專利名稱：一種具有單自由度鉸鏈的三自由度并聯主軸頭的制作方法
技術領域：
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本發明屬于數控機床技術領域，特別涉及一種具有單自由度鉸鏈的模塊化三自由度并聯主軸頭。
背景技術：
并聯機構是由多個支鏈構成的閉環機構，其自由度數最多為六，而自由度數少于六的并聯機構被稱為少自由度并聯機構，三自由度并聯機構則是其中最重要的一類。近年來，少自由度并聯機構尤其是其中的二自由度并聯機構越來越受:到研究者的重視和青睞。一些三自由度并聯機構已經在工業中得到了成功應用，如德國DS Technologie公司采用3-PRS三自由度并聯機構研制了 Sprint Z3并聯主軸頭。該主軸頭作為EC0SPEED系列數控加工中心的一個模塊，具有一個移動和兩個轉動自由度，實現了傳統的A/B關節擺頭(繞機床的X軸回轉的坐標軸為A軸，繞機床的Y軸回轉的坐標軸為B軸，一般把能夠繞X軸和Y軸轉動的主軸頭稱為A/B關節擺頭)的功能。該類機構具有較靈活的轉動能力，并具有運動學簡單的特點。在加工制造領域，鉸鏈關節的精度和剛度已經成為影響機床整機性能的最主要因素之一，而在實際應用中復合鉸鏈(如球鉸及虎克鉸等)的剛度和精度難以保證且成本高。相比之下，具有單一自由度形式的鉸鏈(如移動副和轉動副)加工制造容易、成本低，且容易保證較高的精度和剛度。因此，從原理構型上減少鉸鏈數量、簡化復合鉸鏈是提高機床整機綜合性能的行之有效的根本性措施。

發明內容
本發明的目的是為了滿足典型復雜自由曲面零部件對現代加工設備的高靈活度需求，并克服現有加工設備中所采用復合鉸鏈的精度和剛度難以保證的問題，提出具有單自由度鉸鏈的三自由度并聯主軸頭。本發明的三自由度并聯主軸頭具有鉸鏈數量少且僅采用移動副和轉動副，轉動能力高，能夠實現A/B關節擺頭的功能，具有較高的轉動能力的優點。本發明提出的一種具有單自由度鉸鏈的三自由度并聯主軸頭，包括一個安裝執行器的動平臺和定平臺，連接所述動平臺和定平臺之間的具有相同結構的第一、第二支鏈，以及連接所述動平臺和定平臺之間的與第一、第二支鏈結構不同的第三支鏈，該第一、第二、第三支鏈均含有一個主動驅動的運動副；其特征在于所述第一、第二、第三支鏈中的鉸鏈均采用移動副或者轉動副這種具有單一自由度形式的鉸鏈組合而成；所述第一、第二支鏈在同一平面內，所述第三支鏈的主動驅動輸入方向與連接于滑塊和連接件之間隨動轉動副的旋轉軸線所構成的平面垂直于第一、第二支鏈所在平面；所述動平臺的移動方向為主動驅動的輸入方向，一個轉動自由度的旋轉軸線在第一、第二支鏈所在平面內且與第一、第二支鏈中連接動平臺的兩個隨動轉動副的旋轉軸線重合，另一個轉動自由度的旋轉軸線與所述第三支鏈連接于滑塊和連接件之間隨動轉動副的旋轉軸線重合；所述第一、第二和第三支鏈分別與定平臺以及動平臺連接形成一個空間并聯閉環機構，該空間并聯閉環機構通過三個輸入運動驅動動平臺運動，實現一個移動自由度和兩個轉動自由度。本發明的特點及技術效果本發明的主軸頭機構通過三個主動驅動的移動副驅動動平臺運動，實現一個移動自由度和兩個轉動自由度，具有較高的靈活性，實現了 A/B關節擺頭功能的同時具有較高的轉動能力，這是該機構的一個優點；鑒于單一自由度形式鉸鏈加工制造相對容易、成本低且更容易保證剛度和加工精度，本發明采用單一自由度形式鉸鏈構建運動學支鏈并建立原理構型，從根本上降低了基于該機構的機床設備的加工制造成本及難度，有利于機床設備的精度和剛度的進一步提聞。、該主軸頭機構具有以下優點(1)具有高靈活特性；(2)更容易保證精度和剛度；
(3)配合其它裝置可實現對復雜自由曲面類零件的多軸聯動數控加工。


圖I為本發明實施例的結構示意圖。
