專利名稱：用于虛擬軸數控機床與機械測量機的六自由度并聯(lián)機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一類機床、機器人與坐標測量機的執(zhí)行機構，具體地說是為并聯(lián)結構的虛擬軸數控機床、虛擬軸并聯(lián)坐標測量機與并聯(lián)機器人提供一類(4種)新型的六自由度并聯(lián)機構。
基于上述情況，Tsai提出虛擬軸數控機床用兩個并聯(lián)機構下平臺為三維平移并聯(lián)機構，上平臺為三維轉動并聯(lián)機構(US Patent，Tsai，Patent Nember5656905，1997)。其主要特點是運動學正解為8次；位置與方向解耦；與六腿Stewart機構相比，工作空間較大；完全由轉動副組成并聯(lián)機構，與球面副相比容易制造。但Tsai機構仍有以下缺點①運動學正解為8次封閉解，需建立一元8次方程并求解，這使得系統(tǒng)的控制和軌跡規(guī)劃較復雜。②三維平移機構本身運動輸入—輸出為強耦合，使系統(tǒng)控制甚為復雜。③機構存在虛約束，使其制造與裝配較復雜。④工作空間仍相對較小。
并聯(lián)結構的虛擬軸坐標測量機，也是近年來科學測量儀上的一個重大進展，與傳統(tǒng)的屬于串聯(lián)結構的測量機相比，并聯(lián)結構坐標測量機具有結構剛性大、運動速度高、誤差不疊加等獨特性，可使測量精度及測量效率等性能得到很大改善。目前，已有的相對成熟的并聯(lián)坐標測量機結構有6-SPS 6-RSS以及3-RPS等。對于6-SPS和6-RSS機構來說，由于其可動平臺相對于基平臺具有6個空間自由度，因而其末端執(zhí)行器的空間位姿比較靈活，但由于該機構的結構相對比較復雜，空間約束較少，致使其末端執(zhí)行器的求解較困難。
由于上述幾種結構中均含有較多的球面副，因此其制造及裝配均較復雜。
綜上所述，虛軸數控機床和坐標測量機、機器人的發(fā)展和實用化需要創(chuàng)造出優(yōu)于現有機構的新機型。
附圖2～附圖4為附

圖1所示的六自由度并聯(lián)機構的混合鏈腿的三種衍生結構示意圖1、附圖2為附圖1所示并聯(lián)機構的混合鏈腿的衍生結構簡圖。它由一個五桿(1、2、3、4、5)依次通過轉動副(R6、R7、R3、R4、R5)連接構成的平面閉路結構及構件6組成，平面閉路結構的構件2、5分別與靜平臺1用轉動副R6、R5機械聯(lián)接，構件3與構件6以轉動副R2機械連接，而構件6與上動平臺0用球副S1機械連接。
2、附圖3為附圖1所示并聯(lián)機構的混合鏈腿的另一衍生結構簡圖。它由一個六桿(1、2、3、4、5、6)依次通過六個轉動副(R1、R2、R3、R5、R6、R7)連接構成的平面閉路結構及一個由構件7、8通過轉動副(R8)連接構成的開鏈結構組成；開鏈結構的構件7與平面閉路結構的構件4以軸線平行于轉動副R8的轉動副R4連接，構件8與上動平臺o用轉動副R9機械連接；而平面閉路結構的構件2、6分別與靜平臺1用轉動副R1、R7機械聯(lián)接。
3、附圖4為附圖1所示并聯(lián)機構的混合鏈腿的又一衍生結構簡圖。它為一空間閉路結構，由兩條分別包含二個構件(2、3)或(4、5)的球副—球副—轉動副型支鏈(S1-S2-R3)或(S1-S5-R4)組成，兩條支鏈的二外接球副S1共球心活動連接后，又與動平臺0構成復合球副S1連接，而其外接轉動副R4、R3分別與靜平臺1機械連接。
當上述三種衍生混合鏈腿分別替代附圖1中的混合鏈腿時，可構成另外三個不同的六自由度并聯(lián)機構，均可實現機構動平臺三個平移及三個轉動輸出。
控制附圖1所述六自由度并聯(lián)機構下靜平臺1上的六個驅動馬達的運動，就可控制上動平臺0在空間的位置和姿志，實現空間一般運動，即三維平移及三維轉動輸出。如在動平臺上安裝動力頭和刀具，即可以作為并聯(lián)結構的虛擬軸數控機床；如在動平臺上安裝測頭即可以作為并聯(lián)坐標測量機。
本發(fā)明為一類(4種)六自由度并聯(lián)機構，具有以下特點①機構動平臺可實現六自由度(三個平移及三個轉動)運動輸出。②機構較簡單，具有重量輕、剛性好，可高速運動等優(yōu)點。③運動輸入—輸出具有部分解耦性，可簡化虛擬軸機床與機器人系統(tǒng)的控制問題；也可大大地減少在建立并聯(lián)虛軸測量機測量模型、測量校正與補償模型等方面的難度。④除附圖4所示并聯(lián)機構使用10個球副外，附圖1～附圖3所示并聯(lián)機構均使用球副較少(4～6個)，其余均采用轉動副和園柱副，可使機構制造、安裝較為簡單，利于精密加工，且成本較低。⑤所有驅動馬達均在靜平臺上，可減少機構的運動負載，改善動力學性能。
總之，本發(fā)明為虛擬軸數控機床、并聯(lián)坐標測量機與機器人(含步行、爬行機器人、微動機器人、工業(yè)機器人)等提供了具有上述特點的新機型，有利于新型虛軸機床、新型并聯(lián)坐標測量機和新型并聯(lián)機器人的開發(fā)和實用化。
