CN106625600B - 一种附加支链座转动的四自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种附加支链座转动的四自由度并联机构，包括机架、转动机构、第一支链座、第二支链座、第三支链座、第一支链组、第二支链组、第三支链组、动平台；机架包括底座、第一立柱、第二立柱；第一立柱、第二立柱固定在底座的两端；转动机构安装于机架内部，第一支链座、第三支链座分别与转动机构相连；第二支链座固定在底座上端；第一支链组、第二支链组、第三支链组的一端分别与第一支链座、第二支链座、第三支链座相连，另一端均与动平台相连；第一支链组、第二支链组、第三支链组的两端连接均通过球铰实现，从而组成空间并联闭环结构；本机构工作空间大，能够规避奇异位形，提高了运动性能与刚度，解决了机构正解定解问题，简化了控制系统。

Description

一种附加支链座转动的四自由度并联机构

技术领域

本发明属于数控制造装备领域，特别是一种附加支链座转动的四自由度并联机构。

背景技术

在宏大制造领域，大构件的焊接变位、大零件或大部件的装配对接都需要有能够大范围移动、能绕任意方向转动且精度合理、承载能力强的装置来协同工作。目前在大件装配方面，常规方法是以桥式起重机、叉车等设备辅助作业，由于此类设备位置定位误差大、没有角度定位能力，使得作业效率低下、作业安全隐患多；在大件焊接方面，除起重机和叉车外，已有针对特定作业应用焊接变位器的报道，但仍缺乏具有通用性好、自动化、操作简便的辅助装备。近年有关机器人装配的文献资料很多，但大多集中在用串联结构的工业机器人进行中小零件的自动装配方面，而由于串联机器人承载能力弱、定位误差大，难以在大件的装配作业中应用。可见大件机器人装配技术严重滞后，亟需定位定向准确、作业范围大、承载能力强、响应速度快、适应能力强的智能化装备。合理构型的并联机构利用其高刚度、高精度、多自由度可重构的优势，在大件焊接、装配等作业中大有可为。

中国专利CN105818137A公开了一种具有三维平动的并联机构，使用三个安装于定平台伺服电机，联结铰链兼任联轴器同步驱动三组可伸缩支链，虽然解决了机构正解的定解问题，但该机构工作空间小，不适合大范围工作的情形；中国专利CN103240729A公开了一种空间三平动并联机械手，包括固定机架、动平台以及对称布置在固定机架与动平台之间的三条支链组，每组支链分为近架杆和远架杆，形成空间轴对称多连杆结构，局限性在于刚度较差，工作空间较小。无法满足对大工件加工的要求。中国专利CN103846649A公开了一种用于精密装配的两级并联机器人装置，该装置由绳索并联机构和Stewart并联机构串联组成，其中绳索并联机构的动平台需要占用厂房里的行车向上牵引以此来实现定位，驱动绳索支链只能调整索平台姿态，局限性在于当装配大工件时，固定小车的占地面积太大，而且绳索的单向受力特性，使得索平台定位精度较差，该装置动平台的运动同时限制了作业区设备的安装和人员的操作，而且不安全。中国专利CN104117809A公布了一种车体焊接变位器，包括主动件和从动件，其局限性在于该装置的自由度较少，用于焊接特定的工件，但不能做装配机器人，通用性较差。德国斯图加特大学与澳大利亚的昆士兰大学、挪威的阿格德学院和瑞典的ABB公司联合研究一种名为Gantry-Tau的大工作空间并联机构，该机构采用定长杆组加三滑座的布局，通过规划三滑座的运动使动平台从上侧空间转换到下侧空间，从而比其他并联机构有着较大的工作空间，其中有一款立式机架的布局，声称可用于大工件的加工或装配作业。但该机构存在两个问题：一是想要得到更大的工作空间机架就必须非常高大，而且该机构的横向工作范围较小，二是动平台在上下空间倒换的轨迹规划异常复杂，且可通过的路径有限。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种附加支链座转动的四自由度并联机构；机架的安装位置可以灵活变换，刚度和承载能力好且具备开式大工作空间，便于和厂房内的人员及其他设备协同作业的并联机构，特别适合大型工件的焊接作业和装配作业。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种附加支链座转动的四自由度并联机构，包括机架、转动机构、第一支链座、第二支链座、第三支链座、第一支链组、第二支链组、第三支链组、动平台；所述机架包括底座、第一立柱、第二立柱；所述第一立柱、第二立柱固定在底座的两端；

所述转动机构安装于机架内部，所述第一支链座、第三支链座分别与第一立柱、第二立柱内的转动机构相连；所述第二支链座固定在底座的上端；第一支链组、第二支链组、第三支链组的一端分别与第一支链座、第二支链座、第三支链座相连，另一端均与动平台相连；所述第一支链组、第二支链组、第三支链组的两端连接均通过球铰实现，从而组成空间并联闭环结构。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)采用开式机架的设计有利于并联机构实现较大的工作空间，同时便于其与人员及其它设备协同作业；

