專利名稱：一種具有規(guī)范位置工作空間的3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人的位置執(zhí)行機(jī)構(gòu)，屬于數(shù)控加工裝備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
Tricept機(jī)器人是瑞典Neos Robotic公司研制和生產(chǎn)的一種混聯(lián)型6自由度工業(yè)機(jī)器人，該機(jī)器人機(jī)構(gòu)由一個(gè)3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)串接一個(gè)3自由度轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。其中3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)為機(jī)器人的位置機(jī)構(gòu)，用于改變機(jī)器人夾爪的位置，3自由度轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)為機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)，可調(diào)整機(jī)器人夾爪的姿態(tài)。該機(jī)器人位置機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1，由動(dòng)平臺(tái)1、機(jī)架2、一條被動(dòng)支鏈和三條結(jié)構(gòu)相同的主動(dòng)支鏈構(gòu)成。被動(dòng)支鏈由虎克鉸3、連架桿4、移動(dòng)副5及連桿6組成，連架桿4和連桿6的各一端通過移動(dòng)副5相連，連架桿4的另一端通過虎克鉸3與機(jī)架2相連，連桿6的另一端與動(dòng)平臺(tái)1剛性聯(lián)結(jié)、且連桿6垂直于動(dòng)平臺(tái)1。主動(dòng)支鏈由虎克鉸3、連架桿4、移動(dòng)副5、連桿6及球鉸7組成，連架桿4及連桿6的各一端通過移動(dòng)副5相連，連架桿4的另一端通過虎克鉸3與機(jī)架2相連，連桿6的另一端由球鉸7與動(dòng)平臺(tái)1相連。為保證該位置機(jī)構(gòu)具有對(duì)稱的工作空間，被動(dòng)支鏈上的虎克鉸3設(shè)置于機(jī)架2的幾何中心B處，被動(dòng)支鏈上連桿6與動(dòng)平臺(tái)1的剛性聯(lián)結(jié)點(diǎn)設(shè)置于動(dòng)平臺(tái)1臺(tái)面的幾何中心C處。同時(shí)，三條主動(dòng)支鏈在動(dòng)平臺(tái)1和機(jī)架2之間對(duì)稱布置。因采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為位置執(zhí)行機(jī)構(gòu)，Tricept機(jī)器人具有較大的承載能力和剛性。此外，由于位置機(jī)構(gòu)的支鏈數(shù)目較少、減少了支鏈干涉現(xiàn)象。該機(jī)器人還具有較大的位置作業(yè)空間。在動(dòng)平臺(tái)1上串接3自由度轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)后，Tricept機(jī)器人的夾爪具有很強(qiáng)的姿態(tài)能力。上述優(yōu)點(diǎn)使得Tricept機(jī)器人成為工業(yè)機(jī)器人中以并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為位置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范例之一。SMT Tricept公司推出了以Tricept機(jī)器人位置機(jī)構(gòu)為位置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的混聯(lián)型數(shù)控機(jī)床。德國的Dekel Maho公司也以Tricept機(jī)器人位置機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)開發(fā)了相應(yīng)的混聯(lián)機(jī)床。
