專利名稱：用于虛軸機床和機器人等的一類兩平移一轉動并聯機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種機床、機器人等的執行機構，具體的說，是為并聯結構虛軸數控機床、并聯機器人等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。但這類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；(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。
對虛軸數控機床而言，許多場合需要提供自由度大于3且小于6的更簡單的并聯機構。例如，對4軸聯動數控機床，可提供3自由度(兩平移一轉動)并聯平臺機構，就可用于對空間曲面(如模具、葉輪等)加工。因此，虛軸數控機床、機器人等的發展和實用化，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(4種)3自由度(兩平移一轉動)并聯機構。該機構具有結構簡單、工作空間較大、便于制造、安裝等優點。特別是運動學正解較為簡單，可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、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(2)和結構不相同的3條支路組成。第一條支路由移動副(P1)、垂直于移動副的4個轉動副(R21、R22、R23、R24)組成的平行四邊形回路、以及軸線與四邊形一邊重合的轉動副(R3)串聯而成。另兩條支路結構相同，由一個移動副(P8)、與移動副垂直且相互平行的兩轉動副(R7，R6)以及垂直于前兩個轉動副且相互平行的兩轉動副(R5、R4)串聯而成。三條支路兩端構件分別固聯在動、靜平臺上位于動平臺上的三轉動副(R3、R4、R9)呈相互平行配置，位于靜平臺上的3個移動副(P1、P8、P13)亦呈相互平行配置。
附圖1中，兩結構相同的支路可用另一種兩結構相同的支路替代，新支路由移動副(P7)、垂直于移動副的4個轉動副(R51、R52、R53、R54)的平行四邊形回路、以及軸線與四邊形對邊重合的兩個轉動副(R6，R4)串聯而成。三條支路在動、靜平臺之間的配置方位不變，如附圖2所示。
附圖1中，兩結構相同的支路可用另一種兩結構相同的支路替代，新支路由一移動副(P6)與兩球面副(S5，S4)串聯而成。三支路在動、靜平臺之間的配置方式動平臺上的轉動副(R3)軸線與兩球副(S4、S7)連心線平行，靜平臺上三移動副(P1、P6、P9)可任意配置，如附圖3所示。
附圖1中，含平行四邊形的支路可以用一新支路替代，新支路由移動副(P1)、垂直于移動副且相互平行的兩轉動副(R2、R3)、以及與前兩轉動副垂直的轉動副(R4)串聯而成；兩結構相同的支路皆用另一新支路替代，新支路由移動副(P9)、垂直于移動副且相互平行的兩轉動副(R8、R7)、以及垂直于前兩個轉動副且相互平行的兩轉動副(R6、R5)串聯而成；三條支路兩端構件分別固聯在動、靜平臺上位于動平臺的3個轉動副(R4，R5，R10)呈相互平行配置，位于靜平臺上3個移動副(P1、P9、P14)亦呈相互平行配置，如附圖4所示。
在附圖2中，平行四邊形回路及其對邊兩構件連心線上串聯的兩個轉動副，可以用4個球面副(S1、S2、S3、S4)組成的平行四邊形替代，如附圖5所示。
在附圖1、附圖2或附圖3中，平行四邊形回路及其一邊連心線上串聯的轉動副，可以用2個球面副(S1、S2)和兩個轉動副組成的平行四邊形替代，如附圖6所示。
本發明為一類3自由度(兩平移一轉動)新型并聯機構。該機構具有以下特點(1)機構工作平臺具有兩平移一轉動運動輸出，且非期望運動輸出為常量；(2)機構存在過約束回路，故剛性好、結構較簡單；(3)運動學正解比Stewart機構簡單；(4)當本發明機構由轉動副、移動副及萬向節組成時，易于精密加工，利于提高并聯機構的運動精度。
總之，本發明為虛軸數控機床、機器人、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、微動操作手的開發與實用化。
權利要求
1.一種可用于虛軸數控機床、機器人等的3自由度(兩平移一轉動)并聯機構，其組成包括動平臺、靜平臺和結構不相同的3條支路，第一條支路由移動副、垂直于移動副的4個轉動副組成的平行四邊形回路、以及軸線與四邊形一邊重合的轉動副串聯而成，另兩條支路結構相同，由一個移動副、與移動副垂直且相互平行的兩轉動副、以及垂直于前兩個轉動副且相互平行的兩轉動副串聯而成，三條支路兩端構件分別固聯在動、靜平臺上位于動平臺上的三轉動副呈相互平行配置，位于靜平臺上的3個移動副亦呈相互平行配置。
2.按照權利1要求所述機構，兩結構相同的支路可用另一種兩結構相同的支路替代，新支路由移動副、垂直于移動副的4個轉動副的平行四邊形回路、以及軸線與四邊形對邊重合的兩個轉動副串聯而成，三條支路在動、靜平臺之間的配置方位不變。
3.按照權利1要求所述機構，兩結構相同的支路可用另一種兩結構相同的支路替代，新支路由一移動副與兩球面副串聯而成，三支路在動、靜平臺之間的配置方式動平臺上的轉動副軸線與兩球副連心線平行，靜平臺上三移動副可任意配置。
4.按照權利1要求所述機構，含平行四邊形的支路可以用一新支路替代，新支路由移動副、垂直于移動副且相互平行的兩轉動副、以及與前兩轉動副垂直的轉動副串聯而成，兩結構相同的支路皆用另一新支路替代，新支路由移動副、垂直于移動副且相互平行的兩轉動副、以及垂直于前兩個轉動副且相互平行的兩轉動副串聯而成，三條支路兩端構件分別固聯在動、靜平臺上位于動平臺的3個轉動副呈相互平行配置，位于靜平臺上3個移動副亦呈相互平行配置。
5.按照權利2要求所述機構，平行四邊形回路及其對邊兩構件連心線上串聯的兩個轉動副，可以用4個球面副組成的平行四邊形替代。
6.按照權利1、權利2或權利3要求所述機構，平行四邊形回路及其一邊連心線上串聯的轉動副，可以用2個球面副和兩個轉動副組成的平行四邊形替代。
全文摘要
提供一類(4種)3自由度(兩平移一轉動)并聯機構。一種由動平臺、靜平臺和結構不全相同的3條支路組成,第一條支路由移動副、垂直于移動副的4個轉動副組成的平行四邊形回路、以及軸線與四邊形一邊重合的轉動副串聯而成,另兩條支路結構相同,由一個移動副、與移動副垂直且相互平行的兩轉動副、以及垂直于前兩個轉動副且相互平行的兩轉動副串聯而成,三條支路兩端構件分別固聯在動、靜平臺上:位于動平臺上的三轉動副呈相互平行配置,位于靜平臺上的3個移動副亦呈相互平行配置。驅動靜平臺上3個移動副,即可控制動平臺的兩平移一轉動輸出。該機構具有非期望輸出為常量、運動學正解容易、結構較簡單、剛性好、便于制造等優點。為虛軸機床、機器人等提供新機型,為其開發與實用化提供了可能。
文檔編號B23Q41/06GK1389327SQ0213792
公開日2003年1月8日 申請日期2002年7月10日 優先權日2002年7月10日
發明者楊廷力 申請人:楊廷力