专利名称：一种激光加工机器人机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及机器人技术领域，具体地说是一种三分支五自由度混联的激光加工机器人机构。
背景技术：
在现有的激光加工机器人中，主要有串联和并联两种形式。串联激光加工机器人具有单个分支，可以实现各种自由度。串联的机器人结构构型简单，并且正解唯一，工作空间大，应用比较广泛。但其结构关节多，对误差累积会产生放大作用，反解复杂不唯一。并联激光加工机器人具有多个分支，也可以实现各种自由度。与串联机器人相比，并联机器人具有刚性好、精度高、承载能力大、速度快、位置精度高、结构紧凑及惯性小等优点。其中少自由度新型并联机构的开发是先进制造装备技术研究的前沿和执点，但其结构构型相对复杂，反解容易而正解困难，工作空间小，使并联机器人在应用过程中受到一定的限制。
目前，在激光加工过程中，为了达到较高的加工精度和对复杂异型曲面进行加工，需要对激光加工头进行空间位姿调整。现有技术多釆用悬臂式或者龙门式等调节机构来调节激光头的空间位姿，无法实
现多自由度(自由度大于3)的精确加工，加工劳动强度大，机构灵活性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三分支五自由度混联的激光加工机器人机构，不仅可以实现多自由度精确空间激光加工，而且控制算法简单，易于实现。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的
本发明由三个并联的分支与两个串联的转动副连接构成；其中第
二分支的一端通过第二虎克铰与静平台相连接，另一端连接有串联的
第一、二转动副，第二转动副的输出端设有激光头；第一分支的一端通过第一虎克铰与静平台相连接，另一端通过第一球铰与第二分支相连；第三分支的一端通过第三虎克铰与静平台相连接，另一端通过第二球铰与第二分支相连；第一、二球铰的中心在第二分支的轴线上。其中所述第一分支由第一电机、滑块、丝杠及底座组成，与电
4机输出轴连接的丝杠安装于底座上，底座通过第一球副与第二分支相连；与第一虎克铰固接的滑块套设在丝杠上，通过滑块与丝杠之间的
螺旋副变成滑块与底座之间的第一移动副；第三分支与第一分支结构
相同，由第一电机、滑块、丝杠、底座及转轴组成，与第一电机输出
轴连接的丝杠安装于底座上，底座通过第二球副与第二分支相连；与第三虎克铰固接的滑块套设在丝杠上，通过滑块与丝杠之间的螺旋副变成滑块与底座之间的第三移动副；第二分支由滑块、丝杠、底座及第二、三、四电机组成，与第二电机输出轴连接的丝杠安装于底座上，与第二虎克铰固接的滑块套设在丝杠上，通过滑块与丝杠之间的螺旋副变成滑块与底座之间的第二移动副；底座的下端设有第三电机，第三电机的输出轴穿过第一、二球副、设有轴套，第四电机的输出轴与轴套配合连接、末端安装有激光头；三个分支上的底座上设有导轨，各分支的滑块容置于导轨内；所述静平台可为等腰三角形或等边三角形；第一分支具有六个自由度，分别为第一虎克铰具有两个自由度、第一球副具有三个自由度及第一移动副具有一个自由度；第二分支具有五个自由度，分别为第二虎克铰具有两个自由度、第二移动副具有一个自由度及第一、二转动副分别具有一个自由度；第三分支具有六个自由度，分别为第三虎克铰具有两个自由度、第二球副具有三个自由度及第三移动副具有一个自由度。本发明的优点与积极效果为
1. 本发明的激光加工机器人将三分支三自由度的并联与二自由度的串联机构综合，不仅可以实现多自由度精确空间激光加工，而且控制算法简单，易于实现。
2. 并联机构取消了动平台，第一、三两个分支最终交汇到第二分支的轴线上，使得并联机构在控制算法上得以简化，易于求解；同时消除了动平台的影响，提高了机构的负载能力。
3. 本发明充分结合了并、串联两种结构形式的特点，具有精度高，刚性好，工作空间大，灵活性好、应用范围广等优点，可以对各种复杂曲面进行加工。
