一种四自由度正交并联机构的制作方法

本发明涉及一种用于金属板材加工的机械装置，特别涉及一种四自由度正交并联机构。

背景技术：

少自由度并联机构可以满足空间物体的搬运操作，可被广泛应用于微操作机械手以及机械装配、现代物流、电子信息和食品医药等领域自动化生产线高速轻载搬运作业当中。

目前，常见的少自由并联机构多为非正交机构，例如最常见的delta并联机器人机构和stweart并联机器人机构，以及根据它们的结构衍生发展出来的其他形式的并联机构，这些并联机构各运动支链间的运动耦合性都较强，导致其控制过程相对复杂。美国专利us6729202b2公开了一种正交三维平动一维转动并联机构，包括三条结构相同的支链，这三条支链共同限制动平台的三维转动，通过约束使得动平台只具有三个平动自由度和一个受限制的转动自由度。这种机构通过控制安装在机架上的同步带驱动各运动支链，最终实现对动平台的平动或转动的控制。

上述并联机构为部分解耦的并联机构，利用电机直接驱动同步带的方式作为驱动装置，增加了装配难度，并且难以实现对动平台的高精度控制。国内学者在正交并联机构研究方面也取得了一些成果，如中国专利200610170999.x公开的一种“三平动正交解耦并联微动平台”，能够克服部分上述缺陷，具有较高的刚度和解耦性能，但是还不能使并联机构达到完全解耦的目的。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种四自由度正交并联机构，以解决现有技术中的并联机器人机构的解耦性不强、结构复杂的问题，具有运动学解耦性好、运动平稳、结构简单紧凑的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种四自由度正交并联机构，包括机座框架1，机座框架1左顶梁和右顶梁的侧壁上沿其长度方向分别固定安装有第一导轨2-1和第二导轨2-2，机座框架1右前立柱的侧壁上沿其长度方向固定安装有第三导轨2-3，机座框架1后底梁上侧壁沿其长度方向固定安装有第四导轨2-4；

第一导轨2-1上安装有第一驱动单元3-1并与其滑动连接，第二导轨2-2上安装有第二驱动单元3-2并与其滑动连接，第三导轨2-3上安装有第三驱动单元3-3并与其滑动连接，第四导轨2-4上安装有第四驱动单元3-4并与其滑动连接；

第一支链4-1的一端通过第一固定块5-1固定安装在第一驱动单元3-1的滑块上，第一支链4-1的另一端与动平台6转动连接，第二支链4-2的一端通过第二固定块5-2固定安装在第二驱动单元3-2的滑块上，第二支链4-2的另一端与动平台6转动连接，第三支链4-3的一端通过第三固定块5-3固定安装在第三驱动单元3-3的滑块上，第三支链4-3的另一端与动平台6转动连接；第四支链4-4的一端通过第四固定块5-4固定安装在第四驱动单元3-4的滑块上，第三支链4-3的另一端与动平台6转动连接；

所述第一支链4-1、第二支链4-2、第三支链4-3及第四支链4-4均为两节活动连接结构，且为正交布置。

所述机座框架1底部由四条呈矩形框架式结构布置的型材组成，机座框架1的侧壁为结构相同的第一龙门架7和第二龙门架8对称垂直安装，第一龙门架7与第二龙门架8之间通过型材9连接固定，所述第一龙门架7和第二龙门架8顶梁侧壁上沿其长度方向分别固定安装第一导轨2-1和第二导轨2-2。

所述第一驱动单元3-1、第二驱动单元3-2、第三驱动单元3-3及第四驱动单元3-4均为直线滑台结构，其中第二驱动单元3-2与第三驱动单元3-3的有效行程相同。

所述第一支链4-1包括第一从动臂10-1和第二从动臂10-2，第一从动臂10-1与第二从动臂10-2通过第一关节11-1转动连接，第一从动臂10-1的端部与第一固定块5-1转动连接，第二从动臂10-2通过销与动平台6转动连接，所述第一支链4-1与第二支链4-2结构相同。

所述第三支链4-3包括第三从动臂10-3和第四从动臂10-4，第三从动臂10-3和第四从动臂10-4通过第二关节11-2转动连接，第三从动臂10-3的端部与第三固定块5-3转动连接，第四从动臂10-4通过销与动平台6转动连接。

所述第四支链4-4包括第五从动臂10-5和第六从动臂10-6，第五从动臂10-5和第六从动臂10-6通过第三关节11-3转动连接，第五从动臂10-5的端部与第四固定块5-4转动连接，第六从动臂10-6通过轴12与动平台6转动连接。

所述动平台6的上侧面始终与机座框架1的上侧面保持平行，动平台6上设置有安装孔，用来安装末端执行装置。

本发明采用将正交布置的四条支链通过轨道安装在机座框架上，由驱动单元为四条支链提供动力，四条支链均为两节活动连接结构，故当某一方向上的支链运动时，不会受到其他支链运动的影响从而改变原有的运动方向，即在某个方向的平动仅仅依赖于该方向上的驱动单元的动作，而其他方向上的驱动单元无需做有效动作的运动，达到完全解耦的目的，本机构属于一种完全解耦的并联机构；在x方向上采用两条相同结构的支链对称设置，以保证机构运动平稳，具有运动学解耦性好、结构简单紧凑的特点。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2(a)为本发明第一支链4-1的结构示意图,(b)为本发明第二支链4-2的结构示意图。

