CN101216097A - 可控万向柔性传动轴 - Google Patents

Abstract

一种可控万向柔性传动轴，具有由至少二个渐开线环形球齿轮组成的传动机构，利用球齿轮具有360°全方位偏摆特点，使执行零件实现空间指向。球齿轮串联方式为上一级行星传动的系杆与下一级行星传动的中心轮固接；上一级行星传动的行星轮与下一级行星传动机构的系杆固接，一级系杆为主动件，终级行星传动机构的行星球齿轮接执行元件。该传动轴可根据需要受控改变空间姿态，故能连续传递扭矩。适用于需要频繁改变输出轴末端执行器空间姿态以完成作业的场合，如用于卫星太阳能电池帆板、通信天线定位指向、水下矢量推进、万向移动平台等设备中姿态控制执行机构。

Description

可控万向柔性传动轴

技术领域

本发明涉及一种姿态控制执行机构。尤其是一种可依据需要受控改变空间姿态、并能连续传递扭矩的可控万向柔性传动轴。

背景技术

无论通讯、制导还是激光探测、激光测距、矢量推进等，都要求其传动机构能够实现全方位大范围姿态指向。作为一种解决方案，人们往往首先想到的是两轴指向机构和万向联轴器，然而这种传统的传动机构受结构制约不但偏摆范围较小，机构本身的局限性也促使其难于以串连或并联方式进行扩展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有两轴指向机构和万向联轴器的缺陷，设计一种既能用来空间指向，又能传递扭矩的可控万向柔性传动轴。为航天、通信、交通、机器人、兵器等领域提供一种大范围空间运动指向机构。

本发明的技术解决方案是，所述可控万向柔性传动轴，参见图1，具有由至少二个渐开线环形球齿轮组成的传动机构，该机构利用球齿轮具有360°全方位偏摆运动的特点，使安装在从动球齿轮输出轴上的工作执行零件实现空间指向。由于单对球齿轮传动时偏摆角度理论上总是小于90°，受结构条件的限制，实际工作时单向偏摆角度往往小于60°。为获得较大范围偏摆运动，本发明可将多个渐开线环形球齿轮串联组合在一起，使每两个球齿轮组成一对行星式齿轮传动机构，其串联方式如下：

(1)、第一级行星传动机构的系杆即一级系杆与第二级行星传动机构的中心轮固定联接；第二级行星传动机构的系杆即二级系杆与第三级行星传动机构的中心轮固定联接；依此类推，即上一级行星传动的系杆与下一级行星传动的中心轮固接；

(2)、第一级行星传动机构的行星轮与二级系杆固定联接；第二级行星传动机构的行星轮则与三级系杆固定联接即上一级行星传动的行星轮与下一级行星传动机构的系杆固接，上一级行星传动机构的系杆为主动件，下一级行星传动机构的行星轮为输出偏摆角度运动的输出构件，所述一级系杆为整体传动机构的主动件，终级行星传动机构的行星球齿轮为终级输出偏摆角度运动的输出构件接外设动作执行元件。

(3)、所述一级系杆通过转动副联接有推力环，推力环上有两个球形铰接头，球形铰接头通过连杆与推拉杆铰接。推力环的中心与两个球形铰接头的球心在同一个平面内，且推力环的中心与球齿轮的中心重合。

由以上构件构成的本发明的可控万向柔性传动轴，如图1所示，是一种基于渐开线环形齿球齿轮的可控万向柔性传动轴，同时继承了万向节传动和渐开线圆柱齿轮传动的优点，使得全方位连续偏摆运动的实现成为可能。该机构的可将多个球齿轮传动机构按照一定的规律串联使用，组成一种姿态可控的柔性传动装置，这种装置具有更大的姿态运动范围。图1即为使用三对球齿轮机构串连构造而成的复杂空间轮系机构——姿态可控柔性传动装置结构示意图，经验证，该传动装置在360°全方位最大摆角可以达到126°。除去全方位偏转运动之外，该装置还有第三个运动自由度，那就是可实现绕中心轴线的自旋运动。这就保证了机构末端到达任一姿态后，还可以在保持这一姿态同时实现独立的旋转运动。若把这一装置应用于通讯、制导等用途，可以实现全方位大范围姿态指向；若用于矢量推进，则可以获得全方位的矢量推进力；若用于移动平台的移动系统，偏摆运动和自旋运动的结合将使平台同时具备轮式和腿式两种移动方式。

本发明的有益效果是，该可控万向柔性传动轴由于其运动输入轴的轴线相对固定不动，而输出轴可以根据需要受控改变空间姿态，故能连续传递扭矩。该装置适用于需要频繁改变输出轴末端执行器空间姿态以完成正常作业的场合。例如可用于卫星太阳能电池帆板、通信天线定位指向、水下矢量推进、万向移动平台等设备中姿态控制执行机构，效率高、无污染、经济实用、机动性好。

