和三个球面副S₁₀、S₁₂与S₁₄组成的5杆回路再串联一个与动平台1固联的球面副S₁₅而成。而且五杆回路的两个球面副S₁₀和S₁₄固联在静平台上。

本发明为一类两平移三转动的五自由度新型并联机构。该类机构具有以下特点：

(1)动平台具有二平移三转动输出，且非期望运动输出为常量；

(2)运动输入——输出具有部分解耦性，即可实现部分控制解耦；

(3)机构运动学分析可依次对各基本回路单独求解，且各回路为二次解析式，有利于实现机器人的实时控制与在线、离线运动规划；

(4)机构结构较简单、工作空间较大；

总之，本发明为虚轴机床、机器人、虚轴测量机、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、测量机、微动操作手的开发与实用化。

具体实施方式

附图2所示并联机构可视为本发明用于虚轴机械测量机的一个实施例，其具体结构已如前述附图2说明。在动平台1上安装测量头A。当机构各构件尺度参数确定后，控制5个驱动副P₂、P₄、P₈、P₁₁与P₁₃的输入运动，就可控制动平台1上的测量头A的三维坐标，即可为虚轴机械测量机的执行机构。因有5个主动输入，有利于避开机构的奇异位形。

Claims (2)

1.一种可用于虚拟轴数控机床、机器人和测量机的两平移三转动的五自由度并联机构，其组成包括动、静平台及联接在动、静平台之间的4条支路：第1条支路由两个移动副与三个转动副组成的平面5杆回路再串联一个球面副而成，而且所述第一条支路中的两个移动副分别通过一个所述的转动副固联在静平台上，通过所述的球面副固联在动平台上；第2条、第3第与第4第支路结构相同，都由一个移动副和两个球面副串联而成，而且这三支路中的每条上的两个球面副分别与动平台和静平台固联。

2.一种按照权利要求1所述的并联机构，其特征在于，所述第3条和第4条支路被替换成由两移动副和三个球面副组成的5杆回路再串联一个与动平台固联的球面副组成的一支路，而且5杆回路通过所述的两个球面副分别固联在静平台上。

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