工作空间可调的三自由度并联机构及其调整方法

摘要

本发明公开了一种工作空间可调的三自由度并联机构，包括定平台(1)、动平台(2)、及三个支链(4，5，6)，每个支链包括以下部件：第一滑轨(41，51，61)、第一滑块(42，52，62)、第一立柱(43，53，63)、第一移动副(44，54，64)、第一圆柱副(45，55，65)、第一连杆(46，56，76)和第一球面副(47，57，67)，第一滑轨水平安装在定平台上，第一立柱垂直安装在第一滑块上，第一滑块上连接第一立柱，第一移动副与第一立柱连接，第一移动副与第一圆柱副连接，第一连杆的一端与第一圆柱副连接，第一连杆的另一端与第一球面副连接，第一球面副安装在动平台上。本发明减小立柱受力产生的扭曲变形，具有便于安装，节省调节时间，提高效率，提高机构的精度等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种工作空间可调的三自由度并联机构，尤其是由一种由移动副、圆柱副和球面副构成的三自由度并联机构。

背景技术

并联机构也称并联机器人，相对于传统的串联机构有诸多的优势，如刚度大，承载能力强，精度高等优点，受到了诸多学者的关注并展开了深入的研究。并联机器人在许多特殊的应用场合可以弥补串联机器人的许多不足，与广泛应用的串联机器人在应用上构成互补关系。并联机构可以克服很多串联机构很难克服的难题，同时又兼有低成本、灵活、易于集中等优点。

大部分的并联机器人是以Stewart平台为基础，但在很多场合不需要6自由度，少自由度就能满足要求。三自由度并联机构已在工业实践中得到了一定的应用，如应用于集成电路加工、精密制造、航天器等领域。其中，具有三自由度的3-PRS (P为移动副，R为转动副，S为球面副)并联机构是少自由度并联机构中的典型代表之一，由于它们的自由度较少，比六自由度并联机构结构简单，经济便宜，控制相对容易，因此具有很好的应用前景，它已被应用在并联机床、加工中心主轴头等领域。

少自由度并联机构总体上具有比六自由度并联机器人更复杂的运动特性，特别是动平台的移动受到约束后会表现出很多特殊的性质。少自由度并联机构存在着很多问题，尤其是工作空间小的问题更加突出，这些问题增加了少自由度并联机器人型综合的难度。所以寻找一个能够解决此问题的、便于实验研究的并联机构，可以提高效率，降低制造成本。

3-PRS并联机构的结构尺寸对操作空间的大小、形状、末端位姿精度、运动速度、承载力等都有极大的影响。当机构尺寸固定以后，工作空间不可调节，当研究不同的机构尺寸时，需要搭建新的机构，增加了实验硬件成本及时间成本。

发明内容

本发明针对一种3-PRS并联机构的工作空间小，研究不同的工作空间时需要重新搭建新的机构部分的问题，提供了一种3-PRS可调节工作空间并联机构，可以通过滑轨调节三个立柱，从而调节工作空间，有效的解决了上述问题。

本发明采取的技术方案是：

一种工作空间可调的三自由度并联机构，所述并联机构包括定平台1、动平台2、第一支链4、第二支链5和第三支链6，

所述第一支链4、第二支链5和第三支链6中的每一个支链均包括以下部件：

第一滑轨41，51，61、第一滑块42，52，62、第一立柱43，53，63、第一移动副44，54，64、第一圆柱副45，55，65、第一连杆46，56，66和第一球面副47，57，67，

上述每个支链中所包括的部件的连接结构为：第一滑轨41，51，61水平安装在定平台1上，第一滑轨41，51，61的轴线与定平台1的上平面平行且经过定平台1的圆心，第一立柱43，53，63垂直安装在第一滑块42，52，62上，第一滑块42，52，62上连接第一立柱43，53，63，第一移动副44，54，64与第一立柱43，53，63连接，第一移动副44，54，64的轴线与定平台1上平面垂直，第一移动副44，54，64与第一圆柱副45，55，65连接，第一圆柱副45，55，65的轴线与定平台1的上平面平行，第一连杆46，56，66的一端与第一圆柱副45，55，65连接，第一连杆46，56，66的另一端与第一球面副47，57，67连接，第一球面副47，57，67安装在动平台2上。

