專利名稱：用于虛擬軸坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及雕刻機(jī)的三維平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種虛擬軸雕刻機(jī)、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、劃線機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具體地說(shuō)是為并聯(lián)結(jié)構(gòu)虛擬軸并聯(lián)坐標(biāo)測(cè)量、劃線機(jī)、雕刻機(jī)與并聯(lián)機(jī)器人提供一種新型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。
由于6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的限制，有不少關(guān)鍵技術(shù)沒能很好解決，如運(yùn)動(dòng)耦合性強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)學(xué)正解復(fù)雜，工作空間較小等。在工業(yè)應(yīng)用中，常要求具有2～5自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，為此，不少學(xué)者研究了三維純平移輸出并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如Delta機(jī)構(gòu)、Star Like機(jī)構(gòu)等；基于上述情況，Tsai提出虛擬軸數(shù)控機(jī)床用兩個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)下平臺(tái)為三維平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)，上平臺(tái)為三維轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)(US Pateat，Tsai，Patent Nember5656905，1997)。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)本身運(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。
中國(guó)學(xué)者在新型三維純平移輸出并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究與發(fā)明上也取得了重要成果(專利申請(qǐng)?zhí)?1108297.6；01113519.0；01108297.6；01108283.6等)綜上所述，并聯(lián)虛軸數(shù)控機(jī)床和并聯(lián)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、雕刻機(jī)、劃線機(jī)及并聯(lián)機(jī)器人的發(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。
②、附圖2為按附

圖1所示的方位布置的簡(jiǎn)單開鏈腿結(jié)構(gòu)的替換簡(jiǎn)圖，為一四個(gè)平行軸線轉(zhuǎn)動(dòng)副R1、R2、R3、R4組成的平行四邊形，其一組對(duì)邊桿5、3分別與上平臺(tái)0、滑塊構(gòu)件2用轉(zhuǎn)動(dòng)副R6、R5連接，滑塊構(gòu)件2又與靜平臺(tái)1用移動(dòng)副P7機(jī)械連接，其移動(dòng)方向與轉(zhuǎn)動(dòng)副R5、R6的軸線平行，移動(dòng)副P7也可用轉(zhuǎn)動(dòng)副代替，但其轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線也應(yīng)與轉(zhuǎn)動(dòng)副R5、R6軸線平行。
控制下平臺(tái)1上三個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，就可控制上動(dòng)平臺(tái)在空間的位置和姿志，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z方向的三維平移輸出。如在上動(dòng)平臺(tái)上安裝刀具，即可以作為并聯(lián)結(jié)構(gòu)的虛擬軸雕刻機(jī)；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)、劃線機(jī)。
本發(fā)明為新型三維平移并聯(lián)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其運(yùn)動(dòng)學(xué)正解簡(jiǎn)單，為解析解，運(yùn)動(dòng)輸入—輸出又具有解耦性，極大地簡(jiǎn)化了控制問(wèn)題。④機(jī)構(gòu)不存在虛約束，使用R副和P副，可使機(jī)構(gòu)制造、安裝較為簡(jiǎn)單；利于精密加工，且成本較低。⑤工作空間較大。
總之，本發(fā)明為虛擬軸數(shù)控機(jī)床、測(cè)量機(jī)、雕刻機(jī)與并聯(lián)機(jī)器人(如裝配、堆垛機(jī)器人)等提供了具有開發(fā)和實(shí)用價(jià)值的新機(jī)型，具有很好應(yīng)用前景。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)給予進(jìn)一步地說(shuō)明。
附圖1為本發(fā)明的三平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)的平面展開結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為附圖1所示的簡(jiǎn)單開鏈腿的替代結(jié)構(gòu)示意圖；附圖1所示的并聯(lián)機(jī)構(gòu)可為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。它由上動(dòng)平臺(tái)0、下靜平臺(tái)1及連接上下平臺(tái)的一條混合鏈腿及一條簡(jiǎn)單開鏈腿組成。混合鏈腿包含一個(gè)由三個(gè)平行軸線轉(zhuǎn)動(dòng)副R4、R3、R2及二個(gè)平行移動(dòng)副P1、P5組成的五桿平面閉路結(jié)構(gòu)，再在輸出運(yùn)動(dòng)副R3上鉸接構(gòu)件6，并用轉(zhuǎn)動(dòng)副R6連接構(gòu)件7；平面閉路結(jié)構(gòu)的兩滑塊3、2與靜平臺(tái)1通過(guò)移動(dòng)副P1、P5機(jī)械連接，而構(gòu)件7與動(dòng)平臺(tái)0用轉(zhuǎn)動(dòng)副R7機(jī)械連接，轉(zhuǎn)動(dòng)副R7、R6的軸線相互平行，但與轉(zhuǎn)動(dòng)副R4、R3、R2的軸線垂直；簡(jiǎn)單開鏈腿由三構(gòu)件8、9、10通過(guò)軸線平行的二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副R9、R10連接組成，其外接滑塊構(gòu)件10與靜平臺(tái)1用移動(dòng)副P11機(jī)械連接，另一外接構(gòu)件8與動(dòng)平臺(tái)0用轉(zhuǎn)動(dòng)副R8機(jī)械連接，轉(zhuǎn)動(dòng)副R8、R9、R10的軸線與移動(dòng)副P11的移動(dòng)方向相互平行。圖中移動(dòng)副P11與P1、P5的移動(dòng)方向相互平行。