具體實施例方式本發明的一種具有單自由度鉸鏈的三自由度并聯主軸頭結合附圖及實施例詳細說明如下本發明提出的一種具有單自由度鉸鏈的三自由度并聯主軸頭，包括一個安裝執行器的動平臺和定平臺，連接所述動平臺和定平臺之間的三個支鏈，該第一、第二、第三支鏈均含有一個主動驅動的運動副；其特征在于，所述第一、第二、第三支鏈中的鉸鏈均采用具有單一自由度形式的移動副或者轉動副；所述第一、第二支鏈在同一平面內，所述第三支鏈的主動驅動輸入方向與連接于滑塊和連接件之間隨動轉動副的旋轉軸線所構成的平面垂直于第一、第二支鏈所在平面；所述動平臺的移動方向為主動驅動的輸入方向，一個轉動自由度的旋轉軸線在第一、第二支鏈所在平面內且與第一、第二支鏈中連接動平臺的兩個隨動轉動副的旋轉軸線重合，另一個轉動自由度的旋轉軸線與所述第三支鏈連接于滑塊和連接件之間隨動轉動副的旋轉軸線重合；所述第一、第二和第三支鏈分別與定平臺以及動平臺連接形成一個空間并聯閉環機構，該空間并聯閉環機構通過三個輸入運動驅動動平臺運動，實現一個移動自由度和兩個轉動自由度。本發明的并聯主軸頭，第一、第二和第三支鏈均為PRRR型運動支鏈。其中，P代表移動副，R代表轉動副，且移動副P是主動驅動運動副。具體說明如下第一、第二支鏈包括滑塊、連桿、連接件以及運動副。所述運動副有四個，一個是連接于定平臺和滑塊之間的移動副P，一個是連接于滑塊和連桿之間的轉動副R，一個是連接于連桿和連接件之間的轉動副R，另一個是連接于連接件和動平臺之間的轉動副R。其中，連接于定平臺和滑塊之間的移動副P是主動驅動的，連接于滑塊和連桿之間的轉動副R和連接于連桿和連接件之間的轉動副R相互平行，連接于連桿和連接件之間的轉動副R和連接于連接件和動平臺之間的轉動副R相互垂直，該支鏈為PRRR型運動支鏈。第三支鏈包括滑塊、連接件、連桿以及運動副。所述運動副有四個，一個是連接于定平臺和滑塊之間的移動副P，一個是連接于滑塊和連接件之間的轉動副R、一個是連接于連接件和連桿之間的轉動副R，另一個是連接于連桿和動平臺之間的轉動副R。其中，連接于定平臺和滑塊之間的移動副P是主動驅動的，連接于連桿與動平臺之間的轉動副R與連接于連接件與連桿之間的轉動副R相互平行，該支鏈為PPRR型運動支鏈。第三支鏈中連接于連接件與連桿之間的轉動副R與第一、第二支鏈中連接于動平臺與連接件之間的兩個轉動副R相互平行；第三支鏈中連接于滑塊與連接件之間的轉動副R與第一、第二支鏈中連接于連桿與連接件之間的兩個轉動副R相互平行。實施例本實施例的一種具有單自由度鉸鏈的三自由度并聯主軸頭的結構如圖I所示，包括定平臺13、定平臺19、定平臺110、動平臺15以及第一、第二、第三支鏈，所述三條支鏈分別連接于定平臺13、定平臺19、定平臺110和動平臺15之間，并與定平臺13、、定平臺19、定平臺110和動平臺15構成空間閉環機構。所述第一支鏈為PRRR型運動支鏈，包括滑塊111、連桿112、連接件113以及運動畐O。所述運動副有四個，一個是連接于定平臺110和滑塊111之間的移動副P，一個是連接于滑塊111和連桿112之間的轉動副R，一個是連接于連桿112和連接件113之間的轉動副R，另一個是連接于連接件113和動平臺15之間的轉動副R。其中，連接于定平臺110和滑塊111之間的移動副P是主動驅動的，連接于滑塊111和連桿112之間的轉動副R和連接于連桿112和連接件113之間的轉動副R相互平行，連接于連桿112和連接件113之間的轉動副R和連接于連接件113和動平臺15之間的轉動副R相互垂直。所述第二支鏈為PRRR型運動支鏈，包括滑塊11、連桿12、連接件14以及運動副。所述運動副有四個，一個是連接于定平臺13和滑塊11之間的移動副P，一個是連接于滑塊11和連桿12之間的轉動副R，一個是連接于連桿12和連接件14之間的轉動副R，另一個是連接于連接件14和動平臺15之間的轉動副R。其中，連接于定平臺13和滑塊11之間的移動副P是主動驅動的，連接于滑塊11和連桿12之間的轉動副R和連接于連桿12和連接件14之間的轉動副R相互平行，連接于連桿12和連接件14之間的轉動副R和連接于連接件14和動平臺15之間的轉動副R相互垂直。所述第三支鏈為PRRR型運動支鏈，包括滑塊18、連接件17、連桿16以及運動副。所述運動副有四個，一個是連接于定平臺19和滑塊18之間的移動副P，一個是連接于滑塊18和連接件17之間的轉動副R、一個是連接于連接件17和連桿16之間的轉動副R，另一個是連接于連桿16和動平臺15之間的轉動副R。