进一步，所述每个支链中的滑轨41，51，61均为梯形滑轨，三个滑块42，52，62与三个滑轨41，51，61配合的滑槽均为梯形滑槽。

进一步，所述每个支链中的滑轨41，51，61的上平面和一边的侧平面分别为定位平面，另一侧平面分别通过镶条410，510，610用螺钉顶紧，将滑块42，52，62及立柱43，53，63固定。

进一步，所述每个支链中的滑轨41，51，61与定平台1装配时，三个滑轨41，51，61轴线之间的120°夹角分别通过定位键48，58，68保证，在三个滑轨41，51，61的侧面分别安装测距数显尺49，59，69。

进一步，在第一立柱43，53，63两侧分别增加两个对称分布的加强柱411，511，611，所述加强柱411，511，611与第一立柱43，53，63之间的距离大于紧固镶条410，510，610的螺钉的长度。

进一步，在第一立柱43，53，63两侧的加强柱411上分别安装夹紧装置412，512，612和测距光栅尺413，513，613。

再进一步，在定平台上1设置一个三坐标测量装置的基座3。

一种工作空间可调的三自由度并联机构的调节方法，步骤如下：

S1、调节三个滑块42，52，62侧面的螺钉，松开镶条410，510，610，使三个滑块42，52，62能够在滑轨41，51，61上自由滑动;

S2、调节三个立柱43，53，63上端的夹紧装置412，512，612的螺钉，使立柱43，53，63上端突缘能够在夹紧装置412，512，612滑槽里自由滑动;

S3、调节三个滑块42，52，62，使得三个测距数显尺49，59，69显示相同，从而三个立柱43，53，63的下端与定平台1中心距离相等;

S4、调节三个滑块42，52，62上的螺钉，压紧镶条410，510，610;

S5、调节三个立柱43，53，63上端，使得三个测距光栅尺413，513，613的显示相等，从而三个立柱43，53，63的上端与定平台1中心距离相等;

S6、根据三个立柱43，53，63在工作时的受力弯曲变形等综合误差，设三个立柱43，53，63上端的综合误差为                                                ，向相反的方向调节立柱43，53，63上端固定的位置，补偿受力变形产生的综合误差;

S7、调节三个夹紧装置412，512，612的螺钉，加紧立柱43，53，63上端突缘。

进一步，在步骤S6中，三个立柱43，53，63综合误差确定的方法为：三个立柱43，53，63上端的综合误差范围分别为，其中分别为三个立柱43，53，63上端的综合误差的下极限误差，分别为三个立柱43，53，63上端的综合误差的上极限误差，则三个立柱43，53，63上端的综合误差为：

。

本发明具有的有益的效果是：

1、本发明通过滑轨调节三个立柱可方便快速的调节工作空间，通过镶条可快速固定，便于安装，节省调节时间，提高效率。

2、本发明通过三个立柱上端的夹紧装置，调节立柱上端加紧位置，对立柱因受力引起的变形进行补偿，提高机构的精度。

3、本发明的三对加强柱采用双边对称布置，减小立柱受力产生的扭曲变形。

4、本发明的三个连杆可换成可伸缩连杆，通过调节三个连杆的长度来获得更大的工作空间。

5、本发明的机构对于研究3-PRS并联机构的工作空间、位置正逆解、运动性能等，有很好的经济效益，通过快速的调节工作空间，可以验证不同机构尺寸下各种参数对性能指标的影响。

6、本发明提供的误差补偿调节方法，调节方便，容易确定。

附图说明

图1是本发明的机构示意图；

图2是本发明的部分装配简图；

图3是本发明的等轴侧视图。

图中：1、定平台               2、动平台         3、三坐标测量装置的基座

4、第一支链            5、第二支链       6、第三支链

41、第一滑轨           51、第二滑轨      61、第三滑轨

42、第一滑块           52、第二滑块      62、第三滑块

43、第一立柱           53、第二立柱      63、第三立柱

44、第一移动副         54、第二移动副    64、第三移动副

45、第一圆柱副         55、第二圆柱副    65、第三圆柱副

46、第一连杆           56、第二连杆      66、第三连杆

47、第一球面副         57、第二球面副    67、第三球面副

48、定位键             58、定位键        68、定位键

49、测距数显尺         59、测距数显尺    69、测距数显尺

410、镶条              510、镶条         610、镶条

411、加强柱            511、加强柱       611、加强柱

412、加紧装置          512、加紧装置     612、加紧装置

413、测距光栅尺        513、测距光栅尺   613、测距光栅尺。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

