CN101852243B - 一种cac轴复合化铰链 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械技术领域，特别涉及一种用于可重构并联机床的CAC轴复合化铰链，该铰链机构既可以通过CAC三轴的复合转动实现球铰链功能，也可通过CA轴的复合转动实现虎克铰链功能。该复合化铰链由两组C轴转动单元和一组A轴转动单元组成，所述两组C轴转动单元由所述A轴转动单元连接起来；C轴转动单元各由一组推力球轴承来实现转动，A轴转动单元由深沟球轴承来实现转动。当两组C轴转动单元均处于活动状态时，A轴转动单元和其中一组C轴转动单元复合实现绕A轴和绕B轴的转动运动，另外一组C轴转动单元实现绕C轴的转动运动，从而实现绕A、B、C轴转动的球铰链功能。当其中一组C轴转动单元锁死时，所述CAC轴复合化铰链变为CA轴虎克铰链。

Description

一种CAC轴复合化铰链
技术领域
本发明属于机械技术领域，特别涉及一种具有可重构、复合化和高刚度的用于可重构并联机床的CAC轴复合化铰链。
背景技术
并联机构具有高刚度、高承载能力、高动态性能、高速度、结构紧凑等特点，可广泛应用于飞行模拟器、装配作业、机械加工、医疗康复等领域，已成为国际上备受关注的研究领域之一。但是，由于受铰约束、杆长约束、支链干涉、奇异位形等因素的影响，其有效工作空间受到很大限制，动平台的活动空间不大，且不如串联机器人的手部灵活。因此，在机器人尺寸参数确定的情况下，铰约束便成了限制其工作空间的关键因素。
在并联机构中，常用的铰链有2自由度的虎克铰链和3自由度的球铰链。从机构学的角度来看，2自由度的虎克铰为可实现2方向转动运动的铰链，也就是可以同时绕X轴和Y轴转动的铰链，工厂生产的虎克铰链也是按照这个原理来生产的，通常称为AB轴虎克铰链。3自由度的球铰链为可实现3方向转动运动的铰链，也就是可以同时绕X轴、Y轴和Z轴转动的铰链，工厂生产的铰链有2种，一种是通过固定在一个球窝里的球来实现三方向转动，另一种是采用三个分别绕X、Y和Z轴转动的轴来实现三方向运动，通常称为ABC轴球铰。不管是AB轴虎克铰链还是ABC轴球铰，其体积都较大，转角范围较小，不适合于要求大范围转角运动的装置。但是，机构中不同轴线的复合转动功能是可以互相转化的，也就是AB轴的运动是可以通过CA轴来复合出来的，目前数控机床主轴转台就有2种，一种为AB轴转台，一种为CA轴转台，两者最终都是实现了完全相同的2方向摆头运动，也就是实现了绕X轴和绕Y轴的运动。
鉴于在可重构并联机床的应用需求和已有铰链的不足，本发明主要通过取消原有球铰链中的B轴转动运动，但增加一个C轴转动运动，来实现虎克铰和球铰链的功能，达到扩大铰链转角范围和缩小铰链体积的目标。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有可重构、大转角和高刚度的用于可重构并联机床的连接铰链，即CAC轴复合化铰链。
本发明的技术方案是：该复合化铰链由两组C轴转动单元和一组A轴转动单元组成，其中所述两组C轴转动单元由所述A轴转动单元连接起来；所述C轴转动单元各由一组推力球轴承来实现转动，而A轴转动单元由深沟球轴承来实现转动。
所述两组C轴转动单元均处于活动状态时，A轴转动单元和其中一组C轴转动单元复合实现绕A轴和绕B轴的转动运动，另外一组C轴转动单元实现绕C轴的转动运动，从而实现绕A、B、C轴转动的球铰链功能。所述两组C轴转动单元的推力球轴承轴线不共线，否则上述两组轴承复合实现绕C轴的转动，使其变为仅具有A、C两个自由度转动的虎克铰链。
