一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用于混联数控机床的具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，属于机械制造领域。
【背景技术】
[0002]并联机构具有结构紧凑、模块化性能好、刚度质量比大，以及易于实现高速运动的优点，但是并联机构工作空间有限，并且通常需要采用加工精度较难保证的球铰作为其必要的运动副，这在一定程度上制约了其在机械制造领域的发展。近年来，一些基于少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Tri^pt机构的五轴混联加工中心，和基于Sprint Z3主轴头的Ecospeed五轴混联加工中心等。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、动态响应特性好等优点，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。
[0003]美国专利US6431802公开了一种目前常见的空间两转动一平动并联机构，其为3PRS构型，应用于混联机床领域。该并联机构具体包括静平台、动平台及三条结构相同且呈轴对称分布的支链，每一支链依次包括一个移动副、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。
[0004]上述机构采用了转动角度有限且精度较难保证的球铰作为运动副，这既限制了其末端动平台的转角范围，又有可能对机构精度产生不确定的影响。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效增加动平台摆角范围且保证动平台运动精度的空间并联系统。
[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，它包括一动平台、三个均匀布置在所述动平台周围且呈轴对称分布的固定架和三个连接所述固定架与所述动平台的支链；每一支链包括:一紧固连接在所述固定架内侧且与所述动平台垂直的直线导轨，一可滑动地设置在所述直线导轨上的滑块，一紧固连接在所述固定架上的用于驱动滑块移动的驱动装置，以及一连接杆；其中，所述连接杆的一端通过一具有两个转动自由度的第一铰链与所述滑块连接，另一端通过一具有两个转动自由度的第二铰链与所述动平台连接。
[0007]所述第一铰链靠近所述滑块一端的转动轴线与所述直线导轨的长度方向平行，所述第一铰链靠近所述连接杆一端的转动轴线与所述铰链靠近所述滑块一端的所述转动轴线垂直且与所述连接杆的长度方向垂直。
[0008]所述第二铰链靠近所述连接杆一端的转动轴线与所述第一铰链靠近所述连接杆一端的转动轴线平行，所述第二铰链靠近所述动平台一端的转动轴线与所述第二铰链靠近所述连接杆一端的转动轴线垂直。
[0009]所述第一铰链为一个虎克铰或者由两个转动副组合而成。
[0010]所述第二铰链为一个虎克铰或者由两个转动副组合而成。
[0011]所述驱动装置包括一紧固连接在所述固定架上的伺服电机，所述伺服电机的输出端通过一滚珠丝杠副连接所述滑块。
[0012]所述驱动装置包括一紧固连接在所述固定架上的通长的直线电机初级，在所述直线电机初级上设置一直线电机次级，所述直线电机次级与所述滑块紧固连接。
[0013]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明在动平台的周围均匀布置三个固定架，每一固定架与动平台之间通过一支链连接，每一支链包括一紧固连接在固定架上的直线导轨、可滑动地设置在直线导轨上的滑块和用于驱动滑块的驱动装置，并且驱动转轴紧固连接在固定架上，因此能够保证本发明所述的并联机构具有高动态特性和受力平衡特性。2、本发明的每一支链还包括一连接杆，连接杆的一端通过一具有两个转动自由度的第一铰链与滑块连接，另一端通过一具有两个转动自由度的第二铰链与动平台连接，因此本发明所述的并联机构所包含的全部运动链都未采用球铰，进而保证了动平台能够获得较高的转角范围和较好的输出精度。本发明可广泛应用于五轴联动混联数控机床中，在本发明机床上所开发的五轴联动混联数控机床具有能够对复杂自由曲面类零件的高效、高精度加工能力。
【附图说明】
[0014]图1是本发明的整体结构示意图；
[0015]图2是本发明支链的结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0017]如图1所示，本发明包括一个动平台1、三个均匀布置在动平台I周围且呈轴对称分布的固定架2和三个连接动平台I与固定架2的支链3。
[0018]如图1、图2所示，每一支链3均包括一紧固连接在固定架2内侧的直线导轨4，直线导轨4沿与动平台I垂直的方向布置，在直线导轨4上可滑动地设置一滑块5，在固定架2上还紧固连接一用于驱动滑块5在直线导轨4上进行移动的驱动装置。每一支链3还包括一连接杆6，连接杆6的一端通过一具有两个转动自由度的铰链7与滑块5连接，另一端通过一具有两个转动自由度的铰链8与动平台I连接。
[0019]本发明的三个相同的支链3与动平台1、固定架2连接形成一空间闭环机构，通过三个滑块5的输入运动驱动动平台I运动，实现动平台I的两个转动自由度和一个平动自由度。
