专利名称:六自由度冗余并联机构的制作方法
技术领域:
本发明涉及一种可以作为并联机床的主体结构的六自由度冗余并联机构。
背景技术:
并联机床是以并联机构(Parallel Mechanism)为主体的机床。并联机构一般具有一个固定平台和一个动平台,两者通过多条支链相互连接,通过改变支链的长短及其方位,实现动平台在一定的空间内运动。将这种机构用于机床行业中,是把刀具或是工件安装在动平台上,通过调整动平台的位置和姿态来实现刀具和工件之间的相对运动,从而完成对零件的加工。
并联机床具有刚度重量比大、响应速度快、适合于复杂型面加工、机床结构简单、技术附加值高、机床部件便于模块化设计和批量生产等优点。但并联机床的工作空间非常小,尤其是姿态空间,对于六自由度并联机床一般不超过30°,难于适应大倾角多坐标数控作业的需要。此外,由于并联机床的运动副多数为铰链,铰链的精度、间隙和接触刚性等问题,使得并联机床的实际精度和刚性大大降低。所以,工作空间小、实际可达到的精度和刚性低是影响并联机床实用化的主要原因。
影响并联机床工作空间的主要因素是结构约束和奇异位形。提高工作空间主要有以下几种方法(1)对并联机床结构进行改进;(2)采用混并联结构;(3)采用导轨滑块结构;(4)采用冗余的方法等。采用新的结构形式、结构布局和改变结构参数等可以改善机构结构约束,扩大工作空间;但奇异位形是并联机构的固有特性,当并联机床处于奇异位形时,其动平台具有多余不可控的自由度,这时各支链的合力无法平衡动平台受到的负载力,并联机床也就失去了控制。并联机床不仅应该避免工作在奇异位形而且应该远离奇异位形工作。冗余的方法可以消除并联机构的奇异,实现跨越构型空间,尤其采用冗余驱动可以使得动平台的姿态能力增大。
发明内容
本发明的目的是提供一种六自由度冗佘并联机构,所述六自由度冗余并联机构是针对并联机构工作空间小,姿态空间小的缺点,通过支链两端分别与球铰、转动副的连接关系来改变动平台相对于环形导轨的运动关系,有效地解决了加工件在本发明专利申请的并联机构上的奇异位姿的调整。
本发明是一种六自由度冗余并联机构,包括一个动平台、一个静平台和四个支链,所述静平台为环形导轨结构,环形导轨上安装有多个滑块,滑块在环形导轨上滑动形成移动副;支链的一端为球铰,且通过球铰安装在动平台的底部,支链的另一端连接在滑块上形成转动副。
所述的六自由度冗余并联机构,由一个动平台、一个环形导轨、四个支链和与支链相适配的有四个滑块构成。
所述的六自由度冗余并联机构,由一个动平台、一个环形导轨、四个支链和三个滑块,一个球铰机构构成。
所述的六自由度冗余并联机构,其滑块的上部对称设有左支座和右支座,左支座上开有轴孔,右支座上开有轴孔,滑块的下部设有滑槽;通过四个滑块上的滑槽卡合在环形导轨上实现四个滑块与环形导轨的滑动连接。
所述的六自由度冗余并联机构,其支链由带有球铰的伸缩杆、套筒、电机、丝杆和丝母组成,电机、丝杆和丝母安装在套筒内,轴承固定在套筒内壁上,电机的输出轴端连接有一联轴器,丝杆固定在联轴器上且由轴承支撑,丝母套接在丝杆上,伸缩杆通过螺钉连接在丝母上,伸缩杆与套筒接合处设有护盖。
所述的六自由度冗余并联机构,可以任意选取一个支链作为冗余支链,与其对称的其他支链可以作为运动支链。
本发明六自由度冗余并联机构的优点(1)它结合了多种提高并联机床工作空间的方法,首先采用了冗余支链的结构形式,冗余支链的存在提高了机床的刚性;其次冗余驱动的采用可避免机床结构奇异位形,扩大机床的工作空间,两个冗余驱动可完全消除机构的奇异;最后,导轨滑块结构的形式可提高导轨轴向的工作空间,而环形导轨的采用可实现圆周方向上动平台大范围的移动,从而使机床在整个圆周方向上的工作空间,尤其使姿态空间大大提高。(2)一般情况下,传统并联机构的姿态能力都很小。同传统的并联结构相比,本结构的动平台能够在圆周360度方向上均可实现90度的偏转。(3)机构的结构形式相当于多种3RPS机构的组合,因此机构还具有大范围的平动空间。即本结构可使机构在较大位置空间基础上实现较大的姿态空间。