所述其中一组C轴转动单元锁死时，A轴转动单元实现绕A轴的转动运动，活动的C轴转动单元实现绕C轴的转动运动，所述CAC轴复合化铰链变为CA轴虎克铰链。
本发明的有益效果为：
(1)采用CAC轴的结构设计取代了原有铰链的ABC轴结构设计，使铰链结构更加简单，紧凑，转角范围更大大，从而满足并联机构的应用特点。
(2)该铰链既可以实现三自由度的球铰链功能，也可以实现两自由度的虎克铰链功能，可以更好地应用手可重构机构中，并且两种功能转换操作方便可行。
(3)由于并联机构每个支链仅受轴向力作用，可以使用深沟球轴承和推力球轴承来实现转动，刚度高，润滑容易。
附图说明
图1(a)和图1(b)分别为一种CAC复合化球铰链的主视剖视图和俯视剖视图；
图2(a)和图2(b)分别为一种CA复合化虎克铰链的主视剖视图和俯视剖视图。
图中标号：
1-左挡板；2-左短轴；31-左侧推力球轴承；32-右侧推力球轴承；4-支座；5-轴承端盖；6-中间短轴；7-深沟球轴承；8-右挡板；9-右短轴；10-固定挡板。
具体实施方式
本发明提供了一种CAC轴复合化铰链，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
图1(a)和图1(b)分别为一种CAC复合化球铰链的主视剖视图和俯视剖视图。左挡板1、左短轴2、以及左侧推力球轴承31组成了左侧C轴转动单元；支座4、轴承端盖5、中间短轴6和深沟球轴承7组成了A轴转动单元；右挡板8、右短轴9及右侧推力球轴承32组成了右侧C轴转动单元。两组C轴转动单元分别通过两端的左挡板1和右挡板8将铰链连接到动/静平台和支链上，通过螺钉与动/静平台和支链固定，并用圆螺母锁紧。
当左侧推力球轴承31和右侧推力球轴承32均不被锁死时，该复合化铰链为球铰链，可实现绕A、B、C轴转动的三个自由度。此时，处于中间的由深沟球轴承7组成的A轴转动单元与任意一组C轴转动单元配合，复合实现绕A、B轴转动运动的功能，而另一组C轴转动单元实现绕C轴转动运动的功能，并最终等效实现ABC轴球铰链的运动功能。为了能够实现球铰链的功能，在安装时，左侧推力球轴承31和右侧推力球轴承32的轴线不能共线，否则两组推力球轴承复合实现绕C轴的转动，使该复合化铰链其变为仅具有A、C两个自由度转动的虎克铰链。
实施例2
图2(a)和图2(b)分别为一种CA复合化虎克铰链的主视剖视图和俯视剖视图。与实施例1相比，本例中将任意一侧的C轴转动单元用不能转动的固定挡板10代替，使复合化铰链失去一个自由度。此时，位于中间的由深沟球轴承7组成的A轴转动单元与另外一组可活动的C轴转动单元，分别实现绕A轴和C轴转动运动的功能，并最终实现CA轴虎克铰链的运动功能。

Claims (2)

1.一种CAC轴复合化铰链，其特征在于，该复合化铰链由两组C轴转动单元和一组A轴转动单元组成，其中所述两组C轴转动单元由所述A轴转动单元连接起来；所述C轴转动单元各由一组推力球轴承来实现转动，而A轴转动单元由深沟球轴承来实现转动；所述两组C轴转动单元均处于活动状态时，A轴转动单元和其中一组C轴转动单元复合实现绕A轴和绕B轴的转动运动，另外一组C轴转动单元实现绕C轴的转动运动，从而实现绕A、B、C轴转动的球铰链功能；且所述两组C轴转动单元的推力球轴承轴线不共线。
2.根据权利要求1所述的一种CAC轴复合化铰链，其特征在于，所述其中一组C轴转动单元锁死时，A轴转动单元实现绕A轴的转动运动，活动的C轴转动单元实现绕C轴的转动运动，所述CAC轴复合化铰链变为CA轴虎克铰链。
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