含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构

摘要

本发明涉及一种五自由度并联机构，更具体的说是含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构，本机构能使并联机床实现通过五条支链带动四个作用点运动来准确驱动动平台，保证共作用点的两条支链的运动相互独立同时支链轴线时刻通过作用点。独立双输出复合万向节应用在多支链并联机床上，不仅可以使得机构平台形状和其上的作用点个数不再受到运动支链的限制，也可以帮助并联机构进行结构参数的优化和特殊构型的设计。中间支链的一端与静平台相连接，中间支链的另一端与动平台相连接，独立作用点支链的一端与静平台相连接，独立作用点支链的另一端与动平台相连接，共作用点支链的一端与静平台相连接，共作用点支链的另一端与动平台相连接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种五自由度并联机构，更具体的说是含有独立双输出复合万 向节的少作用点五自由度并联机构。

背景技术

并联机构在加工方面可实现高精度，复杂曲面加工，因此并联机床被视为 加工制造业的一次革命性创新。并联机床在结构设计方面，由于对于Stewart 平台的研究比较充分，所以六自由度并联加工机构相关专利涌现。但由于六自 由度并联机床不仅会造成自由度和零件的浪费，还会增奇异产生的可能性、加 机构的控制难度以及各支链间的耦合与干涉，实际加工中只需要五个自由度， 故五自由度并联机床是加工制造的高效机构。虽然关于五自由度并联机床的研 究逐渐成为研究热点，但由于其理论不够成熟，所以相关专利很少。本专利为 一种含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构申请专利。

纵观并联机构相关专利，所有机构均是以驱动原件通过一条支链作用在动 平台的一个作用点上进行驱动从而带动动平台运动，并没有出现过多条支链共 同作用到动平台上的一个作用点且支链间的运动彼此不产生干涉的。本专利“含 有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构”，所含有的独立双输出 复合万向节使得五条驱动支链的作用线通过各自连接的万向节十字轴轴心并且 运动互不干涉，在动平台上产生少于支链数量的作用点从而带动动平台运动。 这种结构不仅运动、动力学解简单易求、支链互不相关且控制容易，还能有效 地避免奇异产生并减小动平台面积和运动惯性力，摆脱了运动支链条数对并联 机构平台的束缚，使得两支链在一点连接不仅理论上可行，而且现实在上也得 以实现。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供含有独立双输出复合万向节的少作用点 五自由度并联机构，本机构能使并联机床实现通过五条支链带动四个作用点运 动来准确驱动动平台，并保证共作用点的两条支链的运动相互独立同时支链轴 线时刻通过作用点；独立双输出复合万向节应用在多支链并联机床上，不仅可 以使得机构平台形状和其上的作用点个数不再受到运动支链的限制，也可以帮 助并联机构进行结构参数的优化和特殊构型的设计。

为解决上述技术问题，本发明涉及一种五自由度并联机构，更具体的说是 含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构，包括静平台、动平 台、中间支链、独立作用点支链和共作用点支链，本机构能使并联机床实现通 过五条支链带动四个作用点运动来准确驱动动平台，并保证共作用点的两条支 链的运动相互独立同时支链轴线时刻通过作用点。独立双输出复合万向节应用 在多支链并联机床上，不仅可以使得机构平台形状和其上的作用点个数不再受 到运动支链的限制，也可以帮助并联机构进行结构参数的优化和特殊构型的设 计。

中间支链的一端与静平台相连接，中间支链的另一端与动平台相连接，独 立作用点支链的一端与静平台相连接，独立作用点支链的另一端与动平台相连 接，共作用点支链的一端与静平台相连接，共作用点支链的另一端与动平台相 连接。

作为本技术方案的进一步优化，本发明含有独立双输出复合万向节的少作 用点五自由度并联机构所述静平台的形状为直角梯形。静平台上设置有球副连 接机构Ⅰ、球副连接机构Ⅱ、球副连接机构Ⅲ、球副连接机构Ⅳ和普通万向节 机构Ⅰ，球副连接机构Ⅰ与球副连接机构Ⅱ分别设置在静平台的直角边上的两 个顶点处。球副连接机构Ⅲ与球副连接机构Ⅳ分别设置在静平台的斜边上的两 个顶点处。普通万向节机构Ⅰ设置在静平台上位于以直角边为边的正方形的中 心处。

