專利名稱：一種激光加工機器人機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及機器人技術領域，具體地說是一種三分支五自由度混聯的激光加工機器人機構。
背景技術：
在現有的激光加工機器人中，主要有串聯和并聯兩種形式。串聯激光加工機器人具有單個分支，可以實現各種自由度。串聯的機器人結構構型簡單，并且正解唯一，工作空間大，應用比較廣泛。但其結構關節多，對誤差累積會產生放大作用，反解復雜不唯一。并聯激光加工機器人具有多個分支，也可以實現各種自由度。與串聯機器人相比，并聯機器人具有剛性好、精度高、承載能力大、速度快、位置精度高、結構緊湊及慣性小等優點。其中少自由度新型并聯機構的開發是先進制造裝備技術研究的前沿和執點，但其結構構型相對復雜，反解容易而正解困難，工作空間小，使并聯機器人在應用過程中受到一定的限制。
目前，在激光加工過程中，為了達到較高的加工精度和對復雜異型曲面進行加工，需要對激光加工頭進行空間位姿調整。現有技術多釆用懸臂式或者龍門式等調節機構來調節激光頭的空間位姿，無法實
現多自由度(自由度大于3)的精確加工，加工勞動強度大，機構靈活性差。

發明內容
本發明的目的在于提供一種三分支五自由度混聯的激光加工機器人機構，不僅可以實現多自由度精確空間激光加工，而且控制算法簡單，易于實現。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的
本發明由三個并聯的分支與兩個串聯的轉動副連接構成；其中第
二分支的一端通過第二虎克鉸與靜平臺相連接，另一端連接有串聯的
第一、二轉動副，第二轉動副的輸出端設有激光頭；第一分支的一端通過第一虎克鉸與靜平臺相連接，另一端通過第一球鉸與第二分支相連；第三分支的一端通過第三虎克鉸與靜平臺相連接，另一端通過第二球鉸與第二分支相連；第一、二球鉸的中心在第二分支的軸線上。其中所述第一分支由第一電機、滑塊、絲杠及底座組成，與電
4機輸出軸連接的絲杠安裝于底座上，底座通過第一球副與第二分支相連；與第一虎克鉸固接的滑塊套設在絲杠上，通過滑塊與絲杠之間的
螺旋副變成滑塊與底座之間的第一移動副；第三分支與第一分支結構
相同，由第一電機、滑塊、絲杠、底座及轉軸組成，與第一電機輸出
軸連接的絲杠安裝于底座上，底座通過第二球副與第二分支相連；與第三虎克鉸固接的滑塊套設在絲杠上，通過滑塊與絲杠之間的螺旋副變成滑塊與底座之間的第三移動副；第二分支由滑塊、絲杠、底座及第二、三、四電機組成，與第二電機輸出軸連接的絲杠安裝于底座上，與第二虎克鉸固接的滑塊套設在絲杠上，通過滑塊與絲杠之間的螺旋副變成滑塊與底座之間的第二移動副；底座的下端設有第三電機，第三電機的輸出軸穿過第一、二球副、設有軸套，第四電機的輸出軸與軸套配合連接、末端安裝有激光頭；三個分支上的底座上設有導軌，各分支的滑塊容置于導軌內；所述靜平臺可為等腰三角形或等邊三角形；第一分支具有六個自由度，分別為第一虎克鉸具有兩個自由度、第一球副具有三個自由度及第一移動副具有一個自由度；第二分支具有五個自由度，分別為第二虎克鉸具有兩個自由度、第二移動副具有一個自由度及第一、二轉動副分別具有一個自由度；第三分支具有六個自由度，分別為第三虎克鉸具有兩個自由度、第二球副具有三個自由度及第三移動副具有一個自由度。本發明的優點與積極效果為
1. 本發明的激光加工機器人將三分支三自由度的并聯與二自由度的串聯機構綜合，不僅可以實現多自由度精確空間激光加工，而且控制算法簡單，易于實現。
2. 并聯機構取消了動平臺，第一、三兩個分支最終交匯到第二分支的軸線上，使得并聯機構在控制算法上得以簡化，易于求解；同時消除了動平臺的影響，提高了機構的負載能力。
3. 本發明充分結合了并、串聯兩種結構形式的特點，具有精度高，剛性好，工作空間大，靈活性好、應用范圍廣等優點，可以對各種復雜曲面進行加工。


圖l為本發明機構簡圖2為本發明中并聯機構簡圖3為本發明中第一 (三)分支的結構示意圖4為本發明中第二分支的結構示意其中l為第一電機，2為導軌，3為滑塊，4為絲杠，5為底座，6為第二電機，7為第三電機，8為第四電機，9為軸套，IO為激光頭，Bl為第一虎克鉸，0為第二虎克鉸，B2為第三虎克鉸，Ll為第一分支，L2為第二分支，L3為第三分支，Pl為第一移動副，P2為第二移動副，P3為第三移動副，Rl為第一轉動副，R2為第二轉動副，Sl為第一球鉸，S2為第二球鉸，T為靜平臺。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳述。
