CN101149074A - 分布式叶片形转动柔性铰链 - Google Patents

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CN101149074A CNA2007101761137A CN200710176113A CN101149074A CN 101149074 A CN101149074 A CN 101149074A CN A2007101761137 A CNA2007101761137 A CN A2007101761137A CN 200710176113 A CN200710176113 A CN 200710176113A CN 101149074 A CN101149074 A CN 101149074A
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赵山杉
于靖军
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Abstract

本发明公开了一种分布式叶片形转动柔性铰链，是在圆柱体上以圆柱体轴线为中心，采用精密慢走丝线切割机床一体化加工有通孔(104)、第一簧片(11)、第二簧片(12)、第三簧片(13)、第四簧片(14)、第五簧片(15)、第六簧片(16)、第一内臂(21)、第二内臂(22)、第三内臂(23)，以及在外圈(1)上设有A安装孔(101)、B安装孔(102)、C安装孔(103)；第一簧片(11)与第二簧片(12)构成第一对叶形簧片；第三簧片(13)与第四簧片(14)构成第二对叶形簧片；第五簧片(15)与第六簧片(16)构成第三对叶形簧片。本发明采用曲线簧片对称分布柔度设计，有较高的轴向刚度和较好的径向刚度，与传统的切口型柔性铰链相比，转动范围大大增加，并且在转动时轴心漂移很小，是一种性能优良的大变形的旋转柔性铰链，实用于大行程精密控制机构。

Description

分布式叶片形转动柔性铰链
技术领域
本发明涉及一种柔性铰链，更特别地说，是指一种分布式叶片形转动柔性铰链，国际专利分类属于F16C11/00。
背景技术
柔性铰链是指在外部力或力矩的作用下，利用材料的弹性变形产生相对运动的一种运动副结构形式，这与传统刚性运动副的结构有很大不同。柔性铰链是柔性机构中一种典型的柔性元素。较之于传统的刚性铰链(机构)，柔性铰链及柔性机构具有许多优点：(1)可以整体化(或一体化)设计和加工，故可简化结构、减小体积和重量、免于装配；(2)无间隙和摩擦，可实现高精度运动；(3)免于磨损，提高寿命；(4)免于润滑，避免污染；(5)可增大结构刚度。可应用于微定位及微进给、微姿态调整、微执行器、微操作及微装配等领域。但传统的切口型柔性铰链运动范围小，难以适应一些大转角的场合。而普通的簧片式柔性铰链的运动范围虽然提高了，但是转动中心漂移严重，在大变形情况下难以提高其转动精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种分布式叶片形转动柔性铰链，是在一圆柱体上以圆柱体轴线为中心均匀分布三片叶形簧片对。本发明采用曲线簧片对称分布柔度设计，有较高的轴向刚度和较好的径向刚度，与传统的切口型柔性铰链相比，转动范围大大增加，并且在转动时轴心漂移很小，是一种性能优良的大变形的旋转柔性铰链，实用于大行程精密控制机构。
本发明是一种分布式叶片形转动柔性铰链，是在圆柱体上以圆柱体轴线为中心，采用精密慢走丝线切割机床一体化加工有通孔、第一簧片、第二簧片、第三簧片、第四簧片、第五簧片、第六簧片、第一内臂、第二内臂、第三内臂，以及在外圈上设有A安装孔、B安装孔、C安装孔。并且第一簧片与第二簧片构成第一对叶形簧片；第三簧片与第四簧片构成第二对叶形簧片；第五簧片与第六簧片构成第三对叶形簧片。第一内臂与第二内臂之间是第一对叶形簧片；第二内臂与第三内臂之间是第二对叶形簧片；第三内臂与第一内臂之间是第三对叶形簧片。
本发明的分布式叶片形转动柔性铰链，每个簧片的厚度dn与簧片的曲率半径R满足dn＜0.2R，且每个簧片的厚度dn与铰链厚度d、簧片末端两点连线长度D的关系为 1 80 < d n min ( D , d ) < 1 5 .
本发明分布式叶片形转动柔性铰链的优点在于：
(1)采用了中空设计，从而降低了结构的内应力，这样就提高了其转动范围以及疲劳寿命。
(2)第一簧片11与第二簧片12、第三簧片13与第四簧片15、第五簧片15与第六簧片16分别构成叶片形曲线簧片，这三个叶片形曲线簧片紧密对向布置，改善了铰链刚度特性，使其在完成大变形功能的同时，获得较好的刚度。
(3)将三个叶片形曲线簧片对以圆柱体的中心轴线进行均匀阵列分布，提高了铰链的轴向刚度和径向刚度，并且这种柔性单元的分布形式使得柔性铰链在大角度转动时有很高的轴向精度。
(4)采用线切割机床一体化加工成型，避免了装配引入的误差。
附图说明
图1是本发明分布式叶片形转动柔性铰链的外部结构图。
图2是图1的主视图。
图3是本发明分布式叶片形转动柔性铰链的结构尺寸示意图。
图中：1.外圈       101.A安装孔     102.B安装孔  103.C安装孔
      104.通孔     105.内臂中心线  106.簧片对中心线
      11.第一簧片  12.第二簧片     13.第三簧片  14.第四簧片  15.第五簧片
      16.第六簧片  21.第一内臂     211.D安装孔  212.A切口    22.第二内臂
      221.E安装孔  222.B切口       23.第三内臂  231.F安装孔  232.C切口
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种分布式叶片形转动柔性铰链，是在圆柱体上以圆柱体轴线为中心，采用精密慢走丝线切割机床一体化加工有通孔104、第一簧片11、第二簧片12、第三簧片13、第四簧片14、第五簧片15、第六簧片16、第一内臂21、第二内臂22、第三内臂23，以及在外圈1上设有A安装孔101、B安装孔102、C安装孔103；第一簧片11与第二簧片12构成第一对叶形簧片；第三簧片13与第四簧片14构成第二对叶形簧片；第五簧片15与第六簧片16构成第三对叶形簧片。第一内臂21与第二内臂22之间是第一对叶形簧片；第二内臂22与第三内臂23之间是第二对叶形簧片；第三内臂23与第一内臂21之间是第三对叶形簧片。在本发明中，内臂中心线105与簧片对中心线106的夹角α＝60度。
在本发明中，每个簧片的厚度dn与簧片的曲率半径R满足dn＜0.2R，且每个簧片的厚度dn与铰链厚度d、簧片末端两点连线长度D的关系为 1 80 < d n min ( D , d ) < 1 5 . 即第一簧片11的厚度d1与第一簧片11的曲率半径R的关系为d1＜0.2R，且第一簧片11的厚度d1与铰链厚度d、第一簧片11上A点至B点连线长度D1的关系为 1 80 < d 1 min ( D 1 , d ) < 1 5 . 不失一般性，其它五个簧片厚度与第一簧片11的厚度相同。
在本发明中，簧片末端两点连线长度D与每个簧片的厚度dn的关系为50dn＜D。即第一簧片11的厚度d1与簧片末端两点连线长度D(即A点、B点之间的距离)的关系为50d1＜D。不失一般性，其它五个簧片厚度与第一簧片11的厚度相同。
在本发明中，每个内臂的宽度dm是每个簧片厚度dn的12～18倍，即第一内臂21的宽度12d1＜d2＜18d1，不失一般性，其它二个内臂宽度与第一内臂21的宽度相同。
在本发明中，外圈1的宽度d3是簧片厚度dn的30～50倍，即外圈1的宽度30d1＜d3＜50d1。
内臂与簧片对以夹角α在圆柱体上均匀阵列分布，且是在圆柱体上以圆柱体轴线为中心均匀分布三片叶形簧片对(第一簧片11与第二簧片12构成第一对叶形簧片，第三簧片13与第四簧片14构成第二对叶形簧片，第五簧片15与第六簧片16构成第三对叶形簧片)。在本发明中，铰链的结构中心设有通孔104，所述通孔104的轴线与圆柱体轴线重合。
在柔性铰链或柔性机构中抑制其寄生运动通常所采用的一种设计方法是“对称约束法”。在本发明中，采用同样的方法将其设计成由第一簧片11、第二簧片12、第三簧片13、第四簧片14、第五簧片15、第六簧片16以圆柱体中心轴线对称分布形成的分布式叶片形转动柔性铰链，它不但实现的大角度的转动，而且减小了轴心漂移，同时也增加了非功能方向上的刚度。
本发明设计的分布式叶片形转动柔性铰链，有两种运动方式。
运动方式一：通过D安装孔211、E安装孔221和F安装孔231固定第一内臂21、第一内臂22和第三内臂23。在外圈1上施加以几何中心O点(即通孔104的圆心)为中心的转矩使铰链产生转动。
运动方式二：通过A安装孔101、B安装孔102和C安装孔103固定外圈1，在第一内臂21、第一内臂22和第三内臂23上施加以几何中心O点(即通孔104的圆心)为中心的转矩使铰链产生转动。

