一種具有規範位置工作空間的3自由度並聯機構的製作方法

2023-06-09 22:10:56

專利名稱：一種具有規範位置工作空間的3自由度並聯機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種數控工具機、工業機器人的位置執行機構，屬於數控加工裝備技術領域。
背景技術：
Tricept機器人是瑞典Neos Robotic公司研製和生產的一種混聯型6自由度工業機器人，該機器人機構由一個3自由度並聯機構串接一個3自由度轉臺機構構成。其中3自由度並聯機構為機器人的位置機構，用於改變機器人夾爪的位置，3自由度轉臺機構為機器人的姿態機構，可調整機器人夾爪的姿態。該機器人位置機構的機構簡圖見圖1，由動平臺1、機架2、一條被動支鏈和三條結構相同的主動支鏈構成。被動支鏈由虎克鉸3、連架杆4、移動副5及連杆6組成，連架杆4和連杆6的各一端通過移動副5相連，連架杆4的另一端通過虎克鉸3與機架2相連，連杆6的另一端與動平臺1剛性聯結、且連杆6垂直於動平臺1。主動支鏈由虎克鉸3、連架杆4、移動副5、連杆6及球鉸7組成，連架杆4及連杆6的各一端通過移動副5相連，連架杆4的另一端通過虎克鉸3與機架2相連，連杆6的另一端由球鉸7與動平臺1相連。為保證該位置機構具有對稱的工作空間，被動支鏈上的虎克鉸3設置於機架2的幾何中心B處，被動支鏈上連杆6與動平臺1的剛性聯結點設置於動平臺1臺面的幾何中心C處。同時，三條主動支鏈在動平臺1和機架2之間對稱布置。因採用並聯機構作為位置執行機構，Tricept機器人具有較大的承載能力和剛性。此外，由於位置機構的支鏈數目較少、減少了支鏈幹涉現象。該機器人還具有較大的位置作業空間。在動平臺1上串接3自由度轉臺機構後，Tricept機器人的夾爪具有很強的姿態能力。上述優點使得Tricept機器人成為工業機器人中以並聯機構作為位置執行機構的應用範例之一。SMT Tricept公司推出了以Tricept機器人位置機構為位置執行機構的混聯型數控工具機。德國的Dekel Maho公司也以Tricept機器人位置機構為基礎開發了相應的混聯工具機。
申請號為2004 1 03144281.1(原專利公開說明文本上的申請號為03144281.1)的發明專利公布了《非對稱空間5自由度混聯機器人》，該機器人機構由一個3自由度並聯機構串接一個2自由度轉臺機構構成。該機器人的位置機構簡圖見圖2，由動平臺1、機架2、三條主動支鏈構成。其中的一條主動支鏈由虎克鉸3、連架杆4、移動副5及連杆6組成，連架杆4和連杆6的各一端通過移動副5相連，連架杆4的另一端通過虎克鉸3與機架2相連，連杆6的另一端與動平臺1剛性聯結。其餘兩條主動支鏈由虎克鉸3、連架杆4、移動副5、連杆6及球鉸7組成，連架杆4及連杆6的一端通過移動副5相連，連架杆4的另一端通過虎克鉸3與機架2相連，連杆6的另一端通過球鉸7與動平臺1相連。與Tricept機器人的位置機構相比，該位置機構的顯著特點是減少了一條被動支鏈，進一步降低了機構的複雜程度及支鏈幹涉的可能性，提高了機構的動態特性並可獲得更大的工作空間。
