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CN103302510B - 含有两个可浮动交错转轴的并联机构 - Google Patents

含有两个可浮动交错转轴的并联机构 Download PDF

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CN103302510B CN201310277897.8A CN201310277897A CN103302510B CN 103302510 B CN103302510 B CN 103302510B CN 201310277897 A CN201310277897 A CN 201310277897A CN 103302510 B CN103302510 B CN 103302510B
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Abstract

一种带有转动副的机床技术领域的含有两个可浮动交错转轴的并联机构，包括：分别由三个分支与第一机架、第二机架、第三机架连接的动平台；第一分支包括：依次由连杆相连的第一上移动副、第一万向副、第一下移动副和第一转动副，第二分支包括：由连杆依次相连的第二上转动副、第二下转动副和第二万向副，第三分支包括：由连杆依次相连的第三上转动副、第三下转动副和第三万向副，本发明动平台的两个转动特征轴线的位置皆可以改变，从而可以减小了动力装置的负载要求。

Description

含有两个可浮动交错转轴的并联机构
技术领域
本发明涉及的是一种带有转动副的机床技术领域的装置，具体是一种含有两个可浮动交错转轴的并联机构。
背景技术
并联机构为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。和串联机器人相比较，并联机器人具有以下优点：（1）无累积误差，精度较高；（2）驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好；（3）结构紧凑，刚度高，承载能力大；根据这些特点，并联机器人在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用。
而少自由度并联机构相对于6自由度并联机构来说，又具有结构简单、造价低、运动学求解相对简单、输入少且控制较易实现等特点。因此少自由度并联机构在工业机器人、虚轴数控机床、飞机运动模拟器以及医用机器人等领域具有广泛的应用前景。
对于并联机构来说，其机构运动学耦合性都比较强，如著名的Delta机构，该机构由12个球铰、三个转动副和14个杆件组成，结构较为复杂，运动学求解繁琐。对于其他三自由度空间并联机构，特别是一移动二转动的并联机构如3-PRS、3-RPS、3-RRS等并联机构，其不能实现动平台纯转动输出，在绕某轴转动的同时必然产生伴随的移动，故其耦合性较强，运动求解较复杂，设计加工也较复杂。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN202292114，公开日2012-07-04，记载了一种具有两条垂直交错转轴的三自由度并联机构，包括动平台、机架及三个分支；其特征在于第一分支和第二分支串接有万向铰、移动副、连杆和转动副；第三分支串接有转动副、移动副、连杆和万向铰；第一分支和第二分支的万向铰的外部转轴轴线共线且平行于第三分支的转动副轴线；第一分支的万向铰的内部转轴轴线、转动副轴线与第二分支的万向铰的内部转轴轴线、转动副轴线相互平行且垂直于第一分支和第二分支的万向铰的外部转轴轴线；第三分支中，万向铰第一根转轴轴线平行于转动副轴线；万向铰第二根转轴轴线平行于第一分支和第二分支的转动副轴线。但在该现有技术中，动平台的某一转动特征（即绕第一分支和第二分支中万向铰的外部转轴的转动特征），其空间位置是固定不变的，当动平台偏离该转动轴线的距离较远时，其所要求的输入力或力矩比较大，从而增大了动力装置的负载要求；同时，现有技术要求某两个万向副的某一转轴必须共线，从而使得安装难度增大；以不与机架直接相连的移动副作为主动副，增加了机构运动所需的惯性力，从而使得机构的输入力或力矩增大。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种含有两个可浮动交错转轴的并联机构。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明涉及一种含有两个可浮动交错转轴的并联机构，包括：分别由三个分支与第一机架、第二机架、第三机架连接的动平台。
所述的第一分支包括：依次由连杆相连的第一上移动副、第一万向副、第一下移动副和第一转动副，其中：第一上移动副由连接杆与第一机架相连，第一转动副由连接杆与动平台相连；
所述的第一分支中第一万向副的第一二转轴与第一转动副轴线相互平行，第一下移动副与第一转动副轴线垂直；
所述的第二分支包括：由连杆依次相连的第二上转动副、第二下转动副和第二万向副，其中：第二上转动副由连接杆与第二机架相连，第二万向副由连接杆与动平台相连；
所述的第二上转动副、第二下转动副轴线和第二万向副的第二二转轴相互平行；
所述的第三分支采用以下两种结构中的任意一种实现：
a）该第三分支包括：由连杆依次相连的第三上转动副、第三下转动副和第三万向副，其中：第三上转动副由连接杆与第二机架相连，第三万向副由连接杆与动平台相连；
b）该第三分支包括：由连接杆依次相连的第一球铰副、第三移动副和第二球铰副，其中：第一球铰副由连接杆与第三机架相连，第二球铰副由连接杆与动平台相连。
当采用方案a时：
所述的第三上转动副、第三下转动副轴线和第三万向副的第三二转动轴线相互平行；
所述的第二分支与第三分支以第一分支为基准对称布置；
所述的第一分支中第一转动副轴线与第二万向副的第二一转动轴线、第三万向副的第三一转动轴线相互平行；
所述的第二、三分支中转动副、第一分支中第一万向副的第一一转动轴线相互平行。
