一种（2PRU-PUR）-PP五轴联动混联机器人的制作方法

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种能够满足航空航天领域大型结构复杂曲面自由加工的新型(2pru-pur)-pp五轴联动混联机器人。

背景技术：

传统数控机床的机械结构大多采用串联形式，这种串联结构形式使得其运动输出端容易产生累积误差、整体刚度不高、运动惯量大以及动态响应特性差。相比而言，上世纪90年代出现的基于并联机构的新型机床具有结构紧凑、刚度高、无误差积累、运动部件质量小、易于实现高速运动以及具有较高的动态响应特性等优点，在一定程度上弥补了传统数控机床的不足，迎合了机械加工领域对高速切削的需求，进而得到了广泛关注和研究。然而，并联机床也有其先天的局限性，尤其是六自由度全并联机床，其运动耦合性强、工作空间小、运动学复杂以及数控编程复杂等缺点限制了并联机床的广泛推广应用。随着并联机构的应用以及并联机构学的不断发展进步，少自由度并联机构越来越受到研究者的重视和青睐。相对于全并联六自由度机构而言，少自由度并联机构具有运动学简单、耦合性弱、容易模块化等优点，一些少自由度并联机构已经在工业领域中得到了成功应用。

在机械加工领域，随着现代机械零部件的设计越来越复杂，空间自由曲面类零部件已广泛应用于各个重点关键领域，如航空航天、汽车等。此类应用，对现代加工工艺以及制造加工设备提出了更高的需求，因此，结合了串联机床和并联机床优点的混联机床在工业中取得了相对广泛的应用。混联机器人同时具备串联机构工作空间大且运动灵活以及并联机构刚度大、承载能力强、无累计误差等优势，突破单纯串、并联机构的局限性，更适合应用于空间自由曲面类零部件的高速切削加工，是未来机器人研究发展的一个重要方向。其中由三自由度并联机构和两自由度串联机构所组成的的五轴联动混联机器人具有独特的优势，更是各个重点行业急需的关键制造装备，受到越来越多的关注。

现有的混联机器人发明公布专利(如cn103240614b、cn105666468b、cn105690361b)，机构内部的关节轴大多是虚拟的，不利于实现闭环控制，且机构中铰链数量较多，影响加工精度。因此，提出一种精度高、速度快、刚度大、控制容易的五轴联动混联机器人十分有必要。

技术实现要素：

本发明克服了上述背景技术中的不足，提出了一种能够加工复杂自由曲面类零件的刚度精度高、灵活性好、加工速度快、工作空间大、运动学相对简单、控制容易的(2pru-pur)-pp五轴混联机器人。

本发明提供的技术方案是：

一种(2pru-pur)-pp五轴联动混联机器人，包括固定框架、带有夹具的工作台以及由固定框架支撑且驱动工作台水平移动的水平移动副；其特征在于：所述固定框架上还可竖直移动地定位一并联机构；所述并联机构包括带有电主轴的动平台、通过竖直移动副可移动地定位在固定框架上的壳状基座以及并联连接在壳状基座与动平台之间的第一支链、第二支链和第三支链；

所述的第一支链和第二支链结构相同且均包括依次连接于壳状基座与动平台之间的移动副、转动副以及虎克铰；每个支链中，转动副的转动轴线与移动副的轴线垂直，虎克铰的第一转动轴线与转动副的转动轴线平行；所述的第一支链和第二支链中，两个虎克铰的第一转动轴线共轴，两个转动副的转动轴线相互平行；

所述的第三支链依次包括连接于安装基座与动平台的第三移动副、第三虎克铰以及第三转动副；所述第三转动副的转动轴线与第三虎克铰的其中一条转动轴线平行。

所述的三条支链的移动副p的轴线相互平行且水平布置，还与水平移动副的轴线垂直。

所述三条支链中移动副的导杆轴线还形成一横截面为等腰直角三角形的柱体。

所述的第一支链和第二支链中，移动副是主动驱动副；所述的第三支链中，第三移动副是主动驱动副。

所述水平移动副、竖直移动副也是主动驱动副。

所述主动驱动副的输入驱动，依靠伺服电机带动滚珠丝杠驱动移动副实现。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该混联机器人采用的并联机构实现了目前铰链数最少的设计，在满足复杂自由曲面类零件的五轴联动数控加工要求的同时，具有刚度精度高、灵活性好、加工速度快、工作空间大、运动学相对简单、控制容易等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的立体结构示意图。

