可同時實現軸向和側向支承和定位的支承定位機構的製作方法

2023-12-04 13:33:46

專利名稱：可同時實現軸向和側向支承和定位的支承定位機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種支承和定位裝置，具體涉及一種可同時實現軸向和側向 支承和定位的支承定位機構，該機構用於姿態需要變化的物體的支承，尤其 適用於天文望遠鏡或其它精密儀器的反射面的支承。
背景技術：
傳統上，姿態需要變化的物體，比如天文望遠鏡反射鏡面或反射面板，
多採用槓桿平衡重機構和翹翹板(whiffle-tree )機構來實現支承。 一副槓桿 平衡重機構只能提供一個方向的力的支承，所以，被支承物體的側向支承和 軸向支承各需要一套槓桿平衡重機構來實現；而翹翹板機構一般用來作軸向 支承和定位機構(也較少地用作側向支承機構)，並往往同時採用槓桿平衡 重才幾構4乍側向支承4幾構。
這兩種經典機構的突出優點是均為被動支承機構，當被支承的物體在設 計的俯仰轉動方向上發生姿態轉動變化時，可始終保持良好的支承和平衡狀 態。前者槓桿平衡重機構採用平衡重錘和被支承物之間進行槓桿平衡從而實 現隨遇平衡，而後者翹翹板機構採用的是被支承物體本身不同部分之間進行 槓桿平衡從而實現隨遇平衡。前者利用槓桿放大原理，可使得平衡重錘的重 量設計得遠遠小於被支承物體的重量。而翹翹板機構的特出優點是具有良好 的級聯擴展功能，可實現多點支承，從而實現良好的均衡的支承性能，因此， 可根據技術要求設計具有適當支承點數的翹翹板支承機構，並且不需要因引
入額外的平衡重錘而增加系統的重量。
但是，這兩種常用機構的缺點是都不能實現被支承物體的完全定位，而 需要引入其它的才幾構輔助消除被支承物體的其它自由度以實現全部約束，並 且在原理上，也不允許物體在兩個方向內同時存在俯仰轉動的姿態變化。

發明內容
為了克服上述傳統支承機構的缺點，本發明提供一種可同時實現軸向和 側向支承和定位的支承定位機構，該機構允許被支承物體的姿態任意變化， 並可進行級聯擴展從而實現多點支承和定位。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是 一種可同時實現軸向和側 向支承和定位的支承定位機構，其特徵在於，在機架上的三個點上，分別通 過垂直於機架所在平面的、具有一個旋轉自由度的柱鉸，連接出三個共面的 支承臂，各支承臂均平行於機架所在平面；
各支承臂的末端分別通過具有三個旋轉自由度的球鉸與被支承物體聯 接；或
各支承臂的末端再反對稱地各通過一個柱鉸聯接一根橫梁的中點，每根 所述橫梁的兩端各通過球鉸與被支承物體聯接；或
各支承臂的末端各通過球鉸級聯一個隨動的三點支承和定位單元(下文 稱之為級聯單元)，該三點支承和定位單元上的三個點上，分別通過垂直於 該三點支承和定位單元所在平面的、具有一個旋轉自由度的柱鉸，連接出三 個共面的支承臂，各支承臂均平行於該三點支承和定位單元所在平面；各支 承臂的末端分別通過具有三個旋轉自由度的球鉸與被支承物體聯接；或
各支承臂的末端分別設置相同的或不同的級聯擴展機構，再通過各級聯擴展機構與被支承物體聯接。
所述的"級聯擴展機構"可以是，
a、 以上所述的將某根支承臂末端與被支承物體相連的球鉸支承點由一個改為兩個的級聯擴展機構；也可以是，
b、 以上所述的將某根支承臂末端與被支承物體相連的球鉸支承點由一個改為三個的級聯單元。
以上方案的優化方案有
1、 機架上分別設置具有一個旋轉自由度的柱鉸的三個點，呈等邊三角形分布；
2、 所述三個共面的支承臂，呈旋轉對稱地伸出；
3、 所述三個共面的支承臂的末端，構成等邊三角形。
為了更清楚地說明本發明的上述方案，以下通過結構分解的方式進行進 一步的說明。