上述兩種3自由度並聯機構都可作為5自由度混聯數控工具機的位置機構。在其動平臺上設置2自由度刀具臺後，均可實現複雜形貌曲面的加工作業。但多坐標數控加工工具機要求其位置機構具有較為規範的工作空間及較均衡的伺服剛度特性，由圖3及圖4所示的Tricept機器人和非對稱空間5自由度混聯機器人位置工作空間的示意圖可知，兩位置工作空間均為多片曲面片所圍成的封閉區間，它們的幾何形狀均不夠規範。由這兩種並聯機構與2自由度刀具臺串接構成的5自由度混聯工具機在進行複雜形貌曲面加工時，需要進行較為繁複的位置工作空間檢驗以判定刀具位置是否超出工作空間邊界。此外，由圖1和圖2知，這兩種並聯機構在運動過程中，其主動關節(移動副5)的軸線與Z軸的夾角較小，與X軸及Y軸的夾角較大，故兩並聯機構在Z軸方向上均具有較大的伺服剛度，而在X軸及Y軸方向的伺服剛度均較小，致使所構成的5自由度混聯工具機在其位置空間內的伺服剛度分布呈現出較強的不均勻性。

發明內容
為了克服上述現有技術存在的問題，本發明設計出了一種用於5自由度混聯工具機的具有規範位置工作空間的3自由度並聯機構。
本發明提供的一種具有規範位置工作空間的3自由度並聯機構所採用的技術方案如圖5、6、7、8和9所示。該機構包括有動平臺1、機架2和三條主動支鏈。其中第一條主動支鏈由移動副5、連架杆4、虎克鉸3及連杆6組成。連架杆4和連杆6的各一端通過虎克鉸3相連，連架杆4的另一端通過移動副5與機架2相連，連杆6的另一端與動平臺1剛性聯結、且連杆6垂直於動平臺1的上檯面。第二、第三條主動支鏈的結構相同，由移動副5、連架杆4、虎克鉸3、連杆6及球鉸7組成。連架杆4及連杆6的各一端通過虎克鉸3相連，連架杆4的另一端通過移動副5與機架2相連，連杆6的另一端通過球鉸7與動平臺1相連。三條主動支鏈上的移動副5為機構的主動關節；本發明的特徵在於三條主動支鏈中的移動副5的軸線彼此垂直並匯交於一點；第一條主動支鏈與動平臺1之間的剛性聯接點C到動平臺1的幾何中心點D的連線CD同時垂直於第二和第三條主動支鏈上球鉸7的中心點E、F與動平臺1的幾何中心點D的連線ED、FD，且連線ED和FD也彼此垂直。
上述所述的一種具有規範位置工作空間的3自由度並聯機構，三條主動支鏈中移動副5和虎克鉸3的設置位置可以相互對調。
該機構的工作原理如下所述該機構為具有3個自由度的並聯機構，當設置三條主動支鏈上的3個移動副5為主動關節後，機構具有確定的空間運動。令3個移動副5沿其軸線滑移，即可帶動平臺1運動並實現動平臺幾何中心點D的三維空間移動。
本發明的突出優點是機構組成簡單、無支鏈幹涉現象，位置工作空間大、且具有規範的幾何形狀，當採用該機構作為5自由度混聯工具機的位置執行機構時，無需對刀具的位置進行工作空間檢驗。此外，由於三條主動支連中主動關節的軸線分別與X、Y、Z軸平行，機構在其位置工作空間內的伺服剛度分布更為理想。


圖1 Tricept機器人的位置機構簡圖。
圖2非對稱空間5自由度混聯機器人的位置機構簡圖。
圖3 Tricept機器人的位置工作空間示意圖。
圖4非對稱空間5自由度混聯機器人的位置工作空間示意圖。
圖5本發明的並聯機構的機構簡圖。
圖6第一條支鏈的機構簡圖。
圖7第二和第三條支鏈的機構簡圖。
圖8本發明的並聯機構的位置工作空間示意圖。
圖9主動支鏈中移動副5和虎克鉸3的設置位置相互對調示意圖。
圖1～圖9中1、動平臺；2、機架；3、虎克鉸；4、連架杆；5、移動副；6、連杆；7、球鉸。
下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步的詳細描述。
