專利名稱：用于虛軸機(jī)床和機(jī)器人等的一類兩平移一轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)床、機(jī)器人等的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具體的說，是為并聯(lián)結(jié)構(gòu)虛軸數(shù)控機(jī)床、并聯(lián)機(jī)器人等提供一類新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)。
并聯(lián)結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床是指以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)床，該機(jī)床被認(rèn)為是二十世紀(jì)以來機(jī)床結(jié)構(gòu)的一次革命。目前在美國(guó)、日本等國(guó)已研制出這種機(jī)床的樣機(jī)，所采用的并聯(lián)機(jī)構(gòu)均為傳統(tǒng)的斯圖爾特(Stewart)機(jī)構(gòu)。這種控制刀具在空間的位置和姿態(tài)變化的機(jī)構(gòu)主要由基座、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和連桿組成，基座和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之間由連桿相連，連桿兩端分別為球副和萬(wàn)向節(jié)。該機(jī)構(gòu)有6個(gè)連桿，但連桿的長(zhǎng)度可調(diào)，通過控制6根連桿的長(zhǎng)度，改變刀具在空間的位姿。但這類機(jī)構(gòu)有很多關(guān)鍵性技術(shù)沒能完全解決。如，(1)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解困難；(2)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)位姿是輸入的強(qiáng)耦合，不利于控制；(3)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，使其工作空間較??；(4)制造高精度球副困難等。
對(duì)虛軸數(shù)控機(jī)床而言，許多場(chǎng)合需要提供自由度大于3且小于6的更簡(jiǎn)單的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。例如，對(duì)4軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，可提供3自由度(兩平移一轉(zhuǎn)動(dòng))并聯(lián)平臺(tái)機(jī)構(gòu)，就可用于對(duì)空間曲面(如模具、葉輪等)加工。因此，虛軸數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等的發(fā)展和實(shí)用化，需要?jiǎng)?chuàng)造出優(yōu)于現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的新機(jī)型。
本發(fā)明目的是提供一類(4種)3自由度(兩平移一轉(zhuǎn)動(dòng))并聯(lián)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作空間較大、便于制造、安裝等優(yōu)點(diǎn)。特別是運(yùn)動(dòng)學(xué)正解較為簡(jiǎn)單，可簡(jiǎn)化并聯(lián)結(jié)構(gòu)虛軸機(jī)床和機(jī)器人系統(tǒng)的控制與軌跡規(guī)劃的復(fù)雜性。為虛軸機(jī)床、機(jī)器人、微動(dòng)操作手等提供新機(jī)型，為其開發(fā)與實(shí)用化提供可能。
附

圖1是本發(fā)明機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。它由動(dòng)平臺(tái)(1)、靜平臺(tái)(2)和結(jié)構(gòu)不相同的3條支路組成。第一條支路由移動(dòng)副(P1)、垂直于移動(dòng)副的4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(R21、R22、R23、R24)組成的平行四邊形回路、以及軸線與四邊形一邊重合的轉(zhuǎn)動(dòng)副(R3)串聯(lián)而成。另兩條支路結(jié)構(gòu)相同，由一個(gè)移動(dòng)副(P8)、與移動(dòng)副垂直且相互平行的兩轉(zhuǎn)動(dòng)副(R7，R6)以及垂直于前兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副且相互平行的兩轉(zhuǎn)動(dòng)副(R5、R4)串聯(lián)而成。三條支路兩端構(gòu)件分別固聯(lián)在動(dòng)、靜平臺(tái)上位于動(dòng)平臺(tái)上的三轉(zhuǎn)動(dòng)副(R3、R4、R9)呈相互平行配置，位于靜平臺(tái)上的3個(gè)移動(dòng)副(P1、P8、P13)亦呈相互平行配置。
