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一種大姿態(tài)角2R1T三自由度空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法與工藝

文檔序號(hào):11733130閱讀:296來源:國知局
一種大姿態(tài)角2R1T三自由度空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)的制作方法與工藝
本發(fā)明屬于三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的領(lǐng)域,具體涉及一種大姿態(tài)角2R1T三自由度空間并聯(lián)機(jī)構(gòu),應(yīng)用于數(shù)控控制裝置制造領(lǐng)域的一種模塊化機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù):
并聯(lián)機(jī)構(gòu)是由多個(gè)支鏈構(gòu)成的閉環(huán)機(jī)構(gòu),相對(duì)于傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單緊湊、剛度高、單位重量上承載能力大、無誤差積累、運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量小、易于實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)數(shù)控裝置的不足。然而,并聯(lián)機(jī)構(gòu)也有其天生的缺陷,尤其是六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu),其運(yùn)動(dòng)耦合性強(qiáng)、工作空間小、運(yùn)動(dòng)學(xué)正解復(fù)雜、工作空間不規(guī)則、數(shù)控編程復(fù)雜,等等。這些缺點(diǎn)增加了控制和后續(xù)的標(biāo)定工作的復(fù)雜性,從而使得并聯(lián)機(jī)構(gòu)的推廣應(yīng)用受到了較大程度的限制。近年來,少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)(自由度數(shù)少于六的并聯(lián)機(jī)構(gòu))越來越受到研究者的重視和青睞。一些少自由度的并聯(lián)裝置已經(jīng)得到了成功應(yīng)用,如德國DS-Technology公司研制的SprintZ3三自由度并聯(lián)主軸頭在數(shù)控加工中獲得了巨大的成功。該主軸頭作為數(shù)控加工中心的一個(gè)模塊,實(shí)現(xiàn)一個(gè)移動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。該類機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是:容易實(shí)現(xiàn)加工模塊化、運(yùn)動(dòng)學(xué)簡單、具有解耦或是部分解耦的特性。運(yùn)動(dòng)解耦的機(jī)構(gòu)容易控制,并且可以達(dá)到更高的運(yùn)動(dòng)精度,并且解耦運(yùn)動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制和軌跡規(guī)劃都有一定意義。在2009年初開始實(shí)施的“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)中,將三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)功能附件以及裝備有此類功能部件的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心作為其中的課題之一??梢?,并聯(lián)模塊是此類裝備研發(fā)的關(guān)鍵。從加工靈活度和加工效率的角度講,并聯(lián)模塊應(yīng)具備很高的轉(zhuǎn)動(dòng)靈活度,以動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)能力達(dá)到90°為最佳(以期實(shí)現(xiàn)立臥轉(zhuǎn)換、五面加工),而這恰恰是傳統(tǒng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的局限性所在,最具影響力的SprintZ3并聯(lián)主軸頭的轉(zhuǎn)動(dòng)能力也僅為40°(不能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的五面加工)。可見,在保證高剛度的前提下突破傳統(tǒng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)擺角受限是在此類裝備的研發(fā)過程中亟待突破的瓶頸性問題。本發(fā)明提出的機(jī)構(gòu)也同屬于少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu),能實(shí)現(xiàn)兩維轉(zhuǎn)動(dòng)和一維移動(dòng)。但其可以實(shí)現(xiàn)更大的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,尤其是其中一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍更大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的為克服已有現(xiàn)兩維轉(zhuǎn)動(dòng)和一維移動(dòng)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍小的不足之處,該機(jī)構(gòu)在具備一般三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),其轉(zhuǎn)角范圍有了明顯提高。本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種大姿態(tài)角2R1T三自由度空間并聯(lián)機(jī)構(gòu),包括安裝執(zhí)行器的定平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)以及能實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)兩維轉(zhuǎn)動(dòng)和一維移動(dòng)的第一支鏈和第二支鏈;第一支鏈包含兩個(gè)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副;第二支鏈包含一個(gè)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副;所述第一、第二支鏈分別與定平臺(tái)以及動(dòng)平臺(tái)連接形成一個(gè)空間并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)。