基於柔性元件的球鉸機構的製作方法

2023-05-19 07:08:46

專利名稱：基於柔性元件的球鉸機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於柔性元件的球鉸機構，是一種尤其適用於工作姿態 需要變化的作小角度精密轉動的物體的定位支撐和聯接機構。
技術背景球鉸作為球面高副，對運動件約束三個平動自由度而留有三個轉動自由 度。傳統上球鉸一般採用諸如關節軸承或球面球軸承機構來實現，這種方式 可以使運動機構具有較大的承載能力和剛度，但是除軸承機構安裝和維護較 為複雜外，摩擦和間隙是較難克服的問題。特別地，對於被聯接的物體需要 作精密運動時(例如，天文望遠鏡上的球面高副)，摩擦和間隙是極其有害的；而且不同工作姿態或安裝狀態下，軸承機構中摩擦力大小往往不一樣。 因此，在使用這種基於軸承機構的球鉸時需要合理設計安裝方式和方位。柔性元件如柔性鉸鏈，往往被用來克服上述基於軸承機構的球鉸的缺 點，參見圖l，工作運動件搖臂在末端附近採取縮頸的方式，形成剛度較小 的部分，從而允許運動件搖臂可以在較小的角度範圍內作轉動運動，但沿其 軸線的第三個轉動自由度不易實現，因為縮頸部分扭轉剛度相對較大；而且， 縮頸的設計直接影響柔性鉸鏈的剛度、運動範圍和壽命。有時，也採用細鋼 絲取代圖l中的縮頸部分。 發明內容本發明提供一種基於鋼絲或鋼絲繩(下文統稱鋼絲)柔性元件的柔性球鉸機構，即，允許被聯接的工作運動件在小角度範圍內具有三個轉動自由度，而三個平動自由度被限制；該球鉸機構可實現無間隙無摩擦且任意平動方向 的剛度恆定和任意轉動方向的柔度恆定的球面高副功能。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是 一種基於柔性元件的球鉸 機構，設有工作運動件(搖臂)，其特徵在於，設有三根相同的細長鋼絲， 該三根鋼絲在中點O處相互正交放置，所述三根鋼絲的兩端分別固定，所述 的工作運動件的球節點與三根鋼絲聯接於O點處。本發明利用鋼絲具有良好的軸向抗拉剛度及良好的軸外柔性，具體地 iJL，細長的鋼絲4叉能7 義受軸向4立力，不能7K受或〗又能承受糹艮小的軸向壓力， 否則將失穩；而對於兩端固定的鋼絲，在其上某點處承受力偶時，則在小轉 動角度內表現出良好的柔性。利用鋼絲元件這一特性，參見圖2柔性球鉸機 構原理圖及圖3柔性球鉸機構分析圖，取三根相同的細長的鋼絲r， s和t，在 中點0處相互正交》文置，分別在兩端點A、 A，， B、 B，和C、 C，處固定，工作 運動件聯接於O點處。這樣，工作運動件的三個平動自由度被三根鋼絲的合 成的軸向抗拉剛度限制，而三個轉動自由度在較小的轉動角度範圍內由三根 鋼絲的軸外柔性提供。本發明有以下優化方案1、 所述的"工作運動件的球節點與三根鋼絲聯接於O點處"，是採用以下 聯結方式球節點上正交地鑽有三個比鋼絲稍大的通孔，中心鑽有儘可能大 的空心，以便三才艮鋼絲(第三根垂直紙面)通過，並採用螺紋聯接運動活動 件搖臂；2、 為消除間隙和保持穩固，三根鋼絲通過球節點上對應小孔後，採用釺焊方式將鋼絲和球節點上對應孔填充嚴實。3、 所述的基於柔性元件的球鉸機構是固定設置在中筒裡；所述的運動 活動件搖臂穿過中筒的上壓板的中孔；該上壓板的中空的大小按球鉸需要工 作的角度範圍設計，用以防止運動活動件搖臂超過工作角度範圍。4、 三根鋼絲兩端的固定方式是三根鋼絲的一端分別通過上壓板，釆 用八個螺釘緊固在中筒的上端面；三根鋼絲的另一端分別通過下壓板，採用 八個螺釘緊固在中筒的下端面。5、 所述的上壓板、中筒和下壓板的聯接面均設計成錐面，而在鋼絲穿 過的位置，各銑有比鋼絲直徑稍小的半圓形槽，以便壓緊鋼絲。6、 所述的三根鋼絲兩端伸出中筒，以便於在安裝中施加適當的預緊力 從而使鋼絲平直。