專利名稱：具有直線運(yùn)動(dòng)功能的2-rrr機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種直線導(dǎo)引機(jī)構(gòu)，特別涉及ー種需要直線伸縮功能且受載較復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)，屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)及機(jī)構(gòu)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
單自由度的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用十分廣泛，為了精確實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，人們發(fā)明了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，不過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性在一定程度上完全取決于滑軌。為了盡可能避免直線運(yùn)動(dòng)受限于滑軌的影響，機(jī)構(gòu)學(xué)者試圖通過傳統(tǒng)的連桿和轉(zhuǎn)動(dòng)副綜合出能夠?qū)崿F(xiàn)精確直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)來。在機(jī)構(gòu)學(xué)史上比較有代表性的直線平移機(jī)構(gòu)有 Peaucellier—Lipkin 機(jī)構(gòu)[I. Peaucellier—Lipkin linkage. Wikipedia, the free encyclopdia [EB/0L] http: //en. wikipedia. org/wiki/Peaucellier % E2% 80% 93Lipkinlinkage]矛ロ Chebyshev 本/]‘構(gòu)2. Chebyshev linkage. Wikipedia, the free encyclopdiarEB/OLlhttp://en. wikipedia. org/wiki/Chebyshev linkage。 PeaucelIier-Lipkin 機(jī)構(gòu)(如圖I所示)中，構(gòu)件AB、BC、⑶和AD構(gòu)成ー個(gè)菱形，構(gòu)件O2B和O2D可以是任意長(zhǎng)度，但必須長(zhǎng)度相等。當(dāng)O1O2等于O1A時(shí),點(diǎn)C的運(yùn)動(dòng)軌跡將是一條直線。Chebyshev機(jī)構(gòu)(如圖2所示)，當(dāng)滿足條件構(gòu)件O1O2、構(gòu)件O1B和構(gòu)件AB的桿長(zhǎng)比例為I1 : I2 : I3 =
4:5: 2，且構(gòu)件O2A的桿長(zhǎng)為/4 = Z3 +氺2パ吋，構(gòu)件AB的中點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)軌跡為ー固定直
線。此外，趙景山等還提出了一種六連桿直線平移機(jī)構(gòu)3.趙景山，褚福磊.單自由度直線平移式空間六連桿機(jī)構(gòu)[P].中國專利200610113112. 3，2007-2-28，該六連桿直線平移機(jī)構(gòu)中包含兩條相同的RRR運(yùn)動(dòng)鏈，且兩條RRR運(yùn)動(dòng)鏈所確定的兩個(gè)平面非共面。上述的四種直線平移機(jī)構(gòu)均能夠?qū)崿F(xiàn)直線平移運(yùn)動(dòng)，但是機(jī)構(gòu)形式差異較大，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)較不適用于需要做小范圍直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)中。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服上述存在的不足，提供ー種適合于工程應(yīng)用的具有直線運(yùn)動(dòng)功能的2-RRR機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在采用轉(zhuǎn)動(dòng)副和圓柱副相結(jié)合的方式，使得其中某個(gè)構(gòu)件能夠做單自由度的直線運(yùn)動(dòng)。本實(shí)用新型的目的是通過如下技術(shù)方案來完成的，它包括下側(cè)連桿固定端，上側(cè)連桿固定端，第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈的第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿、第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿，第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈的第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿、第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿和導(dǎo)向桿，所述下側(cè)連桿固定端與第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)副A1聯(lián)接、下側(cè)連桿固定端與第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)副A2聯(lián)接；所述上側(cè)連桿固定端與第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)副C1聯(lián)接、上側(cè)連桿固定端與第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)副C2聯(lián)接；所述第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿與第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)副B1聯(lián)接；所述第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿與第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)副B2聯(lián)接。作為優(yōu)選，所述的第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈、第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈所確定的兩個(gè)平面為共面，且與軸線O1O2確定的平面為共面。