图1是本发明六自由度冗佘并联机构的结构图。
图2是第一滑块的结构图。
图3是第一支链的剖视图。
图4是本发明六自由度冗余并联机构的另一结构图。
图中1.动平台21.第一支链211.套筒212.伸缩杆213.护盖241.电机215.联轴器216.轴承217.丝杠218.丝母22.第二支链23.第三支链24.第四支链31.第一滑块311.左支座312.右支座313.轴孔314.滑槽32.第二滑块33.第三滑块34.第四滑块4.环形导轨5.球铰6.球铰具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参见图1所示,本发明是一种六自由度冗余并联机构,由一个动平台1、一个环形导轨4、四个支链21、22、23和24和四个滑块31、32、33和34构成。环形导轨4上安装有第一滑块31、第二滑块32、第三滑块33和第四滑块34四个滑块,滑块在环形导轨4上滑动形成移动副。第一支链21、第二支链22、第三支链23和第四支链24的一端通过球铰相互对称安装在动平台1底部的四个部位,动平台1为一个四边形平台,第一支链21、第二支链22、第三支链23和第四支链24的另一端分别对应连接在第一滑块31、第二滑块32、第三滑块33和第四滑块34上形成转动副。
请参见图2所示,在本发明中的六自由度冗余并联机构其每一个滑块结构是相同的,故在本申请中只对其中一个滑块进行公开说明。第一滑块31的上部对称设有左支座311和右支座312,左支座311上开有轴孔,右支座312上开有轴孔313,第一滑块31的下部设有滑槽314;通过四个滑块上的滑槽卡合在环形导轨4上实现四个滑块与环形导轨4的滑动连接。
请参见图3所示,在本发明中的六自由度冗余并联机构其每一个支链结构是相同的,故在本申请中只对其中一个支链进行公开说明。第一支链21由带有球铰的伸缩杆212、套筒211、电机214、丝杆217和丝母218组成,电机214、丝杆217和丝母218安装在套筒211内,轴承216固定在套筒211内壁上,电机214的输出轴端连接有一联轴器215,丝杆217固定在联轴器215上且由轴承216支撑,丝母218套接在丝杆217上,伸缩杆212通过螺钉连接在丝母218上,伸缩杆212与套筒211接合处设有护盖213。在工作时,由电机214驱动丝杆217旋转使丝母218产生直线运动,从而使伸缩杆213在套筒211内作伸缩运动。
在本发明中,可以任意选取一个支链作为冗余支链,与其对称的支链作为运动支链。若选取第三支链23作为冗余支链,与其对称的第一支链21、第二支链22和第四支链24作为运动支链。
请参见图4所示,为了较为方便的确定冗余支链,可以在其中一个支链的两端均采用球铰机构(即球铰5)进行连接,则两端为球铰的支链作为冗余支链,与其对称的支链作为运动支链。球铰的结构可以普通的球铰机构,也可以是申请号为200520103803.6的复合球铰关节机构。
六自由度冗余并联机构的工作原理是该机构为八驱动六自由度冗余并联机构,四个驱动作用在四个驱动滑块,即第一滑块31、第二滑块32、第三滑块33和第四滑块34上产生沿环形导轨4的圆周运动,四个可伸缩支链,即第一支链21、第二支链22、第三支链23和第四支链24上有四个驱动实现四个支链的伸缩运动,四个可伸缩支链中有一支链为冗余支链,其为对称机构,任意支链均可作为其的运动支链,不妨取第三支链23为冗余支链为例。冗余支链23对实现机构的运动不起作用,但冗余支链23的存在使机构运动过程中避免死点位置,实现跨越奇异位形,扩大工作空间,同时可提高机构的刚性。当运动支链中的第一支链21、第二支链22和第四支链24由丝杆217轴产生轴向的伸缩运动,驱动滑块中的第一滑块31、第二滑块32和第四滑块34产生沿环形导轨4运动时,六个驱动共同作用,使动平台实现六个自由度的运动,可使动平台1在各方向上实现大范围偏转角度达到90°的偏转。运动支链中由电机驱动实现的伸缩运动和被驱动的滑块运动要与其他运动支链的运动保持协调运动关系,共同实现机构八驱动六自由度的运动。即第一支链21的伸缩运动和第一滑块31在环形导轨4上的滑动运动要与第二支链22和第四支链24的运动保持协调运动关系。同理得到,第二支链22和第四支链24的运动关系。
