专利名称：用于虚轴机床与测量机等的一类(一平移两转动)并联机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一类机床、机器人与坐标测量机等的执行机构，具体的说，是为并联结构虚轴机床、并联机器人与虚轴坐标测量机等提供一类(6种)新型3自由度(一平移两转动)并联机构。
背景技术：
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(如美国Giddings andLewis公司的Variax型关联机床)，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。
并联机构的虚轴坐标测量机，也是近年来测量机的一个重大进展，与传统属于串联结构的测量机相比，具有刚度大、运动速度高、误差不叠加等特性，可使测量精度与测量效率等有较大改善。目前已有的并联机构测量机多采用Stewart机构(如俄罗斯Lapic公司的KNM-750型3坐标测量机)。其动平台相对于基平台具有6个空间自由度，但结构相对比较复杂，末端执行器位姿求解困难。
总之，虚轴机床、虚轴测量机与机器人等的发展与实用化，需要创造出优于现有机构的新机型。
发明内容
本发明目的是提供一类(6种)3自由度(一平移两转动)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。特别是可实现控制解耦且运动学正解较为简单，显著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、虚轴测量机、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(0)和结构不全相同的三条支路组成。第一条支路由三个构件(0，2，1)串联一个移动副(P1)和一个球面副(S2)组成。第二条支路由四个构件(0，4，3，1)串联一个移动副(P5)、一个转动副(R4)和一个球面副(S3)组成。第三条支路由四个构件(0，6，5，1)串联一个移动副(P8)与两个球面副(S7与S6)组成。诸支路两端构件分别固联在动、静平台上，但应使两移动副(P1与P5)的轴线垂直于移动副(R4)的轴线。
附图2为附图1所示并联机构的衍生并联机构。它由动平台1、静平台(0)和结构不全相同的三条支路组成。第一条支路由一个转动副(R1)、一个螺旋副(H2)与一个球面副(S3)串联而成，但同一构件上转动副(R1)与螺旋副(H2)两者轴线为重合配置，且通过球面副(S3)的球心。第二条支路由一个转动副(R7)、一个螺旋副(H6)、一个转动副(R5)与一个球面副(S4)串联而成，但同一构件上的转动副(R5)与螺旋副(H6)两者轴线为重合配置，且通过转动副(R5)的轴线。第三条支路由一个螺旋副(H8)与两个球面副(S9与S10)串联而成，且螺旋副(H8)的轴线通过球面副(S9)的球心。诸支路两端构件分别固联在动、静平台上，但应使转动副(R1与R7)的轴线皆垂直于转动副(R5)的轴线。
附图3为附图1所示并联机构的衍生并联机构。它由动平台(1)、静平台(0)和结构不同的两条支路组成。第一条支路由两个移动副(P1与P5)和三个转动副(R2、R3与R4)组成的平面5杆回路再串联一个转动副(R6)组成，R6的轴线垂直且通过两转动副(R2与R3)的轴线。第三条支路由一移动副(P9)和两球面副(S7与S8)串联而成，且移动副轴线通过球面副(S8)的球心。诸支路两端构件分别固联在动、静平台上。
附图4为附图3所示并联机构的衍生并联机构。其中，附图3第一条支路的移动副(P1)用串联且轴线重合的转动副(R1)和螺旋副(H2)替代；第二条支路的移动副(P5)用串联且轴线重合的转动副(R7)和螺旋副(H6)替代；第三条支路的移动副(R7)用螺旋副(H7)替代，从而得到附图4所示并联机构。
