專利名稱：用于虛軸機床與測量機等的一類(一平移三轉動)并聯機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一類機床、機器人與坐標測量機等的執(zhí)行機構，具體的說，是為并聯結構虛軸機床、并聯機器人與虛軸坐標測量機等提供一類(3種)4自由度(一平移三轉動)新型并聯機構。
背景技術：
并聯結構數控機床是指以并聯機構為執(zhí)行機構的機床，該機床被認為是二十世紀以來機床結構的一次革命。目前在美國、日本等國已研制出這種機床的樣機(如美國Giddings andLewis公司的Variax型關聯機床)，所采用的并聯機構均為傳統(tǒng)的斯圖爾特(Stewart)機構。這種控制刀具在空間的位置和姿態(tài)變化的機構主要由基座、運動平臺和連桿組成，基座和運動平臺之間由連桿相連，連桿兩端分別為球副和萬向節(jié)。該機構有6個連桿，但連桿的長度可調，通過控制6根連桿的長度，改變刀具在空間的位姿。但這類機構有很多關鍵性技術沒能完全解決。如(1)運動學正解困難；(2)運動平臺位姿是輸入的強耦合，不利于控制；(3)機構復雜，使其工作空間較??；(4)制造高精度球副困難等。
并聯機構的虛軸坐標測量機，也是近年來測量機的一個重大進展，與傳統(tǒng)屬于串聯結構的測量機相比，具有剛度大、運動速度高、誤差不疊加等特性，可使測量精度與測量效率等有較大改善。目前已有的并聯機構測量機多采用Stewart機構(如俄羅斯Lapic公司的KNM-750型3坐標測量機)。其動平臺相對于基平臺具有6個空間自由度，但結構相對比較復雜，末端執(zhí)行器位姿求解困難。
總之，虛軸機床、虛軸測量機與機器人等的發(fā)展與實用化，需要創(chuàng)造出優(yōu)于現有機構的新機型。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是提供一類(3種)4自由度(一平移三轉動)并聯機構。該機構具有結構簡單、工作空間較大、便于制造、安裝等優(yōu)點。特別是可實現控制解耦且運動學正解較為簡單，顯著簡化并聯結構虛軸機床和機器人系統(tǒng)的控制與軌跡規(guī)劃的復雜性。為虛軸機床、虛軸測量機、機器人、微動操作手等提供新機型，為其開發(fā)與實用化提供可能。


附圖1是本發(fā)明機構簡圖。它由動平臺(1)、靜平臺(0)和結構不全相同的4條支路組成。第1條支路由一個移動副(P1)和一個球面副(S2)串聯而成；第2條支路由一個移動副(P4)與兩個球面副(S3與S5)串聯而成；第3條支路由一個移動副(P7)與兩個球面副(S6與S8)串聯而成，第4條支路由一個移動副(P10)和兩個球面副(S9與S11)串聯而成。諸支路兩端物件分別固聯在動、靜平臺。
附圖2為附圖1所示并聯機構的衍生并聯機構。它由動平臺1、靜平臺(0)和結構不全相同的3條支路組成。第1條支路由一移動副(P1)和一球面副(S2)串聯而成；第2條支路由一移動副(P4)與兩球面副(S3與S5)串聯而成；第3條支路由兩個移動副(P7與P9)和三個球面副(S6、S8與S10)組成的5桿回路再串聯一個球面副(S11)而成。諸支路兩端構件分別固聯在動、靜平臺上球面副S2、S3、與S11位于動平臺(1)，球面副(S5、S6與S10)和移動副(P1)位于靜平臺。
