用于虚轴机床和机器人等的一类两平移两转动并联机构

摘要

提供一类(8种)4自由度(两平移两转动)并联机构。其中一种由动平台、静平台和四条支路组成。一条支路由三个相互平行的转动副和垂直于它们的一个转动副串联而成；另三条支路结构相同，皆由三个相互平行的转动副和垂直于它们，且相互平行的两个转动副串联而成。4条支路在两平台之间的配置方式是：动平台上分属四条支路的4个转动副呈相互平行配置，静平台上分属四条支路的4个转动副亦呈相互平行配置。驱动静平台上四个转动副，即可控制动平台的两平移两转动输出。该机构具有非期望输出为常量、运动学正解容易、结构较简单、刚性好、便于制造等优点。为虚轴机床、机器人等提供新机型，为其开发与实用化提供了可能。

说明书

本发明涉及一种机床、机器人等的执行机构，具体的说，是为并联结构虚轴数控机床、并联机器人提供一类新型并联机构。

并联结构数控机床是指以并联机构为执行机构的机床，该机床被认为是二十世纪以来机床结构的一次革命。目前在美国、日本等国已研制出这种机床的样机，所采用的并联机构均为传统的斯图尔特(Stewart)机构。这种控制刀具在空间的位置和姿态变化的机构主要由基座、运动平台和连杆组成，基座和运动平台之间由连杆相连，连杆两端分别为球副和万向节。该机构有6个连杆，但连杆的长度可调，通过控制6根连杆的长度，改变刀具在空间的位姿。但这类机构有很多关键性技术没能完全解决。如，(1)运动学正解困难；(2)运动平台位姿是输入的强耦合，不利于控制；(3)机构复杂，使其工作空间较小；(4)制造高精度球副困难等。

对虚轴数控机床而言，许多场合需要提供自由度大于3且小于6的更简单的并联机构。例如，一般切削过程只需要控制五个轴的进给运动，外加主轴的转动即可加工其工作空间内的任意自由曲面。因此，若用4自由度的并联平台机构，给主轴提供4自由度的进给运动，又由装夹工件的工作台实现一个方向的移动，可方便地实现结构简单、易于控制的五轴联动数控机床。

总之，虚轴数控机床、机器人等的发展和实用化，需要创造出优于现有机构的新机型。

本发明目的是提供一类(8种)4自由度(两平移两转动)并联机构。该机构具有结构简单、工作空间较大、便于制造、安装等优点。特别是运动学正解较为简单，可简化并联结构虚轴机床和机器人系统的控制与轨迹规划的复杂性。为虚轴机床、机器人、微动操作手等提供新机型，为其开发与实用化提供可能。

附图1是本发明机构简图。它由动平台(1)、静平台(2)和结构不全相同的4条支路组成。第一条支路由三个构件(3、4、5)串联三个相互平行的转动副(R₆)和垂直于转动副(R₆)的一个转动副(R₇)组成。其余三条支路结构相同，是由四个构件(8、9、10、11)串联三个相互平行的转动副(R₁₂)和垂直于转动副(R₁₂)的两个相互平行的转动副(R₁₃)组成。诸支路两端构件分别固联在动、静平台上，但位于同一平台的分属四条支路的4个转动副轴线皆呈相互平行配置。

附图1中，结构相同的三条支路之一、或之二、或全部，皆用由两个球副(S₁₄)和一个转动副(R₁₅)串联而成的支路替代，如附图2(a)所示。亦可用由两个球副(S₁₆)和一个移动副(P₁₇)串联而成的支路替代，如附图2(b)所示。

附图1各支路中，相互垂直的两个转动副可用万向节替代。

附图1中，各支路与静平台联接的转动副可用移动副(P₁₈)替代，但移动副应垂直于被替代的转动副轴线，如附图3所示。

本发明为一类4自由度(两平移两转动)新型并联机构。该机构具有以下特点：

(1)机构工作平台具有两平移两转动运动输出，且非期望运动输出为常量；

(2)机构存在过约束回路，故刚性好、结构较简单；

(3)运动学正解比Stewart机构简单；

(4)当本发明机构由转动副、移动副及万向节组成时，易于精密加工，利于提高并联机构的运动精度。

总之，本发明为虚轴数控机床、机器人、微动操作手等，提供了具有上述特点的新机型，利于新型机床、机器人、微动操作手的开发与实用化。