CN100432457C - 三轴汇交等效复合球铰 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三轴汇交等效复合球铰,属于刚性连接元件技术领域。主要由单耳(1)、单耳轴(2)、内耳(3)、外耳(4)、双耳轴(5)以及若干轴承等部件组成。其中双耳轴(5)中间开有通槽,槽壁开有轴孔,单耳(1)的耳环插入其中并通过单耳轴(2)连接;内耳(3)、外耳(4)通过嵌入的轴承分别安装于双耳轴(5)。本发明具有结构紧凑、简单,刚性大,转动范围大,容易加工的优点,可准确实现三轴汇交。可以应用在需要复合球铰的各种并联机构,如并联机器人、并联机床、运动模拟器等以及其他适用场合。

Description

三轴汇交等效复合球铰
技术领域
本发明涉及一种三轴汇交等效复合球铰,属于一类刚性连接元件,可以应用于各种需要使用球铰的机构,如并联机构等。
背景技术
球铰是一类常用的空间运动副,一般来说有两种构型,一是基本型,即所谓“球-球窝”型;另外可用三个旋转副组合而成以实现球铰功能,称为等效球铰。
在某些应用场合,如“6-3”型的Stewart平台,要求六条支杆在动平台上两两一组,分别汇交到三个点,这就需要所谓复合球铰,这种复合球铰可以理解为“重合”的球铰,或者“并联”球铰。然而这种复合球铰的工程实现有较大的困难,许多应用中将两对球铰布置得很接近,形成准“6-3”型。这种结构不能在铰点实现三轴汇交,会带来一些欠缺,如造成附加力矩等.
参见“张立杰等,一种新型运动副及其在并联机床上的应用,机械工程学报,V14(12):P216-221”提出一种新型运动副,由两个复合球铰(文献中分别称为二重球铰和三重球铰)组成。参见“专利号为00114876.1的中国专利”将该复合球铰设计应用在无动平台式五条腿虚拟轴机床。这种复合球铰采用“球-球窝”式结构,具有转动范围较小、间隙较大,结构复杂,制造困难的缺点。
通过多个旋转副的组合可以实现复合球铰的功能,称为等效复合球铰。与“球-球窝”式复合球铰相比转动范围大,结构简单,容易加工。但是为了避免干涉,往往体积较大,且不易实现准确的三轴汇交。
技术方案
本发明的目的在于提供一种结构紧凑的三轴汇交等效复合球铰,一方面能保证其转动范围大、结构简单,容易加工的优点,另一方面最大限度地克服体积大的缺点。
一种三轴汇交等效复合球铰,其特征在于由单耳、单耳轴、内耳、双耳轴、外耳组成,内耳及外耳均为双耳结构;所述的双耳轴中间沿轴向开有通槽,且在垂直于通槽壁的方向开有轴孔;所述单耳分为支杆、耳臂、耳环三部分,在耳环中嵌有轴承;耳环插入双耳轴的通槽并通过单耳轴相连;所述的内耳通过嵌入的轴承安装于双耳轴上;所述的外耳通过嵌入的轴承安装于双耳轴上并在内耳外侧;在双耳轴的两端还装有轴向固定螺母,实现外耳、内耳等部件的轴向固定。
上所述的单耳耳臂轮廓及横截面中心线如果设计成偏离支杆的轴线。可使得单耳以单耳轴为转轴旋转时,双向最大旋转角度不对称,适用于不同的场合。
上述三轴汇交等效复合球铰,内耳转轴与外耳转轴重合。这限制了两耳绕转轴以外的相对转动,特别适合于需要限定滚珠丝杠轴向转动自由度的应用场合。
本发明的等效复合球铰由多个转动副实现的,经过特殊设计,结构紧凑、简单,刚性大,转动范围大,容易加工。可以应用在需要复合球铰的各种机构,如并联机器人、并联机床、运动模拟器等以及其他适用场合。
附图说明
图1是三轴汇交等效复合球铰的结构示意图。
图2是三轴汇交等效复合球铰的正视图。
图3是单耳及单耳上的轴承安装示意图。
图4是双耳轴示意图。
图5是三轴汇交等效复合球铰的A-A剖面图。
