專利名稱：一種具有高靈活特性的三自由度空間并聯(lián)機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)控機床技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有高靈活特性的三自由度空間并聯(lián)機構(gòu)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)機構(gòu)多采用單個開鏈結(jié)構(gòu)形式實、現(xiàn)終端的多個自由度，一般將其稱為串聯(lián)機構(gòu)，與其對應(yīng)的并聯(lián)機構(gòu)則是由多個支鏈構(gòu)成的閉環(huán)機構(gòu)，其自由度數(shù)最多為六，而自由度數(shù)少于六的并聯(lián)機構(gòu)被稱為少自由度并聯(lián)機構(gòu)，三自由度并聯(lián)機構(gòu)則是其中最重要的一類。近年來，少自由度并聯(lián)機構(gòu)中的三自由度并聯(lián)機構(gòu)越來越受到研究者的重視和青睞，尤其是具有一維移動和兩維轉(zhuǎn)動的空間并聯(lián)機構(gòu)，這類機構(gòu)具有靈活的轉(zhuǎn)動能力，非常適用于飛機大型薄壁結(jié)構(gòu)件以及具有典型空間復(fù)雜自由曲面零部件的加工，該類三自由度并聯(lián)機構(gòu)已經(jīng)在工業(yè)中得到了成功應(yīng)用，如德國DS Technologie公司采用3-PRS三自由度并聯(lián)機構(gòu)研制了 SprintZ3并聯(lián)主軸頭以及西班牙Fatronick公司研制的Hermes主軸頭。SprintZ3和Hermes主軸頭分別作為EC0SPEED系列數(shù)控加工中心以及Space_5H加工中心的一個并聯(lián)模塊，具有一維移動和兩維轉(zhuǎn)動自由度，采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)了傳統(tǒng)的A/B關(guān)節(jié)擺頭(繞機床的X軸回轉(zhuǎn)的坐標(biāo)軸為A軸，繞機床的Y軸回轉(zhuǎn)的坐標(biāo)軸為B軸，一般把能夠繞X軸和Y軸轉(zhuǎn)動的主軸頭稱為A/B關(guān)節(jié)擺頭)的功能，該類機構(gòu)具有較靈活的轉(zhuǎn)動能力。但是，上述兩類機構(gòu)的轉(zhuǎn)動軸線不明確且均具有復(fù)雜的伴隨運動(伴隨運動是發(fā)生在約束自由度方向上的強迫運動，是在機構(gòu)運動時伴隨產(chǎn)生的不希望的運動，但對機構(gòu)運動自由度的實現(xiàn)卻又是必要的)，增加了運動學(xué)分析的難度，而伴隨運動會直接導(dǎo)致機構(gòu)操作精度和質(zhì)量的下降，在機床應(yīng)用領(lǐng)域則會增加相應(yīng)設(shè)備的制造、控制以及標(biāo)定的難度，進而影響到加了工精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了滿足典型空間復(fù)雜自由曲面零部件對現(xiàn)代加工設(shè)備的高靈活度需求，提出一種具有高靈活特性的三自由度空間并聯(lián)機構(gòu)，可克服或減少現(xiàn)有加工設(shè)備中轉(zhuǎn)動軸線不明確以及伴隨運動復(fù)雜等對機構(gòu)操作精度和質(zhì)量的影響，具有轉(zhuǎn)動能力高、轉(zhuǎn)動軸線明確且伴隨運動相對簡單的特點。本發(fā)明提出的一種具有高靈活特性的三自由度空間并聯(lián)機構(gòu)，包括一個安裝執(zhí)行器的動平臺和定平臺，連接所述動平臺和定平臺之間的具有相同結(jié)構(gòu)的第一、第二支鏈，以及連接所述動平臺和定平臺之間的與第一、第二支鏈結(jié)構(gòu)不同的第三支鏈，該第一、第二、第三支鏈均含有一個主動驅(qū)動的運動副；其特征在于所述第一、第二和第三支鏈分別與定平臺以及動平臺連接形成一個空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)，該空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)通過三個輸入運動驅(qū)動動平臺運動，實現(xiàn)一個移動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度；所述第一、第二支鏈不在同一平面內(nèi)且關(guān)于所述第三支鏈初始位置所在平面對稱，所述第一支鏈所在平面與所述第二支鏈所在平面之間的夾角可以是0到180度之間的任意角度，但不能是0度或180度。
