专利名称：用于虚轴机床和机器人等的一类两平移一转动并联机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机床、机器人等的执行机构，具体的说，是为并联结构虚轴数控机床、并联机器人等提供一类新型并联机构。
并联结构数控机床是指以并联机构为执行机构的机床，该机床被认为是二十世纪以来机床结构的一次革命。目前在美国、日本等国已研制出这种机床的样机，所采用的并联机构均为传统的斯图尔特(Stewart)机构。这种控制刀具在空间的位置和姿态变化的机构主要由基座、运动平台和连杆组成，基座和运动平台之间由连杆相连，连杆两端分别为球副和万向节。该机构有6个连杆，但连杆的长度可调，通过控制6根连杆的长度，改变刀具在空间的位姿。但这类机构有很多关键性技术没能完全解决。如，(1)运动学正解困难；(2)运动平台位姿是输入的强耦合，不利于控制；(3)机构复杂，使其工作空间较小；(4)制造高精度球副困难等。
对虚轴数控机床而言，许多场合需要提供自由度大于3且小于6的更简单的并联机构。例如，对4轴联动数控机床，可提供3自由度(两平移一转动)并联平台机构，就可用于对空间曲面(如模具、叶轮等)加工。因此，虚轴数控机床、机器人等的发展和实用化，需要创造出优于现有机构的新机型。
本发明目的是提供一类(4种)3自由度(两平移一转动)并联机构。该机构具有结构简单、工作空间较大、便于制造、安装等优点。特别是运动学正解较为简单，可简化并联结构虚轴机床和机器人系统的控制与轨迹规划的复杂性。为虚轴机床、机器人、微动操作手等提供新机型，为其开发与实用化提供可能。
附
图1是本发明机构简图。它由动平台(1)、静平台(2)和结构不相同的3条支路组成。第一条支路由移动副(P1)、垂直于移动副的4个转动副(R21、R22、R23、R24)组成的平行四边形回路、以及轴线与四边形一边重合的转动副(R3)串联而成。另两条支路结构相同，由一个移动副(P8)、与移动副垂直且相互平行的两转动副(R7，R6)以及垂直于前两个转动副且相互平行的两转动副(R5、R4)串联而成。三条支路两端构件分别固联在动、静平台上位于动平台上的三转动副(R3、R4、R9)呈相互平行配置，位于静平台上的3个移动副(P1、P8、P13)亦呈相互平行配置。
附图1中，两结构相同的支路可用另一种两结构相同的支路替代，新支路由移动副(P7)、垂直于移动副的4个转动副(R51、R52、R53、R54)的平行四边形回路、以及轴线与四边形对边重合的两个转动副(R6，R4)串联而成。三条支路在动、静平台之间的配置方位不变，如附图2所示。
附图1中，两结构相同的支路可用另一种两结构相同的支路替代，新支路由一移动副(P6)与两球面副(S5，S4)串联而成。三支路在动、静平台之间的配置方式动平台上的转动副(R3)轴线与两球副(S4、S7)连心线平行，静平台上三移动副(P1、P6、P9)可任意配置，如附图3所示。
附图1中，含平行四边形的支路可以用一新支路替代，新支路由移动副(P1)、垂直于移动副且相互平行的两转动副(R2、R3)、以及与前两转动副垂直的转动副(R4)串联而成；两结构相同的支路皆用另一新支路替代，新支路由移动副(P9)、垂直于移动副且相互平行的两转动副(R8、R7)、以及垂直于前两个转动副且相互平行的两转动副(R6、R5)串联而成；三条支路两端构件分别固联在动、静平台上位于动平台的3个转动副(R4，R5，R10)呈相互平行配置，位于静平台上3个移动副(P1、P9、P14)亦呈相互平行配置，如附图4所示。
在附图2中，平行四边形回路及其对边两构件连心线上串联的两个转动副，可以用4个球面副(S1、S2、S3、S4)组成的平行四边形替代，如附图5所示。
