一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人

1.本发明属于加工机器人技术领域，具体涉及一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人。

背景技术：

2.目前，加工机器人在制造业发挥着重要作用，特别在重大先进装备及核心部件、高性能材料以及高技术制造工艺等方面，并联机器人有着举足轻重的地位。伴随着国家重大工程的开展，高端装备产业对其核心零部件的效率和质量的要求更高，为满足高端装备核心零部件高刚度和大工作空间的加工，设计一款具有五轴联动加工能力的机器人是一种有效解决途径。
3.目前，部分五自由度加工机器人存在刚度大但工作空间小的问题，如中国专利cn113319827a公开了五自由度并联加工机器人结构，虽然其刚度优势明显，但由于机构布置形式的特点，限制其末端执行机构的摆动范围，难以满足大型结构件的高效加工。
4.为解决上述五自由度并联加工机器人存在的不足，更好地满足对大型复杂零部件的加工需求，亟需发明一种同时具有高刚度、大工作空间的五自由度并联加工机器人，并提出面向重大高端装备高效高质量加工的解决方案。

技术实现要素：

5.本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人。
6.本发明的技术方案是：一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人，并联加工机器人包括作为支撑基础的静平台、作为位姿调节的动平台，所述动平台中设置有完成执行动作的加工输出单元，所述静平台、动平台之间设置有无约束支链组，所述静平台、动平台之间还设置有进行约束的约束支链，所述约束支链的一端与静平台通过第四移动副相连，所述第四移动副在无约束支链组之间或无约束支链组的延长线间移动。
7.更进一步的，所述无约束支链组中的无约束支链与静平台通过第一移动副相连，无约束支链的另一端与动平台通过活动关节相连。
8.更进一步的，所述无约束支链组包括第一支链、第二支链，所述第一支链、第二支链在静平台对称面的两侧对称布设。
9.更进一步的，所述静平台中形成安装斜面，所述第一支链、第二支链设置在安装斜面上，且第一支链、第二支链中两个第一移动副的延长线平行或相交。
10.更进一步的，所述约束支链的移动基础设置在静平台上，约束支链的移动单元沿移动基础线性移动，所述移动单元上设置有第二转动副。
11.更进一步的，所述第二转动副的一端与第三移动副相连，所述第三移动副伸缩移动。
12.更进一步的，所述第三移动副的一端与动平台通过活动关节相连。
13.更进一步的，所述第一移动副的移动基础设置在静平台的安装斜面上，第一移动副的移动单元沿其线性移动，第一移动副的移动单元上设置有第一转动副。
14.更进一步的，所述第一转动副的一端与第二移动副相连，所述第二移动副伸缩移动。
15.更进一步的，所述第二移动副的一端与动平台通过活动关节相连。
16.本发明的有益效果如下：本发明由三条支链构成，三条支链通过活动关节与动平台相连，三条支链通过移动副与静平台相连，通过对活动关节围成的三角形以及移动副上的铰接头围成的三角形进行比例约束，能够保证机器人的位置和转角刚度，本发明具有高刚度、大工作空间的结构优势，本发明能够实现对大型高端装备中核心零部件的高效加工。
附图说明
17.图1是本发明一种的结构示意图；图2是本发明中第一支链的结构示意图；图3是本发明中第三支链的结构示意图；图4是本发明中实施例二的结构示意图；图5是本发明中实施例三的结构示意图；其中：1静平台
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动平台3电主轴
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球铰5虎克铰l1 第一支链
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l2 第二支链l3 第三支链p1 第一移动副
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p2 第二移动副p3 第三移动副
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p4 第四移动副r1 第一转动副
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r2 第二转动副。
具体实施方式
18.以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：如图1~5所示，一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人，并联加工机器人包括作为支撑基础的静平台1、作为位姿调节的动平台2，所述动平台2中设置有完成执行动作的加工输出单元，所述静平台1、动平台2之间设置有无约束支链组，所述静平台1、动平台2之间还设置有进行约束的约束支链，所述约束支链的一端与静平台1通过第四移动副p4相连，所述第四移动副p4在无约束支链组之间或无约束支链组的延长线间移动。
19.所述无约束支链组中的无约束支链与静平台1通过第一移动副p1相连，无约束支链的另一端与动平台2通过活动关节相连。
20.所述无约束支链组包括第一支链l1、第二支链l2，所述第一支链l1、第二支链l2在静平台1对称面的两侧对称布设。
21.所述静平台1中形成安装斜面，所述第一支链l1、第二支链l2设置在安装斜面上，
且第一支链l1、第二支链l2中两个第一移动副p1的延长线平行或相交。
22.所述约束支链的移动基础设置在静平台1上，约束支链的移动单元沿移动基础线性移动，所述移动单元上设置有第二转动副r2。
23.所述第二转动副r2的一端与第三移动副p3相连，所述第三移动副p3伸缩移动。
24.所述第三移动副p3的一端与动平台2通过活动关节相连。