本發明的支承和定位機構，先提出 一種隨動式三點支承的被動式支承和 定位機構作為基本單元，然後在其基礎上提出級聯擴展的規則和方法，從而 形成多點的支承和定位機構。如圖1和圖2所示，首先在機架上選取呈等邊三 角形分布的三點(也可以不必為等邊三角形)，從這三點上旋轉對稱地(也 可以不必旋轉對稱地)伸出三個共面的支承臂(角度V的大小根據具體機構 設計確定)，並均平行於機架所在平面，其末端也構成等邊三角形(也可以 不必為等邊三角形)，並聯接於被支承物體。支承臂的一端與被支承物聯接 處為具有三個旋轉自由度的球鉸，另一端與機架聯接處是垂直於機架所在平 面的具有一個旋轉自由度的柱鉸。這種支承和定位機構可以同時實現對被支承物體的軸向和側向支承及定位，其中，法向支承功能由支承臂的抗彎能力 提供，側向支承功能由其抗拉壓能力實現。機架和被支承物體因重力變化和
熱效應造成的變形和應力可由球4吏和柱鉸的自由轉動來消除；也允許糹皮支承 物自身的變形，其變形也將由球鉸和柱鉸的自由轉動而釋放，從而不會傳遞 至機架。故而，稱該才幾構為隨動式三點支承的^皮動式支承和定位機構。
作為支承和定位機構，不能對被支承物體產生過定位，也不能欠約束， 而必須是靜定的。運用Grubler公式對上述基本單元隨動式三點支承和定位機 構進行自由度計算
formula see original document page 7
式中，屍為自由度數，"為機構中構件數，g為運動副數，乂為第/個運動副 的自由度悽t。
參見圖l,對於隨動式三點支承和定位才幾構，w=5, g=6，三個球鉸 /s=3x3=9，三個柱鉸/e=3xl=3，故有
F3R=6x(5-6-l)+9+3=0,即機構是靜定的。
以此隨動式三點支承和定位機構為基本單元，按一定規則進行級聯擴展， 即可形成多點多級的支承和定位機構。經級聯擴展得到的多點支承和定位機 構仍然繼承其基本單元隨動式三點支承和定位機構的所有特點和優點，並因 採用了多個支承點，故而可為被支承物體提供更為均衡的支承和定位。
原則上講,通過對基本單元進行對稱擴展和級聯,可實現任意支承點數(點 數>3)的隨動式支承和定位機構。擴展級聯的規則簡單，僅分兩種情況即可: 1 、將某根支承臂末端與被支承物體相連的球鉸支承點由一個改為兩個。
參見圖3，方法是，將一根橫梁在其中點通過柱鉸聯接於原支承臂的末端， 橫梁兩端再反對稱地各通過一個柱鉸伸出一對支承臂，支承臂的末端通過球 鉸與被支承物體相連，這樣就相當於添加了一個支承點，而機構還是保持靜 定的。
2 、將某根支承臂末端與被支承物體相連的球鉸支承點由 一個改為三個。 參見圖4，方法是，在支承臂末端通過球鉸級聯一個隨動的三點支承和定位 單元(即為級聯單元)即可，這樣就相當於添加了兩個支承點，而機構也還 是保持靜定的。
將以上兩種情況進行適當地聯接和循環實施，即可擴展出任意點數的隨動 式支承和定位機構。下面按上述規則舉6點，9點，12點，18點四個例子進行 說明。
1、 擴展為隨動式六點支承和定位機構
參見圖3，在基本單元隨動式三點支承和定位機構的基礎上，參照上述 擴展級聯規則l，將三根支承臂的末端球鉸，均改為通過橫梁反對稱地設置 為兩個球鉸。按Grubler公式檢驗其自由度
F6Pt=6x(14-18-l)+6x3+12=0，即機構也是靜定的。
2、 級聯擴展的隨動式九點支承和定位機構
參見圖4，在基本單元的基礎上，參照上述擴展級聯規則2，在三根支承 臂末端通過球鉸各聯接一個級聯單元，形成級聯擴展的隨動式九點支承和定 位機構。按Grubler公式檢驗其自由度
F9Pt=6x(17-24-l)+12x3+12=0，即機構也是靜定的。
這時，為簡單起見，也可將級聯單元視為一個球鉸來計算，也有
F9pt=F3Pt=6x(5-6-1 )+9+3=0。
1、 級聯擴展的隨動式十二點支承和定位機構
參見圖5，在上述級聯擴展的隨動式九點支承機構的基礎上，將三個級 聯單元中的一個，按擴展級聯規則l，改為反對稱的兩個級聯單元，從而形 成級聯擴展的隨動式十二點支承和定位機構。按Grubler公式檢驗其自由度
F12Pr6x(24-34-1)+16x3+18=0，即機構也是靜定的。
將級聯單元視為一個球鉸來計算，也有
F12Pt=6x(8-10-l)+4x3+6=0。
這一機構特別實用於被支承物體外形為扇環形或類似矩形的其它形狀。
2、 級聯擴展的隨動式十八點支承和定位機構
參見圖6，在上述級聯擴展的隨動式六點支承機構的基礎上，將六個支承 點的球鉸，均按擴展級聯規則2，改為的六個級聯單元，從而形成級聯擴展 的隨動式十八點支承和定位機構。按Grubler公式檢驗其自由度