(2)三平动附加支链座转动形成四自由度并联机构，解决了机构正解定解问题，简化了控制系统；

(3)采取附加转动的设计有利于规避奇异位形，提高并联机构的运动性能与刚度，使之在大工件装配对接作业范围内性能稳定；

(4)该并联机构将一个转动自由度设计在机架上，这样便于简化动平台上执行器的结构。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明并联机构的立体结构示意图。

图2为本发明并联机构机架部分结构示意图。

图3为本发明并联机构的机构简图。

图4为本发明并联机构动平台立体结构图。

图5为本发明虎克铰附加转动副式球铰结构示意图。

图6为本发明虎克铰附加转动副式球铰机构简图。

具体实施方式

结合图1-6对本发明的具体实施方式进一步说明：

结合图1，一种附加支链座转动的四自由度并联机构，包括机架1、转动机构2、第一支链座3、第二支链座4、第三支链座5、第一支链组6、第二支链组7、第三支链组8、动平台9；所述机架1包括底座1-1、第一立柱1-2、第二立柱1-3；所述第一立柱1-2、第二立柱1-3固定在底座1-1的两端；

所述转动机构2安装于机架1内部，用于带动第一支链座3和第三支链座5同步转动；所述第一支链座3、第三支链座5分别与第一立柱1-2、第二立柱1-3内的转动机构2相连；所述第二支链座4固定在底座1-1的上端；第一支链组6、第二支链组7、第三支链组8的一端分别与第一支链座3、第二支链座4、第三支链座5相连，另一端均与动平台9相连；所述第一支链组6、第二支链组7、第三支链组8的两端连接均通过球铰实现，从而组成空间并联闭环结构。

结合图2，作为优选的实施方式，所述底座1-1为六面体腔体结构，上端中部两端对称的设有第一立柱1-2和第二立柱1-3；所述第一立柱1-2和第二立柱1-3结构相同，均为四面体腔体结构；所述第一立柱1-2安装第一支链座3和第二立柱1-3安装第三支链座5的端面相对，两个端面均为矩形且与底座1-1的上端面的夹角均大于90度；两个主立柱上安装支链座相对的另一端面垂直于底座1-1，另外两个端面均为三角形结构；

结合图3，所述转动机构2为单自由度同步转动机构，包括第一蜗杆蜗轮副2-1、第一传动轴2-2、第一锥齿轮副2-3、转动输入轴2-4、第二锥齿轮副2-5、第二传动轴2-6、第二蜗杆蜗轮副2-7；

所述第一蜗杆蜗轮副2-1与第二蜗杆蜗轮副2-7结构相同，分别安装于第一立柱1-2、第二立柱1-3的腔体内部，第一蜗杆蜗轮副2-1与第二蜗杆蜗轮副2-7的蜗轮轴线在同一条直线上、蜗杆轴线平行且位于蜗轮轴线的同一侧；所述第一传动轴2-2的上端与第一蜗杆蜗轮副2-1的蜗杆相连、下端与第一锥齿轮副2-3的从动锥齿轮相连；所述第二传动轴2-6的上端与第二组蜗杆蜗轮副2-7的蜗杆相连、下端与第二锥齿轮副2-5的从动锥齿轮相连；所述第一锥齿轮副2-3和第二锥齿轮副2-5均安装在底座1-1内部；两个锥齿轮副的模数和减速比完全相同、布设方向相同；两对锥齿轮副的主动轮分别安装在转动输入轴2-4的两端；

作为优选的实施方式，转动从输入轴2-4的一端传入；

在一些实施方式中，转动从输入轴2-4的中间位置传入；当转动输入轴2-4转动时，带动第一锥齿轮副2-3和第二锥齿轮副2-5的从动齿轮转动相同角度；

在另一些实施方式中，所述转动机构2使用主动带轮同步驱动两个从动带轮代替锥齿轮副，两个从动带轮分别与第一传动轴2-2和第二传动轴2-6相连，从而主动带轮可以同时带动第一传动轴2-2和第二传动轴2-6的转动。

通过传动轴2-2和2-6分别带动第一蜗杆蜗轮副2-1和第二蜗杆蜗轮副2-7上的蜗杆转动同样的角度，从而带动两蜗轮同步转动，即转动机构2带动第一支链座3和第三支链座5同步转动。

