CN110053026B - 用于工件加工的五自由度混联机器人 - Google Patents
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Abstract
一种用于工件加工的五自由度混联机器人，包括：相对于底座移动的三自由度并联机构以及与之相连的带有作业主轴的摆头组件，该三自由度并联机构包括：动平台、框架以及设置于其间的三组并联设置的支链机构，其中：支链机构的两端分别与动平台和框架转动连接且三组支链机构呈左右非对称方式布置。本发明采用新型混联机构，结构简单，安装维护方便，易实现模块化；采用三自由度并联机构，增强整机系统在加工过程中的刚度、响应速度以及加工精度；串并混联的结构增加了系统的工作空间，特别是姿态工作空间。这种混联结构的加工设备能够更好的满足大型复杂构件的高精度加工需求。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种加工制造领域的技术，具体是一种用于工件加工的五自由度混联机器人。
背景技术
五自由度加工机床是加工制造领域的重要设备，广泛应用于飞机、汽车、船舶等领域的复杂零部件的加工。五自由度串联开链结构为保证机床刚度，需要运用高刚度的构件，导致构件的尺寸过大、质量过重，动态响应能力不足，最终造成末端加工刀具精度降低；五自由度纯并联结构的末端加工工作空间极小，尤其是姿态空间。因此，现有的串联五自由度加工设备由于工作空间小，难以一次加工完成大型复杂工件，需要多次装夹，严重影响加工精度和加工效率；而纯并联结构的五自由度加工设备由于姿态空间受限，难以实现复杂曲面的灵活加工。串并混联五自由度机器人能够结合串联大工作空间和并联高刚度高精度的特点，是大型复杂构件高效加工的最佳方案。
现有的五自由度混联机构种类较少，且已有的机构一般是用二转动一移动并联模块与二转动串联模块组合而成，并联模块中存在复合转动关节组成的球关节或虎克铰，受力状态复杂，且由于其移动工作空间完全通过并联模块实现，工作空间较小，在进行大型工件加工时，需增加整体移动的附加运动轴。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于工件加工的五自由度混联机器人，结合串联结构和并联结构的优点，能够运用于大型复杂工件的加工。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：相对于底座移动的三自由度并联机构以及与之相连的带有作业主轴的摆头组件，该三自由度并联机构包括：动平台、框架以及设置于其间的三组并联设置的支链机构，其中：支链机构的两端分别与动平台和框架转动连接且三组支链机构呈左右非对称方式布置。
所述的相对于底座移动的运动通过与安装于底座上平面的两组直线驱动组件实现。
所述的支链机构包括：基座、导轨、支链电机和支链滑块，其中：两个平行导轨固定于支链基座，支链滑块与导轨可沿导轨方向相对滑动，支链滑块，支链滑块活动设置于导轨杆上。
所述的非对称方式布置是指：三组支链具有相同的结构形式，且按左、中、右布置，三组支链机构的延长线不交于一点。
进一步地，所述的支链机构分别通过第一转动轴和第二转动轴与框架和动平台转动连接，为保证三组支链机构延长线不交与一点，位于中间的支链机构与框架相连的第一转动轴不在框架的左右对称中心上且该支链机构与动平台相连的第二转动轴也不在动平台的左右对称中心，从而避免机构奇异。
所述的直线驱动组件采用但不限于电机驱动的丝杆滑块组，其中：电机与丝杆连接，丝杆通过螺母与滑块相连，滑块活动设置于丝杆上。
所述的摆头组件为单摆头或双摆头结构，其中：单摆头结构通过摆动轴线平行于框架的摆动关节实现；双摆头结构包括：垂直于动平台的第一摆动关节以产生Z轴方向的转动自由度以及与之垂直相连且沿X轴或Y轴方向的第二摆动关节。
所述的直线驱动组件和摆头组件组成串联部分，并分别提供一个移动自由度和一个(或两个)转动自由度，三自由度并联构件总成提供两个移动自由度和一个转动自由度。
所述的作业主轴采用电机驱动的刀具。
所述的三自由度并联机构采用但不限于滑动设置于底座上。
技术效果
与现有技术相比，本发明采用新型五自由度混联机构，结构简单，安装维护方便，易实现模块化；采用三自由度并联机构，增强整机系统在加工过程中的刚度、响应速度以及加工精度；串并混联的结构增加了系统的工作空间，特别是姿态工作空间。这种混联结构的加工设备能够更好的满足大型复杂构件的高精度加工需求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的基座部分；
图3为发明的并联模块部分
图4为本发明的支链机构的结构示意图；
图中：Y轴直线驱动组件1、Y轴运动驱动电机2、并联模块框架3、三自由度并联机构4、并联机构动平台5、丝杆6、摆头组件7、作业主轴8、底座9、滑块10、支链驱动电机11、联轴器12、支链第一转动轴13、支链滑块14、导轨15、丝杠16、支链基座17、支链第二转动轴18、支链机构19、第一摆动关节20、导轨21、第一摆动关节驱动电机22、第二摆动关节驱动电机23。
具体实施方式
