用於虛軸工具機和機器人等的一類兩平移一轉動並聯機構的製作方法
2023-10-18 12:54:49
專利名稱：用於虛軸工具機和機器人等的一類兩平移一轉動並聯機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種工具機、機器人等的執行機構，具體的說，是為並聯結構虛軸數控工具機、並聯機器人等提供一類新型並聯機構。
並聯結構數控工具機是指以並聯機構為執行機構的工具機，該工具機被認為是二十世紀以來工具機結構的一次革命。目前在美國、日本等國已研製出這種工具機的樣機，所採用的並聯機構均為傳統的斯圖爾特(Stewart)機構。這種控制刀具在空間的位置和姿態變化的機構主要由基座、運動平臺和連杆組成，基座和運動平臺之間由連杆相連，連杆兩端分別為球副和萬向節。該機構有6個連杆，但連杆的長度可調，通過控制6根連杆的長度，改變刀具在空間的位姿。但這類機構有很多關鍵性技術沒能完全解決。如，(1)運動學正解困難；(2)運動平臺位姿是輸入的強耦合，不利於控制；(3)機構複雜，使其工作空間較小；(4)製造高精度球副困難等。
對虛軸數控工具機而言，許多場合需要提供自由度大於3且小於6的更簡單的並聯機構。例如，對4軸聯動數控工具機，可提供3自由度(兩平移一轉動)並聯平臺機構，就可用於對空間曲面(如模具、葉輪等)加工。因此，虛軸數控工具機、機器人等的發展和實用化，需要創造出優於現有機構的新機型。
本發明目的是提供一類(4種)3自由度(兩平移一轉動)並聯機構。該機構具有結構簡單、工作空間較大、便於製造、安裝等優點。特別是運動學正解較為簡單，可簡化並聯結構虛軸工具機和機器人系統的控制與軌跡規劃的複雜性。為虛軸工具機、機器人、微動操作手等提供新機型，為其開發與實用化提供可能。
附
圖1是本發明機構簡圖。它由動平臺(1)、靜平臺(2)和結構不相同的3條支路組成。第一條支路由移動副(P1)、垂直於移動副的4個轉動副(R21、R22、R23、R24)組成的平行四邊形迴路、以及軸線與四邊形一邊重合的轉動副(R3)串聯而成。另兩條支路結構相同，由一個移動副(P8)、與移動副垂直且相互平行的兩轉動副(R7，R6)以及垂直於前兩個轉動副且相互平行的兩轉動副(R5、R4)串聯而成。三條支路兩端構件分別固聯在動、靜平臺上位於動平臺上的三轉動副(R3、R4、R9)呈相互平行配置，位於靜平臺上的3個移動副(P1、P8、P13)亦呈相互平行配置。
附圖1中，兩結構相同的支路可用另一種兩結構相同的支路替代，新支路由移動副(P7)、垂直於移動副的4個轉動副(R51、R52、R53、R54)的平行四邊形迴路、以及軸線與四邊形對邊重合的兩個轉動副(R6，R4)串聯而成。三條支路在動、靜平臺之間的配置方位不變，如附圖2所示。
附圖1中，兩結構相同的支路可用另一種兩結構相同的支路替代，新支路由一移動副(P6)與兩球面副(S5，S4)串聯而成。三支路在動、靜平臺之間的配置方式動平臺上的轉動副(R3)軸線與兩球副(S4、S7)連心線平行，靜平臺上三移動副(P1、P6、P9)可任意配置，如附圖3所示。
附圖1中，含平行四邊形的支路可以用一新支路替代，新支路由移動副(P1)、垂直於移動副且相互平行的兩轉動副(R2、R3)、以及與前兩轉動副垂直的轉動副(R4)串聯而成；兩結構相同的支路皆用另一新支路替代，新支路由移動副(P9)、垂直於移動副且相互平行的兩轉動副(R8、R7)、以及垂直於前兩個轉動副且相互平行的兩轉動副(R6、R5)串聯而成；三條支路兩端構件分別固聯在動、靜平臺上位於動平臺的3個轉動副(R4，R5，R10)呈相互平行配置，位於靜平臺上3個移動副(P1、P9、P14)亦呈相互平行配置，如附圖4所示。