本發明的有益效果是，原理明了，結構簡單，加工和安裝工藝要求松； 該柔性球鉸機構允許被聯接的工作運動件在小角度範圍內具有三個轉動自 由度，而三個平動自由度被限制，可用於要求無間隙無摩擦的精密運動系統； 該柔性球鉸在任意平動方向的剛度恆定(即該球鉸的任意方向支撐剛度恆 定)，且任意轉動方向的柔度一致(即該球鉸的任意轉動方向柔性一致)，這 一效果特別有利於安裝和使用。下面對該柔性J求鉸才幾構的以上效果進行機構分析和證明。 圖l中鋼絲r， s和t在O點受負載時，各鋼絲受拉的一半提供為抗拉負載能 力，而另一半不起作用；當負載的方向相反時，則各鋼絲的受力和工作狀態 也相反，這相當於各鋼絲僅其一半工作，但可提供拉伸也可提供壓縮的負載 能力。因此，為方便分析，可將圖1的形式等效為圖2中形式，即從O點處截斷，取各鋼絲的一半，並視為拉壓彈簧。定義如圖任意坐標系Oxyz。1. 任意方向平動剛度分析該柔性球鉸機構的平動剛度K直接來自於三根鋼絲的軸向拉伸剛度，在 圖3中，已將鋼絲等效為拉壓彈簧，並記剛度為k。由於三根鋼絲r, s和t 兩兩正交，恰可構成一個固定的直角坐標系，記為Orst。設在外載荷力F以 任意方向作用於O點，並記F作用下O點發生位移為D，則有D=F/K。記 外力向量F關於r, s和t坐標軸的方向餘弦分別為/, w和"，則F在r， s 和t三軸上的分量分別為F產/F, Fs-wFD和F產"F，則在r， s和t三軸上， 即三根鋼絲上，對應的變形位移分別為D產/F/k， Ds=mF/k和D產"F/k,則根 據虛功原理有FD=FrDr+FsDs+FtDt 即F'(F/K)=(/F).(/F/k)+(mF)'(mF/k)+("F).("F/k)F2/K=(/2+m2+"2)F2/k 因/2+附2+"2=1 有K=k即，該柔性球鉸機構的平動剛度是恆定的，且等於一根鋼絲的剛度。2. 任意轉動方向的柔性分析在0點作用任意方向力矩M。，則M。可等效為一個力偶M和一個集中 力F。集中力F的影響可按1中方法分析；而力偶M會同時引起鋼絲的彎曲 和扭轉兩種效果，如圖4和圖5所示。因柔性是剛度的倒數，為同1中的分析對應，按剛度進行分析。記鋼絲 的彎曲剛度為kw,扭轉剛度為kt。由於彎曲和扭轉效果均反映為角位移，因析。在Orst坐標系內，沿任意r, s或t軸作用於O 點的力矩將受到的兩根鋼絲的彎曲反力和一根鋼絲的扭轉反力，因此，可記 該柔性球鉸在三個正交軸線方向的剛度均為km=2kw+kt,三個軸線方向剛度 的合成效果即是該柔性鉸鏈的轉動方向剛度，記為Km;記力矩M作用下O 點發生角位移為V，則有V-M/Km。記力矩向量M關於r, s和t坐標軸的方 向餘弦分別為/, w和w,則M在r， s和t三軸上的分量分別為M產/M，Ms=mM 和M產"M,則在r， s和t三軸上，即三根鋼絲上，對應的角位移分別為 Vr=M/km， Vs^wM/km和Vt=wM/km，則根據虛功原理有V=MrVr+MsVs+MtVt 即M'(M/Km)=(M).(/M/km)+(mM).(;wM/km)+("M).("M/km)M2/Km=(/2+w2+"2)M2/km 因/2+w2+"2=l 有Km=km即，該柔性球4交機構的轉動動剛度是恆定的，且等於兩根鋼絲的彎曲剛 度和一根鋼絲的扭轉剛度之和，也即，該柔性球鉸機構任意轉動方向的柔性 是恆定的。本發明的基於鋼絲或鋼絲繩柔性元件的柔性球鉸機構，允許被聯接的工 作運動件在小角度範圍內具有三個轉動自由度，而三個平動自由度被限制； 該球鉸機構可實現無間隙無摩擦且任意平動方向的剛度恆定和任意轉動方 向的柔度恆定的球面高副功能。