图l为本发明机构简图2为本发明中并联机构简图3为本发明中第一 (三)分支的结构示意图4为本发明中第二分支的结构示意其中l为第一电机，2为导轨，3为滑块，4为丝杠，5为底座，6为第二电机，7为第三电机，8为第四电机，9为轴套，IO为激光头，Bl为第一虎克铰，0为第二虎克铰，B2为第三虎克铰，Ll为第一分支，L2为第二分支，L3为第三分支，Pl为第一移动副，P2为第二移动副，P3为第三移动副，Rl为第一转动副，R2为第二转动副，Sl为第一球铰，S2为第二球铰，T为静平台。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图l所示，本发明由三个并联的分支与两个串联的转动副连接构成。其中第二分支L2的一端通过第二虎克铰0与静平台T相连接，另一端依次连接有串联的第一、二转动副R1、 R2,第二转动副R2的输出端设有激光头10。第一分支Ll的一端通过第一虎克铰Bl与静平台T相连接，另一端通过第一球铰S1与第二分支L2相连。第三分支L3的一端通过第三虎克铰B2与静平台T相连接，另 一端通过第二球铰S2与第二分支L2相连。第一、二球铰S1、 S2的中心在第二分支L2的轴线上。静平台T可为三角形，当静平台为等腰三角形或等边三角形时，控制算法更加简单、精确，更易于实现。
如图2所示，三分支三自由度的并联结构是本发明的实施基础，
与现有激光加工机器人的并联机构相比，本发明消除了动平台，即第一、三分支L1、 L3最终交汇到第二分支L2的轴线上，使得本发明三
分支三自由度的并联结构在控制算法上得以简化，易于求解。同时消除了动平台的影响，提高了机构的负载能力。
如图3所示，第一分支L1由第一电机l、滑块3、丝杠4及底座5组成，与第一电机1输出轴连接的丝杠4安装于底座5上，底座5通过第一球副Sl与第二分支L2相连。与第一虎克铰B1固接的滑块3套设在丝杠4上，底座5上设有导轨2，滑块3容置于导轨2内，通过滑块3与丝杠4之间的螺旋副变成滑块3与底座5之间的第一移动副Pl,实现第一分支Ll的伸缩直线运动。第一分支Ll具有六个自由度，分别为第一虎克铰B1具有两个自由度、第一球副S1具有三个自由度及第一移动副Pl具有一个自由度。第三分支L3与第一分支Ll结构相同，底座5通过第二球副S2与第二分支L2相连。与第三虎克铰B2固接的滑块3套设在丝杠4上，底座5上设有导轨2，滑块3容置于导轨2内，通过滑块3与丝杠4之间的螺旋副变成滑块3与底座5之间的第三移动副P3，实现第三分支L3的伸縮直线运动。第三分支L3具有六个自由度，分别为第三虎克铰I^具有两个自由度、第二球副S2具有三个自由度及第三移动副P3具有一个自由度。
如图4所示，第二分支L2由滑块3、丝杠4、底座5及第二、三、四电机6、 7、 8组成，与第二电机6输出轴连接的丝杠4安装于底座5上，与第二虎克铰0固接的滑块3套设在丝杠4上，底座5上设有导轨2,滑块3容置于导轨2内，通过滑块3与丝杠4之间的螺旋副变成滑块3与底座5之间的第二移动副P2。底座5的下端设有第三电机7,第三电机7的输出轴穿过第一、二球副Sl、 S2、设有轴套9，第四电机8的输出轴与轴套9配合连接、末端安装有激光头10。第二分支L2具有五个自由度，分别为第二虎克铰0具有两个自由度、第二移动副P2具有一个自由度及第一、二转动副Rl、 R2分别具有一个自由度。
本发明的工作原理为
静平台T上呈正三角形分布第一、二、三虎克铰B1、 0、 B3,各个虎克铰均可实现二维转动。机器人的第一分支Ll中第一电机1将动力输出，带动丝杠4旋转，丝杠4与滑块3构成螺旋副，滑块3固定到第一虎克铰Bl上，丝杠4连同底座5相对第一虎克铰Bl进行直线运动，底座5末端连接第一球副Sl与第二分支L2相连接，使第一分支Ll对第二分支L2的运动不产生约東作用。第二分支L2中的第二电机6带动丝杠4旋转，滑块3与第二虎克铰0固连，丝杠4连同底座5相对滑块3做直线运动。第三分支L3传动形式与第一分支Ll相同。三个分支构成并联部分，可实现三个自由度运动。第二分支L2的底座5连接第三电机7，第三电机7穿过第一分支Ll和第三分支L3的球副中心，将动力输出给轴套9，带动轴套9实现回转运动，第四电机8的输出轴套设在轴套9内，并将动力输出，带动末端激光头10旋转，构成串联部分二维旋转运动，最终实现激光头10的五自由度运动。
本发明可做模块化处理，可用于悬臂式或龙门式等结构形式下的机械手单元，灵活性较好。
权利要求
