CN103244815A - 八面体桁架单元变几何桁架主动节点 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种八面体单元变几何桁架主动节点，包括节点轴芯（1）、主连接环（2）、球形轴承和保持架（3）、耳板型主动杆连接套环（4）、螺丝型主动杆连接套环（5）、被动杆半球型轴承座（6）、第一滚针轴承（7）、第二滚针轴承（8）、小球型轴承（9）、圆形轴承座（10）、轴承座盖板环（11）、细螺丝（12）、被动杆端连接螺丝（13）、轴芯细牙连接螺丝（14）、细牙螺丝（15），八面体单元变几何桁架主动节点为圆柱体半球组合紧凑构型，上下中面对称和角平分线对称。
Description
技术领域
本发明涉及结构机构工程技术领域的变几何桁架节点，尤其涉及一种八面体桁架单元变几何桁架主动节点。
背景技术
八面体桁架单元由12根杆、6个节点构成空间恰定体系，既无超静定也无内部机构，因此，八面体桁架单元是构造大型复杂结构体系、空间伸展机构、操控机构的有效基本桁架单元。当八面体桁架单元各面边棱长相等时称为正八面体桁架单元。八面体桁架单元六个侧棱设置为主动杆，此为著名的Stewart平台，主动杆可大幅伸缩或具有快速响应的微小伸缩，用于跟踪机构、减振隔振机构。八面体桁架单元顶或底面三棱设置为主动杆，此为变几何桁架单元（Variable Geometry Truss,VGT），变几何桁架单元串联可构成伸展臂或操控机构，可在中部各层或间隔一层设置主动器成为主动杆、侧棱全定长为被动杆、顶和底为定长杆，以较少主动器实现机构灵活、运动空间大、收纳率大、结构机构重量轻、刚度大等优点。
陈务军、关富玲、陈向阳等著的“正八面体单元伸展臂研究”（宇航学报，1999，20（2）：41-47）研究了正八面体桁架单元机构几何分析方法与特征。
陈务军、董石麟、付功义等著的“一高刚性同步展开空间伸展臂设计研究”（2000年中国博士后学术大会论文集，北京：科学出版社）研究了三棱桁架构成高刚性同步伸展的伸展臂。
陈务军、付功义、何艳丽等著的“八面体桁架单元及其派生系所构成的空间伸展臂”（上海交通大学学报（自然科学版），2001，35（4）：509-513）研究了正八面体桁架单元特征、八面桁架单元衍生单元及构成伸展臂，以及基本结构特性分析。
陈务军、张淑杰著的“空间可展结构体系与分析导论”（中国宇航出版社，2006.3）研究介绍了包含八面体桁架单元的展开结构体系与分析理论。
目前国内仅有概念、理论、分析研究，并无具体节点技术研究。
CHEN Wu-jun、LUO Yao-zhi、FU Gong-y等著的“A study on space mastsbased on octahedral truss family”（International Journal of SpaceStructures,2001,16(1)：19-26）研究了八面体桁架单元系的几何、结构特征。
CHEN Wu-jun、LUO Yao-zhi、FU Gong-yi著的“Design conception anddeployment simualation for a highly synchronized extendable/retractable space mast”（International Journal of Space Structures,2001,16(4)：261-269）研究了同步伸展臂结构机构、节点实现、展开动力学分析方法。
Stephen Oliver Oikawa著的“Design and Construction of a four-BayVariable-Geometry-Truss Manipulator”（University of Toronto,1995）研制了以串联转动副构成节点系的八面体单元变几何桁架，并进行了运动学、运动力学分析理论研究，研制的节点大、刚度小、运动精度低。
Luis M.Macareno、Josu Agirrebeitia、Carlos Angulo等著的“FEMsubsystem replacement techniques for strength problems in variablegeometry trusses”（Finite Elements in Analysis and Design,2008,44:346-357）研制了八面体桁架单元样机、提出了紧凑型组合节点、进行了非线性分析与试验研究，但研制节点简单，摩擦力大、精度低。