當(dāng)各連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)及方向分布位置一定時(shí)，控制下平臺(tái)1上三個(gè)驅(qū)動(dòng)滑塊的運(yùn)動(dòng)，就可控制動(dòng)平臺(tái)0在空間的位置和姿志，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z方向的三維純平移輸出。該種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)控制等均可按常規(guī)機(jī)電技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝，如將該并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為行走機(jī)器人的腿，即可實(shí)現(xiàn)擬人化的行走方式；如將該并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為集裝運(yùn)輸用的碼垛執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)需要的三維方向上的平移運(yùn)動(dòng)；如在上動(dòng)平臺(tái)上安裝探頭或劃刀，即可以作為并聯(lián)結(jié)構(gòu)的并聯(lián)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、劃線機(jī)、雕刻機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
權(quán)利要求
①、用于虛擬軸數(shù)控雕刻機(jī)、虛擬軸坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、劃線機(jī)及并聯(lián)機(jī)器人的三維純平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由上動(dòng)平臺(tái)、下靜平臺(tái)及連接上下平臺(tái)的一條混合鏈腿及一條簡(jiǎn)單開鏈腿組成；其特征是混合鏈腿包含一個(gè)由三個(gè)平行軸線轉(zhuǎn)動(dòng)副、二個(gè)在靜平臺(tái)上的移動(dòng)副構(gòu)成的五桿平面閉路結(jié)構(gòu)，再在中間輸出轉(zhuǎn)動(dòng)副上鉸接一構(gòu)件并用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接另一個(gè)構(gòu)件，該構(gòu)件又與動(dòng)平臺(tái)用軸線相平行的另一轉(zhuǎn)動(dòng)副機(jī)械連接，這二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線與五桿平面閉路結(jié)構(gòu)中的三個(gè)平行軸線轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線垂直；而簡(jiǎn)單開鏈腿由三構(gòu)件通過(guò)軸線平行的二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接組成，其一外接構(gòu)件與靜平臺(tái)用移動(dòng)副機(jī)械連接，另一構(gòu)件與動(dòng)平臺(tái)用轉(zhuǎn)動(dòng)副機(jī)械連接，并使簡(jiǎn)單開鏈腿上的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線、一個(gè)移動(dòng)副方向相互平行，它們又必須和混合鏈腿上與動(dòng)平臺(tái)連接的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線垂直，但并非一定要和混合鏈腿上二個(gè)移動(dòng)副的方向平行或垂直。
②、按照權(quán)利要求①所述的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于混合鏈腿上五桿平面閉路結(jié)構(gòu)中的二個(gè)移動(dòng)副可用二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副代替，其軸線平行于該閉路結(jié)構(gòu)中的已有的三個(gè)平行軸線轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線。
③、按照權(quán)利要求①所述的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于簡(jiǎn)單開鏈腿可由含四個(gè)平行軸線轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的平行四邊形的結(jié)構(gòu)替換，該平行四邊形的一組對(duì)邊桿分別與上平臺(tái)、滑塊構(gòu)件用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，而滑塊構(gòu)件又與靜平臺(tái)用移動(dòng)副機(jī)械連接，其移動(dòng)方向與平行四邊形的那組對(duì)邊桿上的二轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線平行；
④、按照權(quán)利要求③所述的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于含平行四邊形的簡(jiǎn)單開鏈腿上的那個(gè)移動(dòng)副可用轉(zhuǎn)動(dòng)副代替，但其轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線應(yīng)與平行四邊形的那組對(duì)邊桿上的二轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線平行。
全文摘要
一種用于虛擬軸坐標(biāo)測(cè)量劃線機(jī)、雕刻機(jī)的三維平移并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由上動(dòng)平臺(tái)、下靜平臺(tái)及其混合鏈腿、簡(jiǎn)單開鏈腿組成；混合鏈腿包含一個(gè)由三個(gè)平行軸線轉(zhuǎn)動(dòng)副、二個(gè)在下靜平臺(tái)上的移動(dòng)副組成的五桿平面閉路結(jié)構(gòu)，再在中間輸出轉(zhuǎn)動(dòng)副上鉸接一構(gòu)件，并用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接另一個(gè)構(gòu)件；該構(gòu)件又與動(dòng)平臺(tái)用另一相平行的轉(zhuǎn)動(dòng)副連接；而簡(jiǎn)單開鏈腿由三構(gòu)件通過(guò)軸線平行的二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接后，其一外接構(gòu)件與動(dòng)平臺(tái)用軸線平行的轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，另一外接構(gòu)件又和靜平臺(tái)用與轉(zhuǎn)動(dòng)副平行的移動(dòng)副連接。控制下平臺(tái)上三個(gè)移動(dòng)構(gòu)件，即可獲得上平臺(tái)三維純平移輸出。該機(jī)構(gòu)具有輸入—輸出具有解耦性、便于制造安裝等優(yōu)點(diǎn)，可作為新型并聯(lián)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)劃線機(jī)、雕刻機(jī)等的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
文檔編號(hào)G01B5/008GK1448246SQ0311335
公開日2003年10月15日 申請(qǐng)日期2003年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月29日
發(fā)明者沈惠平, 楊廷力 申請(qǐng)人:江蘇工業(yè)學(xué)院