本發(fā)明的特點及技術(shù)效果本發(fā)明基于已有自由度形式，提出伴隨運動簡單且轉(zhuǎn)動軸線明確的空間三自由度并聯(lián)機構(gòu)。本發(fā)明的三自由度空間并聯(lián)機構(gòu)通過三個主動驅(qū)動的運動副驅(qū)動動平臺運動，實現(xiàn)一個移動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度，該機構(gòu)具有較高的靈活性，實現(xiàn)了 A/B關(guān)節(jié)擺頭功能的同時具有較高的轉(zhuǎn)動能力；該機構(gòu)的移動自由度方向為主動驅(qū)動的輸入方向，一個轉(zhuǎn)動自由度的旋轉(zhuǎn)軸線在第一、第二、支鏈與動平臺相連接的鉸鏈中心的連線上，另一個轉(zhuǎn)動自由度的旋轉(zhuǎn)軸線與第三支鏈初始位置所在平面平行，為所述第三支鏈與動平臺相連接的轉(zhuǎn)動副的旋轉(zhuǎn)軸線；兩條旋轉(zhuǎn)軸線位置明確，且該機構(gòu)沒有繞動平臺法向量的旋轉(zhuǎn)伴隨運動，伴隨運動相對簡單，進而從原理構(gòu)型上保證了機構(gòu)的操作精度和質(zhì)量，降低了在機床領(lǐng)域應(yīng)用時相應(yīng)設(shè)備的制造、控制以及標(biāo)定的難度，有利于精度的進一步提聞。該空間并聯(lián)機構(gòu)具有以下優(yōu)點( I)具有高靈活特性；(2)轉(zhuǎn)動軸線明確且伴隨運動相對簡單，更容易保證機構(gòu)操作精度和質(zhì)量；(3)配合其它裝置可實現(xiàn)對復(fù)雜空間自由曲面類零部件的多軸聯(lián)動數(shù)控加工。


圖I為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的一種具有高靈活特性的三自由度空間并聯(lián)機構(gòu)結(jié)合附圖及實施例詳細(xì)說明如下本發(fā)明提出的一種具有高靈活特性的三自由度空間并聯(lián)機構(gòu)，包括一個安裝執(zhí)行器的動平臺和定平臺，連接所述動平臺和定平臺之間的具有相同結(jié)構(gòu)的第一、第二支鏈；其特征在于還包括連接所述動平臺和定平臺之間的與第一、第二支鏈結(jié)構(gòu)不同的第三支鏈，該第一、第二、第三支鏈均含有一個主動驅(qū)動的運動副；所述第一、第二和第三支鏈分別與定平臺以及動平臺連接形成一個空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)，該空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)通過三個主動驅(qū)動的運動副驅(qū)動動平臺運動，實現(xiàn)一個移動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度；所述第一、第二支鏈不在同一平面內(nèi)且該兩平面相對于所述第三支鏈初始位置所在平面對稱，所述第一支鏈所在平面與所述第二支鏈所在平面之間的夾角為O到180度之間的任意角度(但不能為O度或180度)。本發(fā)明的三自由度空間并聯(lián)機構(gòu)，第一、第二均為PRS型運動支鏈，第三支鏈為PR (Pa) RR型運動支鏈(其中，P代表移動副，R代表轉(zhuǎn)動副，S代表球鉸，Pa代表平行四邊形機構(gòu)，且移動副P是主動驅(qū)動運動副)。具體說明如下第一、第二支鏈包括滑塊、連桿以及運動副。所述運動副有三個，一個是連接于定平臺和滑塊之間的移動副P，一個是連接于滑塊和連桿之間的轉(zhuǎn)動副R，一個是連接于連桿和動平臺之間的球鉸S。其中，連接于定平臺和滑塊之間的移動副P是主動驅(qū)動的，該支鏈為PRS型運動支鏈。第三支鏈包括滑塊、平行四邊形機構(gòu)Pa、連接件以及運動副。所述運動副有四個，一個是連接于定平臺和滑塊之間的移動副P，一個是連接于滑塊和平行四邊形機構(gòu)之間的轉(zhuǎn)動副R、一個是連接于平行四邊形機構(gòu)和連接件之間的轉(zhuǎn)動副R，另一個是連接于連接件和動平臺之間的轉(zhuǎn)動副R ;所述平行四邊形機構(gòu)包括上連桿、下連桿、左連桿、右連桿以及連接上述桿件的相互平行的四個轉(zhuǎn)動副R。其中，連接于定平臺和滑塊之間的移動副P是主動驅(qū)動的，該支鏈為PR (Pa) RR型運動支鏈。實施例本實施例的一種具有高靈活特性的三自由度空間并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括定平臺11、定平臺16、定平臺、111、動平臺113以及第一、第二、第三支鏈，所述三條支鏈分別連接于定平臺11、定平臺16、定平臺111和動平臺113之間，并與定平臺11、定平臺16、定平臺111和動平臺113構(gòu)成空間閉環(huán)機構(gòu)。所述第一、第二支鏈為PRS型運動支鏈，包括滑塊12、滑塊110、連桿114、連桿112以及運動副。所述運動副有三個，一個是連接于定平臺11、定平臺111和滑塊12、滑塊110之間的移動副P，一個是連接于滑塊12、滑塊110和連桿114、連桿112之間的轉(zhuǎn)動副R，一個是連接于連桿114、連桿112和動平臺113之間的球鉸S。其中，連接于定平臺11、定平臺111和滑塊12、滑塊110之間的移動副P是主動驅(qū)動的。所述第三支鏈為PR(Pa) RR型運動支鏈，包括滑塊15、平行四邊形機構(gòu)Pa、連接件13以及運動副。