Claims (5)

1.一种分布式叶片形转动柔性铰链，其特征在于：是在圆柱体上以圆柱体轴线为中心，采用精密慢走丝线切割机床一体化加工有通孔(104)、第一簧片(11)、第二簧片(12)、第三簧片(13)、第四簧片(14)、第五簧片(15)、第六簧片(16)、第一内臂(21)、第二内臂(22)、第三内臂(23)，以及在外圈(1)上设有A安装孔(101)、B安装孔(102)、C安装孔(103)；
第一簧片(11)与第二簧片(12)构成第一对叶形簧片；第三簧片(13)与第四簧片(14)构成第二对叶形簧片；第五簧片(15)与第六簧片(16)构成第三对叶形簧片；
第一内臂(21)与第二内臂(22)之间是第一对叶形簧片；第二内臂(22)与第三内臂(23)之间是第二对叶形簧片；第三内臂(23)与第一内臂(21)之间是第三对叶形簧片；内臂中心线(105)与簧片对中心线(106)的夹角α＝60度。
2.根据权利要求1所述的分布式叶片形转动柔性铰链，其特征在于：每个簧片的厚度dn与簧片的曲率半径R满足dn＜0.2R，且每个簧片的厚度dn与铰链厚度d、簧片末端两点连线长度D的关系为
Figure A2007101761130002C1
3.根据权利要求1所述的分布式叶片形转动柔性铰链，其特征在于：簧片末端两点连线长度D与每个簧片的厚度dn的关系为50dn＜D。
4.根据权利要求1所述的分布式叶片形转动柔性铰链，其特征在于：每个内臂的宽度dm是每个簧片厚度dn的12～18倍。
5.根据权利要求1所述的分布式叶片形转动柔性铰链，其特征在于：外圈1的宽度d3是簧片厚度dn的30～50倍。
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