所述的第二分支中第二万向副的第二一转动轴线与第三分支中第三万向副的第三一转动轴线共线。
技术效果
本发明的第一方案中动平台的两个转动轴线的位置皆可以改变，从而可以减小了动力装置的负载要求；某转动轴线必须共线的两万向副皆位于动平台上，使得安装难度减小，节省了成本（即在这种情况下，更容易实现两万向副的位置要求）；以与机架直接相连的转动副作为主动副，从而减小机构运动所需的惯性力。
本发明的第二方案中动平台的两个转动轴线的位置皆可以改变，从而可以减小了动力装置的负载要求；同时，该机构不要求某两个万向副的某转动轴线必须共线，从而大大减小了机构的安装难度，节省了成本；以与机架直接相连的转动副作为主动副，从而减小机构运动所需的惯性力。
附图说明
图1为实施例1的结构图；
图2为实施例2的结构图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例的动平台M分别由三个分支与第一机架F1、第二机架F2、第三机架F3连接：
第一分支A1中，第一上移动副P1a连接第一机架F1与第一上连杆11，第一万向副U1连接第一上连杆11与第一中连杆12，第一下移动副P1b连接第一中连杆12与第一下连杆13，第一转动副R1连接第一下连杆13与动平台M；
第二分支A2中，第二上转动副R2a连接第二机架F2与第二上连杆21，第二下转动副R2b连接第二上连杆21与第二下连杆22，第二万向副U2连接第一中连杆22与动平台M；
第三分支A3中，第三上转动副R3a连接第三机架F3与第三上连杆31，第三下转动副R3b连接第三上连杆31与第三下连杆32，第三万向副U3连接第三下连杆32与动平台M；
其中，各分支的运动副满足如下关系：
第一分支A1中第一万向副U1的第一二转动轴线L12与第一转动副R1轴线相互平行，第一下移动副P1b与第一转动副R1轴线垂直；
第二分支A2中第二上转动副R2a、第二下转动副R2b转动副轴线和第二万向副U2中第二二转动轴线L22相互平行；
第三分支A3中第三上转动副R3a、第三下转动副R3b转动副轴线和第三万向副U3中第三二转动轴线L32相互平行；
第二分支A2与第三分支A3以第一分支A1为基准对称布置；
第一分支A1中第一万向副U1的第一一转动轴线L11分别与第二、三分支中第二上转动副R2a、第三上转动副R3a的轴线相互平行；
第一分支A1中第一转动副R1轴线与第二万向副U2的第二一转动轴线L21、第三万向副U3的第三一转动轴线L31相互平行；
第二、三分支中第二上转动副R2a、第三上转动副R3a转动副轴线相互平行。
所述的第二分支中第二万向副U2的第二一转动轴线L21与第三分支中第三万向副U3的第三一转动轴线L31共线。
所述的第一支路A1的第一下移动副P1b、第二支路A2的第二上转动副R2a以及第三支路A3的第三上转动副R3a为主动副；主动移动副的驱动是电机丝杆机构或液压机构，主动转动副的驱动是伺服电机。此外，第一支路A1的第一上移动副P1a为附加主动副，用于调节L11的空间位置，其驱动是电机丝杆机构或液压机构。
动平台可实现空间内的二个转动自由度和一个移动自由度；其中两个转动自由度分别是动平台可绕第一支路的第一万向副的第一一转动轴线L11转动，称为第一转动特征；动平台可绕第二支路的第二万向副的第二一转动轴线L21转动，称为第二转动特征；移动自由度是动平台可沿第一支路的第一转动副R1的轴线与第二支路的第二上转动副R2a的轴线的公垂线方向移动。
当P1a移动副输入时，可以调节L11的空间位置，从而实现动平台第一转动特征位置的改变。因此该机构动平台的两转动特征位置，即L11和L21的位置都可以改变（而现有技术则只能改变动平台转动轴线L21的位置）从而可减小机构输入力矩或力的大小。
实施例2
如图2所示，本实施例的动平台M分别由三个分支与第一机架F1、第二机架F2、第三机架F3连接：
第一分支A1中，第一上移动副P1a连接第一机架F1与第一上连杆11，第一万向副U1连接第一上连杆11与第一中连杆12，第一下移动副P1b连接第一中连杆12与第一下连杆13，第一转动副R1连接第一下连杆13与动平台M；
第二分支A2中，第二上转动副R2a连接第二机架F2与第二上连杆21，第二下转动副R2b连接第二上连杆21与第二下连杆22，第二万向副U2连接第一中连杆12与动平台M；
第三分支A3中，第一球铰副S1连接第三机架F3与第三上连杆31，第三移动副P3接连第三上连杆31与第三下连杆32，第二球铰副S2连接第三下连杆32与动平台M；
其中，各分支的运动副满足如下关系：
第一分支A1中第一万向副U1的第一二转动轴线L12与第一转动副R1轴线相互平行，第一下移动副P1b与第一转动副R1轴线垂直；
第二分支A2中第二上转动副R2a、第二下转动副R2b轴线和第二万向副U2的第二二转动轴线L22相互平行；
第一分支A1中第一万向副U1的第一一转动轴线L11与第二上转动副R2a的轴线相互平行；
第一分支A1中第一转动副R1轴线与第二万向副U2的第二一转动轴线L21相互平行。
所述的第一支路A1的第一下移动副P1b、第二支路A2的第二上转动副R2a以及第三支路A3的第三移动副P3为主动副；主动移动副的驱动是电机丝杆机构或液压机构，主动转动副的驱动是伺服电机。此外，第一支路A1的第一上移动副P1a为附加主动副，用于调节L11的空间位置，其驱动是电机丝杆机构或液压机构。
动平台可实现空间内的二个转动自由度和一个移动自由度；其中两个转动自由度分别是动平台可绕第一支路的第一万向副的第一一转动轴线L11转动，称为第一转动特征；动平台可绕第二支路的第二万向副的第二一转动轴线L21转动，称为第二转动特征；移动自由度是动平台可沿第一支路的第一转动副R1的轴线与第二支路的第二上转动副R2a的轴线的公垂线方向移动。
当P1a移动副输入时，可以调节L11的空间位置，从而实现动平台第一转动特征位置的改变。因此该机构动平台的两转动特征位置，即L11和L21的位置都可以改变（而现有技术则只能改变动平台转动轴线L21的位置）从而可减小机构输入力矩或力的大小。