附圖1中，兩結(jié)構(gòu)相同的支路可用另一種兩結(jié)構(gòu)相同的支路替代，新支路由移動(dòng)副(P7)、垂直于移動(dòng)副的4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(R51、R52、R53、R54)的平行四邊形回路、以及軸線與四邊形對(duì)邊重合的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(R6，R4)串聯(lián)而成。三條支路在動(dòng)、靜平臺(tái)之間的配置方位不變，如附圖2所示。
附圖1中，兩結(jié)構(gòu)相同的支路可用另一種兩結(jié)構(gòu)相同的支路替代，新支路由一移動(dòng)副(P6)與兩球面副(S5，S4)串聯(lián)而成。三支路在動(dòng)、靜平臺(tái)之間的配置方式動(dòng)平臺(tái)上的轉(zhuǎn)動(dòng)副(R3)軸線與兩球副(S4、S7)連心線平行，靜平臺(tái)上三移動(dòng)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(dòng)副(P1)、垂直于移動(dòng)副且相互平行的兩轉(zhuǎn)動(dòng)副(R2、R3)、以及與前兩轉(zhuǎn)動(dòng)副垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)副(R4)串聯(lián)而成；兩結(jié)構(gòu)相同的支路皆用另一新支路替代，新支路由移動(dòng)副(P9)、垂直于移動(dòng)副且相互平行的兩轉(zhuǎn)動(dòng)副(R8、R7)、以及垂直于前兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副且相互平行的兩轉(zhuǎn)動(dòng)副(R6、R5)串聯(lián)而成；三條支路兩端構(gòu)件分別固聯(lián)在動(dòng)、靜平臺(tái)上位于動(dòng)平臺(tái)的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(R4，R5，R10)呈相互平行配置，位于靜平臺(tái)上3個(gè)移動(dòng)副(P1、P9、P14)亦呈相互平行配置，如附圖4所示。
在附圖2中，平行四邊形回路及其對(duì)邊兩構(gòu)件連心線上串聯(lián)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，可以用4個(gè)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，平行四邊形回路及其一邊連心線上串聯(lián)的轉(zhuǎn)動(dòng)副，可以用2個(gè)球面副(S1、S2)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的平行四邊形替代，如附圖6所示。
本發(fā)明為一類3自由度(兩平移一轉(zhuǎn)動(dòng))新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn)(1)機(jī)構(gòu)工作平臺(tái)具有兩平移一轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)輸出，且非期望運(yùn)動(dòng)輸出為常量；(2)機(jī)構(gòu)存在過約束回路，故剛性好、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單；(3)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解比Stewart機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單；(4)當(dāng)本發(fā)明機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副及萬(wàn)向節(jié)組成時(shí)，易于精密加工，利于提高并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度。
總之，本發(fā)明為虛軸數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、微動(dòng)操作手等，提供了具有上述特點(diǎn)的新機(jī)型，利于新型機(jī)床、機(jī)器人、微動(dòng)操作手的開發(fā)與實(shí)用化。
權(quán)利要求
1.一種可用于虛軸數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等的3自由度(兩平移一轉(zhuǎn)動(dòng))并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其組成包括動(dòng)平臺(tái)、靜平臺(tái)和結(jié)構(gòu)不相同的3條支路，第一條支路由移動(dòng)副、垂直于移動(dòng)副的4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的平行四邊形回路、以及軸線與四邊形一邊重合的轉(zhuǎn)動(dòng)副串聯(lián)而成，另兩條支路結(jié)構(gòu)相同，由一個(gè)移動(dòng)副、與移動(dòng)副垂直且相互平行的兩轉(zhuǎn)動(dòng)副、以及垂直于前兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副且相互平行的兩轉(zhuǎn)動(dòng)副串聯(lián)而成，三條支路兩端構(gòu)件分別固聯(lián)在動(dòng)、靜平臺(tái)上位于動(dòng)平臺(tái)上的三轉(zhuǎn)動(dòng)副呈相互平行配置，位于靜平臺(tái)上的3個(gè)移動(dòng)副亦呈相互平行配置。
