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CN105855906A - 一种具有空间三自由度的并联机构 - Google Patents

一种具有空间三自由度的并联机构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有空间三自由度的并联机构。它包括竖直设置的3条运动支链和设置于3条运动支链所围成的空间内的动平台；每条运动支链均包括直线进给系统，直线进给系统驱动动平台沿竖直方向移动；3条运动支链依次记为运动支链Ⅰ、运动支链Ⅱ和运动支链Ⅲ；运动支链Ⅰ通过Y型连接件与动平台相连接；运动支链Ⅱ通过连接杆A与动平台相连接；运动支链Ⅲ通过连接杆B与动平台相连接。本发明提供的具有空间两转动自由度和一平动自由度的并联机构，各支链结构简单，有效地保障了机构的高动态特性和受力平衡特性；机构X和Y两个方向的转动自由度解耦，其末端动平台因此获得较高的转角范围和较好的输出精度则是该机构的一个突出优点。

Description

一种具有空间三自由度的并联机构
技术领域
本发明涉及一种三自由度并联机构，具体涉及一种具有空间三自由度的并联机构，属于机械制造领域。
背景技术
并联机构结构紧凑，模块化性能好，刚度质量比大，易于实现高速运动。并联机构是由多个支链和动、静平台共同构成的闭环系统，其自由度最多为六。自由度少于六的并联机构被称为少自由度并联机构。其中，三自由度并联机构是一种重要的少自由度并联机构。近年来，一些基于三自由度并联机构的混联制造装备在工业中得到了成功应用，如基于2-UPR/SPR机构的五轴混联加工中心Exechoon(W02006054935)，和基于3-PRS机构的Ecospeed五轴混联加工中心(W02000025976)等。混联机构兼具串联机构工作空间大以及并联机构结构紧凑、动态响应特性好的优点，能够实现大工作空间的五轴联动高速切铣加工，适合应用于空间自由曲面类零部件的加工。
专利US6431802和CN100377847C为目前两种常见的空间两转动一平动并联机构，分别为3PRS构型和3RPS构型，二者均已应用于混联机床领域。两个机构都包括静平台、动平台及三条结构相同且呈轴对称分布的支链。US6431802所涉及的机构支链依次包含一个移动副、一个转动副和一个球铰；其中，移动副为驱动单元，通过导轨与静平台配合；转动副和球铰为被动单元，球铰连接相应的连接杆和动平台。CN100377847C所涉及的机构支链依次包含一个转动副、一个移动副和一个球铰；其中，转动副与定平台相连接，移动副为驱动单元；球铰为被动单元，连接相应的连接杆和动平台。
此外，还有诸多研究单位和科研机构构型出多种两转一移三自由度并联机构(如WO005976、EP1123175、CN102632394等)，清华大学、天津大学等高校也已提出一些并联式主轴头结构(如CN101264576、CN101049699、CN101579828等)。但是运动副数目少、结构简单、控制容易的该类并联式主轴头结构还相对比较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有空间三自由度的并联机构，它能够有效增加动平台摆角范围且保证动平台运动精度，可与串联机构连接组成五轴联动混联数控加工装备，克服了已有的并联主轴头技术的缺点。
本发明所提供的具有空间三自由度的并联机构，包括竖直设置的3条运动支链和设置于3条所述运动支链所围成的空间内的动平台；
每条所述运动支链均包括一直线进给系统，所述直线进给系统驱动所述动平台沿竖直方向移动；
3条所述运动支链依次记为运动支链Ⅰ、运动支链Ⅱ和运动支链Ⅲ；
所述运动支链Ⅰ通过Y型连接件与所述动平台相连接，所述Y型连接件与所述运动支链Ⅰ和所述动平台之间均通过转动副相连接；
所述运动支链Ⅱ通过连接杆A与所述动平台相连接，所述连接杆A的一端与所述运动支链Ⅱ之间通过转动副相连接，所述连接杆A的另一端与所述动平台之间通过两转动自由度的万向副A相连接；
所述运动支链Ⅲ通过连接杆B与所述动平台相连接，所述连接杆B的一端与所述运动支链Ⅲ通过球形铰链相连接，所述连接杆B的另一端与所述动平台之间通过两转动自由度的万向副B相连接。
所述的并联机构中，所述直线进给系统包括驱动装置和直线导轨；
所述直线导轨上通过移动副连接一滑块；
所述驱动装置驱动所述滑块沿所述直线导轨移动，即实现所述运动支链的移动自由度。
所述的并联机构中，所述驱动装置驱动所述滚珠丝杠转动，在所述滚珠丝杠的转动作用下驱动所述滑块移动。
所述的并联机构中，所述驱动装置和所述直线导轨均设于固定架上。
所述的并联机构中，所述连接件与所述运动支链Ⅰ的所述滑块相连接；
所述连接杆A与所述运动支链Ⅱ的所述滑块相连接；
所述连接杆B与所述连接支链Ⅲ的所述滑块相连接。
本发明提供的具有空间两转动自由度和一平动自由度的并联机构，各支链结构简单，有效地保障了机构的高动态特性和受力平衡特性；机构X和Y两个方向的转动自由度解耦，其末端动平台因此获得较高的转角范围和较好的输出精度则是该机构的一个突出优点；在该空间两转动一平动并联机构的基础上，通过采用与串联平台混联的形式可以实现五轴联动的数控加工能力，从而实现对复杂自由曲面类零件的高效、高精度加工。