申請(qǐng)?zhí)枮?004 1 03144281.1(原專利公開說明文本上的申請(qǐng)?zhí)枮?3144281.1)的發(fā)明專利公布了《非對(duì)稱空間5自由度混聯(lián)機(jī)器人》，該機(jī)器人機(jī)構(gòu)由一個(gè)3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)串接一個(gè)2自由度轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。該機(jī)器人的位置機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖2，由動(dòng)平臺(tái)1、機(jī)架2、三條主動(dòng)支鏈構(gòu)成。其中的一條主動(dòng)支鏈由虎克鉸3、連架桿4、移動(dòng)副5及連桿6組成，連架桿4和連桿6的各一端通過移動(dòng)副5相連，連架桿4的另一端通過虎克鉸3與機(jī)架2相連，連桿6的另一端與動(dòng)平臺(tái)1剛性聯(lián)結(jié)。其余兩條主動(dòng)支鏈由虎克鉸3、連架桿4、移動(dòng)副5、連桿6及球鉸7組成，連架桿4及連桿6的一端通過移動(dòng)副5相連，連架桿4的另一端通過虎克鉸3與機(jī)架2相連，連桿6的另一端通過球鉸7與動(dòng)平臺(tái)1相連。與Tricept機(jī)器人的位置機(jī)構(gòu)相比，該位置機(jī)構(gòu)的顯著特點(diǎn)是減少了一條被動(dòng)支鏈，進(jìn)一步降低了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度及支鏈干涉的可能性，提高了機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性并可獲得更大的工作空間。
上述兩種3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)都可作為5自由度混聯(lián)數(shù)控機(jī)床的位置機(jī)構(gòu)。在其動(dòng)平臺(tái)上設(shè)置2自由度刀具臺(tái)后，均可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形貌曲面的加工作業(yè)。但多坐標(biāo)數(shù)控加工機(jī)床要求其位置機(jī)構(gòu)具有較為規(guī)范的工作空間及較均衡的伺服剛度特性，由圖3及圖4所示的Tricept機(jī)器人和非對(duì)稱空間5自由度混聯(lián)機(jī)器人位置工作空間的示意圖可知，兩位置工作空間均為多片曲面片所圍成的封閉區(qū)間，它們的幾何形狀均不夠規(guī)范。由這兩種并聯(lián)機(jī)構(gòu)與2自由度刀具臺(tái)串接構(gòu)成的5自由度混聯(lián)機(jī)床在進(jìn)行復(fù)雜形貌曲面加工時(shí)，需要進(jìn)行較為繁復(fù)的位置工作空間檢驗(yàn)以判定刀具位置是否超出工作空間邊界。此外，由圖1和圖2知，這兩種并聯(lián)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中，其主動(dòng)關(guān)節(jié)(移動(dòng)副5)的軸線與Z軸的夾角較小，與X軸及Y軸的夾角較大，故兩并聯(lián)機(jī)構(gòu)在Z軸方向上均具有較大的伺服剛度，而在X軸及Y軸方向的伺服剛度均較小，致使所構(gòu)成的5自由度混聯(lián)機(jī)床在其位置空間內(nèi)的伺服剛度分布呈現(xiàn)出較強(qiáng)的不均勻性。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)出了一種用于5自由度混聯(lián)機(jī)床的具有規(guī)范位置工作空間的3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。
本實(shí)用新型提供的一種具有規(guī)范位置工作空間的3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)所采用的技術(shù)方案如圖5、6、7、8和9所示。該機(jī)構(gòu)包括有動(dòng)平臺(tái)1、機(jī)架2和三條主動(dòng)支鏈。其中第一條主動(dòng)支鏈由移動(dòng)副5、連架桿4、虎克鉸3及連桿6組成。連架桿4和連桿6的各一端通過虎克鉸3相連，連架桿4的另一端通過移動(dòng)副5與機(jī)架2相連，連桿6的另一端與動(dòng)平臺(tái)1剛性聯(lián)結(jié)、且連桿6垂直于動(dòng)平臺(tái)1的上臺(tái)面。第二、第三條主動(dòng)支鏈的結(jié)構(gòu)相同，由移動(dòng)副5、連架桿4、虎克鉸3、連桿6及球鉸7組成。連架桿4及連桿6的各一端通過虎克鉸3相連，連架桿4的另一端通過移動(dòng)副5與機(jī)架2相連，連桿6的另一端通過球鉸7與動(dòng)平臺(tái)1相連。三條主動(dòng)支鏈上的移動(dòng)副5為機(jī)構(gòu)的主動(dòng)關(guān)節(jié)；本實(shí)用新型的特征在于三條主動(dòng)支鏈中的移動(dòng)副5的軸線彼此垂直并匯交于一點(diǎn)；第一條主動(dòng)支鏈與動(dòng)平臺(tái)1之間的剛性聯(lián)接點(diǎn)C到動(dòng)平臺(tái)1的幾何中心點(diǎn)D的連線CD同時(shí)垂直于第二和第三條主動(dòng)支鏈上球鉸7的中心點(diǎn)E、F與動(dòng)平臺(tái)1的幾何中心點(diǎn)D的連線ED、FD，且連線ED和FD也彼此垂直。
