專利名稱：用于虛擬軸數(shù)控機(jī)床和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的一類三維平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)床、機(jī)器人和機(jī)械測(cè)量機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具體地說(shuō)是為并聯(lián)結(jié)構(gòu)虛軸數(shù)控機(jī)床、并聯(lián)機(jī)器人與虛軸機(jī)械測(cè)量機(jī)提供一類新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)。
并聯(lián)結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床是指以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)床，該機(jī)床被認(rèn)為是二十世紀(jì)以來(lái)機(jī)床結(jié)構(gòu)的一次革命。目前在美國(guó)、日本和國(guó)內(nèi)已研制出這種機(jī)床的樣機(jī)，所采用的并聯(lián)機(jī)構(gòu)均為傳統(tǒng)的斯圖爾特(Stewart)機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)用來(lái)控制刀具在空間的位置和姿態(tài)變化，它主要由基座、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和連桿組成，基座和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之間由連桿相連，連桿兩端分別為球副和萬(wàn)向節(jié)。該機(jī)構(gòu)上備有6個(gè)連桿，但連桿的長(zhǎng)度可調(diào)，通過(guò)控制6根連桿的長(zhǎng)度，改變刀具在空間的位置和姿態(tài)。
Stewart機(jī)構(gòu)具有以下缺點(diǎn)①運(yùn)動(dòng)學(xué)正解非常困難；②運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位置與方向?yàn)閺?qiáng)耦合；③運(yùn)動(dòng)空間較??；④制造高精度球副困難。
基于上述情況，Tsai提出虛軸數(shù)控機(jī)床用兩個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)為三維平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)，靜平臺(tái)為三維轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)(US Patent，Tsai，Patent Number5656905，1997)。其主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)學(xué)正解為8次；位置與方向解耦；與六腿Stewart機(jī)構(gòu)相比，工作空間較大；完全由轉(zhuǎn)動(dòng)副組成并聯(lián)機(jī)構(gòu)，與球面副相比容易制造。但Tsai機(jī)構(gòu)仍有以下缺點(diǎn)①運(yùn)動(dòng)學(xué)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)劃較為復(fù)雜。
②三維平移機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)輸入—輸出為強(qiáng)耦合，使系統(tǒng)控制甚為復(fù)雜。
③機(jī)構(gòu)存在虛約束，使其制造與裝配較復(fù)雜。
④工作空間仍相對(duì)較小。
基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(亦稱虛軸機(jī)械測(cè)量機(jī))，是近年來(lái)科學(xué)測(cè)量?jī)x上的一個(gè)重大進(jìn)展。與傳統(tǒng)的屬于串聯(lián)式機(jī)構(gòu)的測(cè)量機(jī)相比，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具有結(jié)構(gòu)剛性大、運(yùn)動(dòng)速度高、誤差不疊加等優(yōu)良特性，可使測(cè)量精度及測(cè)量效率等性能得到很大改善。目前，已用于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)有6-SPS 6-RSS以及3-RPS等。對(duì)于6-SPS和6-RSS機(jī)構(gòu)，其可動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于基座平臺(tái)具有6個(gè)空間自由度，因而末端執(zhí)行器的空間位姿比較靈活，但該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解和誤差分析與校正較困難。對(duì)3-RPS機(jī)構(gòu)，其自由度為3，空間位姿靈活度稍差，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于3-RPS機(jī)構(gòu)的非期望輸出不是常量，又不存在解耦性，故其誤差分析與校正雖比6-SPS機(jī)構(gòu)有改善，但仍較復(fù)雜。另外上述幾種結(jié)構(gòu)中均含有多個(gè)球面副，因此其制造及裝配均較復(fù)雜，不利于提高測(cè)量精度。