附图说明
图1为本发明具有空间三自由度的并联机构的整体结构示意图。
图2为本发明具有空间三自由度的并联机构的运动支链Ⅲ结构示意图。
图中各标记如下：
10固定架、11直线导轨、12滚珠丝杠、13，18，21滑块、14驱动装置、15Y型连接件、16两转动自由度的万向副B、20两转动自由度的万向副A、17连接杆B、19连接杆A、101运动支链Ⅰ、102运动支链Ⅱ、103运动支链Ⅲ、201动平台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本发明可用于五轴联动混联数控机床的空间两转动一平动并联机构的示意图，包括固定架10、动平台201以及按空间垂直布置在固定架10和动平台201之间的运动支链Ⅰ101、运动支链Ⅱ102和运动支链Ⅲ103。每一条运动支链均有一套同样的直线进给系统，其包括驱动装置14、直线导轨11和滚珠丝杠12，其中驱动装置14和直线导轨11均固定设置在固定架10上，驱动装置14带动滚珠丝杠12转动。
在运动支链Ⅰ101中，滑块13与直线导轨11以移动副连接，滑块13受驱动装置14驱动(在滚珠丝杠12的转动下沿直线导轨11移动)为运动支链Ⅰ101输入运动；Y型连接件15一端通过转动副与滑块13连接，另一端通过转动副与动平台201连接，两个转动副的方向如图1中所示。
在运动支链Ⅱ102中，滑块21受驱动装置14驱动(在滚珠丝杠12的转动下沿直线导轨11移动)，为运动支链Ⅱ102输入运动；连接杆A19的一端通过转动副与滑块21连接，另一端通过两转动自由度的万向副20A与动平台201连接，转动副和万向副A20的方向如图1中所示。
如图2所示，在运动支链Ⅲ103中，滑块18受驱动装置14驱动(在滚珠丝杠12的转动下沿直线导轨11移动)，为运动支链Ⅲ103输入运动；连接杆B17的一端通过球形铰链(图中未标出)与滑块18连接，另一端通过两转动自由度的万向副B16与动平台201连接，万向副的方向如图2中所示。
本发明并联机构中，3个运动支链分别与动平台201以及固定架10连接形成一个空间闭环机构，通过三个滑块的输入运动驱动动平台201运动。本发明并联机构利用运动支链Ⅰ101、动平台201和运动支链Ⅱ102，共同实现动平台201绕y轴方向的转动自由度；运动支链Ⅲ103使动平台201具有绕x方向的转动自由度。由于3个运动支链均具有z方向的移动自由度，因此动平台201也具备z向移动自由度。3个支链共同作用，使该机构具有两转动自由度和一平动自由度
本发明上述实施例中，驱动装置14采用了伺服电机-滚珠丝杠进给方式，通过直线导轨11为滑块提供一个移动自由度的运动输入，为了达到同样的目的，驱动装置14也可以采用直线电机进给方式，为滑块提供一个移动自由度的运动输入。当然，在具体实施过程中，采用其它任意一种可实现相同运动功能的驱动形式都是可以的。同时，本发明可采用模块化设计，可通过固定架上的机械接口与两个正交的串联移动平台配合使用，进而构成五轴联动的混联数控加工单元。其中，动平台201上可以安装机床主轴和刀具，完成零件切铣任务。
需要指出的是，本发明是针对三自由度机床加工单元的需求所提出，但是本发明的最终应用并不限制于机床加工领域。在不脱离本发明创造本质的情况下，采用其它形式的固定架(包括形状和布局)、驱动方式以及铰链连接方式并应用于任何领域，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有空间三自由度的并联机构，包括竖直设置的3条运动支链和设置于3条所述运动支链所围成的空间内的动平台；
每条所述运动支链均包括一直线进给系统，所述直线进给系统驱动所述动平台沿竖直方向移动；
3条所述运动支链依次记为运动支链Ⅰ、运动支链Ⅱ和运动支链Ⅲ；
所述运动支链Ⅰ通过Y型连接件与所述动平台相连接，所述Y型连接件与所述运动支链Ⅰ和所述动平台之间均通过转动副相连接；
所述运动支链Ⅱ通过连接杆A与所述动平台相连接，所述连接杆A的一端与所述运动支链Ⅱ之间通过转动副相连接，所述连接杆A的另一端与所述动平台之间通过两转动自由度的万向副A相连接；
所述运动支链Ⅲ通过连接杆B与所述动平台相连接，所述连接杆B的一端与所述运动支链Ⅲ通过球形铰链相连接，所述连接杆B的另一端与所述动平台之间通过两转动自由度的万向副B相连接。
2.根据权利要求1所述的并联机构，其特征在于：所述直线进给系统包括驱动装置和直线导轨；
所述直线导轨上通过移动副连接一滑块；
所述驱动装置驱动所述滑块沿所述直线导轨移动。
3.根据权利要求2所述的并联机构，其特征在于：所述驱动装置驱动所述滚珠丝杠转动，在所述滚珠丝杠的转动作用下驱动所述滑块移动。
4.根据权利要求2或3所述的并联机构，其特征在于：所述驱动装置和所述直线导轨均设于固定架上。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的并联机构，其特征在于：所述连接件与所述运动支链Ⅰ的所述滑块相连接；
所述连接杆A与所述运动支链Ⅱ的所述滑块相连接；
所述连接杆B与所述连接支链Ⅲ的所述滑块相连接。
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