1. 一种激光加工机器人机构，其特征在于由三个并联的分支与两个串联的转动副连接构成；其中第二分支(L2)的一端通过第二虎克铰(0)与静平台(T)相连接，另一端连接有串联的第一、二转动副(R1、R2)，第二转动副(R2)的输出端设有激光头(10)；第一分支(L1)的一端通过第一虎克铰(B1)与静平台(T)相连接，另一端通过第一球铰(S1)与第二分支(L2)相连；第三分支(L3)的一端通过第三虎克铰(B2)与静平台(T)相连接，另一端通过第二球铰(S2)与第二分支(L2)相连；第一、二球铰(S1、S2)的中心在第二分支(L2)的轴线上。
2. 按权利要求1所述的激光加工机器人机构，其特征在于所 述第一分支(Ll)由第一电机(1)、滑块(3)、丝杠(4)及底座(5) 组成，与电机(1)输出轴连接的丝杠(4)安装于底座(5)上，底 座(5)通过第一球副(Sl)与第二分支(L2)相连；与第一虎克铰(Bl)固接的滑块(3)套设在丝杠(4)上，通过滑块(3)与丝杠 (4 )之间的螺旋副变成滑块(3 )与底座(5 )之间的第 一 移动副(P1)。
3. 按权利要求1所述的激光加工机器人机构，其特征在于所 述第三分支(L3)与第一分支(Ll)结构相同，由第一电机(1)、滑 块(3)、丝杠(4)、底座(5)及转轴(6)组成，与第一电机(1) 输出轴连接的丝杠(4)安装于底座(5)上，底座(5)通过第二球 副(S2)与第二分支(U)相连；与第三虎克铰(B2)固接的滑块(3) 套设在丝杠(4)上，通过滑块(3)与丝杠(4)之间的螺旋副变成 滑块(3)与底座(5)之间的第三移动副(P3)。
4. 按权利要求1所述的激光加工机器人机构，其特征在于所 述第二分支(L2)由滑块(3)、丝杠(4)、底座(5)及第二、三、 四电机(6、 7、 8)组成，与第二电机(6)输出轴连接的丝杠(4) 安装于底座(5)上，与第二虎克铰(0)固接的滑块(3)套设在丝 杠(4)上，通过滑块(3)与丝杠(4)之间的螺旋副变成滑块(3) 与底座(5)之间的第二移动副(P2);底座(5)的下端设有第三电 机(7)，第三电机(7)的输出轴穿过第一、二球副(Sl、 'S2)、设有 轴套(9)，第四电机(8)的输出轴与轴套(9)配合连接、末端安装 有激光头(10)。
5. 按权利要求2、 3或4所述的激光加工机器人机构，其特征在 于所述三个分支上的底座(5 )上设有导轨(2 )，各分支的滑块(3 )容置于导轨(2)内。
6. 按权利要求1所述的激光加工机器人机构，其特征在于所 述静平台(T)可为等腰三角形或等边三角形。
7. 按权利要求1所述的激光加工机器人机构，其特征在于所 述第一分支(Ll)具有六个自由度，分别为第一虎克铰(Bl)具有两 个自由度、第一球副(Sl)具有三个自由度及第一移动副(Pl)具有 一个自由度。
8. 按权利要求1所述的激光加工机器人机构，其特征在于所 述第二分支(L2)具有五个自由度，分别为第二虎克铰(0)具有两 个自由度、第二移动副(P2)具有一个自由度及第一、二转动副(Rl、 R2)分别具有一个自由度。
9. 按权利要求1所述的激光加工机器人机构，其特征在于所 述第三分支(L3)具有六个自由度，分别为第三虎克铰(B2)具有两 个自由度、第二球副(S2)具有三个自由度及第三移动副(P3)具有 一个自由度。
全文摘要
本发明涉及机器人技术领域，具体地说是一种三分支五自由度混联的激光加工机器人机构，由三个并联的分支与两个串联的转动副连接构成；其中第二分支的一端通过第二虎克铰与静平台相连接，另一端连接有串联的第一、二转动副，第二转动副的输出端设有激光头；第一分支的一端通过第一虎克铰与静平台相连接，另一端通过第一球铰与第二分支相连；第三分支的一端通过第三虎克铰与静平台相连接，另一端通过第二球铰与第二分支相连；第一、二球铰的中心在第二分支的轴线上。本发明充分结合了并、串联两种结构形式的特点，具有精度高，刚性好，工作空间大，灵活性好、应用范围广等优点，可以对各种复杂曲面进行加工。
文档编号B25J9/16GK101497193SQ20081001035
公开日2009年8月5日 申请日期2008年2月3日 优先权日2008年2月3日
发明者强 吴, 姜春英, 元 孙, 昌成刚, 罗振军, 赵明扬 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所