其中，連接于定平臺15和滑塊18之間的移動副P是主動驅動的，連接于連桿16與動平臺15之間的轉動副R與連接于連接件17與連桿16之間的轉動副R相互平行，該支鏈為PRRR型運動支鏈。第三支鏈中連接于連接件17與連桿16之間的轉動副R與第一、第二支鏈中連接于動平臺15與連接件14、連接件113之間的兩個轉動副R相互平行；第三支鏈中連接于滑塊18與連接件17之間的轉動副R與第一、第二支鏈中連接于連桿12、連桿112與連接件14、連接件113之間的兩個轉動副R相互平行。所述第一、第二和第三支鏈分別與定平臺110、定平臺13、定平臺19、以及動平臺15連接形成一個空間并聯閉環機構，該空間并聯閉環機構通過定平臺110與滑塊111、定平臺13與滑塊11、定平臺19與滑塊18之間的三個主動驅動移動副驅動動平臺15運動，實現一個移動自由度和兩個轉動自由度。
權利要求
1.一種具有單自由度鉸鏈的三自由度并聯主軸頭，包括一個安裝執行器的動平臺和定平臺，連接所述動平臺和定平臺之間的三個支鏈，該第一、第二、第三支鏈均含有一個主動驅動的運動副；其特征在于，所述第一、第二、第三支鏈中的鉸鏈均采用具有單一自由度形式的移動副或者轉動副；所述第一、第二支鏈結構相同，均包括滑塊、連桿、連接件以及運動副，所述運動副有四個，一個是連接于定平臺和滑塊之間的移動副(P)，一個是連接于滑塊和連桿之間的轉動副(R)，一個是連接于連桿和連接件之間的轉動副(R)，另一個是連接于連接件和動平臺之間的轉動副(R)，其中，連接于定平臺和滑塊之間的移動副(P)是主動驅動的，連接于滑塊和連桿之間的轉動副(R)和連接于連桿和連接件之間的轉動副(R)相互平行，連接于連桿和連接件之間的轉動副(R)和連接于連接件和動平臺之間的轉動副(R)相互垂直，該支鏈為PRRR型運動支鏈；所述第三支鏈包括滑塊、連接件、連桿以及運動副，所述運動副有四個，一個是連接于定平臺和滑塊之間的一個移動副(P)，一個是連接于滑塊和連接件之間的轉動副(R)、一個是連接于連接件和連桿之間的轉動副(R)，另一個是連接于連桿和動平臺之間的轉動副(R)，其中，連接于定平臺和滑塊之間的移動副(P)是主動驅動的，連接于連桿與動平臺之間的轉動副(R)與連接于連接件與連桿之間的轉動副(R)相互平行，該支鏈為PRRR型運動支鏈；所述第一、第二支鏈在同一平面內，所述第三支鏈的主動驅動輸入方向與第三支鏈中連接于滑塊和連接件之間隨動轉動副的旋轉軸線所構成的平面垂直于第一、第二支鏈所在平面；所述第三支鏈中連接于連接件與連桿之間的轉動副(R)與第一、第二支鏈中連接于動平臺與連接件之間的兩個轉動副(R)相互平行；所述第三支鏈中連接于滑塊與連接件之間的轉動副(R)與第一、第二支鏈中連接于連桿與連接件之間的兩個轉動副(R)相互平行；所述動平臺的移動方向為主動驅動的輸入方向，動平臺的一個轉動自由度的旋轉軸線在第一、第二支鏈所在平面內且與第一、第二支鏈中連接動平臺的兩個隨動轉動副的旋轉軸線重合，動平臺的另一個轉動自由度的旋轉軸線與所述第三支鏈中連接于滑塊和連接件之間隨動轉動副的旋轉軸線重合；所述第一、第二和第三支鏈分別與定平臺以及動平臺連接形成一個空間并聯閉環機構，該空間并聯閉環機構通過三個輸入驅動動平臺運動，實現一個移動自由度和兩個轉動自由度。
全文摘要
本發明涉及一種具有單自由度鉸鏈的三自由度并聯主軸頭，屬于數控機床技術領域。包括一個安裝執行器的動平臺和定平臺，連接所述動平臺和定平臺之間的具有相同結構的第一、第二支鏈，以及連接所述動平臺和定平臺之間的與第一、第二支鏈結構不同的第三支鏈，該第一、第二、第三支鏈均含有一個主動驅動的運動副；所述第一、第二、第三支鏈中的鉸鏈均采用移動副或者轉動副這種具有單一自由度形式的鉸鏈組合而成；所述第一、第二和第三支鏈分別與定平臺以及動平臺連接形成一個空間并聯閉環機構，該空間并聯閉環機構通過三個輸入運動驅動動平臺運動，實現一個移動自由度和兩個轉動自由度。該主軸頭具有高靈活特性，且更容易保證精度和剛度。
文檔編號B23Q1/48GK102626870SQ20121013560
公開日2012年8月8日 申請日期2012年5月3日 優先權日2012年5月3日
發明者劉辛軍, 汪勁松, 謝福貴 申請人:清華大學