如图1～3所示，本实施例包括：滑动设置的三自由度并联机构4以及与之相连的带有作业主轴8的摆头组件7，该三自由度并联机构4包括：动平台5、框架3以及设置于其间的三组并联设置的支链机构19，其中：每个支链机构19的两端通过支链第一转动轴13和第二转动轴18分别于与动平台5和框架3转动连接，且三组支链机构19呈非对称方式布置，即按左、中、右布置的三个支链机构左右非对称。
所述的滑动设置通过与框架3两端分别相连的两组直线驱动组件1实现，该直线驱动组件1设置于底座9上。
如图3所示，所述的支链机构19包括：基座17、导轨杆15、支链驱动电机11和支链滑块14，其中：基座17与导轨15固定相连，支链滑块14活动设置于导轨15上，支链滑块14的运动通过丝杆16进行驱动，丝杆16的运动有支链驱动电机11驱动实现。
如图1和2所示，所述的非对称方式布置是指：位于两侧的支链机构19左右对称设置，位于中间的支链机构19与两侧中的任一支链机构19方向相同，三组支链机构19的延长线不交于一点。
进一步地，所述的支链机构19分别通过第一转动轴18和第二转动轴16与框架3和动平台5转动连接，位于中间的支链机构19与框架3相连的第一转动轴13不在框架3的左右对称轴上，且该支链机构19与动平台5相连的第二转动轴16也不在动平台5的对称轴上，从而避免机构奇异。
所述的直线驱动组件2包括：电机1、丝杆6和滑块10，其中：电机1与丝杆6连接，滑块10活动设置于丝杆6上。
所述的摆头组件7为双摆头结构，其中：第一摆动关节20通过驱动电机22实现转动轴线垂直于并联机构动平台5的摆动运动，第二摆动关节通过驱动电机23实现转动，转动轴线与第一摆动关节轴线垂直。
所述的直线驱动组件1和摆头组件7组成串联部分，并分别提供一个移动自由度和一个转动自由度，三自由度并联机构4提供两个移动自由度和一个转动自由度。
所述的作业主轴8安装但不限于刀具。
所述的支链机构驱动电机11与丝杠通过联轴器12固定连接。
上述装置通过以下方式工作：串联部分，提供一个移动自由度，即由直线驱动组件2提供Y轴方向上的移动，以及一个转动自由度，即由摆头组件7提供。三自由度并联机构4提供两个移动自由度和一个转动自由度，其中每个支链机构19依次包括：转动关节、移动关节和转动关节。这三个运动关节分别对应：第一转动轴13与框架3配合实现转动；导轨15与支链滑块14配合实现支链滑块14相对于基座17的移动；第二转动轴18与动平台5配合实现转动。通过每个支链机构19上滑块13沿导轨15的运动，形成第一转动轴13到动平台5三个不同长短的组合，从而实现三自由度并联机构4的动平台5相对于框架3在X和Z轴上的移动自由度，以及Y轴上的转动自由度。
本发明并联机构部分采用了三组完全相同的支链结构，容易实现模块化，易于维护，且由于由三个支链共同承担Z轴方向和Y轴方向的负载，刚度性能更好。并联机构模块整体通过Y轴移动驱动组件实现Y轴方向移动，可实现Y轴方向大范围的移动，适合大型工件的加工。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (7)
1.一种用于工件加工的五自由度混联机器人，其特征在于，包括：相对于底座移动的三自由度并联机构以及与之相连的带有作业主轴的摆头组件，该三自由度并联机构包括：动平台、框架以及设置于其间的三组并联设置的支链机构，其中：支链机构的两端分别与动平台和框架转动连接且三组支链机构呈左右非对称方式布置；
所述的相对于底座移动的运动通过与安装于底座上平面的两组直线驱动组件实现；
所述的支链机构包括：基座、导轨、支链电机和支链滑块，其中：两个平行导轨固定于支链基座，支链滑块与导轨可沿导轨方向相对滑动，支链滑块，支链滑块活动设置于导轨杆上；
所述的非对称方式布置是指：位于两侧的支链机构相向设置，位于中间的支链机构与两侧中的任一支链机构方向相同，三组支链机构的延长线不交于一点。
2.根据权利要求1所述的用于工件加工的五自由度混联机器人，其特征是，所述的支链机构分别通过第一转动轴和第二转动轴与动平台和框架转动连接，位于中间的支链机构与框架相连的第一转动轴不在框架的对称轴上且该支链机构与动平台相连的第二转动轴也不在动平台的对称轴上，从而避免机构奇异。
3.根据权利要求1所述的用于工件加工的五自由度混联机器人，其特征是，所述的直线驱动组件采用电机驱动的丝杆滑块组，其中：电机与丝杆连接，滑块活动设置于丝杆上。
4.根据权利要求3所述的用于工件加工的五自由度混联机器人，其特征是，所述的摆头组件为单摆头或双摆头结构，其中：单摆头结构通过摆动轴线平行于框架的摆动关节实现；双摆头结构包括：垂直于动平台的第一摆动关节以产生Z轴方向的转动自由度以及与之垂直相连且沿X/Y轴方向的第二摆动关节。
5.根据权利要求3所述的用于工件加工的五自由度混联机器人，其特征是，所述的直线驱动组件和摆头组件组成串联部分，并分别提供一个移动自由度和一个转动自由度，三自由度并联机构提供两个移动自由度和一个转动自由度。
6.根据权利要求1所述的用于工件加工的五自由度混联机器人，其特征是，所述的作业主轴为带有电机驱动的刀具。
7.根据权利要求1所述的用于工件加工的五自由度混联机器人，其特征是，所述的基座的两侧设有联轴器。
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