具有空間三自由度的并聯(lián)機構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有空間三自由度的并聯(lián)機構(gòu)。它包括豎直設(shè)置的3條運動支鏈和設(shè)置于3條運動支鏈所圍成的空間內(nèi)的動平臺；每條運動支鏈均包括直線進給系統(tǒng)，直線進給系統(tǒng)驅(qū)動動平臺沿豎直方向移動；運動支鏈Ⅰ通過連接桿A與動平臺相連接，連接桿A的兩端通過轉(zhuǎn)動副分別與運動支鏈Ⅰ和連接桿B相連，連接桿A的近連接桿B端的部分桿體通過轉(zhuǎn)動副與動平臺相連；運動支鏈Ⅱ通過轉(zhuǎn)動副與連接桿B另一端相連；運動支鏈Ⅲ通過連接桿C與動平臺相連，連接桿C的一端與運動支鏈Ⅲ通過球形鉸鏈相連，另一端與動平臺之間通過兩轉(zhuǎn)動自由度的萬向副相連。本發(fā)明具有空間兩轉(zhuǎn)動自由度和一平動自由度的并聯(lián)機構(gòu)，各支鏈結(jié)構(gòu)簡單，有效地保障了機構(gòu)的高動態(tài)特性和受力平衡特性。
【專利說明】
具有空間三自由度的并聯(lián)機構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種三自由度并聯(lián)機構(gòu)，具體涉及一種具有空間三自由度的并聯(lián)機構(gòu)，屬于機械制造領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，模塊化性能好，剛度質(zhì)量比大，易于實現(xiàn)高速運動。并聯(lián)機構(gòu)是由多個支鏈和動、靜平臺共同構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，其自由度最多為六。自由度少于六的并聯(lián)機構(gòu)被稱為少自由度并聯(lián)機構(gòu)。其中，三自由度并聯(lián)機構(gòu)是一種重要的少自由度并聯(lián)機構(gòu)。近年來，一些基于三自由度并聯(lián)機構(gòu)的混聯(lián)制造裝備在工業(yè)中得到了成功應(yīng)用，如基于2-UPR/SPR機構(gòu)的五軸混聯(lián)加工中心Exechoon(W02006054935)，和基于3-PRS機構(gòu)的Ecospeed五軸混聯(lián)加工中心(W02000025976)等。混聯(lián)機構(gòu)兼具串聯(lián)機構(gòu)工作空間大以及并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、動態(tài)響應(yīng)特性好的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)大工作空間的五軸聯(lián)動高速切銑加工，適合應(yīng)用于空間自由曲面類零部件的加工。
[0003]專利US6431802和CN100377847C為目前兩種常見的空間兩轉(zhuǎn)動一平動并聯(lián)機構(gòu)，分別為3PRS構(gòu)型和3RPS構(gòu)型，二者均已應(yīng)用于混聯(lián)機床領(lǐng)域。兩個機構(gòu)都包括靜平臺、動平臺及三條結(jié)構(gòu)相同且呈軸對稱分布的支鏈。US6431802所涉及的機構(gòu)支鏈依次包含一個移動副、一個轉(zhuǎn)動副和一個球鉸;其中，移動副為驅(qū)動單元，通過導(dǎo)軌與靜平臺配合;轉(zhuǎn)動副和球鉸為被動單元，球鉸連接相應(yīng)的連接桿和動平臺。CN100377847C所涉及的機構(gòu)支鏈依次包含一個轉(zhuǎn)動副、一個移動副和一個球鉸;其中，轉(zhuǎn)動副與定平臺相連接，移動副為驅(qū)動單元;球鉸為被動單元，連接相應(yīng)的連接桿和動平臺。
[0004]此外，還有諸多研究單位和科研機構(gòu)構(gòu)型出多種兩轉(zhuǎn)一移三自由度并聯(lián)機構(gòu)(如TO005976、EP1123175、CN102632394等)，清華大學(xué)、天津大學(xué)等高校也已提出一些并聯(lián)式主軸頭結(jié)構(gòu)(如CN101264576、CN101049699、CN101579828等)。但是運動副數(shù)目少、結(jié)構(gòu)簡單、控制容易的該類并聯(lián)式主軸頭結(jié)構(gòu)還相對比較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種具有空間三自由度的并聯(lián)機構(gòu)，它能夠有效增加動平臺擺角范圍且保證動平臺運動精度，可與串聯(lián)機構(gòu)連接組成五軸聯(lián)動混聯(lián)數(shù)控加工裝備，克服了已有的并聯(lián)主軸頭技術(shù)的缺點。
[0006]本發(fā)明所提供的具有空間三自由度的并聯(lián)機構(gòu)，包括豎直設(shè)置的3條運動支鏈和設(shè)置于3條所述運動支鏈所圍成的空間內(nèi)的動平臺；
[0007]每條所述運動支鏈均包括一直線進給系統(tǒng)，所述直線進給系統(tǒng)驅(qū)動所述動平臺沿豎直方向移動；