25.所述第一移动副p3的移动基础设置在静平台1的安装斜面上，第一移动副p1的移动单元沿其线性移动，第一移动副p1的移动单元上设置有第一转动副r1。
26.所述第一转动副r1的一端与第二移动副p2相连，所述第二移动副p2伸缩移动。
27.所述第二移动副p2的一端与动平台2通过活动关节相连。
28.具体的，无约束支链组和约束支链结合对动平台2进行位姿调节，动平台2为加工输出单元提供安装支撑，同时加工输出单元随着动平台2进行位姿调节，实现五自由度运动。
29.具体的，所述加工输出单元可以但不限于电主轴3，电主轴3位加工提供动力输出。
30.具体的，所述约束支链为第三支链l3，所述第一支链l1、第二支链l2和第三支链l3均为驱动支链，即第一支链l1和第二支链l2中的第一移动副p1、第二移动副p2由驱动件进行驱动。
31.第三支链l3中的第三移动副p3、第四移动副p4至少一个由驱动件进行驱动。
32.具体的，无约束支链组包括两条无约束支链，即第一支链l1、第二支链l2，第一支链l1、第二支链l2一端通过第一移动副p1与静平台1连接，第一支链l1、第二支链l2的另一端通过球铰4与动平台连接，所述第一移动副p1、第二移动副p2之间设置有第一转动副r1。
33.具体的，第三支链l3为约束支链，第三支链l3一端通过虎克铰5与动平台2连接，第三支链l3另一端通过第四移动副p4与动平台2连接，在虎克铰5与第二转动副r2之间设置第三移动副p3。
34.具体的，第一支链l1、第二支链l2的活动关节布置在动平台2的两侧，第一支链l1、第二支链l2中的第一移动副p1关于静平台的对称面对称布置，同时两个第一移动副p1之间相互平行或存在一定的夹角，第一支链l1、第二支链l2成三角形状。
35.具体的，第三支链l3的活动关节与第一支链l1、第二支链l2的活动关节成三角形状，所述第二转动副r2的铰接点与两个第一转动副的铰接点成三角形状。
36.更为具体的，上述两个三角形面积之比在一定的范围内。
37.实施例一如图1至图3所示，一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人，包括静平台1、动平台2、电主轴3、第一支链l1、第二支链l2和第三支链l3。
38.具体的，第一支链l1、第二支链l2和第三支链l3两端分别连接静平台1和动平台2，电主轴3固定安装在动平台2中央，共同构成了五自由度并联加工机器人。
39.具体的，第一支链l1和第二支链l2均包括第一移动副p1、第二移动副p2、球铰4和第一转动副r1。其中，第一转动副r1布置在第一移动副p1和第二移动副p2中间，第二移动副p2布置在球铰4和第一转动副r1中间。
40.具体的，第三支链l3包括第三移动副p3、第四移动副p4、虎克铰5和第二移动副r2。其中，第三移动副p3布置在虎克铰u1和第二移动副r2中间，第四移动副p4布置在第三移动
副p3和第二转动副r2的另一端。
41.具体的，三条支链中两条结构完全相同的无约束支链即第一支链l1和第二支链l2的一端通过第一移动副p1与静平台1连接，另一端通过球铰4与动平台2连接，第一移动副p1与第二移动副p2之间设置第一转动副r1，第一转动副r1与第二移动副p2的另一端设置球铰4；第三支链l3一端通过虎克铰5与静平台1连接，另一端通过第四移动副p4与动平台2连接。
42.具体的，第一支链l1和第二支链l2中的球铰4布置在动平台2两侧，第一支链l1和第二支链l2与静平台1连接的第一移动副p1关于静平台1的对称面对称布置，两个第一移动副p1之间存在一定夹角，且安装在静平台1上的平面倾斜布置。按照上述要求布置的两条支链成三角形状。第三支链l3的端虎克铰5与两个球铰4成三角形状。第二转动副r2的铰接点与两个第一转动副r1的铰接点成三角形状，上述两个三角形面积比为1:2至1:9。
43.具体的，第一支链l1和第二支链l2、第三支链l3可由电机或液压独立驱动，具体驱动结构此处不多赘述。
44.第一支链l1、第二支链l2包含的第一移动副p1通过电机独立驱动完成第一转动副r1和第一移动副p1铰接点平移运动，第二移动副p2通过电机或液压独立驱动完成伸缩运动，第二移动副p2两端连接的球铰4和第一转动副r1以及配合其完成动平台2预定位姿的关联运动。
45.不失一般性，第三支链l3包含的第三移动副p3通过电机独立驱动完成伸缩运动，第三移动副p3两端的虎克铰u1和第二转动副r2以及第四移动副p4配合其运动，从而满足动平台2的预定位姿，经过以上结合实现动平台2的五自由度运动。
46.实施例二如图4所示，本实施例中一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人，与实施例一的运动形式相同，各运动副、支链等组成形式完全相同。
47.不同之处在于：本实施例中的第三支链l3中第四移动副p4通过电机独立驱动完成第二转动副r2铰接点平移运动。
48.第三支链l3中的虎克铰u1、第二转动副r2、第三移动副p3配合其移动，从而满足动平台2的预定位姿，经过与第一支链l1、第二支链l2运动的组合，实现动平台2实现五自由度运动。
49.实施例3如图5所示，本实施例中一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人与实施例一的运动形式相同，各运动副、支链等组成形式完全相同。
50.不同之处在于：本实施例中第三支链l3包含的第三移动副p3、第四移动副p4均通过电机或液压缸独立驱动完成第二转动副r2铰接点平移运动以及第三移动副p3的伸缩运动。
51.在上述冗余驱动下，第三支链l3中虎克铰u1、第二转动副r2配合其移动，从而满足动平台2的预定位姿，经过与第一支链l1、第二支链l2运动的组合，实现动平台2实现五自由度运动。
52.以上描述了本发明的基本原理、主要特征和有益效果，也已经示出和扫描本发明的几种具体实施方式，在不脱离本发明的远离和宗旨的情况下，对这些实施进行的任何变化、修改、替换和变型，皆属于本发明的权利要求范围。