所述第一支链座3与第三支链座5结构相同，均由与蜗轮盘相连的圆柱形结构和与支链相连的矩形平板结构构成；所述第一支链座3与第三支链座5上分别设有与第一支链组6相连的两个铰链孔和与第三支链组8相连的两个铰链孔；所述第一支链座3与第三支链座5分别位于第一立柱1-2和第二立柱1-3的相对面的顶端；所述第一支链座3与第三支链座5的转动轴线共线；所述第二支链座4为矩形平板结构，第二支链座4上端设有连接第二支链组7的两个铰链孔；两孔的孔心连线与第一支链座3和第三支链座5的转动轴线均平行。

在一些实施方式中，所述第一支链座3上与第一立柱1-2相连的圆柱形结构的轴线、第一支链座3上与第一支链组6相连的矩形平板结构的平面，形成的夹角为120°；在平行于底座1-1方向上，第一支链座3上与第一支链组6相连的矩形平板结构的中心线、第一支链座3上的铰链孔的孔心连线，形成的夹角为71°；同理，第三支链座5的位置安装关系与第一支链座3相对底座1-1对称；

在一些实施方式中，所述第一支链座3与第一支链组6相连的矩形平板结构、第三支链座5与第三支链组8相连的矩形平板结构，与底座1-1形成的内侧夹角均为120°。

所述第一支链组6、第二支链组7、第三支链组8结构相同，每组支链组均由两个结构相同的伸缩杆组成；伸缩杆的两端均为球铰；伸缩杆的内部采用的滚珠丝杠传动，每组支链的两个伸缩杆在机构中始终保持平行且等长，每组支链采用一个伺服电机同步驱动两根伸缩杆；

结合图5、图6，作为对上述实施方式的进一步改进，所述球铰是一种经过改进的虎克铰，通过在传统虎克铰的底座上增加一个转动副来代替普通球铰，转动范围可达-70°—70°。

在一些实施方式中，每组支链采用两个伺服电机同步驱动两根伸缩杆。

结合图3，作为优选的实施方式，所述动平台9为六面体腔体结构，各端面均为矩形机构；动平台9上与第一支链组6相连的一端设有第一铰链孔9-1、第二铰链孔9-2，两孔孔心连线与第一支链座3上的孔心连线平行且孔距相等；动平台9上与第三支链组8相连的一端设有第五铰链孔9-5、第六铰链孔9-6；两孔孔心连线与第三支链座5上的孔心连线平行且孔距相等；动平台9下端设有与第二支链组7相连的第三铰链孔9-3、第四铰链孔9-4，两孔的孔心连线与第二支链座4的孔心连线平行且孔距相等；动平台9的上端面用于安装诸如两轴回转工作台、卡盘、机械手等附件。

所述动平台9上与第一支链组6相连的一端与第一支链座3上与第一支链组6相连的一端平行；动平台9上与第三支链组8相连的一端与第三支链座5上与第三支链组8相连的一端平行；

在本发明中，在平行于底座1-1方向上，第一支链座3与第一支链组6相连的矩形平板结构的中心线、第一支链座3上的铰链孔的孔心连线，形成的夹角可做适当的调整；

所述第一支链座3与第一立柱1-2相连的圆柱形结构的轴线、第一支链座3与第一支链组6相连的矩形平板结构的平面，形成的夹角在保证：动平台9上与第一支链组6相连的一端与第一支链座3上与第一支链组6相连的一端平行；动平台9上与第三支链组8相连的一端与第三支链座5上与第三支链组8相连的一端平行的情况，可做角度的调整；

由于本发明中三平动附加支链座转动形成四自由度并联机构，解决了机构正解定解问题，简化了控制系统，将一个转动自由度设计在机架上，这样便于简化动平台上执行器的结构；

本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。在不脱离本发明宗旨的情况下，做出的相关变形，均属于发明保护范围。

Claims (9)

1.一种附加支链座转动的四自由度并联机构，其特征在于包括机架(1)、转动机构(2)、第一支链座(3)、第二支链座(4)、第三支链座(5)、第一支链组(6)、第二支链组(7)、第三支链组(8)、动平台(9)；所述机架(1)包括底座(1-1)、第一立柱(1-2)、第二立柱(1-3)；所述第一立柱(1-2)、第二立柱(1-3)固定在底座(1-1)的两端；

所述转动机构(2)安装于机架(1)内部，所述第一支链座(3)、第三支链座(5)分别与第一立柱(1-2)、第二立柱(1-3)内的转动机构(2)相连；所述第二支链座(4)固定在底座(1-1)的上端；第一支链组(6)、第二支链组(7)、第三支链组(8)的一端分别与第一支链座(3)、第二支链座(4)、第三支链座(5)相连，另一端均与动平台(9)相连；所述第一支链组(6)、第二支链组(7)、第三支链组(8)的两端连接均通过球铰实现，从而组成空间并联闭环结构；