附图说明

图1是本发明可控万向柔性传动轴一个具体实施例的结构示意图，图中标示为：

1-销轴，      2-中心球齿轮轴，

3-一级系杆，  4-球齿轮，

5-销轴，      6-球齿轮，

7-二级系杆，  8-球齿轮，

9-销轴，      10-球齿轮，

11-三级系杆， 12-球齿轮，

13-销轴，     14-十字环，

15-输出轴，   16-销轴，

17-销轴，     18-十字座，

19-销轴，     20-十字座，

21-推力环，   22-球形铰接头，

23-销轴，     24-十字座，

25-安装套。

具体实施方式

参见附图1，本发明的该实施例中，三对取材不锈钢制作的相互啮合的球齿轮串联与输入轴一体构成中心球齿轮轴2，该中心球齿轮轴2可绕其轴线自转。其中球齿轮4为行星齿轮。一级系杆3连接球齿轮2和球齿轮4构成第一级行星球齿轮传动机构；球齿轮6和球齿轮8相互啮合。其中球齿轮6为中心轮，球齿轮8为行星轮，二者通过二级系杆7连接构成第二级行星球齿轮传动机构；球齿轮10和球齿轮12相互啮合。其中球齿轮10为中心轮，球齿轮12为行星轮，二者通过三级系杆11连接构成第三级行星球齿轮传动机构。上述球齿轮4与二级系杆7固接；一级系杆3与球齿轮6固接；球齿轮8与三级系杆11固接；二级系杆7与球齿轮10固接。

该实施例的十字座24有两组轴线正交的轴承孔，其中一组轴承孔通过销轴23与球齿轮2组成一个转动副；另一组轴承孔通过销轴1与一级系杆3组成另一个转动副。该实施例的十字座20亦有二组轴线正交的轴承孔，其中一组轴承孔通过销轴5与球齿轮6组成一个转动副，另一组轴承孔通过销轴19与二级系杆7也组成另一个转动副。而十字座18亦有两组轴线正交的轴承孔，其中一组轴承孔通过销轴17与球齿轮10组成一个转动副，另一组轴承孔通过销轴9与三级系杆11也组成一个转动副。

该实施例的十字环14有两组轴线正交的轴承孔，其中一组孔通过销轴16与球齿轮12组成一个转动副，另一组轴承孔通过销轴13与三级系杆11也组成一个转动副。输出轴15与球齿轮12固接。

该可控万向柔性传动轴实施例如上述由6个球齿轮、三个系杆、四个十字环通过16个销轴组合在一起，实际上包含了三个万向联轴器，其中，一级系杆3、十字座24、十字座20、销轴1、销轴5、销轴19、销轴23等零件构成了第一个万向联轴器。二级系杆7、十字座18、十字座20、销轴5、销轴9、销轴17、销轴19等零件构成了第二个万向联轴器。三级系杆11、十字环14、十字座18、销轴13、销轴16、销轴9、销轴17等零件构成了第三个万向联轴器。当球齿轮轴2绕自身轴线旋转时，相当于三个万向联轴节串联传递旋转运动，从而实现扭矩的传递。而此时各对球齿轮沿节球进行纯滚动。并由此而来，构成一个具有三重系杆的空间运动球齿轮行星轮系。整个轴系通过安装套25与基座联接在一起。一级系杆3通过转动副联接有推力环21，推力环21上有两个球形铰接头22。推力环21的中心与两个球形铰接头22的球心在同一个平面内，且推力环的中心与球齿轮的中心重合，由外设直线驱动器控制两个球铰接头的空间位置以实现推力环空间姿态的改变。

由此构成的本发明的可控万向柔性传动轴经试制试用被证明效果显著，达到了设计要求。该可控万向柔性传动轴试用记录记载，试验室试验时，外设直线驱动器有效带动推力环21绕球齿轮2的中心作定点偏摆运动，并带动一级系杆3作相同方向的偏摆运动，通过十字座19迫使行星球齿轮2产生相同方向的自转运动，从而产生一级偏转。在以上偏转的基础上，二级系杆7通过十字座17迫使行星轮8往相同方向产生自转运动，从而产生二级偏转。由此，第三级系杆亦通过十字环14迫使行星轮12往相同方向产生自转运动，从而产生三级偏转。试验表明，输出轴的最大单向偏摆角达136°。通过控制两根推拉杆不同的位移量，可使推力环21在360°范围内任意角度偏摆，从而使输出轴实现全方位偏摆，并能在保持偏摆姿态的前提下传递扭矩。即该装置具有三个运动自由度，其中两个运动自由度用来实现柔性传动轴输出端全方位偏摆，另一个用来实现旋转以传递扭矩。

Claims (1)

1.一种可控万向柔性传动轴，其特征在于，它具有由至少二个渐开线环形球齿轮组成的传动机构，该机构将多个渐开线环形球齿轮串联组合，使每两个球齿轮组成一对行星式齿轮传动机构，其串联方式如下：

(1)、第一级行星传动机构的系杆即一级系杆与第二级行星传动机构的中心轮固定联接；第二级行星传动机构的系杆即二级系杆与第三级行星传动机构的中心轮固定联接即上一级行星传动的系杆与下一级行星传动的中心轮固接；

(2)、第一级行星传动机构的行星轮与二级系杆固定联接；第二级行星传动机构的行星轮则与三级系杆固定联接即上一级行星传动的行星轮与下一级行星传动机构的系杆固接，上一级行星传动机构的系杆为主动件，下一级行星传动机构的行星轮为输出偏摆角度运动的输出构件，所述一级系杆为整体传动机构的主动件，终级行星传动机构的行星球齿轮为终级输出偏摆角度运动的输出构件接外设动作执行元件。

(3)、所述一级系杆通过转动副联接有推力环，推力环上有两个球形铰接头，球形铰接头通过连杆与推拉杆铰接。推力环的中心与两个球形铰接头的球心在同一个平面内，且推力环的中心与球齿轮的中心重合。