作為優(yōu)選，所述的第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿和第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿長(zhǎng)度相等，所述的第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿和第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿長(zhǎng)度相等，第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈與第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈關(guān)于軸線O1O2呈對(duì)稱分布。作為優(yōu)選，所述的導(dǎo)向桿與下側(cè)連桿固定端通過螺紋連接，與上側(cè)連桿固定端間隙配合；第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈與第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈做伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)向桿的上端可以沿上側(cè)連桿固定端的中心孔內(nèi)壁滑動(dòng)。作為優(yōu)選,所述的導(dǎo)向桿和下側(cè)連桿固定端與上側(cè)連桿固定端,其圓桿結(jié)構(gòu)為實(shí)心桿或中空結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型有益的效果本實(shí)用新型通過采用轉(zhuǎn)動(dòng)副和圓柱副相結(jié)合的方式，實(shí) 現(xiàn)了機(jī)構(gòu)中某一個(gè)構(gòu)件做精確直線運(yùn)動(dòng)的目的，同時(shí)該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較好的各向剛度和較好的承載能力等優(yōu)點(diǎn)；該機(jī)構(gòu)相對(duì)于Peaucel I ier-Lipkin機(jī)構(gòu)和Chebyshev機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，更有利于機(jī)械工程應(yīng)用；相對(duì)于六連桿直線平移機(jī)構(gòu)具有更好的各向剛度和較好的承載能力。

圖I是Peaucellier-Lipkin機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)原理圖。圖2是Chebyshev機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)原理圖。圖3是本實(shí)用新型提供的具有直線運(yùn)動(dòng)功能的2-RRR機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實(shí)用新型2-RRR機(jī)構(gòu)的俯視示意圖。圖5是第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈機(jī)構(gòu)原理圖。附圖中的標(biāo)號(hào)分別為1、下側(cè)連桿固定端；2a、第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿；2b、第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿；3a、第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿；3b、第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿；4、上側(cè)連桿固定端；5、導(dǎo)向桿。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)、原理及具體實(shí)施方式
作進(jìn)ー步的說明。圖3是本實(shí)用新型提供的具有直線運(yùn)動(dòng)功能的2-RRR機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。該機(jī)構(gòu)包括下側(cè)連桿固定端1，上側(cè)連桿固定端4，第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈的第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿2a、第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿2b，第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈的第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿3a、第ニ條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿3b和導(dǎo)向桿5，所述下側(cè)連桿固定端I與第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿2a通過轉(zhuǎn)動(dòng)副A1聯(lián)接、下側(cè)連桿固定端I與第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿3a通過轉(zhuǎn)動(dòng)副A2聯(lián)接；所述上側(cè)連桿固定端4與第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿2b通過轉(zhuǎn)動(dòng)副C1聯(lián)接、上側(cè)連桿固定端4與第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿3b通過轉(zhuǎn)動(dòng)副C2聯(lián)接；所述第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿2a與第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿2b通過轉(zhuǎn)動(dòng)副B1聯(lián)接；所述第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿3a與第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿3b通過轉(zhuǎn)動(dòng)副B2聯(lián)接；所述的第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿2a和第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿3a長(zhǎng)度相等，所述的第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿2b和第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿3b長(zhǎng)度相等，第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈與第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈關(guān)于軸線O1O2呈對(duì)稱分布。