一種雙并聯疊加多功能機器人的制作方法

專利名稱：一種雙并聯疊加多功能機器人的制作方法
技術領域：
本發明屬于機器人技術領域，特別涉及一種可用于刀具刃磨、鉆削、焊接和三維坐標測 量儀的雙并聯疊加多功能機器人。
背景技術：
由于并聯機構所具有的一系列優點，如剛度高、承載能力強、動態性能好、速度快和結 構簡單等，引起了國際上的廣泛關注，并給予了大量的研究。目前，并聯機構在許多領域已 有一些重要應用，如綜合飛行訓練裝置、超大型多媒體全真動態駕駛模擬器、地震模擬器、 潛艇模擬器等。另外，國內外的一些公司和研究機構還設計制造了許多用于加工制造領域的 并聯數控機床(機器人)，如美國61<^訃§5& Lewis公司、Ingersoll公司、Hexel公司、英 國Geodetic公司、意大利Comau公司和瑞典Neos機器人公司以及國內的清華大學、天津大 學、哈爾濱工業大學和北京航空航天大學、沈陽自動化所、東北大學、燕山大學等均開發了 多種并聯機器人(機床)。
然而，基于Stewart平臺的六桿并聯機構有工作空間小、本身的奇異性和耦合性使其構型 和總體布局受限、任何運動均需六軸聯動、運動正解復雜而難于實現快速的實時控制等局限， 使其難以實現產業化。此外，并聯機器人(機床)的每一個支鏈均通過鉸鏈與動、靜平臺相 連,正是由于鉸鏈的精度、間隙和接觸剛性等問題，使得并聯機器人(機床)的實際整體精度 和剛性降低。而且，并聯的分支鏈越多，連接這些分支鏈的鉸鏈越容易產生疊加的隨機性誤 差，從而影響并聯機器人(機床)的整體工作精度。從這個意義上說，也可以解釋為何少自 由度并聯機器人(機床)比六桿并聯機器人(機床)更易實現實用化。所以，早期開發出的 六桿并聯機器人(機床)基本都停留在原理樣機階段，如Giddings & Lewis公司的Variax六 并聯數控加工中心現放置在英國諾丁漢大學(NottinghamUniversity)的先進制造技術中心 用于并聯機器人(機床)的實驗研究。為了克服六桿并聯機構上述存在的一些問題，少自由 度并聯機構特別是三自由度并聯機構由于具有工作空間相對較大，奇異性和耦合性相對較小， 運動學、動力學分析相對簡單，靈活性較高,控制容易，并且設計制造方便等優勢,成為近年來 國內外研究發展的主流，特別是為了擴大工作空間，串并聯結構的混聯機器人(機床)亦成 為機器人領域的重要發展方向。目前已經實現實用化和產業化的并聯機器人(機床)基本都 是基于少自由度并聯機構而研制開發的，如瑞典Neos Robotics公司生產的Tric印t系列三并 聯機床，瑞士ABB公司的Delta系列三并聯機器人等
發明內容
為了解決現有并聯機器人技術中存在的工作空間小、容易產生奇異點和并聯桿的耦合、 運動方程復雜而難于實現實時控制的問題，本發明提出一種基于三并聯萬向工作頭的并串并 混聯結構的雙并聯疊加多功能機器人。
本發明的技術方案是這樣實現的 一種雙并聯疊加多功能機器人，包括有機身、工作平 臺、立柱、砂輪機、直線電機、滾珠絲杠、T型滑動拖板、二并聯桿組和運動平臺，運動平臺 一側與二并聯桿組的一端相連，運動平臺另一側連有一個三并聯萬向工作頭，二并聯桿組的 另一端與機身相連。