綜上所述，虛軸數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人與虛軸機(jī)械測(cè)量機(jī)的發(fā)展和實(shí)用化需要?jiǎng)?chuàng)造出優(yōu)于現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的新機(jī)型。
本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，提供一類(3種)新的三維平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)輸入—輸出具有解耦性、工作空間較大、便于制造安裝等優(yōu)點(diǎn)，特別是極大地簡(jiǎn)化了并聯(lián)結(jié)構(gòu)虛軸機(jī)床和機(jī)器人系統(tǒng)的控制與軌跡規(guī)劃的復(fù)雜性。也可大大地減少在建立并聯(lián)虛軸測(cè)量機(jī)測(cè)量模型、測(cè)量校正與補(bǔ)償模型等方面的難度。為虛軸機(jī)床、機(jī)器人、虛軸坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及微動(dòng)機(jī)器人提供了新機(jī)型，為它們的開(kāi)發(fā)與實(shí)用化提供了可能。
附

圖1是本發(fā)明中一種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。它由動(dòng)平臺(tái)(1)、靜平臺(tái)(2)和三條結(jié)構(gòu)相同的支路組成。每條支路由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(3)、一個(gè)圓柱副(4)和一個(gè)萬(wàn)向鉸(5)串聯(lián)而成，且使三者軸線保持相互平行(即R∥C∥R⊥R)。支路兩端構(gòu)件分別固聯(lián)在動(dòng)、靜平臺(tái)上，三條支路與兩平臺(tái)聯(lián)接的配置方式是3條支路的3個(gè)萬(wàn)向鉸所在平面沒(méi)有公共交線。
附圖1中每條支路亦可用其衍生結(jié)構(gòu)替代，如附圖2所示。但在動(dòng)、靜平臺(tái)上的配置方式不變。圖2支路中的回路為轉(zhuǎn)動(dòng)副平行四邊形機(jī)構(gòu)，其它轉(zhuǎn)動(dòng)副仍相互平行。
附圖1中每條支路亦可用其衍生結(jié)構(gòu)替代，如附圖3所示。每條支路由5個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副串聯(lián)而成，其中3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副應(yīng)保持平行，另兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副保持平行，兩組相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副可以組成萬(wàn)向鉸；3條支路與兩平臺(tái)聯(lián)接的配置方式是3條支路的3個(gè)萬(wàn)向鉸所在平面沒(méi)有公共交線。
控制靜平臺(tái)上三個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)(即三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副)的運(yùn)動(dòng)，就可控制動(dòng)平臺(tái)在空間的位置，實(shí)現(xiàn)三維平移輸出。如在上動(dòng)平臺(tái)上安裝動(dòng)力頭和刀具，即可以作為并聯(lián)結(jié)構(gòu)的虛擬軸數(shù)控機(jī)床；如在上動(dòng)平臺(tái)上安裝探頭即可以作為并聯(lián)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。
本發(fā)明為一類(3種)三維平移新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn)①機(jī)構(gòu)工作平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)三維平移運(yùn)動(dòng)輸出，無(wú)任何轉(zhuǎn)動(dòng)。②機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有重量輕、剛性好，可高速運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。③運(yùn)動(dòng)學(xué)正解為8次，即只需建立與求解三個(gè)一元二次方程，解為解析公式，運(yùn)動(dòng)輸入—輸出又具有部分解耦性，極大地簡(jiǎn)化了虛擬軸機(jī)床與機(jī)器人系統(tǒng)的控制問(wèn)題；也可大大地減少在建立并聯(lián)虛軸測(cè)量機(jī)測(cè)量模型、測(cè)量校正與補(bǔ)償模型等方面的難度。④機(jī)構(gòu)不存在虛約束，使機(jī)構(gòu)制造、安裝較為簡(jiǎn)單。⑤使用轉(zhuǎn)動(dòng)副和圓柱副，易于精密加工且成本較低，利于提高并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度。且成本較低。⑥工作空間較大。