作为本技术方案的进一步优化，本发明含有独立双输出复合万向节的少作 用点五自由度并联机构所述动平台上设置有普通万向节机构Ⅱ、普通万向节机 构Ⅲ、独立双输出复合万向节机构和普通万向节机构Ⅳ，动平台的形状为底边 和高相等的等腰三角形或者等腰直角三角形。当动平台的形状为底边和高相等 的等腰三角形时，普通万向节机构Ⅱ设置在此等腰三角形的顶点处，普通万向 节机构Ⅲ与独立双输出复合万向节机构分别设置在腰与底边的两个交点处，普 通万向节机构Ⅳ设置在高的中点处。

当动平台的形状为等腰直角三角形时，普通万向节机构Ⅱ与独立双输出复 合万向节机构分别设置在等腰直角三角形腰与底边的两个交点处，普通万向节 机构Ⅲ设置在直角处，普通万向节机构Ⅳ设置在底边的中点处。

作为本技术方案的进一步优化，本发明含有独立双输出复合万向节的少作 用点五自由度并联机构所述中间支链的一端与静平台上的普通万向节机构Ⅰ相 连接，中间支链的另一端与动平台上的普通万向节机构Ⅳ相连接。

作为本技术方案的进一步优化，本发明含有独立双输出复合万向节的少作 用点五自由度并联机构所述独立作用点支链包括独立作用点支链Ⅰ和独立作用 点支链Ⅱ，独立作用点支链Ⅰ的一端与静平台上的球副连接机构Ⅰ相连接，独 立作用点支链Ⅰ的另一端与动平台上的普通万向节机构Ⅱ相连接。独立作用点 支链Ⅱ的一端与静平台上的球副连接机构Ⅱ相连接，独立作用点支链Ⅱ的另一 端与动平台上的普通万向节机构Ⅲ相连接。

作为本技术方案的进一步优化，本发明含有独立双输出复合万向节的少作 用点五自由度并联机构所述共作用点支链包括共作用点支链Ⅰ和共作用点支链 Ⅱ，共作用点支链Ⅰ的一端与静平台上的球副连接机构Ⅳ相连接，共作用点支 链Ⅰ的另一端与动平台上的独立双输出复合万向节机构相连接，共作用点支链 Ⅱ的一端与静平台上的球副连接机构Ⅲ相连接，共作用点支链Ⅱ的另一端与动 平台上的独立双输出复合万向节机构相连接。

作为本技术方案的进一步优化，本发明含有独立双输出复合万向节的少作 用点五自由度并联机构所述初始位置时，静平台与动平台相互平行。

作为本技术方案的进一步优化，本发明含有独立双输出复合万向节的少作 用点五自由度并联机构所述初始位置时，普通万向节机构Ⅰ、中间支链和普通 万向节机构Ⅳ的轴线共线。

作为本技术方案的进一步优化，本发明含有独立双输出复合万向节的少作 用点五自由度并联机构所述独立双输出复合万向节机构包括输出端、连接杆、 外侧转动丁字轴、内侧转动丁字轴和万向节座，外侧转动丁字轴通过内侧转动 丁字轴安装在万向节座上，并且外侧转动丁字轴可绕万向节座转动，内侧转动 丁字轴可绕万向节座转动。输出端有两个分别安装在外侧转动丁字轴和内侧转 动丁字轴的短轴上，连接杆有两个，分别安装在两个输出端上，并且连接杆的 轴线始终通过外侧转动丁字轴和内侧转动丁字轴的轴心。

本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构的有益效 果为：

本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构，本机构 能使并联机床实现通过五条支链带动四个作用点运动来准确驱动动平台，并保 证共作用点的两条支链的运动相互独立同时支链轴线时刻通过作用点；独立双 输出复合万向节应用在多支链并联机床上，不仅可以使得机构平台形状和其上 的作用点个数不再受到运动支链的限制，也可以帮助并联机构进行结构参数的 优化和特殊构型的设计。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构的 结构立体示意图。

