專利名稱：用于虛軸機床和機器人等的一類三維平移并聯機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種機床、機器人和機械測量機的執行機構，具體地說是為并聯結構虛軸數控機床、并聯機器人與虛軸機械測量機提供一類新型并聯機構。
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，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。該機構上備有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置。
Stewart機構具有以下缺點①運動學正解非常困難；②運動平臺的位置與方向為強耦合；③運動空間較小；④制造高精度球副困難。
基于上述情況，Tsai提出虛軸數控機床用兩個并聯機構動平臺為三維平移并聯機構，靜平臺為三維轉動并聯機構(US Pateat,Tsai,Patent Nember:5656905,1997)。其主要特點是運動學正解為8次；位置與方向解耦；與六腿Stewart機構相比，工作空間較大；完全由轉動副組成并聯機構，與球面副相比容易制造。但Tsai機構仍有以下缺點①運動學正解為8次封閉解，需建立一元8次方程并求解，這使得系統的控制和軌跡規劃較為復雜。
②三維平移機構的運動輸入一輸出為強耦合，使系統控制甚為復雜。
③機構存在虛約束，使其制造與裝配較復雜。
④工作空間仍相對較小。
基于并聯機構的坐標測量機亦稱虛軸機械測量機，是近年來科學測量儀上的一個重大進展。與傳統的屬于串聯式機構的測量機相比，并聯結構的坐標測量機具有結構剛性大，運動速度高，誤差不疊加等獨特特性，可使測量精度及測量效率等性能得到很大改善。目前，已用于坐標測量機的并聯機構有6-SPS、6-RSS以及3-RPS等。對于6-SPS和6-RSS機構，其可動平臺相對于基平臺有6個空間自由度，因而末端執行器空間位姿比較靈活，但該機構復雜，運動學正解和誤差分析與校正較困難；對3-RPS機構，自由度為3，其空間位姿靈活度稍差，但結構簡單，由于3-RPS機構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仍較復雜。另外，上述三種并聯機構均含有多個球面副，其制造及裝配均較復雜，不利于提高測量精度。
綜上所述，虛軸數控機床、機器人與虛軸機械測量機的發展和實用化需要創造出優于現有機構的新機型。
本發明目的是提供一類(6種)三維平移并聯機構，該機構具有結構簡單、運動輸人-輸出具有解耦性、工作空間較大、便于制造、安裝等優點，特別是極大地簡化了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、機器人、微動機器人與虛軸機械測量機等提供了新機型，為其開發與實用化提供了可能。
附
圖1是本發明機構簡圖。它由動平臺(1)、靜平臺(2)和三條結構相同的支路組成。每條支路由兩個轉動副(3)和一個園柱副(4)用構件(5)和(6)串聯而成且使三者軸線保持相互平行。支路兩端構件分別固聯在動、靜平臺上，但兩條支路的運動副軸線為平行配置，第三條支路的運動副軸線與前兩條支路運動副軸線呈垂直配置(亦可以是非垂直但必須為非平行配置)。
附圖1中每條支路亦可用其衍生結構替代，如附圖2所示。但在動、靜平臺上的配置方式不變。附圖2支路中的回路為轉動副平行四邊形機構，其它轉動副仍相互平行。
附圖2中每一支路的平行四邊形的4個轉動副(3)亦可以用4個球面副(7)替代，其余3個轉動副中，兩個轉動副分別由兩個球面副組成的二副桿的局部自由度替代，仍相當于存在相互平行的三個轉動副，如附圖3所示。
附圖1與附圖2并聯機構亦可分別去掉兩平行支路中的一條，成為只有兩條支路的新機型，如附圖4、5所示。其支路結構分別同于附圖1、2，且在動、靜平臺之間呈垂直配置。