[0019]所述的導(dǎo)向桿5與下側(cè)連桿固定端I通過螺紋連接，與上側(cè)連桿固定端4間隙配合；第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈與第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈做伸縮運(yùn)動(dòng)吋，導(dǎo)向桿5的上端可以沿上側(cè)連桿固定端4的中心孔內(nèi)壁滑動(dòng)；所述的第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈、第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈所確定的兩個(gè)平面為共面，且與軸線O1O2確定的平面為共面；所述的導(dǎo)向桿5和下側(cè)連桿固定端I與上側(cè)連桿固定端4,其圓桿結(jié)構(gòu)可以為實(shí)心桿,也可以做成中空結(jié)構(gòu)。從圖3中可以看出，在兩條RRR運(yùn)動(dòng)鏈的約束下，上側(cè)連桿固定端4具有三個(gè)自由度，即繞I軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、沿X軸和z軸的移動(dòng)；在導(dǎo)向桿5的約束下，上側(cè)連桿固定端4具有兩個(gè)自由度，即繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿z軸的移動(dòng)。因此，在兩條RRR運(yùn)動(dòng)鏈和導(dǎo)向桿5的共同約束下，上側(cè)連桿固定端4只具有沿z軸移動(dòng)的自由度，即該機(jī)構(gòu)中上側(cè)連桿固定端4能夠做精確的直線運(yùn)動(dòng)。為了進(jìn)一步闡述該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，下面對(duì)該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理進(jìn)行 分析。首先建立坐標(biāo)系，以軸線O1O2與轉(zhuǎn)動(dòng)副ん、A2軸線所在的平面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，z軸沿交軸線O1O2方向，X軸垂直于轉(zhuǎn)動(dòng)副A1的軸線，根據(jù)右手螺旋法則可以得到y(tǒng)軸，如圖3所示，該機(jī)構(gòu)的俯視圖如圖4所示。該機(jī)構(gòu)中第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈的機(jī)構(gòu)原理圖如圖5所示，設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)副A1到坐標(biāo)原定的距離為I1，第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿2a長(zhǎng)為I2，第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿2b長(zhǎng)為I3，第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿2a與z軸夾角為0。則第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副中心在坐標(biāo)系oxyz中的坐標(biāo)為A^l1 0 0)；B1Gjl2SinQ 0 I2Cos 0 )；C1 ^Z1 0 I2 cos 6 + ^Z32 -112 sin2 61 j ；根據(jù)趙景山，馮之敬，褚福磊.機(jī)器人機(jī)構(gòu)自由度分析理論[M].北京科學(xué)出版社，2009.提出的機(jī)構(gòu)自由度的分析理論，可以寫出第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈A1B1C1的運(yùn)動(dòng)螺旋系為$AACi = [$Ai $Bi Sq] (I)其中、=(01 0 0 0 I1)1= f 0 I 0 -I2 cos 6 0 I1 +I2 sin i9)r$Ci = I 0 -Z2Cosfi1-^Z32 -Z22 sin2 6 0 Z1 j顯然，矩陣、Blq降秩的條件是
101I(Cl)I-L cos 0I1 +I2 sin0 =0
I -I2 cos 9 — a//32 - Z22 sin2 9 I1即I2 sin 6112 cos 6 +sin2 (9) = 0若條件(C1)成立，則0 = 0°或者0 = 180°，此時(shí)對(duì)應(yīng)為RRR運(yùn)動(dòng)鏈重合或者拉直狀態(tài)，即為機(jī)構(gòu)死點(diǎn)，在實(shí)際機(jī)構(gòu)中通過設(shè)計(jì)可以避免該情況的發(fā)生，因此矩陣ん％不會(huì)出現(xiàn)降秩，即實(shí)際中條件(C1)不成立。[0034]運(yùn)動(dòng)鏈A1B1C1的終端約束可以由互易螺旋理論求出，即$TE$r = 0 (2)
'I 0 0'其中$為運(yùn)動(dòng)螺旋系、「O I3] I3=O I 0，$^為$的反螺旋系。
~ I3 0 7 0 0 1由⑵式可以求出，運(yùn)動(dòng)鏈A1B1C1的終端約束ち吣為
"0 0 0 I 0 of $\叫=0 1 0 0 0 0 (3)
0 0 0 0 0 1冋通，運(yùn)動(dòng)鏈A2B2C2的終端約束*^42_82。2為
"0 0 0 I 0 0]*$rAAC = 0 1 0 0 0 0 (4)
0 0 0 0 0 1易知圓柱副的終端約束為
"0 0 0 0 0 of5； = 0 0 0 0 0 0 (5)
0 0 1 0 0 1因此，上側(cè)連桿固定端4受到的約束為= [$rAACi $rAiBiCi K] (6)將式(6)帶入式⑵即可求得上側(cè)連桿固定端4的自由運(yùn)動(dòng)為$4 = (0 0 0 0 0 1)T (7)式(J)表明上側(cè)連桿固定端4只具有沿z軸運(yùn)動(dòng)的自由度，因此該2-RRR機(jī)構(gòu)能夠保證上側(cè)連桿固定端4只具有沿軸線O1O2的伸縮移動(dòng)自由度。本實(shí)用新型通過采用轉(zhuǎn)動(dòng)副和圓柱副相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)中某一個(gè)構(gòu)件做精確直線運(yùn)動(dòng)的目的，較傳統(tǒng)移動(dòng)副具有加工制造簡(jiǎn)單，精度容易保證等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該機(jī)構(gòu)具有較好的各向剛度和較好的承載能力。本實(shí)用新型所提供的具有直線運(yùn)動(dòng)功能的2-RRR機(jī)構(gòu)的行程與RRR運(yùn)動(dòng)鏈的桿長(zhǎng)有夫，結(jié)合圖5我們可以發(fā)現(xiàn)該2-RRR機(jī)構(gòu)的理論最大行程為D = min (212，213) (8)即該2-RRR機(jī)構(gòu)的理論最大行程為兩個(gè)連桿中較短連桿長(zhǎng)度的兩倍。當(dāng)然在實(shí)際工程應(yīng)用中由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，該2-RRR機(jī)構(gòu)行程一定小于理論最大行程，而且應(yīng)該避免該機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)，即RRR運(yùn)動(dòng)鏈中兩個(gè)連桿共線或者重合。本實(shí)用新型所提供的具有直線運(yùn)動(dòng)功能的2-RRR機(jī)構(gòu)具有加工制造簡(jiǎn)單，承載能力好等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)連桿長(zhǎng)度，能夠應(yīng)用于多種需要直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)中。