所述的第一支鏈為(2-RPR&RP)+R型混聯(lián)運(yùn)動(dòng)支鏈,其包括平面并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)2-RPR&RP以及平面并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)連接動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)副R,平面并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)由兩條結(jié)構(gòu)相同的RPR支鏈以及一條RP支鏈組成,兩條RPR支鏈的移動(dòng)副P是主動(dòng)驅(qū)動(dòng),平面并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)所有轉(zhuǎn)動(dòng)副R的軸線是相互平行的、且與平面并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)連接動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)副R的軸線相互垂直。所述的第二支鏈為UPR型運(yùn)動(dòng)支鏈,該支鏈移動(dòng)副P是主動(dòng)驅(qū)動(dòng),U副的一條與定平臺(tái)相連的轉(zhuǎn)軸與第一支鏈中平面并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)所有轉(zhuǎn)動(dòng)副R軸線是相互平行的、且與該支鏈連接動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)副R軸線相互垂直。所述的第一支鏈的第一條RPR支鏈由連接定平臺(tái)的轉(zhuǎn)塊Ⅰ、連桿Ⅰ及連接連桿Ⅰ與連桿Ⅱ的轉(zhuǎn)動(dòng)副R組成,第二條RPR支鏈由連接定平臺(tái)與連桿Ⅲ的轉(zhuǎn)塊Ⅲ、連桿Ⅲ及連接連桿Ⅲ與連桿Ⅱ的轉(zhuǎn)動(dòng)副R組成,中間的RP支鏈由連接定平臺(tái)與連桿Ⅱ的轉(zhuǎn)塊Ⅱ及連桿Ⅱ組成,轉(zhuǎn)塊Ⅰ與連桿Ⅰ之間的移動(dòng)副P及轉(zhuǎn)塊Ⅲ與連桿Ⅲ之間的移動(dòng)副P是兩個(gè)主動(dòng)輸入。所述的第二支鏈由連接定平臺(tái)與轉(zhuǎn)塊Ⅳ的方形架、連接方形架與連桿Ⅳ的轉(zhuǎn)塊Ⅳ及連接連桿Ⅳ與動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)副R組成,轉(zhuǎn)塊Ⅳ與連桿Ⅳ之間的移動(dòng)副P是一個(gè)主動(dòng)輸入,方形架與定平臺(tái)相連的運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)軸與第一支鏈中平面并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)所有轉(zhuǎn)動(dòng)副R軸線是相互平行的,且與連接連桿Ⅳ與動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)副R軸線相互垂直。所述的連桿Ⅱ包括桿件以及桿件底端設(shè)置的與桿件連接為一體的塊件,塊件底部有兩鉸耳,塊件一端與連桿Ⅲ之間有轉(zhuǎn)動(dòng)副,塊件另一端與連桿Ⅰ有轉(zhuǎn)動(dòng)副,塊件底部與動(dòng)平臺(tái)有轉(zhuǎn)動(dòng)副。本發(fā)明在能實(shí)現(xiàn)一維轉(zhuǎn)動(dòng)和一維移動(dòng)的平面并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過添加一個(gè)與動(dòng)平臺(tái)連接的R副及添加另一條支鏈?zhǔn)箘?dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)另一維轉(zhuǎn)動(dòng),且此轉(zhuǎn)動(dòng)范圍較大,從而使此新型2R1T并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍,是此機(jī)構(gòu)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn),克服了以往并聯(lián)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)能力有限的缺點(diǎn)。本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果:(1)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊;(2)剛度高;(3)工作空間大,尤其是轉(zhuǎn)動(dòng)工作空間,一維可達(dá)100°(-50°~50°),另一維轉(zhuǎn)動(dòng)可達(dá)160°(-80°~80°)。這些優(yōu)點(diǎn)使得該機(jī)構(gòu)靈活度更好,加工精度更高,更容易實(shí)現(xiàn)模塊化,配合其它裝置可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜自由度曲面零件的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工。附圖說明圖1為本發(fā)明的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖,圖2為圖1所示的機(jī)構(gòu)中的第一支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖,圖3為圖1所示的機(jī)構(gòu)中的第二支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖,圖4為連桿Ⅱ的結(jié)構(gòu)示意圖,圖5為圖4的分解圖,圖中:1-定平臺(tái),2-連桿Ⅰ,3-轉(zhuǎn)塊Ⅰ,4-連桿Ⅱ,5-轉(zhuǎn)塊Ⅱ,6-連桿Ⅲ,7-轉(zhuǎn)塊Ⅲ,8-連桿Ⅳ,9-方形架,10-轉(zhuǎn)塊Ⅳ,11-動(dòng)平臺(tái)。