Claims (1)

1.一种含有两个可浮动交错转轴的并联机构，其特征在于，包括：分别由三个分支与第一机架、第二机架、第三机架连接的动平台；
第一分支包括：依次由连杆相连的第一上移动副、第一万向副、第一下移动副和第一转动副，其中：第一上移动副由连接杆与第一机架相连，第一转动副由连接杆与动平台相连；
第一分支中第一万向副的第一二转动轴线与第一转动副轴线相互平行，第一下移动副与第一转动副轴线垂直；
第二分支包括：由连杆依次相连的第二上转动副、第二下转动副和第二万向副，其中：第二上转动副由连接杆与第二机架相连，第二万向副由连接杆与动平台相连；
第二上转动副、第二下转动副轴线和第二万向副中第二二转动轴线相互平行；
第三分支采用以下两种结构中的任意一种实现：
a）该第三分支包括：由连杆依次相连的第三上转动副、第三下转动副和第三万向副，其中：第三上转动副由连接杆与第二机架相连，第三万向副由连接杆与动平台相连；
b）该第三分支包括：由连接杆依次相连的第一球铰副、第三移动副和第二球铰副，其中：第一球铰副由连接杆与第三机架相连，第二球铰副由连接杆与动平台相连；
当采用方案a时：
第二分支与第三分支以第一分支为基准对称布置；
第一分支中第一万向副的第一一转动轴线分别与第二、三分支中第二上转动副、第三上转动副的轴线相互平行；
第一分支中第一转动副轴线与第二万向副的第二一转动轴线、第三万向副的第三一转动轴线相互平行；
第二分支中第二万向副的第二一转动轴线与第三分支中第三万向副的第三一转动轴线共线。
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