CN101845532A - 适应自变形构件空间自由运动的连接机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适应自变形构件空间自由运动的连接机构，其包括具有自变形特性的自由构件、支撑平台以及彼此间隔地固设在所述自由构件上的三个组合副支链与三个移动副支链。所述支撑平台围绕所述自由构件的外围中部设置，并与所述自由构件之间留有间隙；所述各组合副支链包括有两对球铰与构件连接件；所述每一对球铰均能贴合转动各形成一个球面副；所述两个球面副由所述构件连接件串联连接、对称地分布在所述支撑平台的上下两侧，所述构件连接件的上下两个端部均固接在所述自由构件上；所述各移动副支链，其一端固接在所述自由构件上，另一端滑设在所述支撑平台上形成移动副。本发明可以实现自由构件局部小位移及360°倾翻，并能适应重载工况。

Description

适应自变形构件空间自由运动的连接机构

技术领域

本发明涉及一种构件的连接机构，尤其是一种适应自变形构件空间自由运动的连接机构。

背景技术

一个机械系统一般由原动件与从动构件组成。在实际设计过程中，为了使构件之间进行连接并达到各种工况要求，往往需要对构件的连接进行特定的设计。在现有的并联结构设计中，一般通过相互连接的多条支链将一个固定平台与一个动平联接起来，通过改变支链长短及其方位来实现平台在一定空间内的运动。这种结构要求从动件是一个刚体，在不发生自变形(如受温度等进行自我膨胀与收缩等)的情况下，可以按照既定的轨迹运动。当从动构件本身具有自变形特性并在重载工况下工作时，现有的一些并联连接结构形式往往不够牢固且会产生附加约束，形成附加力，影响构件的性能及受力状态，很难满足设计要求。例如，申请号为“200510093402.1”的中国发明专利说明书中公开的一种“六自由度冗余并联机构”，其动平台(即构件)就不能实现围绕作为静平台的环形导轨进行360°的旋转，即无法实现构件的空间自由运动。而串联结构设计仅仅只能保证构件绕三个坐标轴旋转，对于具有自变形特点的构件而言，同样满足不了该构件空间自由运动的要求。因而，不同于传统连接机构的设计，对于重载工况下具有自变形特性的构件，其空间自由运动的连接机构的设计需要额外考虑以下两个方面的内容：第一，重载工况，这就要求连接机构必须牢固，且局部不能产生太大的应力集中；第二，在考虑构件的自变形特性前提下，要保证其能在空间上充分地自由运动。

发明内容

本发明的主要目的是克服现有机械系统的串、并联连接技术的不足，提供了一种适应自变形构件空间自由运动的连接机构，该机构能够实现360°倾翻功能、并且能适应重载工况。

为解决上述技术问题，一种适应自变形构件空间自由运动的连接机构，其包括具有自变形特性的自由构件、支撑平台、以及彼此间隔地固设在所述自由构件上的三个组合副支链与三个移动副支链；

所述支撑平台围绕所述自由构件的外围中部设置，并与所述自由构件之间留有间隙；

所述各组合副支链，其包括有两对球铰与构件连接件；所述每一对球铰均能相互贴合转动各形成一个球面副；所述两个球面副由所述构件连接件串联连接、对称地分布在所述支撑平台的上下两侧，所述构件连接件的上下两个端部均固接在所述自由构件上；

所述各移动副支链，其一端固接在所述自由构件上，另一端滑设在所述支撑平台上形成移动副。

所述各移动副支链滑设在所述支撑平台上的一端还固接有第一滑块，在所述第一滑块的两侧各设有一个与所述支撑平台垂直固接的导向板，所述第一滑块只能沿所述导向板在所述支撑平台上移动。

所述构件连接件包括有：

在所述支撑平台的上、下两侧对称设置的两个第一连接件，其一端与所述自由构件固接，另一端为滑槽；

两个第一球面副连接件，其与所述两个第一连接件一一对应串联连接，所述各第一球面副连接件的一端为滑设在所述滑槽中的第二滑块，所述各第一球面副连接件的另一端与所述各球面副中的一个球铰固接；

第二球面副连接件为一根连接杆，其两端与所述各球面副中的另一个球铰固接。

所述第二滑块与所述滑槽之间填有能够起位移补偿作用的弹性元件。

所述各组合副支链上还固设有第二连接件，所述第二连接件的一端固接在所述第二球面副连接件的中部，其另一端固设有第三滑块，所述第三滑块能够在所述支撑平台上自由滑动形成滑动副。