附圖4所示為本發(fā)明用于虛軸機(jī)械測(cè)量機(jī)的實(shí)施例。在動(dòng)平臺(tái)(1)上安裝測(cè)量頭(7)，在基座(2)上安裝被測(cè)工件(8)，驅(qū)動(dòng)基座(2)上的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，即可控制動(dòng)平臺(tái)上測(cè)量頭(7)在空間的位置(三維移動(dòng))，完成指定測(cè)量過(guò)程。若將附圖4動(dòng)平臺(tái)(1)上的測(cè)量頭(7)換為機(jī)械手夾持器，亦可視為本發(fā)明用于只需三維平移的裝配機(jī)器人的實(shí)施例。
總之，本發(fā)明為虛軸數(shù)控機(jī)床、虛軸機(jī)械測(cè)量機(jī)、步行(含爬行、爬壁等)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人(如裝配、堆垛機(jī)器人)等提供了具有上述特點(diǎn)的新機(jī)型，有利于新型機(jī)床、新型機(jī)械測(cè)量機(jī)和新型機(jī)器人的開(kāi)發(fā)和實(shí)用化。
權(quán)利要求
1.可用于虛軸數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、虛軸機(jī)械測(cè)量機(jī)等的一種三平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其組成包括動(dòng)、靜平臺(tái)及聯(lián)接在動(dòng)、靜平臺(tái)之間的三條支路；其特征在于每條支路由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、一個(gè)圓柱副和一個(gè)萬(wàn)向鉸串聯(lián)而成，其中轉(zhuǎn)動(dòng)副、圓柱副以及萬(wàn)向鉸中所包含的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副中的一個(gè)保持相互平行；三條支路與兩平臺(tái)聯(lián)接的配置方式是3條支路的3個(gè)萬(wàn)向鉸所在平面沒(méi)有公共交線。
2.按照權(quán)利要求1所述的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，每條支路上園柱副的移動(dòng)自由度可用轉(zhuǎn)動(dòng)副平行四邊形機(jī)構(gòu)替代，即支路由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副平行四邊形機(jī)構(gòu)及一個(gè)萬(wàn)向鉸串聯(lián)而成，前兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線與平行四邊形的4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線呈垂直配置，且前兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和萬(wàn)向鉸中所包含兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副中的一個(gè)保持相互平行。
3.按照權(quán)利要求1所述的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，每條支路可用5個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副串聯(lián)而成的支路替代，其中3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副應(yīng)保持平行，另兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副保持平行，兩組相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副可以組成萬(wàn)向鉸；3條支路與兩平臺(tái)聯(lián)接的配置方式是3條支路的3個(gè)萬(wàn)向鉸所在平面沒(méi)有公共交線。
全文摘要
提供一類(3種)三維平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)。其中一種三維平移并聯(lián)機(jī)構(gòu),其組成包括動(dòng)、靜平臺(tái)及聯(lián)接在動(dòng)、靜平臺(tái)之間的三條支路;其特征在于:每條支路由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、一個(gè)圓柱副和一個(gè)萬(wàn)向鉸串聯(lián)而成,其中轉(zhuǎn)動(dòng)副、圓柱副以及萬(wàn)向鉸中所包含的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副中的一個(gè)保持相互平行;三條支路與兩平臺(tái)聯(lián)接的配置方式是:3條支路的3個(gè)萬(wàn)向鉸所在平面沒(méi)有公共交線。該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸入－輸出有解耦性、工作空間較大、便于制造、安裝等優(yōu)點(diǎn)。特別是極大地簡(jiǎn)化了機(jī)器人系統(tǒng)的控制與軌跡規(guī)劃的復(fù)雜性。為虛軸機(jī)床、機(jī)器人以及虛軸機(jī)械測(cè)量機(jī)等提供了新機(jī)型,為它們的開(kāi)發(fā)與實(shí)用化提供了可能。
文檔編號(hào)B23Q5/22GK1342547SQ01113519
公開(kāi)日2002年4月3日 申請(qǐng)日期2001年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月10日
發(fā)明者楊廷力, 劉安心, 金瓊, 杭魯濱, 姚芳華, 沈惠平, 羅玉峰 申請(qǐng)人:中國(guó)石化集團(tuán)金陵石油化工有限責(zé)任公司