权利要求
1.一种六自由度冗余并联机构,包括动平台、静平台和支链,其特征在于所述静平台为环形导轨(4)结构,环形导轨(4)上安装有多个滑块,滑块在环形导轨(4)上滑动形成移动副;支链的一端为球铰(6),且球铰(6)安装在动平台(1)的底部,支链的另一端连接在滑块上形成转动副。
2.根据权利要求1所述的六自由度冗余并联机构,其特征在于由一个动平台(1)、一个环形导轨(4)、四个支链(21、22、23和24)和与支链相适配的有四个滑块(31、32、33和34)构成。
3.根据权利要求1所述的六自由度冗余并联机构,其特征在于由一个动平台(1)、一个环形导轨(4)、四个支链(21、22、23和24)和三个滑块(31、32和34),一个球铰(5)机构构成。
4.根据权利要求1或2或3所述的六自由度冗余并联机构,其特征在于所述第一滑块(31)的上部对称设有左支座(311)和右支座(312),左支座(311)上开有轴孔,右支座(312)上开有轴孔(313),第一滑块(31)的下部设有滑槽(314);通过四个滑块上的滑槽卡合在环形导轨(4)上实现四个滑块与环形导轨(4)的滑动连接。
5.根据权利要求1或2或3所述的六自由度冗余并联机构,其特征在于所述第一支链(21)由带有球铰的伸缩杆(212)、套筒(211)、电机(214)、丝杆(217)和丝母(218)组成,电机(214)、丝杆(217)和丝母(218)安装在套筒(211)内,轴承(216)固定在套筒(211)内壁上,电机(214)的输出轴端连接有一联轴器(215),丝杆(217)固定在联轴器(215)上且由轴承(216)支撑,丝母(218)套接在丝杆(217)上,伸缩杆(212)通过螺钉连接在丝母(218)上,伸缩杆(212)与套筒(211)接合处设有护盖(213)。
6.根据权利要求1或2所述的六自由度冗余并联机构,其特征在于所述第三支链(23)为冗余支链,与其对称的第一支链(21)、第二支链(22)和第四支链(24)为运动支链。
7.根据权利要求1或3所述的六自由度冗余并联机构,其特征在于所述两端为球铰机构的支链为冗余支链,与其对称的第一支链(21)、第二支链(22)和第四支链(24)为运动支链。
8.根据权利要求1或2或3所述的六自由度冗余并联机构,其特征在于所述动平台(1)在各方向上能够实现偏转角度达到90°。
全文摘要
本发明公开了一种六自由度冗余并联机构,包括一个动平台、一个静平台和四个支链,所述静平台为环形导轨结构,环形导轨上安装有四个滑块;支链的一端通过球铰安装在动平台的底部,支链的另一端连接在滑块上形成转动副,滑块在环形导轨上滑动构成移动副。本发明的并联机构,可以任意选取一个支链作为冗余支链,与其对称的其他支链作为运动支链。由于采用了冗余支链的结构形式,提高了机床的刚性,同时避免了机床结构奇异位形,扩大了机床的工作空间;导轨与滑块的组合形式提高了导轨轴向的工作空间,而环形导轨的采用可实现圆周方向上动平台大范围的移动,从而使机床在整个圆周方向上的工作空间,尤其使姿态空间大大提高。
文档编号B25J9/00GK1730235SQ20051009340
公开日2006年2月8日 申请日期2005年8月29日 优先权日2005年8月29日
发明者陈五一, 梁辉, 白志富, 韩先国 申请人:北京航空航天大学