这些设计与研究表明了八面体桁架单元变几何桁架主动节点存在节点大、刚度小、摩擦力大、精度低等缺点，因此，本领域的技术人员致力于开发一种新型八面体桁架单元变几何桁架主动节点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种八面体单元变几何桁架主动节点，以克服现有八面体单元存在的上述不足。
本发明提供了一种八面体单元变几何桁架主动节点，为圆柱体半球组合构型，包括节点轴芯（1）、主连接环（2）、球形轴承和保持架（3）、耳板型主动杆连接套环（4）、螺丝型主动杆连接套环（5）、被动杆半球型轴承座（6）、第一滚针轴承（7）、第二滚针轴承（8）、小球型轴承（9）、圆形轴承座（10）、轴承座盖板环（11）、细螺丝（12）、被动杆端连接螺丝（13）、轴芯细牙连接螺丝（14）、细牙螺丝（15），第一滚针轴承（7）过盈连接节点轴芯（1），螺丝型主动杆连接套环（5）过盈连接第一滚针轴承（7）；第二滚针轴承（8）过盈连接节点轴芯（1），耳板型主动杆连接套环（4）过盈连接第二滚针轴承（8）；球形轴承和保持架（3）端面连接耳板型主动杆连接套环（4）和螺丝型主动杆连接套环（5）的端面轴承滚道，另一个球形轴承和保持架（3）端面连接耳板型主动杆连接套环（4）和主连接环（2）的端面轴承滚道。轴芯细牙连接螺丝（14）过孔间隙连接主连接环（2），4个细牙螺丝（15）连接被动杆半球型轴承座（6），四个细螺丝（15）背向沉孔连接被动杆半球型轴承座（6）和主连接环（2），轴芯细牙连接螺丝（14）穿主连接环（2）内通孔连接节点轴芯（1）；小球型轴承（9）连接圆形轴承座（10），圆形轴承座（10）过盈嵌入被动杆半球型轴承座（6），轴承座盖板环（11）由4个细螺丝（12）连接被动杆半球型轴承座（6）；被动杆端连接螺丝（13）过盈连接小球型轴承（9）；螺丝型主动杆连接套环（5）和耳板型主动杆连接套环（4）能够绕节点轴芯（1）自由转动，被动杆端连接螺丝（13）能够绕小球型轴承（9）轴心自由转动。；所述八面体单元变几何桁架主动节点竖向关于中面对称和水平关于角平分线对称，即平面关于耳板型主动杆连接套环（4）和螺丝型主动杆连接套环（5）夹角垂直平分面对称，在竖向高度上关于螺丝型主动杆连接套环（5）中心水平截面对称。
进一步地，节点轴芯（1）两端有方凸台，限制被动杆半球型轴承座（6）和连接主连接环（2）转动；节点轴芯（1）两端内孔为细牙螺丝，通过轴芯细牙连接螺丝（14）连接被动杆半球型轴承座（6）。
进一步地，被动杆半球型轴承座（6）上部为半球体，下部为圆柱体，内部中心为圆柱加圆锥孔，半球体的被动杆端连接螺丝连接背向120°扣孔减重，半球体顶切平并钻圆孔减重和安装，沿半球体的被动杆端连接螺丝连接方向有两平面，两平面与圆柱体横截面夹角均为57°，在两平面和半球体连接处向半球体垂直钻孔，安装小球型轴承（9）与圆形轴承座（10）。
进一步地，所述细螺丝（12）为M1.6，所述被动杆端连接螺丝（13）为M5，所述轴芯细牙连接螺丝（14）为M8，所述细牙螺丝（15）为M3。
本发明针对现有的八面体桁架单元变几何桁架节点技术不足，提供了一种新型八面体桁架单元变几何桁架主动节点，其连接两个可伸缩变长主动杆、四个定长被动杆，且具有节点小、运动灵活、高强度、轻质、低摩擦、高精度的优点。
本发明充分利用正八面体桁架特殊拓扑、机构综合特点，实现新型主动节点紧凑、轻质、精密，可应用于航天空间可展结构机构、操控机构、跟踪机构，以及工业控制机构。
附图说明
图1为本发明的较佳实施例中的八面体单元变几何桁架主动节点主视图。
图2为图1中的八面体单元变几何桁架主动节点俯视图。
图3为图1中的八面体单元变几何桁架主动节点三维透视图。
图4为图1中的八面体单元变几何桁架主动节点分解三维透视图。
在附图中，1为节点轴芯，2为主连接环，3为球形轴承和保持架，4为耳板型主动杆连接套环，5为螺丝型主动杆连接套环，6为被动杆半球型轴承座，7为第一滚针轴承，8为第二滚针轴承，9为小球型轴承，10为圆形轴承座，11为轴承座盖板环，12为细螺丝，13为被动杆端连接螺丝，14为轴芯细牙连接螺丝，15为细牙螺丝。
具体实施方式