具體實(shí)施方式一種大姿態(tài)角2R1T三自由度空間并聯(lián)機(jī)構(gòu),包括一個(gè)安裝執(zhí)行器的動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái),以及連接所述動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)之間的一條由平面并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)串聯(lián)R副組成的能實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)兩維轉(zhuǎn)動(dòng)和一維移動(dòng)的第一支鏈,以及第二支鏈。所述第一支鏈和第二支鏈分別于定平臺(tái)以及動(dòng)平臺(tái)連接形成一個(gè)空間并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu),該空間閉環(huán)機(jī)構(gòu)通過三個(gè)輸入運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)兩維轉(zhuǎn)動(dòng)和一維移動(dòng)。所述第一支鏈為(2-RPR&RP)+R型混聯(lián)運(yùn)動(dòng)支鏈。其包括平面并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu),此平面并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)由兩條結(jié)構(gòu)相同的RPR支鏈以及一條RP支鏈組成。RPR支鏈的移動(dòng)副P是主動(dòng)驅(qū)動(dòng),第一支鏈中平面并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)所有轉(zhuǎn)動(dòng)副R軸線是相互平行的,且與該支鏈連接動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)副R軸線相互垂直;第二支鏈為UPR型運(yùn)動(dòng)支鏈,該支鏈移動(dòng)副P是主動(dòng)驅(qū)動(dòng),U副一條與定平臺(tái)相連的轉(zhuǎn)軸與第一支鏈中平面并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)所有轉(zhuǎn)動(dòng)副R軸線是相互平行的,且與該支鏈連接動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)副R軸線相互垂直。第一支鏈中的平面并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu),通過RP支鏈其連桿一頭突出的平臺(tái)將自身以及將兩個(gè)RPR支鏈連在一起,與定平臺(tái)連接的是三個(gè)轉(zhuǎn)塊,其三條連桿可以垂直穿過轉(zhuǎn)塊沿自身軸線滑動(dòng)。第二支鏈的連桿也是穿過轉(zhuǎn)塊沿自身軸線滑動(dòng),其轉(zhuǎn)塊通過R副連于方形架,方形架通過R副連于定平臺(tái)。結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說明。實(shí)施例:如圖1所示,包括一個(gè)安裝執(zhí)行器的定平臺(tái)1、動(dòng)平臺(tái)11,以及連接所述動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)之間第一支鏈、第二支鏈。所述第一支鏈和第二支鏈分別于定平臺(tái)1以及動(dòng)平臺(tái)11連接形成一個(gè)空間并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)。所述第一支鏈為(2-RPR&RP)+R型混聯(lián)運(yùn)動(dòng)支鏈,如圖2所示。其包括平面并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)2-RPR&RP,2-RPR&RP由兩條結(jié)構(gòu)相同的RPR支鏈以及一條RP支鏈組成。第一條RPR支鏈由連接定平臺(tái)1的轉(zhuǎn)塊Ⅰ3、連桿Ⅰ2及連接連桿Ⅰ2與連桿Ⅱ4的轉(zhuǎn)動(dòng)副R組成。第二條RPR支鏈由連接定平臺(tái)1與連桿Ⅲ6的轉(zhuǎn)塊Ⅲ7、連桿Ⅲ6及連接連桿Ⅲ6與連桿Ⅱ4的轉(zhuǎn)動(dòng)副R組成。中間的RP支鏈由連接定平臺(tái)1與連桿Ⅱ4的轉(zhuǎn)塊Ⅱ5及連桿Ⅱ4組成。第一支鏈中,轉(zhuǎn)塊Ⅰ3與連桿Ⅰ2之間的移動(dòng)副P及轉(zhuǎn)塊Ⅲ7與連桿Ⅲ6之間的移動(dòng)副P是兩個(gè)主動(dòng)輸入。第一支鏈中2-RPR&RP機(jī)構(gòu)所有轉(zhuǎn)動(dòng)副R軸線是相互平行的,且與2-RPR&RP機(jī)構(gòu)連接動(dòng)平臺(tái)11的轉(zhuǎn)動(dòng)副R軸線相互垂直。連桿Ⅱ4包括桿件以及桿件底端設(shè)置的與桿件連接為一體的塊件,塊件一端與連桿Ⅲ6之間有轉(zhuǎn)動(dòng)副,塊件另一端與連桿Ⅰ2有轉(zhuǎn)動(dòng)副,塊件底部與動(dòng)平臺(tái)11有轉(zhuǎn)動(dòng)副。所述第二支鏈為UPR型運(yùn)動(dòng)支鏈,也可看作是RRPR型運(yùn)動(dòng)支鏈,如圖3所示。該支鏈由連接定平臺(tái)1與轉(zhuǎn)塊Ⅳ10的方形架9、連接方形架9與連桿Ⅳ8的轉(zhuǎn)塊Ⅳ10及連接連桿Ⅳ8與動(dòng)平臺(tái)11的轉(zhuǎn)動(dòng)副R組成。該支鏈轉(zhuǎn)塊Ⅳ10與連桿Ⅳ8之間的移動(dòng)副P是一個(gè)主動(dòng)輸入。方形架9與定平臺(tái)1相連的運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)軸與第一支鏈中2-RPR&RP機(jī)構(gòu)所有轉(zhuǎn)動(dòng)副R軸線是相互平行的,且與連接連桿Ⅳ8與動(dòng)平臺(tái)11的轉(zhuǎn)動(dòng)副R軸線相互垂直。所述第一支鏈和第二支鏈分別于定平臺(tái)1以及動(dòng)平臺(tái)11連接形成一個(gè)空間并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)。該空間并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)通過轉(zhuǎn)塊Ⅰ3與連桿Ⅰ2之間、轉(zhuǎn)塊Ⅲ7與連桿Ⅲ6之間及轉(zhuǎn)塊Ⅳ10與連桿Ⅳ8之間三個(gè)輸入運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)平臺(tái)11實(shí)現(xiàn)兩維轉(zhuǎn)動(dòng)和一維移動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
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