所述的三并聯萬向工作頭，包括刀具夾頭、萬向節外環、萬向節內環、鋼球、位姿環、 主軸、基座、球鉸、驅動軸I和驅動軸II，刀具夾頭固定在萬向節外環輸出端，萬向節外環 與萬向節內環靠二個轉動副形成轉動連接，萬向節內環與主軸通過一個轉動銷形成轉動連接， 這樣刀具夾頭、萬向節外環、內環和主軸就組成一個十字萬向節，主軸與主軸電機連接，兩
個驅動軸分別通過球鉸與位姿環相連，驅動軸與驅動軸電機連接，位姿環通過鋼球與萬向節 外環相連， 一方面通過驅動軸I和驅動軸II可帶動位姿環，從而可使與萬向節外環相連的刀 具夾頭實現空間的各種位姿；另一方面，主軸通過萬向節帶動刀具夾頭實現轉動，并且起到 支撐和限制刀具夾頭軸向運動的作用。
一種雙并聯疊加刀具刃磨機器人，在三并聯萬向工作頭刀具夾頭上裝上端銑刀或球頭銑 刀或鉆頭。
一種雙并聯疊加鉆削機器人，將工作平臺上的立柱和砂輪機卸去，在三并聯萬向工作頭 刀具夾頭上裝上鉆頭。
一種雙并聯疊加焊接機器人，將工作平臺上的立柱和砂輪機卸去，在三并聯萬向工作頭 上裝上焊槍頭。
一種雙并聯疊加三維坐標測量機器人，將工作平臺上的立柱和砂輪機卸去，在三并聯萬 向工作頭上裝上測量頭。
所述的位姿環上的限位塊放在限位槽中，防止位姿環進行偏擺時沿自身軸向轉動。 本發明的有益效果首先，與該機器人機體相連的二并聯機構與其它三并聯及三并聯以 上的機構相比就有較大的工作空間，而三并聯萬向工作頭被疊加在與二并聯機構的另一端相 連的運動平臺上，并且其可以在兩個滾珠絲杠的驅動下實現偏擺，所以進一步擴大了該機器 人的工作空間；其次，由于二并聯機構不存在奇異點和耦合性，而疊加在其上的三并聯萬向 工作頭盡管有三個并聯桿，但中間的桿只起支撐和帶動主軸轉動的作用，萬向工作頭的位姿 完全由另兩個并聯桿決定，故這個三并聯萬向工作頭也不存在奇異點和耦合性，因此該機器 人不存在奇異點和耦合性；另外，該機器人的二并聯機構由于是平行定長的簡單桿件組成，故沒有內置熱源，減少了熱變形對機器人運動精度的影響；最后，機器人的結構簡單，構思
新穎，使其很容易獲得封閉的運動學正逆解，使控制計算和誤差補償建模簡單，數控編程容 易，并且可實現帶角度的鉆削、焊接加工和測量，生產成本降低，具有極大的產業化發展前 景。


圖l為雙并聯疊加多功能機器人的結構示意圖； 圖2為三并聯萬向工作頭的結構示意圖中l機身，2工作平臺，3立柱，4砂輪頭，5直線電機I， 6伺服電機，7滾珠絲杠，8 T型滑動拖板，9直線電機n， IO二并聯桿組，ll運動平臺，12三并聯萬向工作頭，13刀具夾 頭，14萬向節外環，15萬向節內環，16鋼球，17位姿環，18主軸，19萬向工作頭基座，20驅 動軸I， 21驅動軸n， 22虎克鉸，23球鉸，24限位塊，25限位槽，26主軸電機。
具體實施例方式
下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步說明
如圖l、 2所示， 一種雙并聯疊加多功能機器人，包括有機身l，工作平臺2，立柱3，砂輪 頭4，直線電機，伺服電機6，滾珠絲杠7， T型滑動拖板8， 二并聯桿組10和運動平臺11，運 動平臺上疊加安裝一個三并聯萬向工作頭12，三并聯萬向工作頭12包括刀具夾頭13、萬向節 外環14、萬向節內環15、鋼球16、位姿環17、主軸18、萬向工作頭基座19、球鉸23、驅動軸 120和驅動軸I121，刀具夾頭13固定在萬向節外環14輸出端，萬向節外環14與萬向節內環15 靠二個轉動副形成轉動連接，萬向節內環15與主軸18通過一個轉動銷形成轉動連接，主軸18 與主軸電機26連接，驅動軸I20和驅動軸II21分別通過球鉸23與位姿環17相連，驅動軸I 20 和驅動軸II21分別與驅動軸電機連接，位姿環17通過鋼球16與萬向節外環14相連。
