專利名稱：用于虛軸機床與機器人等的一類(三平移三轉動)并聯機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一類機床、機器人與坐標測量機等的執行機構，具體的說，是為并聯結構虛軸機床、并聯機器人與虛軸坐標測量機等提供一類(3種)6自由度(三平移三轉動)新型并聯機構。
背景技術：
并聯結構數控機床是指以并聯機構為執行機構的機床，該機床被認為是二十世紀以來機床結構的一次革命。目前在美國、日本等國已研制出這種機床的樣機(如美國Giddings andLewis公司的Variax型關聯機床)，所采用的并聯機構均為傳統的斯圖爾特(Stewart)機構。這種控制刀具在空間的位置和姿態變化的機構主要由基座、運動平臺和連桿組成，基座和運動平臺之間由連桿相連，連桿兩端分別為球副和萬向節。該機構有6個連桿，但連桿的長度可調，通過控制6根連桿的長度，改變刀具在空間的位姿。
并聯機構的虛軸坐標測量機，也是近年來測量機的一個重大進展，與傳統屬于串聯結構的測量機相比，具有剛度大、運動速度高、誤差不疊加等特性，可使測量精度與測量效率等有較大改善。目前已有的并聯機構測量機多采用Stewart機構(如俄羅斯Lapic公司的KNM-750型3坐標測量機)。其動平臺相對于基平臺具有6個空間自由度，通過控制6根連桿度，改變動平臺上測頭位置。
Stewart機構有很多關鍵性技術沒能完全解決。如(1)運動學正解困難(高維非線性代數方程組)；(2)運動平臺位姿是輸入的強耦合，不利于控制；(3)機構復雜，使其工作空間較小；(4)制造高精度球副困難等。
為改善Stewart機構性能，有文獻提出將支路進行適當合并，引入二重、三重球面副，但多重球面副設計制造、困難，不利于實用。
總之，虛軸機床、虛軸測量機與機器人等的發展與實用化，需要創造出優于現有機構的新機型。
發明內容
本發明目的是提供一類(3種)6自由度(三平移三轉動)并聯機構。該機構具有結構簡單、工作空間較大、不存在多重球面副，制造、安裝較簡單等優點。特別是可實現部分控制解耦，運動學正解可依次單獨求解各基本回路，且各回路僅為二次解析式，顯著簡化并聯結構虛軸機床和機器人系統的控制與軌跡規劃的復雜性。為虛軸機床、虛軸測量機、機器人、微動操作手等提供新機型，為其開發與實用化提供可能。
附圖1是本發明機構簡圖。它由動平臺(1)、靜平臺(0)和結構相同的三條支路組成。第1條支路由兩個移動副(P2與P4)和三個球面副(S1、S3與S5)組成的5桿回路再串聯一個球面副(S6)而成；第2條、第3條支路結構與第1條支路結構相同，為附圖1所示。3條支路兩端構件分別固聯在動、靜兩平臺上。
附圖2本發明的另一種機構簡圖。它由動平臺1、靜平臺(0)和結構不全相同的4條支路組成。第1條支路的具體結構由兩個移動副(P2與P4)與三個球面副(S1、S3與S5)組成5桿回路，再并聯一個由移動副(P7)與兩球面副(S6與S8)串聯組成的子支路，最后再串聯一個球面副(S9)，從而構成第1條支路；第2條支路由移動副(P11)兩球面副(S10與S12)串聯而成；第3條與第4條支路結構同于第2條支路，如附圖2所示。諸支路兩端構件分別固聯在動、靜兩平臺上。
附圖3為附圖2所示并聯機構的衍生并聯機構。附圖3的第1條支路同于附圖2的第1條支路，第2條支路同于附圖2的第2條支路；附圖3的第3條支路由兩個移動副(P14與P16)與三個球面副(S13、S15與S17)組成的5桿回路再串聯一個球面副(S18)而成。諸支路兩端構件分別固聯在動、靜兩平臺上。