附圖6為一種三支路新機型，其中兩條支路結構相同，同于附圖5，且呈垂直配置，第三條支路為由兩個球面副(5)和一個轉動副(3)用構件(8)、(9)串聯而成，在動、靜平臺間為任意配置。
上述6種新機型中的園柱副都可以用一個轉動副與一個移動副串聯而成的單開鏈替代。因此，附圖1～6中各種支路都是由三個相互平行的轉動副(3)、一個移動副(10)和3個構件(11,12,13)串聯而成的單開鏈的衍生形式，如附圖7所示。
本發明為一類(6種)三維平移新型并聯機構。該機構具有以下特點①機構工作平臺可實現三維平移運動輸出。
②機構簡單，具有重量輕、剛性好，可高速運動等優點。
③其運動學正解為4次，即只需建立與求解兩個一元二次方程，解有解析公式，極大地簡化了機床與機器人系統的控制與軌跡規劃問題；亦極大的簡化了測量機的正解和校正補償分析問題。
④運動輸入一輸出又具有部分解耦性，進一步簡化了系統控制。
⑤機構不存在虛約束，使機構制造、安裝較為簡單。
⑥工作空間較大。
⑦附圖1、2、4和5所示機構只使用轉動副和園柱副，易精密加工且成本較低，利于提高并聯機構的運動精度。
附圖8所示為本發明用于虛軸機械測量機的實施例。在動平臺(1)上安裝測量頭(5)，在靜平臺(2)(基座)上安裝被測工件(6)，驅動基座(2)上3個轉動副，即可控制動平臺上測量頭(5)在空間的位置(三維移動)，完成指定測量過程。若將附圖8動平臺(1)上的測量頭(5)換為機械手夾持器，亦可視為本發明用于只需三維平移的裝配機器人的實施例。
總之，本發明為虛軸數控機床，步行(含爬行、爬壁等)機器人，工業機器人(如裝配、堆垛機器人)與虛軸機械測量機等，提供了具有上述特點的新機型，利于新型機床、機器人與機構測量機的開發和實用化。
權利要求
1．一種可用于虛軸數控機床、機器人和虛軸機械測量機等的三平移并聯機構，其組成包括動、靜平臺及聯接在動、靜平臺之間的三條支路，每一支路由兩個轉動軸和一個園柱副三者相互平行串聯而成，其特征在于三條支路與兩平臺聯接的配置方式是兩支路平行配置，第三支路與前兩支路呈垂直配置，但也可以是非平行、非垂直配置。
2．按照權利要求1所述并聯機構，每條支路上園柱副的移動自由度可用轉動副平行四邊形機構替代，即支路由三個轉動副和一個轉動副平行四邊形機構串聯而成。前三個轉動副與平行四邊形的轉動副呈垂直配置。
3．按照權利要求2所述并聯機構，每支路中平行四邊形機構中的4個轉動副全部用球面副替代。
4．按照權利要求1所述并聯機構，可去掉平行配置兩支路中的任一條支路，成為只有兩條支路的三平移并聯機構，兩支路呈垂直配置。
5．按照權利要求4所述并聯機構，兩支路中的園柱副的移動自由度用轉動副平行四邊形機構替代，成為全部由轉動副組成的三平移并聯機構。
6．按照權利要求4所述并聯機構，可在兩平臺之間再附加一個由兩個球面副和一個轉動副串聯組成的支路，該支路在兩平臺之間為任意配置。
全文摘要
提供一類(6種)三維平移并聯機構。一種由動平臺、靜平臺和三條支路組成,每條支路由兩個轉動副和一個圓柱副三者相互平行串聯而成。支路兩端聯接在動、靜平臺上,但兩條支路為平行配置,第三條支路與前兩條支路呈垂直配置。驅動靜平臺上的三個轉動副即可控制動平臺的三維平移輸出。該機構具有結構簡單、輸入－輸出有解耦性、工作空間較大、便于制造、安裝等優點。特別是極大地簡化了機器人系統的控制與軌跡規劃的復雜性。為虛軸機床、機器人以及虛軸機械測量機等提供了新機型,為它們的開發與實用化提供了可能。
文檔編號B23Q1/48GK1304820SQ0110828
公開日2001年7月25日 申請日期2001年2月28日 優先權日2001年2月28日
發明者楊廷力, 金瓊, 劉安心, 沈惠平, 羅玉峰, 石寶錢, 劉川禾, 杭魯濱, 姚芳華 申請人:中國石化集團金陵石油化工有限責任公司