图3为本发明第三支链4-3的结构示意图。

图4为本发明第四支链4-4的结构示意图。

图5为本发明轴12的结构示意图。

附图标记如下：机座框架1，第一导轨2-1，第二导轨2-2，第三导轨2-3，第四导轨2-4，第一驱动单元3-1，第二驱动单元3-2，第三驱动单元3-3，第四驱动单元3-4，第一支链4-1，第二支链4-2，第三支链4-3，第四支链4-4，第一固定块5-1，第二固定块5-2，第三固定块5-3，第四固定块5-4，动平台6，第一龙门架7，第二龙门架8，型材9，第一从动臂10-1，第二从动臂10-2，第三从动臂10-3，第四从动臂10-4，第五从动臂10-5，第六从动臂10-6第一关节11-1，第二关节11-2，第三关节11-3，轴12。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，一种四自由度正交并联机构，包括机座框架1，所述机座框架1底部由四条呈矩形框架式结构布置的型材组成，机座框架1的侧壁为结构相同的第一龙门架7和第二龙门架8对称垂直安装，第一龙门架7与第二龙门架8之间通过型材9连接固定，所述第一龙门架7和第二龙门架8顶梁侧壁上沿其长度方向分别固定安装第一导轨2-1和第二导轨2-2。机座框架1右前立柱的侧壁上沿其长度方向固定安装有第三导轨2-3，机座框架1后底梁上侧壁沿其长度方向固定安装有第四导轨2-4。

第一导轨2-1上安装有第一驱动单元3-1并与其滑动连接，第二导轨2-2上安装有第二驱动单元3-2并与其滑动连接，第三导轨2-3上安装有第三驱动单元3-3并与其滑动连接，第四导轨2-4上安装有第四驱动单元3-4并与其滑动连接。所述第一驱动单元3-1、第二驱动单元3-2、第三驱动单元3-3及第四驱动单元3-4均为直线滑台结构，其中第二驱动单元3-2与第三驱动单元3-3的有效行程相同。

第一支链4-1的一端通过第一固定块5-1固定安装在第一驱动单元3-1的滑块上，第一支链4-1的另一端与动平台6转动连接，第二支链4-2的一端通过第二固定块5-2固定安装在第二驱动单元3-2的滑块上，第二支链4-2的另一端与动平台6转动连接，第三支链4-3的一端通过第三固定块5-3固定安装在第三驱动单元3-3的滑块上，第三支链4-3的另一端与动平台6转动连接；第四支链4-4的一端通过第四固定块5-4固定安装在第四驱动单元3-4的滑块上，第三支链4-3的另一端与动平台6转动连接。

所述动平台6的上侧面始终与机座框架1的上侧面保持平行，动平台6上设置有安装孔，用来安装末端执行装置。

参见图2，所述第一支链4-1、第二支链4-2、第三支链4-3及第四支链4-4均为两节活动连接结构，且为正交布置。所述第一支链4-1包括第一从动臂10-1和第二从动臂10-2，第一从动臂10-1与第二从动臂10-2通过第一关节11-1转动连接，第一从动臂10-1的端部与第一固定块5-1转动连接，第二从动臂10-2通过销与动平台6转动连接，所述第一支链4-1与第二支链4-2结构相同。

参见图3，所述第三支链4-3包括第三从动臂10-3和第四从动臂10-4，第三从动臂10-3和第四从动臂10-4通过第二关节11-2转动连接，第三从动臂10-3的端部与第三固定块5-3转动连接，第四从动臂10-4通过销与动平台6转动连接。

参见图4、图5，所述第四支链4-4包括第五从动臂10-5和第六从动臂10-6，第五从动臂10-5和第六从动臂10-6通过第三关节11-3转动连接，第五从动臂10-5的端部与第四固定块5-4转动连接，第六从动臂10-6通过轴12与动平台6转动连接。

本发明的工作原理是：

首先，以x方向上的运动为例：当接收到控制指令，第一驱动单元3-1或第二驱动单元3-2上的步进电机驱动滑块，带动第一支链4-1和第二支链4-2沿x方向做平动，带动第四支链4-4实现绕y轴的摆动，实现动平台6在x方向上的单向运动。

其次，以y方向上的运动为例：当接收到控制指令，第四驱动单元3-4的步进电机驱动滑块，带动第四支链4-4沿y方向做平动，带动第三支链4-3实现绕平行于x轴线方向的摆动，实现动平台6在y方向上的单向运动。

最后，以z方向上的运动为例：当接收到控制指令，第三驱动单元3-3的步进电机驱动滑块，带动第三支链4-3沿z方向做平动，带动第四支链4-4实现绕y轴线方向的摆动，实现动平台6在z方向上的单向运动。

第一支链4-1、第二支链4-2上的第一关节11-1的转动轴线均与第一导轨2-1和第二导轨2-2平行，第二关节11-2的运动轴线与第三导轨2-3平行，第三关节11-3的运动轴线与第四导轨2-4平行。

以动平台6的旋转运动为例，当第一驱动单元3-1和第二驱动单元3-2收到运动方向互异的控制指令时，第一支链4-1和第二支链4-2做沿x方向且运动方向相反的平动，此时可以实现动平台6在一定范围内的旋转运动，转角范围为0°-180°。

最后，当第一驱动单元3-1、第二驱动单元3-2、第三驱动单元3-3和第四驱动单元3-4同时接收到控制指令，各直线模组的运动规律不同时，各个支链的运动会发生组合，最终形成动平台6的各种不同的运动形式。只要确定动平台6在工作空间的运动轨迹，就可以对驱动单元的运动规律进行设置和组合，最终实现动平台6按照预设的运动轨迹精确运动。