實施例l:
雙并聯疊加刀具刃磨機器人要實現刀具的刃磨，要同時實現刃磨刀具所需的運動。以螺 旋面鉆頭尖的刃磨為例，要同時實現刃磨螺旋面鉆頭尖所需的三個運動。刃磨之前通過刀具 夾頭13將鉆頭夾緊在三并聯萬向工作頭12上，伺服電機6帶動滾珠絲杠7旋轉，再通過T型滑動 拖板8、直線電機、二并聯桿組IO、運動平臺11和三并聯萬向工作頭12帶動鉆頭移動，從而實 現鉆頭與砂輪頭4縱向位置的調整；直線電機I 5和直線電機II9驅動二并聯桿組10和運動平臺 11，從而實現萬向工作頭12上鉆頭與砂輪頭恒向位置的調整；砂輪頭4可以在立柱3上轉動， 從而實現萬向工作頭12上鉆頭軸線與砂輪軸線之間初始位置的調整，即確定所刃磨鉆頭的頂 尖角。刃磨時，與二并聯桿組一個單元一端相連的直線電機I5保持不動，與另一個單元一相連的直線電機II9產生向直線電機5平移的運動，則運動平臺ll上的鉆頭尖將產生一個圓弧 運動，這個圓弧運動相當于一個進給和平移的合成運動，加上運動平臺ll上三并聯萬向工作 頭的主軸18帶動鉆頭的自轉，從而實現刃磨螺旋面鉆尖所需的成形運動。在這個過程中主軸 電機26驅動主軸18從0°轉動到180°實現鉆頭一個螺旋面后刀面的刃磨，然后直線電機9返回初 始位置，接著主軸電機26驅動主軸18從180°轉動到360°，實現鉆頭另一個刃磨螺旋面后刀面 的刃磨，經過如此循環，最終實現螺旋面鉆尖的刃磨。 實施例2:
將工作平臺2上的立柱3和砂輪頭4卸去，在三并聯萬向工作頭12刀具夾頭13上裝上鉆頭， 本發明就成為一臺雙并聯疊加鉆削機器人。鉆削之前將需要進行鉆削的工件裝夾在工作平臺2 上，通過三并聯萬向工作頭12上的刀具夾頭13將鉆頭夾緊，首先，伺服電機6帶動滾珠絲杠7 旋轉，使T型滑動拖板8沿縱向移動，從而帶動其上的三并聯萬向工作頭12和鉆頭實現縱向位 置的初始調整；然后，直線電機I5和直線電機II9驅動二并聯桿組10，使運動平臺ll沿橫向 移動，從而帶動其上的三并聯萬向工作頭12和鉆頭實現橫向位置的初始調整。如果所要鉆削 的工件表面是個傾斜表面時，通過三并聯萬向工作頭12上的驅動軸I 20，驅動軸II21的伸縮 來調整刀具夾頭13上鉆頭的角度，使其垂直于工件的傾斜表面。在鉆削時，三并聯萬向工作 頭12上的主軸電機26通過主軸18帶動特殊萬向節旋轉，從而帶動刀具夾頭13上的鉆頭自轉， 同時通過直線電機I 5和直線電機II9的相對運動實現鉆削工件所需的進給運動。
實施例3:
將工作平臺2上的立柱3和砂輪頭4卸去，在三并聯萬向工作頭上裝上焊槍頭，本發明就成 為一臺雙并聯疊加焊接機器人。焊接之前將需要進行焊接的工件安裝在工作平臺2上，接著伺 服電機6帶動滾珠絲杠7旋轉，使T型滑動拖板8沿縱向移動，從而帶動其上的三并聯萬向工作 頭12和焊槍頭實現縱向位置的初始調整；然后，直線電機I5和直線電機II9驅動二并聯桿組 10，使運動平臺ll沿橫向移動，從而帶動其上的三并聯萬向工作頭12和焊槍頭實現橫向位置 的初始調整。如果所要焊接的工件表面是個傾斜表面時，通過三并聯萬向工作頭12上的驅動 軸120，驅動軸II21的伸縮來調整焊槍頭的角度，使其垂直于工件的傾斜表面。在焊接時， 通過直線電機I 5和直線電機II9的相對運動實現鉆削工件所需的進給運動。