在附圖2中，平行四邊形迴路及其對邊兩構件連心線上串聯的兩個轉動副，可以用4個球面副(S1、S2、S3、S4)組成的平行四邊形替代，如附圖5所示。
在附圖1、附圖2或附圖3中，平行四邊形迴路及其一邊連心線上串聯的轉動副，可以用2個球面副(S1、S2)和兩個轉動副組成的平行四邊形替代，如附圖6所示。
本發明為一類3自由度(兩平移一轉動)新型並聯機構。該機構具有以下特點(1)機構工作平臺具有兩平移一轉動運動輸出，且非期望運動輸出為常量；(2)機構存在過約束迴路，故剛性好、結構較簡單；(3)運動學正解比Stewart機構簡單；(4)當本發明機構由轉動副、移動副及萬向節組成時，易於精密加工，利於提高並聯機構的運動精度。
總之，本發明為虛軸數控工具機、機器人、微動操作手等，提供了具有上述特點的新機型，利於新型工具機、機器人、微動操作手的開發與實用化。
權利要求
1.一種可用於虛軸數控工具機、機器人等的3自由度(兩平移一轉動)並聯機構，其組成包括動平臺、靜平臺和結構不相同的3條支路，第一條支路由移動副、垂直於移動副的4個轉動副組成的平行四邊形迴路、以及軸線與四邊形一邊重合的轉動副串聯而成，另兩條支路結構相同，由一個移動副、與移動副垂直且相互平行的兩轉動副、以及垂直於前兩個轉動副且相互平行的兩轉動副串聯而成，三條支路兩端構件分別固聯在動、靜平臺上位於動平臺上的三轉動副呈相互平行配置，位於靜平臺上的3個移動副亦呈相互平行配置。
2.按照權利1要求所述機構，兩結構相同的支路可用另一種兩結構相同的支路替代，新支路由移動副、垂直於移動副的4個轉動副的平行四邊形迴路、以及軸線與四邊形對邊重合的兩個轉動副串聯而成，三條支路在動、靜平臺之間的配置方位不變。
3.按照權利1要求所述機構，兩結構相同的支路可用另一種兩結構相同的支路替代，新支路由一移動副與兩球面副串聯而成，三支路在動、靜平臺之間的配置方式動平臺上的轉動副軸線與兩球副連心線平行，靜平臺上三移動副可任意配置。
4.按照權利1要求所述機構，含平行四邊形的支路可以用一新支路替代，新支路由移動副、垂直於移動副且相互平行的兩轉動副、以及與前兩轉動副垂直的轉動副串聯而成，兩結構相同的支路皆用另一新支路替代，新支路由移動副、垂直於移動副且相互平行的兩轉動副、以及垂直於前兩個轉動副且相互平行的兩轉動副串聯而成，三條支路兩端構件分別固聯在動、靜平臺上位於動平臺的3個轉動副呈相互平行配置，位於靜平臺上3個移動副亦呈相互平行配置。
5.按照權利2要求所述機構，平行四邊形迴路及其對邊兩構件連心線上串聯的兩個轉動副，可以用4個球面副組成的平行四邊形替代。
6.按照權利1、權利2或權利3要求所述機構，平行四邊形迴路及其一邊連心線上串聯的轉動副，可以用2個球面副和兩個轉動副組成的平行四邊形替代。
全文摘要
提供一類(4種)3自由度(兩平移一轉動)並聯機構。一種由動平臺、靜平臺和結構不全相同的3條支路組成,第一條支路由移動副、垂直於移動副的4個轉動副組成的平行四邊形迴路、以及軸線與四邊形一邊重合的轉動副串聯而成,另兩條支路結構相同,由一個移動副、與移動副垂直且相互平行的兩轉動副、以及垂直於前兩個轉動副且相互平行的兩轉動副串聯而成,三條支路兩端構件分別固聯在動、靜平臺上:位於動平臺上的三轉動副呈相互平行配置,位於靜平臺上的3個移動副亦呈相互平行配置。驅動靜平臺上3個移動副,即可控制動平臺的兩平移一轉動輸出。該機構具有非期望輸出為常量、運動學正解容易、結構較簡單、剛性好、便於製造等優點。為虛軸工具機、機器人等提供新機型,為其開發與實用化提供了可能。
文檔編號B23Q41/06GK1389327SQ0213792
公開日2003年1月8日 申請日期2002年7月10日 優先權日2002年7月10日
發明者楊廷力 申請人:楊廷力