图2为本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构的 原理图。

图3为本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构的 静平台1的结构示意图。

图4为本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构的 动平台2的结构示意图。

图5为本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构的 独立双输出复合万向节机构2-3的结构示意图。

图6为本发明含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联机构的 独立双输出复合万向节机构2-3的爆炸图。

图中：静平台1；球副连接机构Ⅰ1-1；球副连接机构Ⅱ1-2；球副连接机构 Ⅲ1-3；球副连接机构Ⅳ1-4；普通万向节机构Ⅰ1-5；动平台2；普通万向节机 构Ⅱ2-1；普通万向节机构Ⅲ2-2；独立双输出复合万向节机构2-3；普通万向节 机构Ⅳ2-4；中间支链3；独立作用点支链4；独立作用点支链Ⅰ4-1；独立作用 点支链Ⅱ4-2；共作用点支链5；共作用点支链Ⅰ5-1；共作用点支链Ⅱ5-2。

具体实施方式

具体实施方式一：

下面结合图1、2、3、4、5、6说明本实施方式，本发明涉及一种五自由度 并联机构，更具体的说是含有独立双输出复合万向节的少作用点五自由度并联 机构，本机构能使并联机床实现通过五条支链带动四个作用点运动来准确驱动 动平台，并保证共作用点的两条支链的运动相互独立同时支链轴线时刻通过作 用点；独立双输出复合万向节应用在多支链并联机床上，不仅可以使得机构平 台形状和其上的作用点个数不再受到运动支链的限制，也可以帮助并联机构进 行结构参数的优化和特殊构型的设计。

中间支链3的一端与静平台1相连接，中间支链3的另一端与动平台2相 连接，独立作用点支链4的一端与静平台1相连接，独立作用点支链4的另一 端与动平台2相连接，共作用点支链5的一端与静平台1相连接，共作用点支 链5的另一端与动平台2相连接，通过控制中间支链3、独立作用点支链4和共 作用点支链5的伸缩实现动平台2相对于静平台1角度的变化，从而进行工作。

具体实施方式二：

下面结合图1、2、3、4、5、6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一 作进一步说明，所述静平台1的形状为直角梯形。静平台1上设置有球副连接 机构Ⅰ1-1、球副连接机构Ⅱ1-2、球副连接机构Ⅲ1-3、球副连接机构Ⅳ1-4和 普通万向节机构Ⅰ1-5，球副连接机构Ⅰ1-1与球副连接机构Ⅱ1-2分别设置在 静平台1的直角边上的两个顶点处，球副连接机构Ⅲ1-3与球副连接机构Ⅳ1-4 分别设置在静平台1的斜边上的两个顶点处，普通万向节机构Ⅰ1-5设置在静平 台1上位于以直角边为边的正方形的中心处，通过普通万向节机构Ⅰ1-5使得球 副连接机构Ⅲ1-3与静平台1连接，通过球副连接机构Ⅰ1-1和球副连接机构Ⅱ 1-2使得独立作用点支链4与静平台1连接，通过球副连接机构Ⅲ1-3和球副连 接机构Ⅳ1-4使得共作用点支链5与静平台1连接，进一步实现动平台2的控制。

具体实施方式三：

下面结合图1、2、3、4、5、6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一 作进一步说明，所述动平台2上设置有普通万向节机构Ⅱ2-1、普通万向节机构 Ⅲ2-2、独立双输出复合万向节机构2-3和普通万向节机构Ⅳ2-4，动平台2的 形状为底边和高相等的等腰三角形或者等腰直角三角形。当动平台2的形状为 底边和高相等的等腰三角形时，普通万向节机构Ⅱ2-1设置在此等腰三角形的顶 点处，普通万向节机构Ⅲ2-2与独立双输出复合万向节机构2-3分别设置在腰与 底边的两个交点处，普通万向节机构Ⅳ2-4设置在高的中点处。

当动平台2的形状为等腰直角三角形时，普通万向节机构Ⅱ2-1与独立双输 出复合万向节机构2-3分别设置在等腰直角三角形腰与底边的两个交点处，普 通万向节机构Ⅲ2-2设置在直角处，普通万向节机构Ⅳ2-4设置在底边的中点处， 通过普通万向节机构Ⅱ2-1和普通万向节机构Ⅲ2-2使得独立作用点支链4与动 平台2连接，通过独立双输出复合万向节机构2-3使得共作用点支链5与动平 台2连接，通过普通万向节机构Ⅳ2-4使得中间支链3与动平台2连接。