Fim=6x(38-54-l)+24x3+30=0,即機構也是靜定的。
將級聯單元視為一個球鉸來計算，也有
Fi8P鴻p產6x(14-18國l)+6x3+12:0。
本發明的有益效果是本發明提供的隨動式支承和定位機構可以同時實現 對被支承物體的軸向和側向進行支承和定位的功能，允許被支承物體的姿態 任意變化；機架、支承機構本身及被支承物體因重力變化和熱效應造成的變 形和應力可由球鉸和柱鉸的自由轉動消除；也允許被支承物自身的變形，其 變形也將由球鉸和柱鉸的自由轉動而釋放，從而不會傳遞至機架。該隨動式 支承和定位機構可按一定規則進行級聯擴展，形成任意支承點數的多點多級
的隨動式支承和定位機構，便於根據技術要求確定的支承點數進行設計，從 而為被支承物體提供更為均衡的支承和定位。擴展級聯的規則簡單。該支承 機構原理清晰明了、結構對稱緊湊、易於擴展級聯和實施工藝簡單等優點。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。


圖l為隨動式三點支承和定位機構示意圖2為隨動式三點支承和定位機構側視圖3為擴展的隨動式六點支承和定位機構示意圖4為級聯擴展的隨動式九點支承和定位^/L構示意圖5為級聯擴展的隨動式十二點支承和定位機構示意圖6為級聯擴展的隨動式十八點支承和定位機構示意圖7為隨動式十二點支承和定位機構實施例仰^f見圖8為隨動式十二點支承和定位機構實施例軸測圖9為隨動式十二點支承和定位機構實施例側視圖局部一；
圖10為隨動式十二點支承和定位機構實施例側視圖局部二。
圖中1.機架，2.轉軸軸襯，3.支承臂轉軸，4.支承臂，5.級聯單元基體，
6.螺母，7.螺母，8.關節軸承，9.螺母，IO.支承臂轉軸，ll.轉軸軸襯，12.
支承臂，13.螺母，14.關節軸承，15.鏡面，16.橫梁，17.轉軸軸襯，18.支
承臂轉軸，19.螺母，20.支承臂軸套，22.支承臂轉軸，23.轉軸軸襯，24.支承臂。
具體實施例方式
實施例l，可同時實現軸向和側向支承和定位的支承定位機構，在圖7和
圖10中，由下往上，在機架1的三個頂點處各通過一個轉軸軸襯2和支承臂轉 軸3構成柱鉸，在支承臂轉軸3上固連安裝支承臂4。在這三根支承臂4中，有 兩根按圖9方式安裝，即，在支承臂4末端通過螺母9和關節軸承8及螺母6安 裝級聯單元基體5。在此，由關節軸承8作為球鉸。在級聯單元基體5的三個 角點上各通過螺母7和支承臂轉軸10及轉軸軸襯11安裝支承臂12,在支承臂 12末端通過螺母13和關節軸承14聯接並支承鏡面15。對第三根支承臂4，按 圖10方式安裝，即，在支承臂4末端通過螺母21和支承臂轉軸18及轉軸軸襯 17安裝橫梁16。在橫梁16的兩端各通過螺母19和支承臂轉軸22及轉軸軸襯23 聯接支承臂24。從此往後，安裝方式同圖9一樣，即，在支承臂24的末端通 過螺母9和關節軸承8及螺母6安裝級聯單元基體5。在級聯單元基體5的三個 角點上各通過螺母7和支承臂轉軸10及轉軸軸襯11安裝支承臂12,在支承臂 12末端通過螺母13和關節軸承14聯接並支承鏡面15。
權利要求
1、一種可同時實現軸向和側向支承和定位的支承定位機構，其特徵在於，在機架上的三個點上，分別通過垂直於機架所在平面的、具有一個旋轉自由度的柱鉸，連接出三個共面的支承臂，各支承臂均平行於機架所在平面；各支承臂的末端分別通過具有三個旋轉自由度的球鉸與被支承物體聯接；或各支承臂的末端再反對稱地各通過一個柱鉸聯接一根橫梁的中點，每根所述橫梁的兩端各通過球鉸與被支承物體聯接；或各支承臂的末端各通過球鉸級聯一個隨動的三點支承和定位單元，該三點支承和定位單元上的三個點上，分別通過垂直於該三點支承和定位單元所在平面的、具有一個旋轉自由度的柱鉸，連接出三個共面的支承臂，各支承臂均平行於該三點支承和定位單元所在平面；各支承臂的末端分別通過具有三個旋轉自由度的球鉸與被支承物體聯接；或各支承臂的末端分別設置相同的或不同的級聯擴展機構，再通過各級聯擴展機構與被支承物體聯接。
2 根據權利要求l所述的可同時實現軸向和側向支承和定位的支承定位機構，其特徵在於，所述機架上分別設置柱鉸的三個點，呈等邊三角形分布.