圖1為現有技術中柔性鉸鏈機構原理圖；圖2為柔性球鉸機構原理圖； 圖3為柔性球鉸機構分析圖；圖4為鋼絲在力偶作用下彎曲變形；圖5為鋼絲在扭矩作用下扭轉變形；圖6是本發明基於鋼絲的柔性球鉸機構實施方案剖視圖；圖6中，l為工作運動件搖臂，2為上壓板，3為上壓板螺4丁， 4為鋼絲，5 為中筒，6為球節點，7為下壓板螺釘，8為下壓板。圖7是上壓板主視圖；圖8是上壓板A-A剖視圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。實施例l，基於柔性元件的球4交機構參見圖6、圖7、圖8,球節點6上正交 地鑽有三個比鋼絲4稍大的通孔，中心鑽有儘可能大的空心，以便三根鋼絲4 (第三根垂直紙面)通過，並採用螺紋聯接運動活動件搖臂l。為消除間隙 和保持穩固，三根鋼絲4通過球節點6上對應小孔後，採用釺焊方式將鋼絲4 和球節點6上對應孔填充嚴實。然後，將運動活動件搖臂1穿過上壓板2的中 孔。上壓板2的中空的大小按球鉸需要工作的角度範圍設計，用以防止運動 活動件搖臂2超過工作角度方位，從而使球鉸發生破壞。三根鋼絲4的兩端分 別通過上壓板2採用八個螺4丁3緊固在中筒5的上端面；採用下壓板8採用八個 螺釘7緊固在中筒5的下端面。為使三根鋼絲4安裝中和工作中保持平直，上 壓板2、中筒5和下壓板8的聯接面均設計成特定的錐面，而在鋼絲穿過的位 置，各銑有比鋼絲4直徑稍小的半圓形槽，以便壓緊鋼絲4;並且，三根鋼絲 4兩端伸出中筒5，以便在安裝中施加適當的預緊力從而使鋼絲4平直。
權利要求
1. 一種基於柔性元件的球鉸機構，設有工作運動件搖臂，其特徵在於，設有三根相同的細長鋼絲，該三根鋼絲在中點O處相互正交放置，所述三根鋼絲的兩端分別固定，所述的工作運動件的球節點與三根鋼絲聯接於O點處。
2、 根據權利要求l所述的基於柔性元件的球鉸機構，其特徵在於，所述 的"工作運動件的球節點與三根鋼絲聯接於O點處"，是採用以下聯結方式 球節點上正交地鑽有三個比鋼絲稍大的通孔，中心鑽有儘可能大的空心，以 便三根鋼絲通過，並採用螺紋聯接運動活動件搖臂。
3、 根據權利要求2所述的基於柔性元件的球鉸機構，其特徵在於，所述 的三根鋼絲通過球節點上對應小孔後，採用釺焊方式將鋼絲和球節點上對應 孔填充嚴實。
4、 根據權利要求1或2或3所述的基於柔性元件的球鉸機構，其特徵在於， 所述的基於柔性元件的球鉸機構是固定設置在中筒裡；所述的運動活動件搖 臂穿過中筒的上壓板的中孔；該上壓板的中空的大小按球鉸需要工作的角度 範圍設計，用以防止運動活動件搖臂超過工作角度範圍。
5、根據權利要求4所述的基於柔性元件的球鉸機構，其特徵在於，三根 鋼絲兩端的固定方式是三根鋼絲的一端分別通過上壓板，採用八個螺釘緊 固在中筒的上端面；三根鋼絲的另一端分別通過下壓板，採用八個螺釘緊固 在中筒的下端面。
6、根據權利要求5所述的基於柔性元件的球鉸機構，其特徵在於，所述的上壓板、中筒和下壓板的聯接面均設計成錐面，而在鋼絲穿過的位置，各 銑有比鋼絲直徑稍小的半圓形槽，以便壓緊鋼絲。
7、根據權利要求5或6所述的基於柔性元件的球鉸機構，其特徵在於， 所述的三根鋼絲兩端伸出中筒，以便於在安裝中施加適當的預緊力從而使鋼 絲平直。
全文摘要
基於柔性元件的球鉸機構，設有工作運動件(搖臂)，其特徵在於，設有三根相同的細長鋼絲，該三根鋼絲在中點O處相互正交放置，所述三根鋼絲的兩端分別固定，所述的工作運動件的球節點與三根鋼絲聯接於O點處。優化方案的「工作運動件的球節點與三根鋼絲聯接於O點處」，是採用以下聯結方式球節點上正交地鑽有三個比鋼絲稍大的通孔，中心鑽有儘可能大的空心，以便三根鋼絲通過，並採用螺紋聯接運動活動件搖臂。本發明允許被聯接的工作運動件在小角度範圍內具有三個轉動自由度，而三個平動自由度被限制；該球鉸機構可實現無間隙無摩擦且任意平動方向的剛度恆定和任意轉動方向的柔度恆定的球面高副功能。
文檔編號F16C11/06GK101260904SQ200810023999
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月23日 優先權日2008年4月23日
發明者楊德華, 陳昆新 申請人:中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所