图2为图1中的并联机构的立体结构示意图。

图3为图2所示的并联机构中第一支链的立体结构示意图。

图4为图2所示的并联机构中第二支链的立体结构示意图。

图5为图2所示的并联机构中第二支链的立体结构示意图。

图中有：2、并联机构，3、工作台，4、固定框架，11、x向导轨，12、z向导轨，21、壳状基座，22、动平台，23、电主轴，24、第一支链，25、第二支链，26、第三支链，241、第一滑块，242、第一连杆，243、第一移动副，244、第一转动副，245、第一虎克铰，251、第二滑块，252、第二连杆，253、第二移动副，254、第二转动副，255、第二虎克铰，261、第三滑块，262、第三连杆，263、第三移动副，264、第三虎克铰，265、第三转动副。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步说明。

图1所示的(2pru-pur)-pp五轴联动混联机器人(其中，p代表移动副，r代表转动副，u代表虎克铰，且p代表该运动副是主动驱动副)包括：固定框架4、带有夹具的工作台3、由固定框架支撑且驱动工作台水平移动(平行于x轴方向移动)的水平移动副以及通过竖直移动副可竖直移动(平行于z轴方向移动)地定位在固定框架上的并联机构2。水平移动副包括x向导轨11以及与x向导轨滑动配合的x向滑块，竖直移动副包括z向导轨12以及与z向导轨滑动配合的z向滑块；水平移动副与竖直移动副均为主动驱动副。水平移动副与竖直移动副组成串联机构。

图2所示，所述的并联机构包括壳状基座21(图中，为方便展示将壳状基座简化成三个连为一体的杆状基座)、带有电主轴23的动平台22以及连接在壳状基座21和动平台22之间的第一支链24、第二支链25和第三支链26；通过三个支链中的输入驱动可实现动平台22在y轴方向(水平方向)的一维移动。所述的壳状基座21连接在与z向导轨12配合的z向滑块上(z向导轨12及与其配合的z向滑块形成竖直移动副)，并在z轴方向添加一个可使并联机构2沿z轴方向滑动的驱动(竖直移动副含有该驱动，图中省略)。

如图2、图3、图4所示，所述的第一支链24和第二支链25具有相同的结构且空间位置呈对称分布，分别包括结构相同的滑块241和251、结构相同的连杆242和252以及结构相同的运动副；每个支链的运动副有三个，以第一支链24为例(第二支链结构相同)，一个是连接于安装基座21和第一转动副244之间的第一移动副243(包括固定在安装基座上的第一导杆以及与导杆滑动配合的第一滑块241)，一个是连接于第一滑块241与第一连杆242之间的第一转动副244，一个是连接于第一连杆242与动平台22的第一虎克铰245，该支链为pru支链；所述的第一转动副244的转动轴线与第一移动副243的轴线垂直；所述的第一虎克铰245的第一转动轴线与第一转动副244的转动轴线平行；所述的两个pru支链中，两个虎克铰的其中一个转动轴线共轴，两个转动副的转动轴线相互平行。

如图2、图5所示，所述的第三支链26包括第三滑块261、第三连杆262及运动副；所述的运动副有三个，一个是连接于安装基座21和第三虎克铰264之间的第三移动副263(包括第三导杆以及与第三导杆滑动配合的第三滑块261)，一个是连接于第三滑块261与第三连杆262之间的第三虎克铰264，一个是连接于第三连杆262与动平台22的第三转动副265，该支链为pur支链，其中连接于安装基座21与第三虎克铰264之间的移动副是主动驱动副；所述的第三转动副265的转动轴线，与第三虎克铰264的其中一条转动轴线平行。

如图2所示，所述的动平台22为等腰直角三角形abc，该三角形中∠bac＝90°，ab＝ac。所述三条支链的移动副的轴线始终相互平行，并且水平布置(平行于y轴布置)。所述三条支链中移动副的导杆轴线还形成一横截面为等腰直角三角形的柱体(虚构)；即：任一垂直于三条支链中移动副轴线的平面，与移动副中的导杆轴线的三个交点，构成一个等腰直角三角形；该等腰直角三角形中，第三导杆上的交点为直角三角形中直角的顶点，第一导杆、第二导杆上的两个交点分别为直角三角形的两个锐角的顶点；两个锐角的顶点的连线还水平布置。

本发明中，所有移动副均为主动驱动副，主动驱动副由伺服电机带动滚珠丝杠机构实现驱动；当移动副运动时，可实现并联机构2的动平台22与工作台4之间五轴联动的相对运动效果；工作台上的夹具用于夹取待加工的工件，电主轴上则安装加工用的刀具，从而形成完整的机械加工链。