具有两条垂直相交转轴的三自由度并联机构制造技术

本发明专利技术涉及一种并联数控机床和并联结构的机器人的执行机构。目的是提供的机构具有两条垂直相交的转轴，且具有结构简单、便于制造安装、运动学模型简单，易于标定控制等优点。技术方案是：具有两条垂直相交转轴的三自由度并联机构，包括动平台、机架以及并联连接在动平台与机架之间的三个独立可伸缩的调整分支；其特征在于：第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线与第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线共线；第三分支中的第一转动副轴线、第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线以及第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线共线，或者，第三分支中的第一转动副轴线垂直于第一分支中的万向铰的外部旋转轴与第二分支中的万向铰的外部旋转轴的共线轴线。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种机床和工业机器人的执行机构，尤其是具有两条垂直相交转轴的三自由度的并联数控机床和并联结构的机器人的执行机构。
技术介绍
并联机床具有刚度大、精度闻、承载能力强、自重负荷小等串联机构不具有的优点，其被誉为二十一世纪以来机床结构的一次革命。目前国际上研发出的并联机床大都基于传统的 6 自由度 Stewart 机构(例如 CN00102901. O、CN03113115. 8、CN200410041753. 3、CN200310106458. 7);这种机构由定平台、动平台和连接它们的长度可调的连杆组成，连杆两端分别为球铰和万向节，通过控制连杆的长度来改变动平台的位姿。但这类机构存在以下问题(I)结构设计复杂，使其运动学正解困难；(2)机构复杂导致工作空间较小；(3)运动平台位姿强耦合致使轨迹规划和精度控制困难；(4)高精度球副制造困难。 少自由度并联机构具有结构简单、工作空间较大、设计和控制容易等优点，已成为只需要大于3小于6自由度工作场合的重要新型机械设备。具有两个转动自由度和一个移动自由度(简称2转I移)的3自由度并联机构(如US6431802、W00025976、ZL200610013608. 3、EP1123175、CA2349579、DE59905578D、ES2198991T、ZL200710057179. 4)是少自由度并联机构中非常重要的一类，可被应用为并联机器人或并联机床，如基于3-PRS并联机构的Z3(W02000025976)主轴头，基于2-SPR/UPR并联机构的Exechon混联机床(W02006054935)。为了便于并联机构的姿态控制和标定，一般希望两个转动自由度的轴线(简称转轴)垂直相交，如五轴加工中心的Α/B轴，或Α/C轴；同时，从机构设计和制造的角度出发，希望机构中的运动副尽量为单自由度的转动副或移动副。在现有并联机构中，3-PRS并联机构的两个转动自由度的轴线(简称转轴)随动平台的位姿变化，使得标定和控制具有很大困难；而2-SPR/UPR并联机构虽然具有两条垂直相交转轴，但其结构中含有球铰，在制造精度、转动范围上和设计装配上存在较大问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服上述
技术介绍
的不足，提供一种具有至少三个独立可伸缩调整分支且不含球铰的两转一移三自由度并联机构，该机构具有两条垂直相交的转轴，且具有结构简单、便于制造安装、运动学模型简单，易于标定控制等优点。本专利技术采用的技术方案是 具有两条垂直相交转轴的三自由度并联机构，包括动平台、机架以及并联连接在动平台与机架之间的三个独立可伸缩的调整分支；这三个调整分支分别是 由依序连接在机架至动平台之间的万向铰、移动副、连杆和转动副组成的第一分支； 由依序连接在机架至动平台之间的万向铰、移动副、连杆和转动副组成的第二分支； 由依序连接在机架至动平台之间的第一转动副、第一连杆、万向铰、移动副、第二连杆和第二转动副组成的第三分支； 其特征在于 第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线与第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线共线；第一分支中的万向铰的内部旋转轴轴线以及转动副轴线，与第二分支中的万向铰内部旋转轴轴线以及转动副轴线相互平行，且垂直于第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线以及第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线；第三分支中万向铰内部旋转轴轴线垂直且相交于万向铰的外部旋转轴轴线，并与第二转动副轴线平行；第一转动副轴线垂直且相交于万向铰的外部旋转轴轴线，其交点位于第一分支中的万向铰的外部旋转轴与第二分支中的万向铰的外部旋转轴的共线轴线上； 第三分支中的第一转动副轴线、第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线以及第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线共线；或者， 第三分支中的第一转动副轴线垂直于第一分支中的万向铰的外部旋转轴与第二分支中的万向铰的外部旋转轴的共线轴线。