[0008]3條所述運動支鏈依次記為運動支鏈1、運動支鏈Π和運動支鏈m;
[0009]所述運動支鏈I通過連接桿A與所述動平臺相連接，所述連接桿A的兩端通過轉(zhuǎn)動副分別與所述運動支鏈I和連接桿B相連接，所述連接桿A的近所述連接桿B端的部分桿體通過轉(zhuǎn)動副與所述動平臺相連接；
[0010]所述運動支鏈Π通過轉(zhuǎn)動副與所述連接桿B的另一端相連接；
[0011 ]所述運動支鏈ΙΠ通過連接桿C與所述動平臺相連接，所述連接桿C的一端與所述運動支鏈m通過球形鉸鏈相連接，所述連接桿C的另一端與所述動平臺之間通過兩轉(zhuǎn)動自由度的萬向副相連接。
[0012]所述的并聯(lián)機構(gòu)中，所述直線進給系統(tǒng)包括驅(qū)動裝置和直線導(dǎo)軌；
[0013]所述直線導(dǎo)軌上通過移動副連接一滑塊；
[0014]所述驅(qū)動裝置驅(qū)動所述滑塊沿所述直線導(dǎo)軌移動，即實現(xiàn)所述運動支鏈的移動自由度。
[0015]所述的并聯(lián)機構(gòu)中，所述驅(qū)動裝置驅(qū)動所述滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，在所述滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動作用下驅(qū)動所述滑塊移動。
[0016]所述的并聯(lián)機構(gòu)中，所述驅(qū)動裝置和所述直線導(dǎo)軌均設(shè)于固定架上。
[0017]所述的并聯(lián)機構(gòu)中，所述連接桿A與所述運動支鏈I的所述滑塊相連接；
[0018]所述連接桿B與所述運動支鏈Π的所述滑塊相連接；
[0019]所述連接桿C與所述運動支鏈m的所述滑塊相連接。
[0020]本發(fā)明提供的具有空間兩轉(zhuǎn)動自由度和一平動自由度的并聯(lián)機構(gòu)，各支鏈結(jié)構(gòu)簡單，有效地保障了機構(gòu)的高動態(tài)特性和受力平衡特性;機構(gòu)X和Y兩個方向的轉(zhuǎn)動自由度解耦，其末端動平臺因此獲得較高的轉(zhuǎn)角范圍和較好的輸出精度則是該機構(gòu)的一個突出優(yōu)點；在該空間兩轉(zhuǎn)動一平動并聯(lián)機構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過采用與串聯(lián)平臺混聯(lián)的形式可以實現(xiàn)五軸聯(lián)動的數(shù)控加工能力，從而實現(xiàn)對復(fù)雜自由曲面類零件的高效、高精度加工。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明具有空間三自由度的并聯(lián)機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為本發(fā)明具有空間三自由度的并聯(lián)機構(gòu)的運動支鏈m結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖中各標(biāo)記如下:
[0024]10固定架、11直線導(dǎo)軌、12滾珠絲杠、13，18，20滑塊、14驅(qū)動裝置、15連接桿A、17連接桿C、19連接桿B、16兩轉(zhuǎn)動自由度的萬向副、101運動支鏈1、102運動支鏈Π、103運動支鏈m、20i動平臺。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明并不局限于以下實施例。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明可用于五軸聯(lián)動混聯(lián)數(shù)控機床的空間兩轉(zhuǎn)動一平動并聯(lián)機構(gòu)的示意圖，包括固定架10、動平臺201以及按空間垂直布置在固定架10和動平臺201之間的運動支鏈1101、運動支鏈Π 102和運動支鏈m 103。每一條運動支鏈均有一套同樣的直線進給系統(tǒng)，其包括驅(qū)動裝置14、直線導(dǎo)軌11和滾珠絲杠12，其中驅(qū)動裝置14和直線導(dǎo)軌11均固定設(shè)置在固定架10上，驅(qū)動裝置14帶動滾珠絲杠12轉(zhuǎn)動。
[0027]在運動支鏈IlOl中，滑塊13與直線導(dǎo)軌11以移動副連接，滑塊13受驅(qū)動裝置14驅(qū)動(在滾珠絲杠12的轉(zhuǎn)動下沿直線導(dǎo)軌11移動)，為運動支鏈IlOl輸入運動;連接桿Al5的一端通過轉(zhuǎn)動副與滑塊13連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副與運動支鏈Π 102中的連接桿B19連接，近連接桿B19端的中間部分桿體通過轉(zhuǎn)動副與動平臺201連接，三個轉(zhuǎn)動副的方向如圖1中所不O
[0028]在運動支鏈Π102中，滑塊20受驅(qū)動裝置14驅(qū)動(在滾珠絲杠12的轉(zhuǎn)動下沿直線導(dǎo)軌11移動)，為運動支鏈Π 102輸入運動;連接桿B19的一端通過轉(zhuǎn)動副與滑塊21連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副與連接桿Al 5連接，轉(zhuǎn)動副的方向如圖1中所示。