實施例4:
將工作平臺2上的立柱3和砂輪頭4卸去，在三并聯萬向工作頭上裝上測量頭，本發明就成 為一臺雙并聯疊加三維坐標測量機器人。測量之前將需要進行測量的工件安裝在工作平臺2 上，然后，伺服電機6帶動滾珠絲杠7旋轉，使T型滑動拖板8沿縱向移動，從而帶動其上的三 并聯萬向工作頭12和測量頭實現縱向位置的移動，直線電機I 5和直線電機II9驅動二并聯桿組10，使運動平臺ll沿橫向移動，從而帶動其上的三并聯萬向工作頭12和測量頭實現橫向位 置的移動。如果所要測量的工件表面是個傾斜表面時，通過三并聯萬向工作頭12上的驅動軸 120，驅動軸II21的伸縮來調整測量頭的角度，使其垂直于工件的傾斜表面。同時，還可通 過直線電機I 5和直線電機II9的相對運動實現測量頭的上下移動。
權利要求
1、一種雙并聯疊加多功能機器人，包括有機身、工作平臺、立柱、砂輪機、直線電機、滾珠絲杠、T型滑動拖板、二并聯桿組和運動平臺，其特征在于運動平臺一側與二并聯桿組的一端相連，運動平臺另一側連有一個三并聯萬向工作頭，二并聯桿組的另一端與機身相連。
2、 根據權利要求1所述的一種雙并聯疊加多功能機器人，其特征在于所述的三并聯萬向工作頭，包括刀具夾頭、萬向節外環、萬向節內環、鋼球、位姿環、主軸、基座、球鉸、驅動軸i和驅動軸n，刀具夾頭固定在萬向節外環輸出端，萬向節外環與萬向節內環靠二個轉動副形成轉動連接，萬向節內環與主軸通過一個轉動銷形成轉動連接，這樣刀具夾頭、萬向節外環、內環和主軸就組成一個十字萬向節，主軸與主軸電機連接，兩個驅動軸分別通過球鉸與位姿環相連，驅動軸與驅動軸電機連接，位姿環通過鋼球與萬向節外環相連。
3、 一種如權利要求l所述的雙并聯疊加刀具刃磨機器人，其特征在于在三并聯萬向工作頭刀具夾頭上裝上端銑刀或球頭銑刀或鉆頭。
4、 一種如權利要求l所述的雙并聯疊加鉆削機器人，其特征在于將工作平臺上的立柱和砂輪機卸去，在三并聯萬向工作頭刀具夾頭上裝上鉆頭。
5、 —種如權利要求l所述的雙并聯疊加焊接機器人，其特征在于將工作平臺上的立柱和砂輪機卸去，在三并聯萬向工作頭上裝上焊槍頭。
6、 —種如權利要求l所述的雙并聯疊加三維坐標測量機器人，其特征在于將工作平臺上的立柱和砂輪機卸去，在三并聯萬向工作頭上裝上測量頭。
7、 根據權利要求2所述的一種雙并聯疊加多功能機器人，其特征在于所述的位姿環上的限位塊放在限位槽中。
全文摘要
一種雙并聯疊加多功能機器人，屬于機器人技術領域，包括有機身、工作平臺、立柱、砂輪機、直線電機、滾珠絲杠、T型滑動拖板、二并聯桿組和運動平臺，運動平臺一側與二并聯桿組的一端相連，運動平臺另一側連有一個三并聯萬向工作頭，二并聯桿組的另一端與機身相連。該機器人有較大的工作空間，不存在奇異點和耦合性，該機器人的二并聯機構由于是平行定長的簡單桿件組成，故沒有內置熱源，減少了熱變形對機器人運動精度的影響，機器人的結構簡單，構思新穎，生產成本降低，具有極大的產業化發展前景。
文檔編號B25J9/08GK101508109SQ20091001090
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月27日 優先權日2009年3月27日
發明者平 鄒 申請人:東北大學