上述所述的一種具有規(guī)范位置工作空間的3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，三條主動(dòng)支鏈中移動(dòng)副5和虎克鉸3的設(shè)置位置可以相互對(duì)調(diào)。
該機(jī)構(gòu)的工作原理如下所述該機(jī)構(gòu)為具有3個(gè)自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，當(dāng)設(shè)置三條主動(dòng)支鏈上的3個(gè)移動(dòng)副5為主動(dòng)關(guān)節(jié)后，機(jī)構(gòu)具有確定的空間運(yùn)動(dòng)。令3個(gè)移動(dòng)副5沿其軸線滑移，即可帶動(dòng)平臺(tái)1運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)幾何中心點(diǎn)D的三維空間移動(dòng)。
本實(shí)用新型的突出優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)組成簡(jiǎn)單、無支鏈干涉現(xiàn)象，位置工作空間大、且具有規(guī)范的幾何形狀，當(dāng)采用該機(jī)構(gòu)作為5自由度混聯(lián)機(jī)床的位置執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，無需對(duì)刀具的位置進(jìn)行工作空間檢驗(yàn)。此外，由于三條主動(dòng)支連中主動(dòng)關(guān)節(jié)的軸線分別與X、Y、Z軸平行，機(jī)構(gòu)在其位置工作空間內(nèi)的伺服剛度分布更為理想。


圖1Tricept機(jī)器人的位置機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖2非對(duì)稱空間5自由度混聯(lián)機(jī)器人的位置機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖3Tricept機(jī)器人的位置工作空間示意圖。
圖4非對(duì)稱空間5自由度混聯(lián)機(jī)器人的位置工作空間示意圖。
圖5本實(shí)用新型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖6第一條支鏈的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖7第二和第三條支鏈的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖8本實(shí)用新型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置工作空間示意圖。
圖9主動(dòng)支鏈中移動(dòng)副5和虎克鉸3的設(shè)置位置相互對(duì)調(diào)示意圖。
圖1～圖9中1、動(dòng)平臺(tái)；2、機(jī)架；3、虎克鉸；4、連架桿；5、移動(dòng)副；6、連桿；7、球鉸。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
具體實(shí)施方式
實(shí)施方式一圖5為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
一。將市售的常規(guī)部件移動(dòng)副5、虎克鉸3和加工制作的連架桿4、連桿6等部件組裝成主動(dòng)支鏈。然后將動(dòng)平臺(tái)1、機(jī)架2、三條主動(dòng)支鏈組裝成整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)。組裝時(shí)，第一條主動(dòng)支鏈中的連桿6的一端與動(dòng)平臺(tái)1在點(diǎn)C(動(dòng)平臺(tái)1上臺(tái)面的幾何中心)處剛性聯(lián)結(jié)。第二、第三條主動(dòng)支鏈通過球鉸7與動(dòng)平臺(tái)1相連。按設(shè)計(jì)要求保證三條主動(dòng)支鏈的3個(gè)移動(dòng)副5的3條軸線彼此垂直、且匯交于一點(diǎn)；保證第一條主動(dòng)支鏈與動(dòng)平臺(tái)1之間的剛性聯(lián)接點(diǎn)C到動(dòng)平臺(tái)1幾何中心D的連線CD、第二及第三條主動(dòng)支鏈與動(dòng)平臺(tái)1的連接鉸鏈(虎克鉸3)的中心點(diǎn)E、F與點(diǎn)D的連線ED、FD，這三條連線彼此垂直、并匯交于點(diǎn)D。在本實(shí)施方式中，三條主動(dòng)支鏈上的移動(dòng)副5為機(jī)構(gòu)的主動(dòng)關(guān)節(jié)。