具體實施例方式
實施方式一圖5為本發明的具體實施方式
一。將市售的常規部件移動副5、虎克鉸3和加工製作的連架杆4、連杆6等部件組裝成主動支鏈。然後將動平臺1、機架2、三條主動支鏈組裝成整體並聯機構。組裝時，第一條主動支鏈中的連杆6的一端與動平臺1在點C(動平臺1上檯面的幾何中心)處剛性聯結。第二、第三條主動支鏈通過球鉸7與動平臺1相連。按設計要求保證三條主動支鏈的3個移動副5的3條軸線彼此垂直、且匯交於一點；保證第一條主動支鏈與動平臺1之間的剛性聯接點C到動平臺1幾何中心D的連線CD、第二及第三條主動支鏈與動平臺1的連接鉸鏈(虎克鉸3)的中心點E、F與點D的連線ED、FD，這三條連線彼此垂直、並匯交於點D。在本實施方式中，三條主動支鏈上的移動副5為機構的主動關節。
實施方式二圖10為本發明的另一具體實施方式
。實施方式二與實施方式一採用相同的部件組成該並聯機構，不同之處在於3條主動支鏈上的移動副5與虎克鉸3的設置位置進行了對調。
權利要求
1.一種具有規範位置工作空間的3自由度並聯機構，包括有動平臺(1)、機架(2)和三條主動支鏈；其中第一條主動支鏈由移動副(5)、連架杆(4)、虎克鉸(3)及連杆(6)組成，連架杆(4)和連杆(6)的各一端通過虎克鉸(3)相連，連架杆(4)的另一端通過移動副(5)與機架(2)相連，連杆(6)的另一端與動平臺(1)剛性聯結、且連杆(6)垂直於動平臺(1)的上檯面；第二、第三條主動支鏈的結構相同，由移動副(5)、連架杆(4)、虎克鉸(3)、連杆(6)及球鉸(7)組成，連架杆(4)及連杆(6)的各一端通過虎克鉸(3)相連，連架杆(4)的另一端通過移動副(5)與機架(2)相連，連杆(6)的另一端通過球鉸(7)與動平臺(1)相連；三條主動支鏈上的移動副(5)為機構的主動關節；特徵在於三條主動支鏈中的移動副(5)的軸線彼此垂直並匯交於一點；第一條主動支鏈與動平臺(1)之間的剛性聯接點C到動平臺(1)的幾何中心點D的連線CD同時垂直於第二和第三條主動支鏈上球鉸(7)的中心點E、F與動平臺(1)的幾何中心點D的連線ED、FD，且連線ED和FD也彼此垂直。
2.根據權利要求1所述的一種具有規範位置工作空間的3自由度並聯機構，特徵在於三條主動支鏈中移動副(5)和虎克鉸(3)的設置位置可以相互對調。
全文摘要
一種具有規範位置工作空間的3自由度並聯機構，可作為5自由度混聯工具機的位置執行機構。主要由動平臺、機架及三條主動支鏈構成。第一條主動支鏈由移動副、連架杆、虎克鉸和連杆組成，其連杆與動平臺剛性聯結。第二、第三條主動支鏈中增設了球鉸，並通過球鉸與動平臺相連。該機構中，每條主動支鏈中的移動副均被設置為主動關節，三個移動副的軸線彼此垂直並匯交於一點；第一條主動支鏈與動平臺之間的剛性聯接點到動平臺的幾何中心點的連線同時垂直於第二和第三條主動支鏈上球鉸的中心點與動平臺的幾何中心點的連線，且第二和第三條主動支鏈上球鉸的中心點與動平臺的幾何中心點的連線也彼此垂直。本機構具有組成簡單、各支鏈之間無運動幹涉等特點。
文檔編號B23Q1/25GK1603064SQ20041008670
公開日2005年4月6日 申請日期2004年10月29日 優先權日2004年10月29日
發明者李劍鋒, 吳光中, 王新華, 魏源遷, 伍良生 申請人:北京工業大學