技术特征：

1.一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人，其特征在于：并联加工机器人包括作为支撑基础的静平台（1）、作为位姿调节的动平台（2），所述动平台（2）中设置有完成执行动作的加工输出单元，所述静平台（1）、动平台（2）之间设置有无约束支链组，所述静平台（1）、动平台（2）之间还设置有进行约束的约束支链，所述约束支链的一端与静平台（1）通过第四移动副相连，所述第四移动副在无约束支链组之间或无约束支链组的延长线间移动。2.根据权利要求1所述的一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人，其特征在于：所述无约束支链组中的无约束支链与静平台（1）通过第一移动副相连，无约束支链的另一端与动平台（2）通过活动关节相连。3.根据权利要求2所述的一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人，其特征在于：所述无约束支链组包括第一支链、第二支链，所述第一支链、第二支链在静平台（1）对称面的两侧对称布设。4.根据权利要求3所述的一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人，其特征在于：所述静平台（1）中形成安装斜面，所述第一支链、第二支链设置在安装斜面上，第一支链、第二支链中两个第一移动副的延长线平行或相交。5.根据权利要求1所述的一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人，其特征在于：所述约束支链的移动基础设置在静平台（1）上，约束支链的移动单元沿移动基础线性移动，所述移动单元上设置有第二转动副。6.根据权利要求5所述的一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人，其特征在于：所述第二转动副的一端与第三移动副相连，所述第三移动副伸缩移动。7.根据权利要求6所述的一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人，其特征在于：所述第三移动副的一端与动平台（2）通过活动关节相连。8.根据权利要求2所述的一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人，其特征在于：所述第一移动副的移动基础设置在静平台（1）的安装斜面上，第一移动副的移动单元沿其线性移动，第一移动副的移动单元上设置有第一转动副。9.根据权利要求8所述的一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人，其特征在于：所述第一转动副的一端与第二移动副相连，所述第二移动副伸缩移动。10.根据权利要求1所述的一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人，其特征在于：所述第二移动副的一端与动平台（2）通过活动关节相连。

技术总结

本发明公开了一种大工作空间少支链五自由度的并联加工机器人，并联加工机器人包括作为支撑基础的静平台、作为位姿调节的动平台，动平台中设置有完成执行动作的加工输出单元，静平台、动平台之间设置有无约束支链组，静平台、动平台之间还设置有进行约束的约束支链，约束支链的一端与静平台通过第四移动副相连，第四移动副在无约束支链组之间或无约束支链组的延长线间移动。本发明由三条支链构成，三条支链通过移动副与静平台相连，通过对活动关节围成的三角形以及移动副上铰接头围成的三角形进行比例约束，能够保证机器人的位置和转角刚度，本发明具有高刚度、大工作空间的结构优势，本发明能够实现对大型高端装备中核心零部件的高效加工。部件的高效加工。部件的高效加工。

技术研发人员：

孙涛 陈凯旋 王攀峰 牛治利 王若瑜

受保护的技术使用者：

天津大学

技术研发日：

2022.11.16

技术公布日：

2023/3/10