所述各球铰的中部均开设有通孔，所述构件连接件包括有长螺杆、两个构件连接板、两个支撑板及两对连接板：

所述长螺杆穿设在所述支撑平台上，其伸出所述支撑平台外的两端分别对称地依次穿设有所述一个球面副与所述一个支撑板，所述长螺杆的两个端头用螺母紧固在所述支撑板上；

所述各球面副的两个球铰中与所述支撑板相邻的球铰称为第一球铰，另一个球铰称为第二球铰，所述第二球铰中部的通孔为锥形孔；

所述各对连接板分别垂直固设在所述各支撑板的两端，所述两个构件连接板与所述两对连接板的位置一一对应、固接在所述自由构件的外侧壁面上；

穿设在所述长螺杆各端的所述构件连接板、支撑板、连接板与所述第一球铰固接在一起。

所述长螺杆伸出所述支撑平台外的两端还各穿设有一个垫板，所述垫板位于所述第二球铰相反于所述第一球铰的一侧，所述垫板在其对应于所述长螺杆贯穿的部位开设有锥形孔。

在所述垫板与所述第二球铰之间、以及在所述螺母与所述支撑板之间分别设有弹性元件。

所述三个组合副支链呈120°分布；所述三个移动副支链中有两个是呈180°分布，另一个移动副支链与前两个移动副支链均呈90°分布。

本发明连接机构中球面副、移动副及滑动副的串并联组合，使其在适应重载工况的同时，还能够实现自由构件和支撑平台围绕两个呈180°的移动副的中心线自由转动360°，以及在其他方向上小距离的移动或转动，并能保证自由构件与支撑平台的良好连接。

附图说明

图1为本发明的机构简图。

图2为沿图1中A-A向的结构示意图。

图3为沿图1中B-B向的结构示意图。

图4为本发明的第一实施例示意图。

图5为本发明的第二实施例示意图。

图6为沿图5中C向的结构示意图。

图7为图6中A的局部放大示意图。

图8为图6中B的局部放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地详细说明。

如图1所示，本发明适应自变形构件空间自由运动的连接机构，其包括自由构件1、支撑平台2、以及彼此间隔地固设在所述自由构件1上的三个组合副支链3与三个移动副支链4。其中，三个组合副支链3呈120°分布；三个移动副支链4中有两个是呈180°分布，而另一个移动副支链4与前两个移动副支链4均呈90°分布。支撑平台2可以为一个平台或是多个平台，自由构体1具有自变形特性。

如图2所示，支撑平台2围绕自由构件1的外围中部设置，并与自由构件1之间留有间隙。各组合副支链3包括有两对球铰与构件连接件，每一对球铰均能相互贴合转动各形成一个球面副30。两个球面副30由构件连接件串联连接、对称地分布在支撑平台2的上下两侧，构件连接件的上下两个端部均固接在自由构件1上。两个球面副30保持同心，并可将其中一个视为虚约束。如图3所示，各移动副支链4，其一端固接在自由构件1上，另一端滑设在支撑平台2上形成移动副。自由构件1与支撑平台2通过组合副支链3、移动副支链4连接起来，其中球面副30使自由构件1能局部转动。

在图4所示的第一实施例中，各移动副支链4其滑设在支撑平台2上的一端还固接有第一滑块41，在第一滑块41的两侧各设有一个与支撑平台2垂直固接的导向板42，形成具有导向功能的U型槽结构，使第一滑块41只能沿导向板42在支撑平台2上移动，从而具有两个方向的空间自由度。

构件连接件包括有两个第一连接件31、两个第一球面副连接件32和一个第二球面副连接件33。两个第一连接件31在支撑平台2的上、下两侧对称设置，并且其一端与自由构件1固接，另一端为滑槽(图未示出)。各第一球面副连接件32的一端为第二滑块(图未示出)，该第二滑块滑设在第一连接件31的滑槽中，使得两个第一球面副连接件32与两个第一连接件31一一对应地串联连接。在第二滑块与滑槽之间还填充有弹性元件36(如四波纹垫等)，能够起到轴向变形或位移补偿的作用，从而自由构件1可以实现沿其轴向进行小行程的自由伸缩。而各第一球面副连接件32的另一端，则与球面副30中的一个球铰固接。第二球面副连接件33为一根连接杆，其两端与各球面副30中的另一个球铰固接。

各组合副支链3上还固设有第二连接件35，第二连接件35的一端固接在第二球面副连接件33的中部，其另一端固设有第三滑块34，第三滑块34能够在支撑平台2上自由滑动形成滑动副。各组合副支链3中的滑动副可在支撑平台2上沿两个方向自由滑动，具有三个方向的空间自由度。