本發明為一類3自由度(三平移三轉動)新型并聯機構。該類機構具有以下特點(1)機構動平臺具有三平移三轉動輸出；(2)附圖2與附圖3機構的運動輸入——輸出具有部分解耦性，即可實現部分控制解耦，特別是附圖3機構，不但動平臺的位置具有部分控制解耦，且其姿態也具有部分控制解耦；(3)并聯機構的運動學分析較為簡單，特別對附圖3所示并聯機構，其運動學分析可依次對5個基本回路單獨求解，且各回路的運動分析僅為2次解析式，有利于實現機器人的實時控制與在線、離線運動規劃；(4)機構不含二重、三重球面副、結構簡單、便于制造、裝配，機構工作空間較大。
總之，本發明為虛軸機床、機器人、虛軸測量機、微動操作手等，提供了具有上述特點的新機型，利于新型機床、機器人、測量機、微動操作手的開發與實用化。
具體實施例方式
附圖3所示并聯機構可視為本發明用于虛軸測量機的一個實施例，其具體結構已如前述附圖3說明。在動平臺(1)上安裝測量頭(A)。當機構各構件尺度參數確定后，控制6個驅動副(移動副P2、P4、P7、P11、P14與P16)的輸入運動，可控制動平臺(1)上的測量頭(A)的三維坐標，即可為虛軸機械測量機的執行機構。因有6個主動輸入，有利于避開機構的奇異位形。
權利要求
1.一種可用于虛軸機床、機器人與虛軸機械測量機等的6自由度(三平移三轉動)并聯機構，其組成包括動、靜平臺及聯接在動、靜平臺之間的3條結構相同的支路；每一條支路都由兩個移動副與三個球面副組成的5桿回路再串聯一個球面副而成，諸支路兩端構件分別固聯在動、靜兩平臺上。
2.可用于虛軸機床、機器人等的6自由度(三平移三轉動)另一種并聯機構，其組成包括動、靜平臺及聯接在動、靜平臺之間的4條結構不全相同的支路，第1條支路的具體結構由兩個移動副與三個球面副組成5桿回路，再并聯一個由一個移動副與兩個球面副串聯而成的子支路，最后再串聯一個球面副，從而構成第1條支路、第2條、第3條與第4條支路結構相同，每條支路都由一個移動副與兩個球面副串聯而成，諸支路兩端構件分別固聯在動、靜平臺上。
3.按照權利2要求所述并聯機構，第3與第4兩條支路用一新支路替代，新支路由兩個移動副與三個球面副組成的5桿回路再串聯一個球面副而成。
全文摘要
提供一類(3種)6自由度(三平移三轉動)并聯機構。其中一種，由動平臺、靜平臺和3條支路組成。第1條支路的具體結構由兩個移動副與三個球面副組成5桿回路，再并聯一個由一個移動副與兩個球面副串聯而成的子支路，最后再串聯一個球面副，從而構成第1條支路；第2條支路由一個移動副與兩個球面副串聯而成；第3條支路由兩個移動副與三個球面副組成5桿回路，再串聯一個球面副而成。諸支路兩端構件分別固聯在動、靜平臺上。驅動6個移動副，可控制動平臺的三平移三轉動輸出。該機構具有運動輸入——輸出的部分解耦性，即可實現部分控制解耦；運動學分析可依次對各基本回路單獨求解，且各回路僅為2次解析式，有利于實現機器人的實時控制與在線、離線運動規劃；機構不含二重與三重球面副、結構簡單，工作空間較大等優點。該機構可作為虛軸機床、虛軸機械測量機、機器人等的執行機構。
文檔編號B25J9/08GK1528569SQ20031010601
公開日2004年9月15日 申請日期2003年10月8日 優先權日2003年10月8日
發明者楊廷力, 金瓊, 沈惠平, 姚芳華 申請人:楊廷力