如圖l所示，本發明由三個并聯的分支與兩個串聯的轉動副連接構成。其中第二分支L2的一端通過第二虎克鉸0與靜平臺T相連接，另一端依次連接有串聯的第一、二轉動副R1、 R2,第二轉動副R2的輸出端設有激光頭10。第一分支Ll的一端通過第一虎克鉸Bl與靜平臺T相連接，另一端通過第一球鉸S1與第二分支L2相連。第三分支L3的一端通過第三虎克鉸B2與靜平臺T相連接，另 一端通過第二球鉸S2與第二分支L2相連。第一、二球鉸S1、 S2的中心在第二分支L2的軸線上。靜平臺T可為三角形，當靜平臺為等腰三角形或等邊三角形時，控制算法更加簡單、精確，更易于實現。
如圖2所示，三分支三自由度的并聯結構是本發明的實施基礎，
與現有激光加工機器人的并聯機構相比，本發明消除了動平臺，即第一、三分支L1、 L3最終交匯到第二分支L2的軸線上，使得本發明三
分支三自由度的并聯結構在控制算法上得以簡化，易于求解。同時消除了動平臺的影響，提高了機構的負載能力。
如圖3所示，第一分支L1由第一電機l、滑塊3、絲杠4及底座5組成，與第一電機1輸出軸連接的絲杠4安裝于底座5上，底座5通過第一球副Sl與第二分支L2相連。與第一虎克鉸B1固接的滑塊3套設在絲杠4上，底座5上設有導軌2，滑塊3容置于導軌2內，通過滑塊3與絲杠4之間的螺旋副變成滑塊3與底座5之間的第一移動副Pl,實現第一分支Ll的伸縮直線運動。第一分支Ll具有六個自由度，分別為第一虎克鉸B1具有兩個自由度、第一球副S1具有三個自由度及第一移動副Pl具有一個自由度。第三分支L3與第一分支Ll結構相同，底座5通過第二球副S2與第二分支L2相連。與第三虎克鉸B2固接的滑塊3套設在絲杠4上，底座5上設有導軌2，滑塊3容置于導軌2內，通過滑塊3與絲杠4之間的螺旋副變成滑塊3與底座5之間的第三移動副P3，實現第三分支L3的伸縮直線運動。第三分支L3具有六個自由度，分別為第三虎克鉸I^具有兩個自由度、第二球副S2具有三個自由度及第三移動副P3具有一個自由度。
如圖4所示，第二分支L2由滑塊3、絲杠4、底座5及第二、三、四電機6、 7、 8組成，與第二電機6輸出軸連接的絲杠4安裝于底座5上，與第二虎克鉸0固接的滑塊3套設在絲杠4上，底座5上設有導軌2,滑塊3容置于導軌2內，通過滑塊3與絲杠4之間的螺旋副變成滑塊3與底座5之間的第二移動副P2。底座5的下端設有第三電機7,第三電機7的輸出軸穿過第一、二球副Sl、 S2、設有軸套9，第四電機8的輸出軸與軸套9配合連接、末端安裝有激光頭10。第二分支L2具有五個自由度，分別為第二虎克鉸0具有兩個自由度、第二移動副P2具有一個自由度及第一、二轉動副Rl、 R2分別具有一個自由度。
本發明的工作原理為
靜平臺T上呈正三角形分布第一、二、三虎克鉸B1、 0、 B3,各個虎克鉸均可實現二維轉動。機器人的第一分支Ll中第一電機1將動力輸出，帶動絲杠4旋轉，絲杠4與滑塊3構成螺旋副，滑塊3固定到第一虎克鉸Bl上，絲杠4連同底座5相對第一虎克鉸Bl進行直線運動，底座5末端連接第一球副Sl與第二分支L2相連接，使第一分支Ll對第二分支L2的運動不產生約東作用。第二分支L2中的第二電機6帶動絲杠4旋轉，滑塊3與第二虎克鉸0固連，絲杠4連同底座5相對滑塊3做直線運動。第三分支L3傳動形式與第一分支Ll相同。三個分支構成并聯部分，可實現三個自由度運動。第二分支L2的底座5連接第三電機7，第三電機7穿過第一分支Ll和第三分支L3的球副中心，將動力輸出給軸套9，帶動軸套9實現回轉運動，第四電機8的輸出軸套設在軸套9內，并將動力輸出，帶動末端激光頭10旋轉，構成串聯部分二維旋轉運動，最終實現激光頭10的五自由度運動。
本發明可做模塊化處理，可用于懸臂式或龍門式等結構形式下的機械手單元，靈活性較好。
權利要求