以下结合附图对本发明较佳实施例的技术方案作进一步描述。
图1为本发明一个较佳实施例的八面体单元变几何桁架主动节点剖视图。如图1所示，本实施例提供的八面体单元变几何桁架主动节点包括节点轴芯1、主连接环2、球形轴承和保持架3、耳板型主动杆连接套环4、螺丝型主动杆连接套环5、被动杆半球型轴承座6、第一滚针轴承7、第二滚针轴承8、小球型轴承9、圆形轴承座10、轴承座盖板环11、细螺丝12、被动杆端连接螺丝M513、轴芯细牙连接螺丝14、细牙螺丝15。第一滚针轴承7过盈连接节点轴芯1，螺丝型主动杆连接套环5过盈连接第一滚针轴承7。第二滚针轴承8过盈连接节点轴芯1，耳板型主动杆连接套环4过盈连接第二滚针轴承8。球形轴承和保持架3端面连接耳板型主动杆连接套环4和螺丝型主动杆连接套环5的端面轴承滚道，另一个球形轴承和保持架3端面连接耳板型主动杆连接套环4和主连接环2的端面轴承滚道。轴芯细牙连接螺丝14过孔间隙连接主连接环2，4个细牙螺丝15连接被动杆半球型轴承座6，轴芯细牙连接螺丝14连接节点轴芯1。小球型轴承9连接圆形轴承座10，圆形轴承座10过盈嵌入被动杆半球型轴承座6，圆形轴承座10垂直被动杆半球型轴承座6的切削面，切削面与水平面夹角57°，轴承座盖板环11由4个细螺丝12连接被动杆半球型轴承座6，被动杆端连接螺丝13过盈小球型轴承9。八面体单元变几何桁架主动节点全部零件关于螺丝型主动杆连接套环5中心水平截面对称。螺丝型主动杆连接套环5和耳板型主动杆连接套环4能够绕节点轴芯1自由转动。被动杆端连接螺丝M513能够绕小球型轴承9轴心在-30°～+30°锥面自由转动。
图2为本发明一个较佳实施例的八面体单元变几何桁架主动节点俯视图。图2中示出了耳板型主动杆连接套环4、螺丝型主动杆连接套环5、被动杆半球型轴承座6、轴承座盖板环11、细螺丝12、被动杆端连接螺丝13、轴芯细牙连接螺丝14。耳板型主动杆连接套环4和螺丝型主动杆连接套环5初始夹角60°，随主动杆伸缩夹角在30°～120°变化。轴承座盖板环11由4个细螺丝12连接被动杆半球型轴承座6，被动杆端连接螺丝13过盈小球型轴承9。被动杆半球型轴承座6连接两个被动杆端连接螺丝13的切削面夹角120°，角平分线背向120°范围的半球体扣除。轴芯细牙连接螺丝14连接被动杆半球型轴承座6。八面体单元变几何桁架主动节点关于耳板型主动杆连接套环4和螺丝型主动杆连接套环5夹角平分线对称。
图3为本发明一个较佳实施例的八面体单元变几何桁架主动节点三维透视图。图3示出了主连接环2、耳板型主动杆连接套环4、螺丝型主动杆连接套环5、被动杆半球型轴承座6、轴承座盖板环11、细螺丝12、被动杆端连接螺丝13。螺丝型主动杆连接套环5上下对称连接耳板型主动杆连接套环4，耳板型主动杆连接套环4连接主连接环2，主连接环2连接被动杆半球型轴承座6，轴承座盖板环11由4个细螺丝12连接被动杆半球型轴承座6，被动杆端连接螺丝13过盈小球型轴承9。八面体单元变几何桁架主动节点平面关于耳板型主动杆连接套环4和螺丝型主动杆连接套环5夹角垂直平分面对称，在竖向高度上关于螺丝型主动杆连接套环5中心水平截面对称。
图4为八面体单元变几何桁架主动节点分解三维透视图。如图4所示，本实施例提供的八面体单元变几何桁架主动节点包括节点轴芯1、主连接环2、球形轴承和保持架3、耳板型主动杆连接套环4、螺丝型主动杆连接套环5、被动杆半球型轴承座6、第一滚针轴承7、第二滚针轴承8、小球型轴承9、圆形轴承座10、轴承座盖板环11、细螺丝12、被动杆端连接螺丝13、轴芯细牙连接螺丝14、细牙螺丝15。第一滚针轴承7过盈连接节点轴芯1，螺丝型主动杆连接套环5过盈连接第一滚针轴承7。第二滚针轴承8过盈连接节点轴芯1，耳板型主动杆连接套环4过盈连接第二滚针轴承8。球形轴承和保持架3端面连接耳板型主动杆连接套环4和螺丝型主动杆连接套环5的端面轴承滚道，另一个球形轴承和保持架3端面连接耳板型主动杆连接套环4和主连接环2的端面轴承滚道。轴芯细牙连接螺丝14过孔间隙连接主连接环2，4个细牙螺丝15连接被动杆半球型轴承座6，4个细牙螺丝15位于耳板型主动杆连接套环4和螺丝型主动杆连接套环5角平分线坐标系，轴芯细牙连接螺丝14连接节点轴芯1。小球型轴承9连接圆形轴承座10，圆形轴承座10过盈嵌入被动杆半球型轴承座6，轴承座盖板环11由4个细螺丝12连接被动杆半球型轴承座6，4个细螺丝12位于轴承座盖板环11正视坐标系。被动杆端连接螺丝13过盈连接小球型轴承9。八面体单元变几何桁架主动节点上下关于螺丝型主动杆连接套环5中面对称、平面关于耳板型主动杆连接套环4和螺丝型主动杆连接套环5夹角平分线对称。螺丝型主动杆连接套环5和耳板型主动杆连接套环4能够绕节点轴芯1自由转动。被动杆端连接螺丝13能够绕小球型轴承9轴心在-30°～+30°锥面自由转动。