在附图1、附图2或附图3中，平行四边形回路及其一边连心线上串联的转动副，可以用2个球面副(S1、S2)和两个转动副组成的平行四边形替代，如附图6所示。
本发明为一类3自由度(两平移一转动)新型并联机构。该机构具有以下特点(1)机构工作平台具有两平移一转动运动输出，且非期望运动输出为常量；(2)机构存在过约束回路，故刚性好、结构较简单；(3)运动学正解比Stewart机构简单；(4)当本发明机构由转动副、移动副及万向节组成时，易于精密加工，利于提高并联机构的运动精度。
总之，本发明为虚轴数控机床、机器人、微动操作手等，提供了具有上述特点的新机型，利于新型机床、机器人、微动操作手的开发与实用化。
权利要求
1.一种可用于虚轴数控机床、机器人等的3自由度(两平移一转动)并联机构，其组成包括动平台、静平台和结构不相同的3条支路，第一条支路由移动副、垂直于移动副的4个转动副组成的平行四边形回路、以及轴线与四边形一边重合的转动副串联而成，另两条支路结构相同，由一个移动副、与移动副垂直且相互平行的两转动副、以及垂直于前两个转动副且相互平行的两转动副串联而成，三条支路两端构件分别固联在动、静平台上位于动平台上的三转动副呈相互平行配置，位于静平台上的3个移动副亦呈相互平行配置。
2.按照权利1要求所述机构，两结构相同的支路可用另一种两结构相同的支路替代，新支路由移动副、垂直于移动副的4个转动副的平行四边形回路、以及轴线与四边形对边重合的两个转动副串联而成，三条支路在动、静平台之间的配置方位不变。
3.按照权利1要求所述机构，两结构相同的支路可用另一种两结构相同的支路替代，新支路由一移动副与两球面副串联而成，三支路在动、静平台之间的配置方式动平台上的转动副轴线与两球副连心线平行，静平台上三移动副可任意配置。
4.按照权利1要求所述机构，含平行四边形的支路可以用一新支路替代，新支路由移动副、垂直于移动副且相互平行的两转动副、以及与前两转动副垂直的转动副串联而成，两结构相同的支路皆用另一新支路替代，新支路由移动副、垂直于移动副且相互平行的两转动副、以及垂直于前两个转动副且相互平行的两转动副串联而成，三条支路两端构件分别固联在动、静平台上位于动平台的3个转动副呈相互平行配置，位于静平台上3个移动副亦呈相互平行配置。
5.按照权利2要求所述机构，平行四边形回路及其对边两构件连心线上串联的两个转动副，可以用4个球面副组成的平行四边形替代。
6.按照权利1、权利2或权利3要求所述机构，平行四边形回路及其一边连心线上串联的转动副，可以用2个球面副和两个转动副组成的平行四边形替代。
全文摘要
提供一类(4种)3自由度(两平移一转动)并联机构。一种由动平台、静平台和结构不全相同的3条支路组成,第一条支路由移动副、垂直于移动副的4个转动副组成的平行四边形回路、以及轴线与四边形一边重合的转动副串联而成,另两条支路结构相同,由一个移动副、与移动副垂直且相互平行的两转动副、以及垂直于前两个转动副且相互平行的两转动副串联而成,三条支路两端构件分别固联在动、静平台上:位于动平台上的三转动副呈相互平行配置,位于静平台上的3个移动副亦呈相互平行配置。驱动静平台上3个移动副,即可控制动平台的两平移一转动输出。该机构具有非期望输出为常量、运动学正解容易、结构较简单、刚性好、便于制造等优点。为虚轴机床、机器人等提供新机型,为其开发与实用化提供了可能。
文档编号B23Q41/06GK1389327SQ0213792
公开日2003年1月8日 申请日期2002年7月10日 优先权日2002年7月10日
发明者杨廷力 申请人:杨廷力