当自由构件1位于垂直状态时，球面副30、第一滑块41和第三滑块34承受着各部件的重力，系统是稳定的。当自由构件1与支撑平台2一起转动并与垂直状态呈一定角度(＜90°)时，此时球面副30、第一滑块41和第三滑块34承受着各部件的重力沿自由构件1轴向的分力，两呈180°分布的移动副支链4中的导向板42承受重力沿支撑平台2平面方向的分力，使整个机构能尽量避免让球面副30承受剪应力，从而较好地延长了球铰的使用寿命。当自由构件1与支撑平台2一起转动到水平位置(＝90°)时，此时球面副30不再承受载荷，自由构件1的载荷将全部由两呈180°分布的移动副支链4中的导向板42承受重力。当自由构件1与支撑平台2一起继续转动(＞90°)时，由于本发明的连接结构具有上下对称性，此时受力状态与小于90°时相似，只是受力点发生了变化。

当自由构件1上部发生周向的膨胀或收缩时，各连接点就会相应地将通过球面副30进行补偿性地适应。由于球面副30可以在空间自由转动，本发明连接机构上部的三个球面副30可以适应来自三个连接点的任意转动方向的变化。当自由构件1上部发生轴向的膨胀或收缩时，组合副支链3上带有弹性元件36的滑槽就可以进行轴向补偿，从而适应自由构件1轴向位移的变化。当自由构件1下部发生周向和轴向的膨胀或收缩时，本发明连接机构的适应效果与上部相同。当上部与下部的变形难以利用球面副30的旋转进行补偿时，自由构件1可以通过第三滑块34在支撑平台8上自由移动，通过改变自由构件1与支撑平台2之间的间隙，可以在局部上加强球面副30的补偿效果。当自由构件1中部发生向外的膨胀或向内的收缩时，通过第三滑块34与支撑平台2之间的滑动(即滑动副)，可以适应这种自变形的要求。

此外，对于各球面副30的两个球铰，可在其中部开设通孔；而图4所示的实施例中的构件连接件，也可变换为如图5所示的结构。图5所示的第二实施例反映的是冶金行业中转炉炉壳(即自由构件1)与托圈(即支撑平台2)的连接。如图5至图8所示，在本实施例中，构件连接件包括有两个构件连接板311、两个支撑板312、两对连接板313及长螺杆321。

长螺杆321穿设在所述支撑平台2上，其伸出支撑平台2外的两端分别对称地依次穿设有所述一个球面副30与一个支撑板312。长螺杆321的两个端头用螺母331紧固在所述支撑板312上，为加强紧固还可在螺母331上加设一个锁紧螺母331’。各球面副30的两个球铰中与支撑板312相邻的球铰称为第一球铰301，另一个球铰称为第二球铰302。第二球铰302中部的通孔为锥形孔，通过长螺杆321的摆动完成球面副30的转动。各对连接板313分别垂直固设在各支撑板312的两端，两个构件连接板311与两对连接板313的位置一一对应、固接在自由构件1的外侧壁面上。其中，穿设在长螺杆321各端的构件连接板311、支撑板312、连接板313与第一球铰301固接在一起。

长螺杆321伸出支撑平台2外的两端还各穿设有一个垫板341，垫板341位于第二球铰302相反于第一球铰301的一侧，且垫板341在其对应于长螺杆321贯穿的部位开设有锥形孔，使其可以在支撑平台2面上进行自由滑动，形成滑动副。在垫板341与第二球铰302之间、以及在螺母331与支撑板312之间各设有弹性元件。如图8所示，可在垫板341与第二球铰302之间设置第一波纹垫351，在螺母331与支撑板312之间设置第二波纹垫352。

当在进行正常的吹炼时，转炉炉壳(即自由构件1)在垂直位置，托圈(即支撑平台2)处于水平位置，主要由上部的第一球铰301、第二球铰302、以及转炉炉壳上伸入水平挡板42’(即导向板42)内的部分(即移动副支链4)来承受钢水与各部件的重力；而下部的具有一定弹性的第一波纹垫351和第二波纹垫352则不受力，延长了其使用寿命。当转炉炉壳进行绕托圈的中心轴倾动翻转时，其受力及各点相适应的过程同第一实施例所述。当转炉炉壳沿轴向向上变形时，第一波纹垫351起补偿作用；当向下变形时，第二波纹垫352起补偿作用，两者的补偿功能使球面副30发挥更好的作用。

本发明的适应自变形构件空间自由运动的连接机构，其实质就是利用空间运动副的串、并联组合来实现自由构件的空间自由运动，其主要优点在于：1)该机构能使中间活动构件上的各部分都能适应其自变形特点，不产生额外约束；2)该机构能通过支撑平台的旋转带动中间活动构件的空间360°自由旋转，连接牢固且局部没有太大的应力集中现象；3)该连接机构具有结构紧凑，承载能力强，现场安装方便和使用维护少等特点。