所述運動副有四個，一個是連接于定平臺16和滑塊15之間的移動副P，一個是連接于滑塊15和平行四邊形機構(gòu)Pa之間的轉(zhuǎn)動副R、一個是連接于平行四邊形機構(gòu)Pa和連接件13之間的轉(zhuǎn)動副R，另一個是連接于連接件13和動平臺113之間的轉(zhuǎn)動副R ；所述平行四邊形機構(gòu)Pa包括上連桿17、下連桿19、左連桿18、右連桿14以及連接上述桿件的相互平行的四個轉(zhuǎn)動副R。其中，連接于定平臺16和滑塊15之間的移動副P是主動驅(qū)動的。所述第一、第二和第三支鏈與定平臺11、定平臺16、定平臺111和動平臺113連接構(gòu)成空間閉環(huán)機構(gòu)，通過定平臺111與滑塊110、定平臺11與滑塊12、定平臺16與滑塊15之間的三個主動驅(qū)動移動副驅(qū)動動平臺運動，實現(xiàn)一個移動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度。所述第一、第二支鏈均被限定在各自的平面內(nèi)，所述第一支鏈所在平面與所述第二支鏈所在平面相對于所述第三支鏈初始位置所在平面對稱，所述第一支鏈所在平面與所述第二支鏈所在平面之間的夾角為O到180度之間的任意角度，但不能為O度或180度。本實施例中，所述第一支鏈所在平面與所述第二支鏈所在平面之間的夾角為90度。
權(quán)利要求
1.一種具有高靈活特性的三自由度空間并聯(lián)機構(gòu)，包括一個安裝執(zhí)行器的動平臺和定平臺，連接所述動平臺和定平臺之間的三個支鏈；所述第一、第二支鏈結(jié)構(gòu)相同均包括滑塊、連桿以及運動副，所述運動副有三個，一個是連接于定平臺和滑塊之間的移動副(P)，一個是連接于滑塊和連桿之間的轉(zhuǎn)動副(R)，一個是連接于連桿和動平臺之間的球鉸(S)，其中，連接于定平臺和滑塊之間的移動副(P)是主動驅(qū)動的，該支鏈為PRS型運動支鏈；其特征在于所述第三支鏈包括滑塊、平行四邊形機構(gòu)(Pa)、連接件以及運動副，所述運動副有四個，一個是連接于定平臺和滑塊之間的移動副(P)，一個是連接于滑塊和平行四邊形機構(gòu)之間的轉(zhuǎn)動副(R)、一個是連接于平行四邊形機構(gòu)和連接件之間的轉(zhuǎn)動副(R)，另一個是連接于連接件和動平臺之間的轉(zhuǎn)動副(R)，所述平行四邊形機構(gòu)包括上連桿、下連桿、左連桿、右連桿以及連接上述桿件的相互平行的四個轉(zhuǎn)、動副(R)，其中，連接于定平臺和滑塊之間的移動副(P)是主動驅(qū)動的，該支鏈為PR(Pa)RR型運動支鏈；所述第一、第二和第三支鏈分別與定平臺以及動平臺連接形成一個空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)，該空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)通過三個輸入運動驅(qū)動動平臺運動，實現(xiàn)一個移動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度。
2.如權(quán)利要求I所述的一種具有高靈活特性的三自由度空間并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于，所述第一支鏈所在平面與所述第二支鏈所在平面關(guān)于所述第三支鏈初始位置所在平面對稱，所述第一支鏈所在平面與所述第二支鏈所在平面之間的夾角為O到180度之間的任意角度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有高靈活特性的三自由度空間并聯(lián)機構(gòu)，屬于數(shù)控機床技術(shù)領(lǐng)域。包括一個安裝執(zhí)行器的動平臺和定平臺，連接所述動平臺和定平臺之間的具有相同結(jié)構(gòu)的第一、第二支鏈，以及連接所述動平臺和定平臺之間的與第一、第二支鏈結(jié)構(gòu)不同的第三支鏈，該第一、第二、第三支鏈均含有一個主動驅(qū)動的運動副；所述第一、第二和第三支鏈分別與定平臺以及動平臺連接形成一個空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)，該空間并聯(lián)閉環(huán)機構(gòu)通過三個輸入運動驅(qū)動動平臺運動，實現(xiàn)一個移動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度。該空間并聯(lián)機構(gòu)具有高靈活特性，并具有轉(zhuǎn)動軸線明確、伴隨運動相對簡單等特點，更容易保證機構(gòu)的操作精度和質(zhì)量。
文檔編號B23Q1/48GK102626871SQ20121013582
公開日2012年8月8日 申請日期2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月3日
發(fā)明者劉辛軍, 汪勁松, 王立平, 蘇錚, 謝福貴 申請人:清華大學(xué)