所述转动机构(2)为单自由度同步转动机构，包括第一蜗杆蜗轮副(2-1)、第一传动轴(2-2)、第一锥齿轮副(2-3)、转动输入轴(2-4)、第二锥齿轮副(2-5)、第二传动轴(2-6)、第二蜗杆蜗轮副(2-7)；

所述第一蜗杆蜗轮副(2-1)与第二蜗杆蜗轮副(2-7)结构相同，分别安装于第一立柱(1-2)、第二立柱(1-3)的腔体内部，第一蜗杆蜗轮副(2-1)与第二蜗杆蜗轮副(2-7)的蜗轮轴线在同一条直线上、蜗杆轴线平行且位于蜗轮轴线的同一侧；所述第一传动轴(2-2)的上端与第一蜗杆蜗轮副(2-1)的蜗杆相连、下端与第一锥齿轮副(2-3)的从动锥齿轮相连；所述第二传动轴(2-6)的上端与第二组蜗杆蜗轮副(2-7)的蜗杆相连、下端与第二锥齿轮副(2-5)的从动锥齿轮相连；所述第一锥齿轮副(2-3)和第二锥齿轮副(2-5)均安装在底座(1-1)内部；两个锥齿轮副的模数和减速比完全相同、布设方向相同；两对锥齿轮副的主动轮分别安装在转动输入轴(2-4)的两端。

2.根据权利要求1所述的一种附加支链座转动的四自由度并联机构，其特征在于所述底座(1-1)为六面体腔体结构，上端中部两端对称的设有第一立柱(1-2)和第二立柱(1-3)；所述第一立柱(1-2)和第二立柱(1-3)结构相同，均为四面体腔体结构；所述第一立柱(1-2)安装第一支链座(3)和第二立柱(1-3)安装第三支链座(5)的端面相对，两个端面均为矩形且与底座(1-1)的上端面的夹角均大于90度；两个主立柱上安装支链座相对的另一端面均垂直于底座(1-1)，两个主立柱的另外两个端面均为三角形结构。

3.根据权利要求1所述的一种附加支链座转动的四自由度并联机构，其特征在于所述转动机构(2)可使用主动带轮同步驱动两个从动带轮代替锥齿轮副，两个从动带轮分别与第一传动轴(2-2)和第二传动轴(2-6)相连。

4.根据权利要求1所述的一种附加支链座转动的四自由度并联机构，其特征在于所述第一支链组(6)、第二支链组(7)、第三支链组(8)结构相同，每组支链组均由两个结构相同的伸缩杆组成；伸缩杆的两端均为球铰；伸缩杆的内部采用的滚珠丝杠传动，每组支链的两个伸缩杆在机构中始终保持平行且等长，每组支链采用一个伺服电机同步驱动两根伸缩杆。

5.根据权利要求4所述的一种附加支链座转动的四自由度并联机构，其特征在于所述球铰是一种经过改进的虎克铰，通过在传统虎克铰的底座上增加一个转动副来代替普通球铰，转动范围可达-70°—70°。

6.根据权利要求4所述的一种附加支链座转动的四自由度并联机构，其特征在于所述支链组采用两个伺服电机同步驱动两根伸缩杆。

7.根据权利要求1所述的一种附加支链座转动的四自由度并联机构，其特征在于所述动平台(9)为六面体腔体结构，各端面均为矩形机构；动平台(9)上与第一支链组(6)相连的一端设有第一铰链孔(9-1)、第二铰链孔(9-2)，两孔孔心连线与第一支链座(3)上的孔心连线平行且孔距相等；动平台(9)上与第三支链组(8)相连的一端设有第五铰链孔(9-5)、第六铰链孔(9-6)；两孔孔心连线与第三支链座(5)上的孔心连线平行且孔距相等；动平台(9)下端设有与第二支链组(7)相连的第三铰链孔(9-3)、第四铰链孔(9-4)，两孔的孔心连线与第二支链座(4)的孔心连线平行且孔距相等。

8.根据权利要求6所述的一种附加支链座转动的四自由度并联机构，其特征在于所述动平台(9)上与第一支链组(6)相连的一端与第一支链座(3)上与第一支链组(6)相连的一端平行；动平台(9)上与第三支链组(8)相连的一端与第三支链座(5)上与第三支链组(8)相连的一端平行。

9.根据权利要求1所述的一种附加支链座转动的四自由度并联机构，其特征在于所述第一支链座(3)上与第一立柱(1-2)相连的圆柱形结构的轴线、第一支链座(3)上与第一支链组(6)相连的矩形平板结构的平面，形成的夹角为120°；在平行于底座(1-1)方向上，第一支链座(3)上与第一支链组(6)相连的矩形平板结构的中心线、第一支链座(3)上的铰链孔的孔心连线，形成的夹角为71°；同理，第三支链座(5)的位置安装关系与第一支链座(3)相对底座(1-1)对称。