[0029]如圖2所示，在運動支鏈ΙΠ103中，滑塊18受驅(qū)動裝置14驅(qū)動(在滾珠絲杠12的轉(zhuǎn)動下沿直線導(dǎo)軌11移動)，為運動支鏈ΙΠ103輸入運動;連接桿C17的一端通過球形鉸鏈(圖中未標(biāo))與滑塊18連接，另一端通過兩轉(zhuǎn)動自由度的萬向副16與動平臺201連接，萬向副的方向如圖2中所示。
[0030]本發(fā)明并聯(lián)機構(gòu)中，3個運動支鏈分別與動平臺201以及固定架10連接形成一個空間閉環(huán)機構(gòu)，通過3個滑塊的輸入運動驅(qū)動動平臺201運動。本發(fā)明并聯(lián)機構(gòu)利用運動支鏈I101、動平臺201，以及運動支鏈Π 102，共同實現(xiàn)動平臺201繞y軸方向的轉(zhuǎn)動自由度;運動支鏈ΙΠ103使動平臺201具有X方向的轉(zhuǎn)動自由度。由于3個運動支鏈均具有z方向的移動自由度，因此動平臺201也具備z向移動自由度。三個支鏈共同作用，使該機構(gòu)具有兩轉(zhuǎn)動自由度和一平動自由度
[0031]本發(fā)明上述實施例中，驅(qū)動裝置14采用了伺服電機-滾珠絲杠進給方式，通過導(dǎo)軌11為滑塊提供一個移動自由度的運動輸入，為了達到同樣的目的，驅(qū)動裝置14也可以采用直線電機進給方式，為滑塊提供一個移動自由度的運動輸入。當(dāng)然，在具體實施過程中，采用其它任意一種可實現(xiàn)相同運動功能的驅(qū)動形式都是可以的。同時，本發(fā)明可采用模塊化設(shè)計，可通過固定架上的機械接口與兩個正交的串聯(lián)移動平臺配合使用，進而構(gòu)成五軸聯(lián)動的混聯(lián)數(shù)控加工單元。其中，動平臺201上可以安裝機床主軸和刀具，完成零件切銑任務(wù)。
[0032]需要指出的是，本發(fā)明是針對三自由度機床加工單元的需求所提出，但是本發(fā)明的最終應(yīng)用并不限制于機床加工領(lǐng)域。在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造本質(zhì)的情況下，采用其它形式的固定架(包括形狀和布局)、驅(qū)動方式以及鉸鏈連接方式并應(yīng)用于任何領(lǐng)域，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種具有空間三自由度的并聯(lián)機構(gòu)，包括豎直設(shè)置的3條運動支鏈和設(shè)置于3條所述運動支鏈所圍成的空間內(nèi)的動平臺； 每條所述運動支鏈均包括一直線進給系統(tǒng)，所述直線進給系統(tǒng)驅(qū)動所述動平臺沿豎直方向移動； 3條所述運動支鏈依次記為運動支鏈1、運動支鏈π和運動支鏈m; 所述運動支鏈I通過連接桿A與所述動平臺相連接，所述連接桿A的兩端通過轉(zhuǎn)動副分別與所述運動支鏈I和連接桿B相連接，所述連接桿A的近所述連接桿B端的部分桿體通過轉(zhuǎn)動副與所述動平臺相連接； 所述運動支鏈Π通過轉(zhuǎn)動副與所述連接桿B的另一端相連接； 所述運動支鏈ΙΠ通過連接桿C與所述動平臺相連接，所述連接桿C的一端與所述運動支鏈m通過球形鉸鏈相連接，所述連接桿c的另一端與所述動平臺之間通過兩轉(zhuǎn)動自由度的萬向副相連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于:所述直線進給系統(tǒng)包括驅(qū)動裝置和直線導(dǎo)軌； 所述直線導(dǎo)軌上通過移動副連接一滑塊； 所述驅(qū)動裝置驅(qū)動所述滑塊沿所述直線導(dǎo)軌移動。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于:所述驅(qū)動裝置驅(qū)動所述滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，在所述滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動作用下驅(qū)動所述滑塊移動。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于:所述驅(qū)動裝置和所述直線導(dǎo)軌均設(shè)于固定架上。5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項所述的并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于:所述連接桿A與所述運動支鏈I的所述滑塊相連接； 所述連接桿B與所述運動支鏈Π的所述滑塊相連接； 所述連接桿c與所述連接支鏈m的所述滑塊相連接。
【文檔編號】B23Q1/64GK105855921SQ201610407036
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】關(guān)立文, 王立平, 付萌
【申請人】清華大學(xué)