CN101033773A - 三轴汇交等效复合球铰 - Google Patents

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。

上所述的单耳耳臂如果设计成偏离支杆与耳环中心连线。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偏离支杆6与耳环10中心连线，使得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所述的等效复合球铰，其特征在于所述的单耳耳臂(11)偏离支杆(6)与耳环(10)中心连线。

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)与外耳(4)转轴重合。

Images