1. 一種激光加工機器人機構，其特征在于由三個并聯的分支與兩個串聯的轉動副連接構成；其中第二分支(L2)的一端通過第二虎克鉸(0)與靜平臺(T)相連接，另一端連接有串聯的第一、二轉動副(R1、R2)，第二轉動副(R2)的輸出端設有激光頭(10)；第一分支(L1)的一端通過第一虎克鉸(B1)與靜平臺(T)相連接，另一端通過第一球鉸(S1)與第二分支(L2)相連；第三分支(L3)的一端通過第三虎克鉸(B2)與靜平臺(T)相連接，另一端通過第二球鉸(S2)與第二分支(L2)相連；第一、二球鉸(S1、S2)的中心在第二分支(L2)的軸線上。
2. 按權利要求1所述的激光加工機器人機構，其特征在于所 述第一分支(Ll)由第一電機(1)、滑塊(3)、絲杠(4)及底座(5) 組成，與電機(1)輸出軸連接的絲杠(4)安裝于底座(5)上，底 座(5)通過第一球副(Sl)與第二分支(L2)相連；與第一虎克鉸(Bl)固接的滑塊(3)套設在絲杠(4)上，通過滑塊(3)與絲杠 (4 )之間的螺旋副變成滑塊(3 )與底座(5 )之間的第 一 移動副(P1)。
3. 按權利要求1所述的激光加工機器人機構，其特征在于所 述第三分支(L3)與第一分支(Ll)結構相同，由第一電機(1)、滑 塊(3)、絲杠(4)、底座(5)及轉軸(6)組成，與第一電機(1) 輸出軸連接的絲杠(4)安裝于底座(5)上，底座(5)通過第二球 副(S2)與第二分支(U)相連；與第三虎克鉸(B2)固接的滑塊(3) 套設在絲杠(4)上，通過滑塊(3)與絲杠(4)之間的螺旋副變成 滑塊(3)與底座(5)之間的第三移動副(P3)。
4. 按權利要求1所述的激光加工機器人機構，其特征在于所 述第二分支(L2)由滑塊(3)、絲杠(4)、底座(5)及第二、三、 四電機(6、 7、 8)組成，與第二電機(6)輸出軸連接的絲杠(4) 安裝于底座(5)上，與第二虎克鉸(0)固接的滑塊(3)套設在絲 杠(4)上，通過滑塊(3)與絲杠(4)之間的螺旋副變成滑塊(3) 與底座(5)之間的第二移動副(P2);底座(5)的下端設有第三電 機(7)，第三電機(7)的輸出軸穿過第一、二球副(Sl、 'S2)、設有 軸套(9)，第四電機(8)的輸出軸與軸套(9)配合連接、末端安裝 有激光頭(10)。
5. 按權利要求2、 3或4所述的激光加工機器人機構，其特征在 于所述三個分支上的底座(5 )上設有導軌(2 )，各分支的滑塊(3 )容置于導軌(2)內。
6. 按權利要求1所述的激光加工機器人機構，其特征在于所 述靜平臺(T)可為等腰三角形或等邊三角形。
7. 按權利要求1所述的激光加工機器人機構，其特征在于所 述第一分支(Ll)具有六個自由度，分別為第一虎克鉸(Bl)具有兩 個自由度、第一球副(Sl)具有三個自由度及第一移動副(Pl)具有 一個自由度。
8. 按權利要求1所述的激光加工機器人機構，其特征在于所 述第二分支(L2)具有五個自由度，分別為第二虎克鉸(0)具有兩 個自由度、第二移動副(P2)具有一個自由度及第一、二轉動副(Rl、 R2)分別具有一個自由度。
9. 按權利要求1所述的激光加工機器人機構，其特征在于所 述第三分支(L3)具有六個自由度，分別為第三虎克鉸(B2)具有兩 個自由度、第二球副(S2)具有三個自由度及第三移動副(P3)具有 一個自由度。
全文摘要
本發明涉及機器人技術領域，具體地說是一種三分支五自由度混聯的激光加工機器人機構，由三個并聯的分支與兩個串聯的轉動副連接構成；其中第二分支的一端通過第二虎克鉸與靜平臺相連接，另一端連接有串聯的第一、二轉動副，第二轉動副的輸出端設有激光頭；第一分支的一端通過第一虎克鉸與靜平臺相連接，另一端通過第一球鉸與第二分支相連；第三分支的一端通過第三虎克鉸與靜平臺相連接，另一端通過第二球鉸與第二分支相連；第一、二球鉸的中心在第二分支的軸線上。本發明充分結合了并、串聯兩種結構形式的特點，具有精度高，剛性好，工作空間大，靈活性好、應用范圍廣等優點，可以對各種復雜曲面進行加工。
文檔編號B25J9/16GK101497193SQ20081001035
公開日2009年8月5日 申請日期2008年2月3日 優先權日2008年2月3日
發明者強 吳, 姜春英, 元 孫, 昌成剛, 羅振軍, 趙明揚 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所