本发明的零件尺寸、材料选择、工艺设计针对具体应用确定，材料采用高强合金钢、钛合金，轴承配合精度为H5～H8，零件表面为1.6～3.2级，第一滚针轴承7、第二滚针轴承8、小球型轴承9可以采用标准零件，与其连接的零件配合设计。针对空间应用节点零件表面可以进行防热处理和耐高低温处理。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种八面体单元变几何桁架主动节点，其特征在于，所述八面体单元变几何桁架主动节点为圆柱体半球组合构型，包括节点轴芯（1）、主连接环（2）、球形轴承和保持架（3）、耳板型主动杆连接套环（4）、螺丝型主动杆连接套环（5）、被动杆半球型轴承座（6）、第一滚针轴承（7）、第二滚针轴承（8）、小球型轴承（9）、圆形轴承座（10）、轴承座盖板环（11）、细螺丝（12）、被动杆端连接螺丝（13）、轴芯细牙连接螺丝（14）、细牙螺丝（15），第一滚针轴承（7）过盈连接节点轴芯（1），螺丝型主动杆连接套环（5）过盈连接第一滚针轴承（7）；第二滚针轴承（8）过盈连接节点轴芯（1），耳板型主动杆连接套环（4）过盈连接第二滚针轴承（8）；第一个球形轴承和保持架（3）端面连接耳板型主动杆连接套环（4）和螺丝型主动杆连接套环（5）的端面轴承滚道，第二个球形轴承和保持架（3）端面连接耳板型主动杆连接套环（4）和主连接环（2）的端面轴承滚道；轴芯细牙连接螺丝（14）过孔间隙连接主连接环（2），细牙螺丝（15）连接被动杆半球型轴承座（6）和主连接环（2），轴芯细牙连接螺丝（14）穿主连接环（2）内通孔连接节点轴芯（1）；小球型轴承（9）连接圆形轴承座（10），圆形轴承座（10）过盈嵌入被动杆半球型轴承座（6），轴承座盖板环（11）由细螺丝（12）连接被动杆半球型轴承座（6）；被动杆端连接螺丝（13）过盈连接小球型轴承（9）；螺丝型主动杆连接套环（5）和耳板型主动杆连接套环（4）能够绕节点轴芯（1）自由转动，被动杆端连接螺丝（13）能够绕小球型轴承（9）轴心自由转动；所述八面体单元变几何桁架主动节点竖向关于中面对称和水平关于角平分线对称，即俯视平面图关于耳板型主动杆连接套环（4）和螺丝型主动杆连接套环（5）夹角垂直平分面对称，在正视图竖向高度上关于螺丝型主动杆连接套环（5）中心水平截面对称。
2.根据权利要求1所述的八面体单元变几何桁架主动节点，其特征在于节点轴芯（1）两端有方凸台，限制被动杆半球型轴承座（6）和连接主连接环（2）转动；节点轴芯（1）两端内孔为细牙螺丝孔，通过轴芯细牙连接螺丝（14）连接被动杆半球型轴承座（6）。
3.根据权利要求1所述的八面体单元变几何桁架主动节点，其特征在于被动杆半球型轴承座（6）上部为半球体，下部为圆柱体，内部中心为圆柱加圆锥孔，半球体的被动杆端连接螺丝连接背向120°范围扣孔减重，半球体顶切平并钻圆孔减重和安装，沿半球体的被动杆端连接螺丝连接方向有两平面，两平面与圆柱体横截面夹角均为57°，在两平面和半球体连接处向半球体垂直钻孔，安装小球型轴承（9）与圆形轴承座（10）。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhang Daxu Inventor after: Chen Wujun Inventor after: Hu Shiqiang Inventor after: Dun Xiangming Inventor before: Chen Wujun Inventor before: Zhang Daxu Inventor before: Hu Shiqiang Inventor before: Dun Xiangming |
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| COR | Change of bibliographic data |