CN1238156C - 一种用于并联机床的两转动一平动三自由度冗余并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有两转动和一平动的三自由度冗余并联机构，该并联机构包括静平台、动平台、三根单自由度非冗余支链和一根单自由度冗余支链，所述三根单自由度非冗余支链的一端通过转动副连接静平台，另一端通过球铰连接动平台，所述单自由度冗余支链的两端均为球铰。本发明可提高并联机构的精度和刚性，扩大了机构的摆动姿态空间，适用于制造高精度、大姿态角的数控并联机床。

Description

一种用于并联机床的两转动一平动三自由度冗余并联机构
技术领域
本发明属于机械制造领域，尤其涉及一种可用于并联机床的三自由度冗余并联机构。
背景技术
并联机床又称为虚(拟)轴机床，是上世纪90年代中期问世的新型数控加工设备，被认为是机床领域的一次革命。自1994年美国基顶丝与莱维丝(Giddings & Lewis)公司和英格索尔(Ingersoll)公司推出并联机床以来，相继有德国、日本、俄罗斯、瑞士等国家的高校和科研院所开展了对此类机床的研究工作，至今国内外已有多台并联机床出现。这种新型结构的机床对传统的以串联结构为主的机床进行了极大的补充。比如，在传统机床结构中，要实现5轴加工，需要在传统3轴机床上再增加两个轴来控制刀具的姿态，所有这些轴都按照串联结构布置。当一个轴运动时，需带动串联运动链上后面的所有轴一起运动，因此其运动惯性大，动态性能较差。对于一般的并联机构来说，要实现5自由度运动，只需控制几个伸缩杆或是滑块的运动便可实现，其动平台的运动是几个支链运动综合的结果，因此这种结构的机床易于实现多坐标运动，具有响应速度快的特点。此外，在这种运动方式下，机构末端执行件的运动误差不像串联方式那样是各轴误差的累积，而是各支链的误差能够抵消一部分，因此其理论精度要优于传统结构的机床。
但随着人们对并联机床的逐步研究发现，并联机床在精度、刚性、奇异、工作空间等方面存在的问题已经使得并联机床的性能大打折扣。这其中有许多原因。比如在精度方面，并联机床的精度在很大程度上取决于球铰、虎克铰等关键部件，而高精度和刚性的铰链的制造比较困难。这一点使得并联机床的精度优势无法表现出来，有时候反而表现得比串联机床还差。另外并联机构的工作空间小，尤其是姿态空间小，构型内部存在奇异等问题是机构自身无法克服的。
在专利文献CN1267586中，公开了一种采用四个支链的并联机构，但其中两个支链的两端采用转动副和球副，另外两个支链两端采用虎克副和球副，该发明可实现四个自由度，不属于冗余并联机构。
发明内容
本发明的目的是提出一种带有冗余支链的并联机构来克服并联机构的上述缺点。该机构具有工作空间大，运动精度高，刚性好等优点，使该类并联机床更加实用。
本发明的冗余并联机构包括静平台、动平台、三根单自由度非冗余支链和一根单自由度冗余支链，所述三根单自由度非冗余支链的一端通过转动副连接静平台，另一端通过球铰连接动平台，所述单自由度冗余支链的两端均为球铰。
可优选的是，所述三根单自由度非冗余支链和所述单自由度冗余支链均采用丝杠和螺母结构来实现各支链的单自由度伸缩。
更可取的是，所述三根单自由度非冗余支链和所述单自由度冗余支链均采用定长连杆的滑轨和滑块结构来实现各支链的单自由度运动，并将所述滑轨固定在与静平台固连的一立柱上，并使滑块在滑轨上移动。
此外，所述三根单自由度非冗余支链和所述单自由度冗余支链可分别采用滑轨和滑块结构或丝杠和螺母结构。
通过控制各支链的单自由度运动来控制动平台的位置和姿态。该机构的动平台可以实现两自由度的转动和一个自由度的平动，共三个自由度。机构共有四个输入，其中单自由度冗余支链的运动为冗余输入，因此其运动输入要与其它三根支链的运动相协调，机构才能实现确定的运动。
上述的冗余并联机构中，由于冗余支链的存在可以克服并联机构目前存在的一些问题。首先，增加一条支链显然能够提高机构的刚性。此外，由于多了一条支链的约束可以减少由于铰链间隙引起的动平台的运动误差，提高精度。同时，当并联机构处于奇异位置时，动平台由于具有多余的自由度而无法控制，此时可以通过该冗余支链的驱动使机构跨过该奇异位置，从而将相邻的两个构型空间加以合并，有效的增加了并联机构的工作空间。
本发明的优点在于：
1、在非冗余并联机构的基础上增加一条支链，可提高机构的刚性；
2、冗余支链可减小由于铰链间隙引起的运动误差，提高运动精度；
3、驱动冗余可以消除非冗余并联机构的奇异位形，增大工作空间；
4、改善机构的力学传递性能，提高机构的动态相应特性；
5、去除位置正解的多解问题。
本发明的并联机构对于动、静平台上铰链点的布置、平台大小和连杆支链长度无特定的限制，可以根据具体的设计要求来确定上述参数。下面通过附图对本发明给予进一步说明。
附图说明
图1为本发明并联机构的一个实施例；
图2为本发明并联机构的一个实施例。
具体实施方式
下面结合图1和图2对本发明进行详细描述。其中，在图1中各附图标记分别表示：1动平台；2球铰；3、6、7非冗余支链；4转动副；5静平台；8、10球铰；9冗余支链。从图1中可以看出它是一个由动平台1和静平台5以及四个支链组成的。其中非冗余支链3、6和7一端通过与转动副4相同的铰链连接静平台5，另一端通过与球铰2相同的铰链连接动平台1。9为该机构的冗余支链，它的两端通过球铰8和10连接两平台。机构在运动中通过控制支链3、6、7、9的长度来实现动平台1相对于静平台5的位置和姿态的变化。在图2中的附图标记分别表示：11框架；12立柱；13滑块；14转动副；15、16、23非冗余支链；17球铰；18工件；19工作台；20刀具；21动平台；22、25球铰；24冗余支链；26滑块。如图2所示，机构主要由框架11、四根立柱12、连杆15、16、23、24以及动平台21组成。立柱12上装有滑轨，滑轨上装有可上下移动的滑块。各支链通过与13相同的滑块连接立柱，从而实现上下移动。连杆15、16、23、24均为定长连杆。其中，连杆15、16、23一端通过球铰连接动平台21，另一端通过转动副连接各对应滑块。冗余支链24两端均为球铰来连接动平台21及滑块26。图中切削刀具20安装在动平台21上，图中还装有可沿两方向移动的工作台19，结合此工作台该机床可完成复杂零件的五坐标数控加工。
该发明的另外一种实例的四个支链可分别采用定长连杆和伸缩连杆，采用定长连杆时，其单自由度运动采用采用滑轨及滑块实现，采用伸缩杆支链时，其单自由度运动采用丝杠螺母结构实现。