附圖1為本發(fā)明的六自由度并聯(lián)機構的結構示意圖；附圖1所示的并聯(lián)機構可為本發(fā)明的一個實施例，它由上動平臺0、下靜平臺1及連接上下平臺的二條結構相同的混合鏈腿與二條結構相同的簡單開鏈腿組成。混合鏈腿由一平面閉路結構及一開鏈結構組成，平面閉路結構(R2-R9-R11-R10-R3)由一個五桿(1、2、3、4、5)依次通過五個轉動副(R2、R9、R11、R10、R3)連接組成，其構件2、5分別與靜平臺1用轉動副(R2、R3)機械聯(lián)接；開鏈結構(R11-R8-R7-R12)的構件6、7、8分別通過軸線相互平行的二個轉動副(R8、R7)組成，而構件6與平面閉路結構中作平面運動的構件3、4在轉動副R11處構成復合鉸鏈，構件8與上動平臺o用轉動副R12機械連接；而簡單開鏈腿由二構件9、10通過球副S14連接組成，而構件9與動平臺0用球副S15機械連接，構件10與靜平臺1用轉動副R1機械聯(lián)接。因此，該并聯(lián)機構靜平臺有六個聯(lián)接點(R1、R2、R3、R4、R5、R6)，動平臺有四個聯(lián)接點(R12、R13、S15、S16)。但靜平臺上的六個轉動副可用六個移動副代替。
當三條聯(lián)接腿的連桿結構尺寸參數及其在動、靜平臺上的分布位置一定時，控制靜平臺1上六個驅動關節(jié)(R1、R2、R3、R4、R5、)的運動，就可控制動平臺0在空間的一般位置和姿態(tài)，實現三維平移及三維轉動輸出。該種并聯(lián)機構的結構設計及驅動控制等均可按常規(guī)機電技術進行設計和安裝。該并聯(lián)機構的動平臺可作為機器人的執(zhí)行機構；如在動平臺上安裝刀具或探頭，即可以作為并聯(lián)結構的虛擬軸數控機床及虛擬軸并聯(lián)坐標測量機的執(zhí)行機構。
權利要求
①、用于虛擬軸數控機床、虛擬軸坐標測量機及并聯(lián)機器人的六自由度并聯(lián)機構，由上動平臺、下靜平臺及連接上下平臺的四條腿組成，其特征在于這四條腿為二條相同的含回路的混合鏈腿及二條相同的簡單開鏈腿；混合鏈腿包含一個由五個構件依次通過五個轉動副組成的平面閉路結構及一個由三個構件通過軸線平行的二個轉動副組成的開鏈結構，平面閉路結構的兩構件與靜平臺通過轉動副機械連接，而開鏈結構的一外接構件與平面閉路結構中作平面運動的二構件構成復合鉸鏈，其另一外接構件與動平臺用一轉動副機械連接；而簡單開鏈腿由二構件通過一球副連接組成，其一構件與靜平臺用轉動副機械連接，另一構件與動平臺也用一球副機械連接。
②、按照權利要求①所述的并聯(lián)結構，其特征在于混合鏈腿的平面閉路結構仍由五個構件依次通過五個轉動副組成，其中兩構件與靜平臺通過轉動副機械連接；而開鏈結構可由一構件代替，但該構件的一端與平面閉路結構中作平面運動的一構件用一轉動副機械連接，另一端與動平臺用球副機械連接。
③、按照權利要求①所述的并聯(lián)結構，其特征在于混合鏈腿的平面閉路結構由六個構件依次通過六個轉動副組成，其中兩構件與靜平臺通過轉動副機械連接；而開鏈結構由二構件通過一轉動副連接組成，且開鏈結構的一構件和平面閉路結構中與機架相對的一構件用軸線平行于上述轉動副的一轉動副連接，而另一構件與動平臺也用轉動副機械連接。
④、按照權利要求①所述的并聯(lián)結構，其特征在于混合鏈腿為一空間閉路結構，它由兩條分別包含二個構件的球副—球副—轉動副型支鏈組成，兩條支鏈的二外接球副共球心活動連接后，又與動平臺構成復合球副連接，而其外接轉動副分別與靜平臺通過轉動副機械連接。
⑤按照權利要求①、②、③、④所述的并聯(lián)結構，其特征在于靜平臺上的六個轉動副可用六個移動副代替。
全文摘要
用于虛擬軸數控機床、測量機及并聯(lián)機器人的六自由度并聯(lián)機構，由動平臺、靜平臺及其二條相同的混合鏈腿與二條相同的簡單開鏈腿組成?；旌湘溚扔梢黄矫骈]路結構及一開鏈結構組成，平面閉路結構由五桿依次通過五個轉動副組成，其二構件與靜平臺用轉動副機械連接；開鏈結構由三個構件分別通過軸線相互平行的二個轉動副組成，其一端構件與平面閉路結構中作平面運動的二構件構成復合鉸鏈，另一端構件與動平臺用一個轉動副機械連接；而簡單開鏈腿由二構件通過一球副連接組成，其一構件與靜平臺用轉動副機械連接，另一構件與動平臺也用一球副機械連接?？刂旗o平臺上六個驅動關節(jié)的運動，就可控制動平臺實現三維平移及三維轉動輸出。該機構可作為并聯(lián)結構的虛擬軸數控機床、測量機及并聯(lián)機器人的執(zhí)行機構。
文檔編號B25J3/00GK1445056SQ0311311
公開日2003年10月1日 申請日期2003年4月4日 優(yōu)先權日2003年4月4日
發(fā)明者沈惠平, 楊廷力, 馬履中 申請人:江蘇工業(yè)學院