如图1~3所示，本发明包括定平台1、动平台2、第一支链4、第二支链5和第三支链6，其中：

1)第一支链4：包括第一滑轨41、第一滑块42、第一立柱43、第一移动副44、第一圆柱副45、第一连杆46、第一球面副47、定位键48、测距数显尺49、镶条410、加强柱411、加紧装置412和测距光栅尺413；第一滑轨41通过螺栓水平安装在定平台1上，第一滑轨41与定平台1通过定位键48定位，第一滑轨41的轴线与定平台1上平面平行且经过定平台1的圆心，第一滑块42与第一滑轨41通过镶条410连接，第一滑轨41一侧安装测距数显尺49，测距数显尺49尺身部分与定平台1固定，测距数显尺49的移动部分与第一滑块42连接，第一立柱43垂直安装在第一滑块42上，加强柱411用螺栓紧固件垂直安装在定平台1上，加强柱411的上端与夹紧装置412连接，夹紧装置412与第一立柱43的上端连接，第一立柱43上端安装测距数显尺413，测距数显尺413尺身部分与加强柱411上端固定，移动部分与立柱43固定，第一移动副44与第一立柱43连接，第一移动副44的轴线与定平台1上平面垂直，第一移动副44与第一圆柱副45连接，第一圆柱副45的轴线与定平台1上平面平行，第一连杆46的一端与第一圆柱副45连接，第一连杆46的另一端与第一球面副47连接，第一球面副47安装在动平台2上，所述的测距光栅尺是测距数显尺的一种，本发明中的测距光栅尺也可用其他类型的测距数显尺代替。

2)第二支链5：包括第二滑轨51、第二滑块52、第二立柱53、第二移动副54、第二圆柱副55、第二连杆56、第二球面副57、定位键58、测距数显尺59、镶条510、加强柱511、加紧装置512和测距光栅尺513；第二滑轨51通过螺栓水平安装在定平台1上，第二滑轨51与定平台1通过定位键58定位，第二滑轨51的轴线与定平台1上平面平行且经过定平台1的圆心，第二滑块52与第二滑轨51通过镶条510连接，第二滑轨51一侧安装测距数显尺59，测距数显尺59尺身部分与定平台1固定，测距数显尺59的移动部分与第二滑块52连接，第二立柱53垂直安装在第二滑块52上，加强柱511用螺栓紧固件垂直安装在定平台1上，加强柱511的上端与夹紧装置512连接，夹紧装置512与第二立柱53的上端连接，第二立柱53上端安装测距光栅尺513，测距光栅尺513尺身部分与加强柱511上端固定，移动部分与立柱53固定，第二移动副54与第二立柱53连接，第二移动副54的轴线与定平台1上平面垂直，第二移动副54与第二圆柱副55连接，第二圆柱副55的轴线与定平台1上平面平行，第二连杆56的一端与第二圆柱副55连接，第二连杆56的另一端与第二球面副57连接，第二球面副57安装在动平台2上。

3) 第三支链6：包括第三滑轨61、第三滑块62、第三立柱63、第三移动副64、第三圆柱副65、第三连杆66、第三球面副67、定位键68、测距数显尺69、镶条610、加强柱611、加紧装置612和测距光栅尺613，第三滑轨61通过螺栓水平安装在定平台1上，第三滑轨61与定平台1通过定位键68定位，第三滑轨61的轴线与定平台1上平面平行且经过定平台1的圆心，第三滑块62与第三滑轨61通过镶条610连接，第三滑轨61一侧安装测距数显尺69，测距数显尺69尺身部分与定平台1固定，测距数显尺69的移动部分与第三滑块62连接，第三立柱63垂直安装在第三滑块62上，加强柱611 用螺栓紧固件垂直安装在定平台1上，加强柱611的上端与夹紧装置612连接，夹紧装置612与第三立柱63的上端连接，第三立柱63上端安装测距光栅尺613，测距光栅尺613尺身部分与加强柱611上端固定，移动部分与立柱63固定，第三移动副64与第三立柱63连接，第三移动副64的轴线与定平台1上平面垂直，第三移动副64与第三圆柱副65连接，第三圆柱副65的轴线与定平台1上平面平行，第三连杆66的一端与第三圆柱副65连接，第三连杆66的另一端与第三球面副67连接，第三球面副67安装在动平台2上。