Claims (4)

1、一种具有两转动和一平动的三自由度冗余并联机构，其特征在于：该并联机构包括静平台、动平台、三根单自由度非冗余支链和一根单自由度冗余支链，所述三根单自由度非冗余支链的一端通过转动副连接静平台，另一端通过球铰连接动平台，所述单自由度冗余支链的两端均为球铰。
2、按照权利要求1所述的三自由度冗余并联机构，其特征在于，所述三根单自由度非冗余支链和所述单自由度冗余支链均采用伸缩连杆的丝杠和螺母结构来实现各支链的单自由度运动。
3、按照权利要求1所述的三自由度冗余并联机构，其特征在于，所述三根单自由度非冗余支链和所述单自由度冗余支链均采用定长连杆的滑轨和滑块结构来实现各支链的单自由度运动，并将所述滑轨固定在与静平台固连的一立柱上，并使滑块在滑轨上移动。
4、按照权利要求1所述的三自由度冗余并联机构，其特征在于，所述三根单自由度非冗余支链和所述单自由度冗余支链可分别采用定长连杆的滑轨和滑块结构或者伸缩连杆的丝杠和螺母结构，并且当支链采用定长连杆的滑轨和滑块机构时，将所述滑轨固定在与静平台固定在与静平台故连的一立柱上，并使滑块在滑轨上移动。
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