權(quán)利要求1.ー種具有直線運(yùn)動(dòng)功能的2-RRR機(jī)構(gòu)，其特征在干包括下側(cè)連桿固定端(1)，上側(cè)連桿固定端(4)，第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈的第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿(2a)、第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿(2b)，第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈的第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿(3a)、第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿(3b)和導(dǎo)向桿(5)，所述下側(cè)連桿固定端(I)與第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿(2a)通過轉(zhuǎn)動(dòng)副A1聯(lián)接、下側(cè)連桿固定端(I)與第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿(3a)通過轉(zhuǎn)動(dòng)副A2聯(lián)接；所述上側(cè)連桿固定端(4)與第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿(2b)通過轉(zhuǎn)動(dòng)副C1聯(lián)接、上側(cè)連桿固定端(4)與第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿(3b)通過轉(zhuǎn)動(dòng)副C2聯(lián)接；所述第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿(2a)與第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿(2b)通過轉(zhuǎn)動(dòng)副B1聯(lián)接；所述第ニ條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿(3a)與第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿(3b)通過轉(zhuǎn)動(dòng)副B2聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有直線運(yùn)動(dòng)功能的2-RRR機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈、第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈所確定的兩個(gè)平面為共面，且與軸線O1O2確定的平面為共面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有直線運(yùn)動(dòng)功能的2-RRR機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿(2a)和第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈下側(cè)連桿(3a)長(zhǎng)度相等，所述的第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿(2b)和第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈上側(cè)連桿(3b)長(zhǎng)度相等，第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈與第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈關(guān)于軸線O1O2呈對(duì)稱分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的具有直線運(yùn)動(dòng)功能的2-RRR機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的導(dǎo)向桿(5)與下側(cè)連桿固定端(I)通過螺紋連接，與上側(cè)連桿固定端(4)間隙配合；第一條RRR運(yùn)動(dòng)鏈與第二條RRR運(yùn)動(dòng)鏈做伸縮運(yùn)動(dòng)吋，導(dǎo)向桿(5)的上端沿上側(cè)連桿固定端(4)的中心孔內(nèi)壁呈滑動(dòng)連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種具有直線運(yùn)動(dòng)功能的2-RRR機(jī)構(gòu)，包括上下兩個(gè)連桿固定端、兩條相同的RRR運(yùn)動(dòng)鏈和一個(gè)導(dǎo)向桿，其中每條RRR運(yùn)動(dòng)鏈包括兩個(gè)連桿，連桿與連桿固定端之間采用轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，連桿與連桿之間采用轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，導(dǎo)向桿與上側(cè)連桿固定端形成圓柱副；兩條RRR運(yùn)動(dòng)鏈確定一個(gè)平面，且與導(dǎo)向桿軸線O1O2共面。本實(shí)用新型有益的效果本實(shí)用新型通過采用轉(zhuǎn)動(dòng)副和圓柱副相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)中某一個(gè)構(gòu)件做精確直線運(yùn)動(dòng)的目的，同時(shí)該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較好的各向剛度和較好的承載能力等優(yōu)點(diǎn)；能夠用于需要做定直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)中。
文檔編號(hào)F16H21/16GK202418461SQ201120561769
公開日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者馮之敬, 劉向, 張 杰, 諶文思, 資小林, 趙景山 申請(qǐng)人:萬向集團(tuán)公司, 浙江萬向系統(tǒng)有限公司