当然本发明并不局限于上述实施方式，任何根据本发明的精髓所做出的其他形式的变形(例如将各个布置点的角度进行变换等)，均应落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适应自变形构件空间自由运动的连接机构，其特征在于，其包括具有自变形特性的自由构件(1)、支撑平台(2)、以及彼此间隔地固设在所述自由构件(1)上的三个组合副支链(3)与三个移动副支链(4)；

所述支撑平台(2)围绕所述自由构件(1)的外围中部设置，并与所述自由构件(1)之间留有间隙；

所述各组合副支链(3)，其包括有两对球铰与构件连接件；所述每一对球铰均能相互贴合转动各形成一个球面副(30)；所述两个球面副(30)由所述构件连接件串联连接、对称地分布在所述支撑平台(2)的上下两侧，所述构件连接件的上下两个端部均固接在所述自由构件(1)上；

所述各移动副支链(4)，其一端固接在所述自由构件(1)上，另一端滑设在所述支撑平台(2)上形成移动副。

2.如权利要求1所述的适应自变形构件空间自由运动的连接机构，其特征在于，所述各移动副支链(4)滑设在所述支撑平台(2)上的一端还固接有第一滑块(41)，在所述第一滑块(41)的两侧各设有一个与所述支撑平台(2)垂直固接的导向板(42)，所述第一滑块(41)只能沿所述导向板(42)在所述支撑平台(2)上移动。

3.如权利要求1所述的适应自变形构件空间自由运动的连接机构，其特征在于，所述构件连接件包括有：

在所述支撑平台(2)的上、下两侧对称设置的两个第一连接件(31)，其一端与所述自由构件(1)固接，另一端为滑槽；

两个第一球面副连接件(32)，其与所述两个第一连接件(31)一一对应串联连接，所述各第一球面副连接件(32)的一端为滑设在所述滑槽中的第二滑块，所述各第一球面副连接件(32)的另一端与所述各球面副(30)中的一个球铰固接；

第二球面副连接件(33)为一根连接杆，其两端与所述各球面副(30)中的另一个球铰固接。

4.如权利要求3所述的适应自变形构件空间自由运动的连接机构，其特征在于，所述第二滑块与所述滑槽之间填有能够起到位移补偿作用的弹性元件(36)。

5.如权利要求3所述的适应自变形构件空间自由运动的连接机构，其特征在于，所述各组合副支链(3)上还固设有第二连接件(35)，所述第二连接件(35)的一端固接在所述第二球面副连接件(33)的中部，其另一端固设有第三滑块(34)，所述第三滑块(34)能够在所述支撑平台(2)上自由滑动形成滑动副。

6.如权利要求1所述的适应自变形构件空间自由运动的连接机构，其特征在于，所述各球铰的中部均开设有通孔，所述构件连接件包括有长螺杆(321)、两个构件连接板(311)、两个支撑板(312)及两对连接板(313)：

所述长螺杆(321)穿设在所述支撑平台(2)上，其伸出所述支撑平台(2)外的两端分别对称地依次穿设有所述一个球面副(30)与所述一个支撑板(312)，所述长螺杆(321)的两个端头用螺母(331)紧固在所述支撑板(312)上；

所述各球面副(30)的两个球铰中与所述支撑板(312)相邻的球铰称为第一球铰(301)，另一个球铰称为第二球铰(302)，所述第二球铰(302)中部的通孔为锥形孔；

所述各对连接板(313)分别垂直固设在所述各支撑板(312)的两端，所述两个构件连接板(311)与所述两对连接板(313)的位置一一对应、固接在所述自由构件(1)的外侧壁面上；

穿设在所述长螺杆(321)各端的所述构件连接板(311)、支撑板(312)、连接板(313)与所述第一球铰(301)固接在一起。

7.如权利要求6所述的适应自变形构件空间自由运动的连接机构，其特征在于，所述长螺杆(321)伸出所述支撑平台(2)外的两端还各穿设有一个垫板(341)，所述垫板(341)位于所述第二球铰(302)相反于所述第一球铰(301)的一侧，所述垫板(341)在其对应于所述长螺杆(321)贯穿的部位开设有锥形孔。

8.如权利要求7所述的适应自变形构件空间自由运动的连接机构，其特征在于，在所述垫板(341)与所述第二球铰(302)之间、以及在所述螺母(331)与所述支撑板(312)之间分别设有弹性元件(351、352)。

9.如权利要求1至8任一所述的适应自变形构件空间自由运动的连接机构，其特征在于，所述三个组合副支链(3)呈120°分布。

10.如权利要求1至8任一所述的适应自变形构件空间自由运动的连接机构，其特征在于，所述三个移动副支链(4)中有两个是呈180°分布，而另一个移动副支链(4)与前两个移动副支链(4)均呈90°分布。

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