附图5为附图1所示并联机构的衍生并联机构。它由动平台(1)、静平台(0)和结构不全相同的三条支路组成。第一条支路由移动副(P1)、转动副(R2)与转动副(R3)串联而成，且两转动副(R2与R3)轴线相交于一点、移动副(P1)轴线与转动副(R2)轴线重合；第二条支路由移动副(P4)与两球面副(S5，S6)串联而成，且P4的轴线通过S5的中心；第三条支路由移动副(P7)与两球面副(S8，S9)串联而成，且P7的轴线通过S8的中心。诸支路两端构件分别固联在动、静平台上。
附图6为附图5所示机构的衍生并联机构。其中，附图5三条支路的移动副P1、P4与P7分别用螺旋副H1、H4与H7替代，从而得到附图6所示并联机构。
本发明为一类3自由度(一平移两转动)新型并联机构。该类机构具有以下特点(1)机构动平台具有一平移两转动输出，且非期望运动输出为常量；(2)机构的运动输入——输出具有部分解耦性，即可实现部分控制解耦；(3)附图1～附图4所示并联机构的运动学分析可依次对两基本回路单独求解，为较简单的解析式，有利于实现机器人的实时控制与在线、离线运动规划；(4)机构结构较简单、工作空间较大。总之，本发明为虚轴机床、机器人、虚轴测量机、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、测量机、微动操作手的开发与实用化。
具体实施例方式
附图1所示并联机构可视为本发明用于虚轴测量机的一个实施例，其具体结构已如前述附图1说明。在动平台(0)上安装测量头(A)。当机构各构件尺度参数确定后，控制静平台(0)上3个驱动副(移动副P1、P5与P8)的输入运动，就可控制动平台(0)上的测量头(A)的三维坐标，即可为虚轴机械测量机的执行机构。
权利要求
1.一种可用于虚轴机床、机器人与虚轴机械测量机等的3自由度(一平移两转动)并联机构，其组成包括动、静平台及联接在动、静平台之间的3条支路第1条支路由一移动副和一球面副串联而成，第2条支路由一移动副、一转动副和一球面副串联而成，第3条支路由一移动副和两球面副串联而成，3条支路在两平台之间的配置方式是第1、2两支路的两个移动副轴线皆垂直于转动副轴线。
2.按照权利1要求所述并联机构，第1条支路的移动副用串联且轴线重合的一转动副和一螺旋副替代，其轴线通过该支路球面副的中心，第2条支路的移动副亦用串联且轴线重合的一转动副和一螺旋副替代，其轴线通过该支路的转动副轴线，第3条支路的移动副用一螺旋副替代，且其轴线通过相邻球面副中心。
3.按照权利1要求所述并联机构，第1与第2两条支路用2个移动副和3个转动副组成的平面5杆回路再串联一个转动副的混合支路替代，第3支路结构不变。
4.按照权利3要求所述并联机构，平面5杆回路的两个移动副分别用串联且轴线重合的一转动副与一螺旋副替代，其轴线垂直于5杆平面回路的转动副轴线，另一支路的移动副用一螺旋副替代，且其轴线通过相邻球面副的中心。
5.按照权利1要求所述并联机构，第1条支路的球面副用轴线相互垂直且相交的两串联转动副替代；第2条支路用一移动副和两球面副串联而成的支路替代；第3条支路结构不变。
6.按照权利5要求所述并联机构，第1支路的移动副用一螺旋副替代，且轴线与相邻转动副轴线重合；第2、3两支路的移动副用一螺旋副替代，且轴线通过相邻球面副中心。
全文摘要
提供一类(6种)3自由度(一平移两转动)并联机构。其中一种，由动平台、静平台和3条支路组成。第一条支路由一移动副和一球面副串联而成，第二条支路由一移动副、一转动副和一球面副串联而成，第三条支路由一移动副和两球面副串联而成。3条支路在两平台之间的配置方式是第1、2两支路的两个移动副轴线皆垂直于转动副轴线。驱动静平台上3个移动副，即可控制动平台的一平移两转动输出。该机构具有非期望运动输出的常量，运动输入—输出部分控制解耦，运动学正解较易，结构简单、刚性好等优点。该机构可作为虚轴机床、虚轴机械测量机、机器人等的执行机构。
文档编号B23Q41/04GK1526514SQ0315830
公开日2004年9月8日 申请日期2003年9月24日 优先权日2003年9月24日
发明者杨廷力, 金琼, 沈惠平 申请人:杨廷力