2.按照權(quán)利1要求所述機(jī)構(gòu)，兩結(jié)構(gòu)相同的支路可用另一種兩結(jié)構(gòu)相同的支路替代，新支路由移動(dòng)副、垂直于移動(dòng)副的4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的平行四邊形回路、以及軸線與四邊形對(duì)邊重合的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副串聯(lián)而成，三條支路在動(dòng)、靜平臺(tái)之間的配置方位不變。
3.按照權(quán)利1要求所述機(jī)構(gòu)，兩結(jié)構(gòu)相同的支路可用另一種兩結(jié)構(gòu)相同的支路替代，新支路由一移動(dòng)副與兩球面副串聯(lián)而成，三支路在動(dòng)、靜平臺(tái)之間的配置方式動(dòng)平臺(tái)上的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線與兩球副連心線平行，靜平臺(tái)上三移動(dòng)副可任意配置。
4.按照權(quán)利1要求所述機(jī)構(gòu)，含平行四邊形的支路可以用一新支路替代，新支路由移動(dòng)副、垂直于移動(dòng)副且相互平行的兩轉(zhuǎn)動(dòng)副、以及與前兩轉(zhuǎn)動(dòng)副垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)副串聯(lián)而成，兩結(jié)構(gòu)相同的支路皆用另一新支路替代，新支路由移動(dòng)副、垂直于移動(dòng)副且相互平行的兩轉(zhuǎn)動(dòng)副、以及垂直于前兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副且相互平行的兩轉(zhuǎn)動(dòng)副串聯(lián)而成，三條支路兩端構(gòu)件分別固聯(lián)在動(dòng)、靜平臺(tái)上位于動(dòng)平臺(tái)的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副呈相互平行配置，位于靜平臺(tái)上3個(gè)移動(dòng)副亦呈相互平行配置。
5.按照權(quán)利2要求所述機(jī)構(gòu)，平行四邊形回路及其對(duì)邊兩構(gòu)件連心線上串聯(lián)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，可以用4個(gè)球面副組成的平行四邊形替代。
6.按照權(quán)利1、權(quán)利2或權(quán)利3要求所述機(jī)構(gòu)，平行四邊形回路及其一邊連心線上串聯(lián)的轉(zhuǎn)動(dòng)副，可以用2個(gè)球面副和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng))并聯(lián)機(jī)構(gòu)。一種由動(dòng)平臺(tái)、靜平臺(tái)和結(jié)構(gòu)不全相同的3條支路組成,第一條支路由移動(dòng)副、垂直于移動(dòng)副的4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的平行四邊形回路、以及軸線與四邊形一邊重合的轉(zhuǎn)動(dòng)副串聯(lián)而成,另兩條支路結(jié)構(gòu)相同,由一個(gè)移動(dòng)副、與移動(dòng)副垂直且相互平行的兩轉(zhuǎn)動(dòng)副、以及垂直于前兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副且相互平行的兩轉(zhuǎn)動(dòng)副串聯(lián)而成,三條支路兩端構(gòu)件分別固聯(lián)在動(dòng)、靜平臺(tái)上:位于動(dòng)平臺(tái)上的三轉(zhuǎn)動(dòng)副呈相互平行配置,位于靜平臺(tái)上的3個(gè)移動(dòng)副亦呈相互平行配置。驅(qū)動(dòng)靜平臺(tái)上3個(gè)移動(dòng)副,即可控制動(dòng)平臺(tái)的兩平移一轉(zhuǎn)動(dòng)輸出。該機(jī)構(gòu)具有非期望輸出為常量、運(yùn)動(dòng)學(xué)正解容易、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、剛性好、便于制造等優(yōu)點(diǎn)。為虛軸機(jī)床、機(jī)器人等提供新機(jī)型,為其開發(fā)與實(shí)用化提供了可能。
文檔編號(hào)B23Q41/06GK1389327SQ0213792
公開日2003年1月8日 申請(qǐng)日期2002年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月10日
發(fā)明者楊廷力 申請(qǐng)人:楊廷力