所述的机构中三个分支中的滑轨41、51、61与定平台1装配时，三个滑轨41、51、61轴线之间的120°夹角用定位键48、58、68保证；滑轨41、51、61为梯形滑轨，其上平面及一侧平面为定位平面，另一侧平面通过螺钉与镶条410、510、610将立柱43、53、63下端固定；三个滑轨41、51、61与定平台1通过螺栓连接，在滑轨41、51、61和定平台1之间通过定位键48、58、68定位，左右两侧平面为定位平面；三个滑轨41、51、61的移动可采用手动、滚珠丝杠或者其他的直线执行器；在三个滑轨41、51、61上建立基准点，安装测距数显尺49、59、69，通过调节滑块42、52、62位置，根据测距数显尺49、59、69的数据，最终保证三个立柱43、53、63与定平台1的中心距离等距；三个滑轨41、51、61的侧面安装镶条410、510、610，当运动空间调节完成，通过侧面的螺钉调节镶条410、510、610与滑轨41、51、61的距离，从而固定立柱43、53、63下端，三个立柱43、53、63与三个滑块42、52、62通过螺栓或焊接等方式连接，保证立柱43、53、63的轴线与定平台1上平面保持垂直关系。三对加强柱411、511、611与定平台1通过螺栓固定，三个加强柱411、511、611上端安装夹紧装置412、512、612及测距光栅尺413、513、613，通过调节三个立柱43、53、63上端的位置，根据测距光栅尺413、513、613的数据，最终保证三个立柱43、53、63上端与定平台1的中心距离等距，当调节完成，通过加紧装置412、512、612加紧三个立柱43、53、63的突缘。

在定平台上1的设定一个三坐标测量装置的基座3，在组装及调节工作空间时，将三坐标测量装置固定在三坐标测量装置的基座3上，通过三坐标测量装置测量各个构件的位置，进行误差建模、参数辨识、误差补偿来减小误差，提高机构的精度。

本发明提供的工作空间可调的三自由度并联机构的调整方法,其步骤如下：

S1、调节三个滑块42、52、62侧面上的螺钉，松开镶条410、510、610，使三个滑块42、52、62能够在滑轨41、51、61上自由滑动;

S2、调节三个立柱43、53、63上端的夹紧装置412、512、612的螺钉，使立柱43、53、63上端突缘能够在夹紧装置412、512、612滑槽里自由滑动;

S3、调节三个滑块42、52、62，使得三个测距光栅尺413、513、613显示相同，从而三个立柱43、53、63的下端与定平台1中心距离相等;

S4、调节三个滑块42、52、62上的螺钉，压紧镶条410、510、610;

S5、调节三个立柱43、53、63上端，使得三个测距光栅尺413、513、613的显示相等，从而三个立柱43、53、63的上端与定平台1中心距离相等;

S6、根据三个立柱43、53、63在工作时的受力弯曲变形等综合误差，设三个立柱43、53、63上端的综合误差为，向相反的方向调节立柱43、53、63上端固定的位置，补偿受力变形产生的综合误差;

S7、调节三个夹紧装置412、512、612的螺钉，加紧立柱43、53、63上端突缘。

步骤S6中，三个立柱43、53、63 上端的综合误差确定的方法为：三个立柱43、53、63上端的综合误差范围分别为，其中分别为三个立柱43、53、63上端的综合误差的下极限误差，分别为三个立柱43、53、63上端的综合误差的上极限误差，则三个立柱43、53、63 上端的综合误差为：

本发明具有的有益的效果是：

1、本发明通过滑轨调节三个立柱可方便快速的调节工作空间，通过镶条可快速固定，便于安装，节省调节时间，提高效率。

2、本发明通过三个立柱上端的夹紧装置，调节立柱上端加紧位置，对立柱因受力引起的变形进行补偿，提高机构的精度。

3、本发明的三对加强柱采用双边对称布置，减小立柱受力产生的扭曲变形。

4、本发明的三个连杆可换成可伸缩连杆，通过调节三个连杆的长度来获得更大的工作空间。

5、本发明的机构对于研究3-PRS并联机构的工作空间、位置正逆解、运动性能等，有很好的经济效益，通过快速的调节工作空间，可以验证不同机构尺寸下各种参数对性能指标的影响。

6、本发明提供的误差补偿调节方法，调节方便，容易确定。

以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，如图2中三个移动副44、54、64采用伺服电机和滚珠丝杠结构，也可采用直线电机等其他形式，本领域技术人员利用上述提示的技术内容做出的简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。