附圖3應為一種一平移三轉動并聯機構。它由動平臺(1)、靜平臺(0)和結構相同的4條支路組成。第1條支路由一個移動副(P2)和四個轉動副(R1、R3、R4與R5)串聯而成，且P2垂直于軸線相互平行的兩轉動副(R1與R3)，另兩個轉動副(R4與R5)軸線相交于一點；類似地，對第2條支路，移動副(P7)垂直于軸線相互平行的兩轉動副(R6與R8)，另兩個轉動副(R9與R10)軸線相交于一點；對第3條支路，移動副(P12)垂直于軸線相互平行的兩轉動副(R11與R13)，另兩個轉動副(R14與R15)軸線相交于一點；對第4條支路，移動副(P17)垂直于軸線相互平行的兩轉動副(R16與R18)，另兩個轉動副(R19與R20)軸線相交于一點。4條支路兩端構件在動、靜平臺之間的固聯方式4條支路的4組軸線交于一點的8個轉動副(R4、R5、R9、R10、R14、R15、R19與R20)的軸線交于同一點；第1條支路的轉動副(R1)軸線平行于第4條支路的轉動副(R16)軸線；第2條支路的轉動副(R6)軸線平行于第3條支路的轉動副(R11)軸線。
本發(fā)明為一類4自由度(一平移三轉動)新型并聯機構。該類機構具有以下特點(1)機構動平臺具有一平移三轉動輸出，且非期望運動輸出為常量；(2)附圖1與附圖2機構的運動輸入——輸出具有部分解耦性，即可實現部分控制解耦；(3)附圖2所示并聯機構的運動學分析可依次對三個基本回路單獨求解，為較簡單的解析式，有利于實現機器人的實時控制與在線、離線運動規(guī)劃；(4)機構結構較簡單、工作空間較大。
(5)附圖2所示并聯機構避免了二重球面副的制造困難。
總之，本發(fā)明為虛軸機床、機器人、虛軸測量機、微動操作手等，提供了具有上述特點的新機型，利于新型機床、機器人、測量機、微動操作手的開發(fā)與實用化。
具體實施例方式
附圖2所示并聯機構可視為本發(fā)明用于虛軸測量機的一個實施例，其具體結構已如前述附圖2說明。在動平臺(1)上安裝測量頭(A)。當機構各構件尺度參數確定后，控制4個驅動副(移動副P1、P4、P7與P9)的輸入運動，就可控制動平臺(1)上的測量頭(A)的三維坐標，即可為虛軸機械測量機的執(zhí)行機構。因有4個主動輸入，有利于避開機構的奇異位形。
權利要求
1.一種可用于虛軸機床、機器人與虛軸機械測量機等的4自由度(一平移三轉動)并聯機構，其組成包括動、靜平臺及聯接在動、靜平臺之間的4條支路第1條支路由一移動副和一球面副串聯而成，第2條、第3條與第4條支路皆分別由一移動副和兩個球面副串聯而成，4條支路兩端構件分別固聯在動、靜平臺上。
2.按照權利1要求所述并聯機構，第3和第4兩條支路用一新的支路替代，新支路由兩移動副和三個球面副組成的5桿回路再串聯一個球面副而成。
3.按照權利1要求所述并聯機構，第1條、第2條、第3條與第4條支路分別用結構相同的一新支路替代，新支路由一個移動副和4個轉動副串聯而成，且移動副垂直于軸線相互平行的兩個轉動副，另兩個轉動副軸線相交于一點，4條支路在動、靜兩平臺之間的配置方式4條支路的4組軸線相交于一點的8個轉動副軸線應交于同一點，4條支路分兩組，每組2條支路的2組軸線相互平行的4個轉動副軸線應相互平行。
全文摘要
提供一類(3種)4自由度(一平移三轉動)并聯機構。其中一種，由動平臺、靜平臺和3條支路組成。第1條支路由一移動副和一球面副串聯而成，第2條支路由一移動副和兩球面副串聯而成，第3條支路由兩個移動副和三球面副組成的5桿回路再串聯一個球面副而成。諸支路兩端構件分別固聯在動、靜平臺上。驅動4個移動副，即可控制動平臺的一平移三轉動輸出。該機構具有非期望運動輸出的常量，運動輸入—輸出部分控制解耦，運動學分析可依次對三個基本回路單獨求解，結構簡單、剛性好，可避免二重球面副制造困難等優(yōu)點。該機構可作為虛軸機床、虛軸機械測量機、機器人等的執(zhí)行機構。
文檔編號B23Q41/00GK1528560SQ20031010601
公開日2004年9月15日 申請日期2003年10月8日 優(yōu)先權日2003年10月8日
發(fā)明者楊廷力, 金瓊, 沈惠平 申請人:楊廷力