图1中标号名称:1.单耳,2.单耳轴,3.内耳,4.外耳,5.双耳轴。
图3中标号名称:6.支杆,7.深沟球轴承(支杆),8.平面轴承,9.双列深沟球轴承,10.耳环。
图4中标号名称:11.耳臂,12.通槽,13.通槽壁,14.双耳轴轴端螺纹,15.轴孔。
图5中标号名称:16.隔离环,17.单耳轴轴端螺纹,18.深沟球轴承(内耳),19.角接触球轴承,20.垫片。
具体实施方案
如图1~5所示,本发明所实现的三轴汇交等效复合球铰,主要由单耳1、单耳轴2、内耳3、外耳4、双耳轴5以及若干轴承等部件组成,内耳及外耳均为双耳结构。
双耳轴5中间沿轴向开有通槽12,且在垂直于通槽壁13的方向开有轴孔15。
单耳1可以分为支杆6、耳环10和耳臂11三个部分,在耳环10中嵌入双列深沟球轴承9,轴承9外圈与耳环10孔间采用紧配合,耳环10宽度和轴承9宽度相同,并插入双耳轴5的通槽12,通过单耳轴2连接;轴承9内圈端面与通槽壁13之间用垫片20隔离,以轴向固定轴承9内圈。
单耳轴2大部分位于双耳轴5内,两者形成十字节结构;单耳1的耳环10位于双耳轴5内,这种设计保证了复合球铰绕双耳轴5的大范围转动以及准确的三轴汇交。
以单耳轴2为旋转轴心,可以实现单耳1沿双耳轴5正负轴向的双向旋转;设计耳臂11的轮廓及横截面中心线偏离支杆6的轴线,使得绕耳环10双向最大旋转角度不对称。对于一些应用场合,如“6-3”型Stewart平台,由于其实际运动过程中,双向工作角度是不对称的,这种设计可以有效扩展平台的运动范围。内耳3、外耳4的转轴重合,限制了两耳绕转轴以外的相对转动,特别适合于需要限定滚珠丝杠轴向转动自由度的应用场合。
单耳轴2轴端加工螺纹17,通过螺母紧固实现单耳轴2及单耳轴2上部件轴向固定;单耳轴2与双耳轴轴孔15之间微过盈配合。
所述支杆6处安装有轴承(根据需要可以是成对角接触球轴承、平面轴承+深沟球轴承+角接触球轴承等型式),整个三轴汇交等效复合球铰可以支杆6的轴线为轴做360度旋转。
所述的内耳3通过嵌入的深沟球轴承18安装于双耳轴5上;所述的外耳4通过嵌入的角接触球轴承19安装于双耳轴5上并在内耳3外侧;内耳3内轴承18与外耳4内轴承19的内圈用隔离环16隔开;通过轴承18和轴承19,外耳4和内耳3可以分别以双耳轴5为旋转轴旋转。双耳轴5的两端加工螺纹14,通过螺母紧固实现内耳3、外耳4等双耳轴5轴上部件的轴向定位。
双耳轴5外径小于内耳3和外耳4孔径,可以穿过内耳3和外耳4安装。外耳4孔径大于内耳3孔径,便于分别安装嵌入的轴承19和轴承18。

Claims (3)

1、一种三轴汇交等效复合球铰,其特征在于由单耳(1)、单耳轴(2)、内耳(3)、外耳(4)、双耳轴(5)组成,内耳及外耳均为双耳结构;所述的双耳轴(5)中间沿轴向开有通槽,且在垂直于通槽壁(13)的方向开有轴孔(15);所述单耳(1)分为支杆(6)、耳臂(11)、耳环(10)三部分,在耳环(10)中嵌有轴承(9);耳环(10)插入双耳轴(5)的通槽(12)并通过单耳轴(2)相连;所述的内耳(3)通过嵌入的轴承安装于双耳轴(5)上;所述的外耳(4)通过嵌入的轴承安装于双耳轴(5)上并在内耳(3)外侧;在双耳轴(5)的两端安装有轴向固定螺母。
2、根据权利要求1所述的三轴汇交等效复合球铰,其特征在于所述的单耳耳臂(11)从顺耳环(10)的转轴方向观察,其轮廓及横截面中心线均偏离支杆(6)的轴线。
3、根据权利要求1或2所述的三轴汇交等效复合球铰,其特征在于:内耳(3)转轴与外耳(4)转轴重合。
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