實(shí)施方式二圖10為本實(shí)用新型的另一具體實(shí)施方式
。實(shí)施方式二與實(shí)施方式一采用相同的部件組成該并聯(lián)機(jī)構(gòu)，不同之處在于3條主動(dòng)支鏈上的移動(dòng)副5與虎克鉸3的設(shè)置位置進(jìn)行了對(duì)調(diào)。
權(quán)利要求1.一種具有規(guī)范位置工作空間的3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括有動(dòng)平臺(tái)(1)、機(jī)架(2)和三條主動(dòng)支鏈；其中第一條主動(dòng)支鏈由移動(dòng)副(5)、連架桿(4)、虎克鉸(3)及連桿(6)組成，連架桿(4)和連桿(6)的各一端通過虎克鉸(3)相連，連架桿(4)的另一端通過移動(dòng)副(5)與機(jī)架(2)相連，連桿(6)的另一端與動(dòng)平臺(tái)(1)剛性聯(lián)結(jié)、且連桿(6)垂直于動(dòng)平臺(tái)(1)的上臺(tái)面；第二、第三條主動(dòng)支鏈的結(jié)構(gòu)相同，由移動(dòng)副(5)、連架桿(4)、虎克鉸(3)、連桿(6)及球鉸(7)組成，連架桿(4)及連桿(6)的各一端通過虎克鉸(3)相連，連架桿(4)的另一端通過移動(dòng)副(5)與機(jī)架(2)相連，連桿(6)的另一端通過球鉸(7)與動(dòng)平臺(tái)(1)相連；三條主動(dòng)支鏈上的移動(dòng)副(5)為機(jī)構(gòu)的主動(dòng)關(guān)節(jié)；特征在于三條主動(dòng)支鏈中的移動(dòng)副(5)的軸線彼此垂直并匯交于一點(diǎn)；第一條主動(dòng)支鏈與動(dòng)平臺(tái)(1)之間的剛性聯(lián)接點(diǎn)C到動(dòng)平臺(tái)(1)的幾何中心點(diǎn)D的連線CD同時(shí)垂直于第二和第三條主動(dòng)支鏈上球鉸(7)的中心點(diǎn)E、F與動(dòng)平臺(tái)(1)的幾何中心點(diǎn)D的連線ED、FD，且連線ED和FD也彼此垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有規(guī)范位置工作空間的3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，特征在于三條主動(dòng)支鏈中移動(dòng)副(5)和虎克鉸(3)的設(shè)置位置可以相互對(duì)調(diào)。
專利摘要一種具有規(guī)范位置工作空間的3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可作為5自由度混聯(lián)機(jī)床的位置執(zhí)行機(jī)構(gòu)。主要由動(dòng)平臺(tái)、機(jī)架及三條主動(dòng)支鏈構(gòu)成。第一條主動(dòng)支鏈由移動(dòng)副、連架桿、虎克鉸和連桿組成，其連桿與動(dòng)平臺(tái)剛性聯(lián)結(jié)。第二、第三條主動(dòng)支鏈中增設(shè)了球鉸，并通過球鉸與動(dòng)平臺(tái)相連。該機(jī)構(gòu)中，每條主動(dòng)支鏈中的移動(dòng)副均被設(shè)置為主動(dòng)關(guān)節(jié)，三個(gè)移動(dòng)副的軸線彼此垂直并匯交于一點(diǎn)；第一條主動(dòng)支鏈與動(dòng)平臺(tái)之間的剛性聯(lián)接點(diǎn)到動(dòng)平臺(tái)的幾何中心點(diǎn)的連線同時(shí)垂直于第二和第三條主動(dòng)支鏈上球鉸的中心點(diǎn)與動(dòng)平臺(tái)的幾何中心點(diǎn)的連線，且第二和第三條主動(dòng)支鏈上球鉸的中心點(diǎn)與動(dòng)平臺(tái)的幾何中心點(diǎn)的連線也彼此垂直。該機(jī)構(gòu)具有組成簡(jiǎn)單、各支鏈之間無運(yùn)動(dòng)干涉等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23Q1/44GK2737495SQ200420118098
公開日2005年11月2日 申請(qǐng)日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者李劍鋒, 吳光中, 王新華, 魏源遷, 伍良生 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)