3 根據權利要求l所述的可同時實現軸向和側向支承和定位的支承定位機構，其特徵在於，所述三個共面的支承臂，呈旋轉對稱地伸出；
4、根據權利要求l所述的可同時實現軸向和側向支承和定位的支承定位 機構，其特徵在於，所述三個共面的支承臂的末端，構成等邊三角形。的支承定位機構，其特徵在於，所述的支承定位機構是將以下所述的a、 b兩 種結構的級聯擴展機構進行聯接和循環，擴展出任意點數的隨動式支承和定 位機構a、 將某根支承臂末端與被支承物體相連的球鉸支承點由一個改為兩個；b、 將某根支承臂末端與被支承物體相連的球鉸支承點由一個改為三個。機構，其特徵在於，所述的支承定位機構為隨動式十二點支承和定位機構， 具體結構如下在機架(1)的三個頂點處各通過一個轉軸軸襯(2)和支承 臂轉軸(3)構成柱鉸，在支承臂轉軸(3)上固連安裝支承臂(4);在這三 根支承臂(4)中，有兩根支承臂(4)末端通過螺母(9)和作為球鉸的關 節軸承(8)及螺母(6)安裝級聯單元基體(5);在級聯單元基體(5)的 三個角點上各通過螺母(7)和支承臂轉軸(10)及轉軸軸襯(11)安裝支 承臂(12),在支承臂(12)末端通過螺母(13 )和關節軸承(14)聯接並 支承被支承物體(15 );第三根支承臂(4)的末端通過螺母(21)和支承臂 轉軸(18)及轉軸軸襯(17)安裝橫梁(16);在橫梁(16)的兩端各通過 螺母(19)和支承臂轉軸(22)及轉軸軸襯(23)聯接支承臂(24);往後 的安裝方式是在支承臂(24)的末端通過螺母(9)和關節軸承(8)及螺 母(6)安裝級聯單元基體(5);在級聯單元基體(5)的三個角點上各通過 螺母(7)和支承臂轉軸(10)及轉軸軸襯(11)安裝支承臂(12),在支承 臂(12)末端通過螺母(13 )和關節軸承(14)聯接並支承#:支承物體(15 )。
全文摘要
可同時實現軸向和側向支承和定位的支承定位機構，特徵是機架上三個點上分別通過垂直於機架所在平面的、具有一個旋轉自由度的柱鉸連接出三個共面的支承臂，各支承臂平行於機架所在平面；各支承臂的末端分別通過具有三個旋轉自由度的球鉸與被支承物體聯接；或是將某根支承臂末端與被支承物體相連的球鉸支承點由一個改為兩個；或是將某根支承臂末端與被支承物體相連的球鉸支承點由一個改為三個；然後與被支承物體聯接。本發明可同時實現對被支承物體軸向和側向的支承和定位，允許被支承物體姿態任意變化；重力變化和熱效應造成的變形和應力及被支承物自身的變形可以消除。通過級聯擴展可形成任意支承點數的多點多級的隨動式支承和定位機構。
文檔編號G02B7/182GK101339287SQ20081002283
公開日2009年1月7日 申請日期2008年7月24日 優先權日2008年7月24日
發明者楊德華 申請人:中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所