具体实施方式四：

下面结合图1、2、3、4、5、6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一 作进一步说明，所述中间支链3的一端与静平台1上的普通万向节机构Ⅰ1-5相 连接，中间支链3的另一端与动平台2上的普通万向节机构Ⅳ2-4相连接。中间 支链3的驱动方式可以为电机带动丝杠驱动、液压缸驱动、气动原件驱动的方 式。

具体实施方式五：

下面结合图1、2、3、4、5、6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一 作进一步说明，所述独立作用点支链4包括独立作用点支链Ⅰ4-1和独立作用点 支链Ⅱ4-2，独立作用点支链Ⅰ4-1的一端与静平台1上的球副连接机构Ⅰ1-1 相连接，独立作用点支链Ⅰ4-1的另一端与动平台2上的普通万向节机构Ⅱ2-1 相连接；独立作用点支链Ⅱ4-2的一端与静平台1上的球副连接机构Ⅱ1-2相连 接，独立作用点支链Ⅱ4-2的另一端与动平台2上的普通万向节机构Ⅲ2-2相连 接，独立作用点支链Ⅰ4-1和独立作用点支链Ⅱ4-2的驱动方式可以为电机带动 丝杠驱动、液压缸驱动、气动原件驱动的方式。

具体实施方式六：

下面结合图1、2、3、4、5、6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一 作进一步说明，所述共作用点支链5包括共作用点支链Ⅰ5-1和共作用点支链Ⅱ 5-2，共作用点支链Ⅰ5-1的一端与静平台1上的球副连接机构Ⅳ1-4相连接， 共作用点支链Ⅰ5-1的另一端与动平台2上的独立双输出复合万向节机构2-3相 连接，共作用点支链Ⅱ5-2的一端与静平台1上的球副连接机构Ⅲ1-3相连接， 共作用点支链Ⅱ5-2的另一端与动平台2上的独立双输出复合万向节机构2-3相 连接，共作用点支链Ⅰ5-1和共作用点支链Ⅱ5-2驱动方式可以为电机带动丝杠 驱动、液压缸驱动、气动原件驱动的方式。

具体实施方式七：

下面结合图1、2、3、4、5、6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一 作进一步说明，所述初始位置时，静平台1与动平台2相互平行。

具体实施方式八：

下面结合图1、2、3、4、5、6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一 作进一步说明，所述初始位置时，普通万向节机构Ⅰ1-5、中间支链3和普通万 向节机构Ⅳ2-4的轴线共线。

具体实施方式九：

下面结合图1、2、3、4、5、6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一 作进一步说明，所述独立双输出复合万向节机构2-3包括输出端2-3-1、连接杆 2-3-2、外侧转动丁字轴2-3-3、内侧转动丁字轴2-3-4和万向节座2-3-5，外 侧转动丁字轴2-3-3通过内侧转动丁字轴2-3-4安装在万向节座2-3-5上，并 且外侧转动丁字轴2-3-3可绕万向节座2-3-5转动，内侧转动丁字轴2-3-4可 绕万向节座2-3-5转动；输出端2-3-1有两个分别安装在外侧转动丁字轴2-3-3 和内侧转动丁字轴2-3-4的短轴上，连接杆2-3-2有两个，分别安装在两个输 出端2-3-1上，并且连接杆2-3-2的轴线始终通过外侧转动丁字轴2-3-3和内 侧转动丁字轴2-3-4的轴心，两个输出端2-3-1均可独立绕万向节座2-3-5转 动，可以保证共作用点支链Ⅰ5-1和共作用点支链Ⅱ5-2之间的运动不互相干涉， 独立运动，并且作用在同一个作用点上。

装置的工作原理：工作时，中间支链3、独立作用点支链4和共作用点支链 5自由伸缩，带动动平台2运动与翻转，这样安装在动平台2上的主轴电机与刀 具就可跟随动平台2一起运动与翻转，从而实现刀具在不同位置以不同姿态对 工件进行加工。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技 术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替 换，也属于本发明的保护范围。