第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线、第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线以及第三分支中的万向铰外部旋转轴轴线位于同一平面。所述第一分支、第二分支、第三分支中的移动副均是主动移动副；主动移动副的驱动机构是电机带动的丝杠机构或是伺服电机。具有两条垂直相交转轴的三自由度并联机构，包括动平台、机架以及并联连接在动平台与机架之间的四个独立可伸缩的调整分支，这四个调整分支分别为第一分支、第二分支以及与第一分支、第二分支对称分布的第三分支、第四分支； 所述第一分支由依序连接在机架至动平台之间的万向铰、移动副、连杆和转动副组成； 所述第二分支由依序连接在机架至动平台之间的万向铰、移动副、连杆和转动副组成； 所述第三分支由依序连接在机架至动平台之间的第一转动副、第一连杆、万向铰、移动畐O、第二连杆和第二转动副组成； 所述第四分支由依序连接在机架至动平台之间的第一转动副、第一连杆、万向铰、移动畐O、第二连杆和第二转动副组成； 其特征在于 第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线与第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线共线；第一分支中的万向铰的内部旋转轴轴线、转动副轴线与第二分支中的万向铰内部旋转轴轴线、转动副轴线相互平行且垂直于第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线、第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线；第三分支中的第一转动副轴线与第四分支中的第一转动副轴线均垂直于第三分支中万向铰的外部旋转轴轴线、第四分支中万向铰的外部旋转轴轴线；第三分支中的万向铰的外部旋转轴轴线与第四分支中的万向铰的外部旋转轴轴线共线；第三分支中的万向铰的内部旋转轴轴线以及第二转动副轴线，与第四分支中的万向铰的内部旋转轴轴线以及第二转动副轴线相互平行，且垂直于第三分支中的万向铰外部旋转轴轴线、第四分支中的万向铰外部旋转轴轴线； 第三分支中的第一转动副轴线、第四分支中的第一转动副轴线、第一分支中的万向铰外部旋转轴轴 线以及第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线共线；或者， 第三分支中的第一转动副轴线与第四分支中的第一转动副轴线共线，该共线直线垂直且相交于第一分支中的万向铰外部旋转轴与第二分支中的万向铰外部旋转轴的共线轴线。第一分支中的万向铰外部旋转轴轴线、第二分支中的万向铰外部旋转轴轴线、第三分支中的万向铰外部旋转轴轴线以及第四分支中的万向铰外部旋转轴轴线位于同一平面； 所述第一分支、第二分支、第三分支、第四分支中的移动副均是主动移动副；主动移动副的驱动机构是电机带动的丝杠机构或是伺服电机。本文所述的两条垂直相交转轴，其中一条是第三分支(或第三分支和第四分支)万向铰第一转动副转轴；另一条是第三分支(或第三分支和第四分支)万向铰外部旋转轴。本专利技术中，动平台可实现空间的两个转动自由度和一个移动自由度；其中一个转动自由度是动平台同时绕第一分支中的万向铰外部旋转轴与第二分支中的万向铰外部旋转轴转动，另一个转动自由度是动平台可绕第三分支中的万向铰外部旋转轴(或同时绕第四分支中的万向铰外部旋转轴)转动；移动自由度是动平台可在垂直方向(即垂直于机架平面的方向)发生移动。本专利技术的有益效果不仅在于机构具有两条相交转轴，且不含球铰，运动学模型简单，易于控制标定，转动范围大、制造成本也得到下降。另外第三分支的冗余驱动方式，能够提高该机构刚度以及承载力，可广泛应用于并联机器人、并联机床等场合。附图说明图I是本专利技术实施例之一的立体结构示意图。图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李秦川，余旭锋，陈巧红，武传宇，崔东苏，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：