专利名称：用于虚拟轴坐标测量机及雕刻机的三维平移并联机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种虚拟轴雕刻机、坐标测量机、划线机的执行机构，具体地说是为并联结构虚拟轴并联坐标测量、划线机、雕刻机与并联机器人提供一种新型的并联机构。
由于6自由度并联机构结构的限制，有不少关键技术没能很好解决，如运动耦合性强、运动学正解复杂，工作空间较小等。在工业应用中，常要求具有2～5自由度的并联机构，为此，不少学者研究了三维纯平移输出并联机构，如Delta机构、Star Like机构等；基于上述情况，Tsai提出虚拟轴数控机床用两个并联机构下平台为三维平移并联机构，上平台为三维转动并联机构(US Pateat，Tsai，Patent Nember5656905，1997)。其主要特点是运动学正解为8次；位置与方向解耦；与六腿Stewart机构相比，工作空间较大；完全由转动副组成并联机构，与球面副相比容易制造。但Tsai机构仍有以下缺点①运动学正解为8次封闭解，需建立一元8次方程并求解，这使得系统的控制和轨迹规划较为复杂。
②三维平移机构本身运动输入—输出为强耦合，使系统控制甚为复杂。
③机构存在虚约束，使其制造与装配较复杂。
④工作空间仍相对较小。
中国学者在新型三维纯平移输出并联机构的研究与发明上也取得了重要成果(专利申请号01108297.6；01113519.0；01108297.6；01108283.6等)综上所述，并联虚轴数控机床和并联坐标测量机、雕刻机、划线机及并联机器人的发展和实用化需要创造出优于现有机构的新机型。
②、附图2为按附
图1所示的方位布置的简单开链腿结构的替换简图，为一四个平行轴线转动副R1、R2、R3、R4组成的平行四边形，其一组对边杆5、3分别与上平台0、滑块构件2用转动副R6、R5连接，滑块构件2又与静平台1用移动副P7机械连接，其移动方向与转动副R5、R6的轴线平行，移动副P7也可用转动副代替，但其转动副轴线也应与转动副R5、R6轴线平行。
控制下平台1上三个驱动关节的运动，就可控制上动平台在空间的位置和姿志，实现X、Y、Z方向的三维平移输出。如在上动平台上安装刀具，即可以作为并联结构的虚拟轴雕刻机；如在上动平台上安装探头即可以作为并联坐标测量机、划线机。
本发明为新型三维平移并联机构，具有以下特点①机构工作平台可实现三维平移运动输出，无任何转动。②机构简单，具有重量轻、刚性好，可高速运动等优点。③其运动学正解简单，为解析解，运动输入—输出又具有解耦性，极大地简化了控制问题。④机构不存在虚约束，使用R副和P副，可使机构制造、安装较为简单；利于精密加工，且成本较低。⑤工作空间较大。
总之，本发明为虚拟轴数控机床、测量机、雕刻机与并联机器人(如装配、堆垛机器人)等提供了具有开发和实用价值的新机型，具有很好应用前景。
具体实施例方式
下面通过附图和实例对本发明的技术给予进一步地说明。
附图1为本发明的三平移并联机构的平面展开结构示意图；附图2为附图1所示的简单开链腿的替代结构示意图；附图1所示的并联机构可为本发明的一个实施例。它由上动平台0、下静平台1及连接上下平台的一条混合链腿及一条简单开链腿组成。混合链腿包含一个由三个平行轴线转动副R4、R3、R2及二个平行移动副P1、P5组成的五杆平面闭路结构，再在输出运动副R3上铰接构件6，并用转动副R6连接构件7；平面闭路结构的两滑块3、2与静平台1通过移动副P1、P5机械连接，而构件7与动平台0用转动副R7机械连接，转动副R7、R6的轴线相互平行，但与转动副R4、R3、R2的轴线垂直；简单开链腿由三构件8、9、10通过轴线平行的二个转动副R9、R10连接组成，其外接滑块构件10与静平台1用移动副P11机械连接，另一外接构件8与动平台0用转动副R8机械连接，转动副R8、R9、R10的轴线与移动副P11的移动方向相互平行。图中移动副P11与P1、P5的移动方向相互平行。
当各连杆结构参数及方向分布位置一定时，控制下平台1上三个驱动滑块的运动，就可控制动平台0在空间的位置和姿志，实现X、Y、Z方向的三维纯平移输出。该种并联机构的结构设计及驱动控制等均可按常规机电技术进行设计和安装，如将该并联机构作为行走机器人的腿，即可实现拟人化的行走方式；如将该并联机构作为集装运输用的码垛执行机构，可实现需要的三维方向上的平移运动；如在上动平台上安装探头或划刀，即可以作为并联结构的并联坐标测量机、划线机、雕刻机的执行机构。
权利要求
①、用于虚拟轴数控雕刻机、虚拟轴坐标测量机、划线机及并联机器人的三维纯平移并联机构，由上动平台、下静平台及连接上下平台的一条混合链腿及一条简单开链腿组成；其特征是混合链腿包含一个由三个平行轴线转动副、二个在静平台上的移动副构成的五杆平面闭路结构，再在中间输出转动副上铰接一构件并用一个转动副连接另一个构件，该构件又与动平台用轴线相平行的另一转动副机械连接，这二个转动副轴线与五杆平面闭路结构中的三个平行轴线转动副的轴线垂直；而简单开链腿由三构件通过轴线平行的二个转动副连接组成，其一外接构件与静平台用移动副机械连接，另一构件与动平台用转动副机械连接，并使简单开链腿上的三个转动副轴线、一个移动副方向相互平行，它们又必须和混合链腿上与动平台连接的转动副轴线垂直，但并非一定要和混合链腿上二个移动副的方向平行或垂直。
②、按照权利要求①所述的并联结构，其特征在于混合链腿上五杆平面闭路结构中的二个移动副可用二个转动副代替，其轴线平行于该闭路结构中的已有的三个平行轴线转动副的轴线。
③、按照权利要求①所述的并联结构，其特征在于简单开链腿可由含四个平行轴线转动副组成的平行四边形的结构替换，该平行四边形的一组对边杆分别与上平台、滑块构件用转动副连接，而滑块构件又与静平台用移动副机械连接，其移动方向与平行四边形的那组对边杆上的二转动副的轴线平行；
④、按照权利要求③所述的并联结构，其特征在于含平行四边形的简单开链腿上的那个移动副可用转动副代替，但其转动副的轴线应与平行四边形的那组对边杆上的二转动副轴线平行。
全文摘要
一种用于虚拟轴坐标测量划线机、雕刻机的三维平移并联机构，由上动平台、下静平台及其混合链腿、简单开链腿组成；混合链腿包含一个由三个平行轴线转动副、二个在下静平台上的移动副组成的五杆平面闭路结构，再在中间输出转动副上铰接一构件，并用一个转动副连接另一个构件；该构件又与动平台用另一相平行的转动副连接；而简单开链腿由三构件通过轴线平行的二个转动副连接后，其一外接构件与动平台用轴线平行的转动副连接，另一外接构件又和静平台用与转动副平行的移动副连接。控制下平台上三个移动构件，即可获得上平台三维纯平移输出。该机构具有输入—输出具有解耦性、便于制造安装等优点，可作为新型并联坐标测量机划线机、雕刻机等的执行机构。
文档编号G01B5/008GK1448246SQ0311335
公开日2003年10月15日 申请日期2003年4月29日 优先权日2003年4月29日
发明者沈惠平, 杨廷力 申请人:江苏工业学院