[0020]上述实施例中，如图2所示，铰链7靠近滑块5 —端的转动轴线CC’与直线导轨4沿长度方向的对称轴轴线EE’平行，铰链7靠近连接杆6 —端的转动轴线AA’与铰链7靠近滑块5 —端的转动轴线CC’垂直，且与连接杆6沿长度方向的对称轴轴线垂直；铰链8靠近连接杆6 —端的转动轴线BB’与铰链7靠近连接杆6 —端的转动轴线AA’平行，铰链8靠近动平台2 —端的转动轴线DD’与铰链8靠近连接杆6 —端的转动轴线BB’垂直。铰链7所具有的两个转动自由度可以由两个转动副组合而成，也可以是一个虎克铰，但是两个转动自由度的转动轴线AA’和CC’的方向需满足前述的约束关系；铰链8所具有的两个转动自由度可以由两个转动副组合而成，也可以是一个虎克铰，但是两个转动自由度的转动轴线BB’和DD’的方向需满足前述的约束关系。
[0021]上述实施例中，驱动装置可以包括一紧固连接在固定架I上的伺服电机9，伺服电机9的输出端通过一滚珠丝杠副10连接滑块5。作为驱动装置的一种变形结构，其也可以包括一紧固连接在固定架2上的通长的直线电机初级，在直线电机初级上设置一直线电机次级，直线电机次级与滑块5紧固连接。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形式都是可以的。
[0022]本发明利用每条支链3中连接杆6与动平台2之间的两个转动自由度、连接杆6与滑块5之间的两个转动自由度，以及滑块5与固定架I之间的一个平动自由度，使动平台2能够实现相对于固定架I的空间两转动一平动运动。其中，两个转动自由度为绕图1中的X轴和y轴旋转，一个平动自由度为沿图1中z轴方向平移。同时，本发明可以采用模块化设计，可通过固定架I上的机械接口与两个正交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，图1中的零件11为机床主轴，可安装刀具完成待加工件的切铣任务。
[0023]本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【主权项】
1.一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，它包括一动平台、三个均匀布置在所述动平台周围且呈轴对称分布的固定架和三个连接所述固定架与所述动平台的支链； 每一支链包括: 一紧固连接在所述固定架内侧且与所述动平台垂直的直线导轨， 一可滑动地设置在所述直线导轨上的滑块， 一紧固连接在所述固定架上的用于驱动滑块移动的驱动装置，以及 一连接杆； 其中，所述连接杆的一端通过一具有两个转动自由度的第一铰链与所述滑块连接，另一端通过一具有两个转动自由度的第二铰链与所述动平台连接。
2.如权利要求1所述的一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，所述第一铰链靠近所述滑块一端的转动轴线与所述直线导轨的长度方向平行，所述第一铰链靠近所述连接杆一端的转动轴线与所述第一铰链靠近所述滑块一端的所述转动轴线垂直且与所述连接杆的长度方向垂直。
3.如权利要求2所述的一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，所述第二铰链靠近所述连接杆一端的转动轴线与所述第一铰链靠近所述连接杆一端的转动轴线平行，所述第二铰链靠近所述动平台一端的转动轴线与所述第二铰链靠近所述连接杆一端的转动轴线垂直。
4.如权利要求2所述的一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，所述第一铰链为一个虎克铰或者由两个转动副组合而成。
5.如权利要求3所述的一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，所述第二铰链为一个虎克铰或者由两个转动副组合而成。
6.如权利要求1或2或3或4或5所述的一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，所述驱动装置包括一紧固连接在所述固定架上的伺服电机，所述伺服电机的输出端通过一滚珠丝杠副连接所述滑块。
7.如权利要求1或2或3或4或5所述的一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，所述驱动装置包括一紧固连接在所述固定架上的通长的直线电机初级，在所述直线电机初级上设置一直线电机次级，所述直线电机次级与所述滑块紧固连接。
【专利摘要】本发明涉及一种具有空间两转动和一平动自由度的并联机构，其特征在于，它包括一动平台、三个均匀布置在所述动平台周围且呈轴对称分布的固定架和三个连接所述固定架与所述动平台的支链；每一支链包括：一紧固连接在所述固定架内侧且与所述动平台垂直的直线导轨，一可滑动地设置在所述直线导轨上的滑块，一紧固连接在所述固定架上的用于驱动滑块移动的驱动装置，以及一连接杆；其中，所述连接杆的一端通过一具有两个转动自由度的第一铰链与所述滑块连接，另一端通过一具有两个转动自由度的第二铰链与所述动平台连接。本发明可广泛应用于五轴联动混联数控机床中。
【IPC分类】B23Q1-44
【公开号】CN104551714
【申请号】CN201510009277
【发明人】王立平, 许华旸, 关立文, 支豫
【申请人】清华大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月8日