CN105221587A - 一种三自由度虎克铰 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于六自由度并联运动平台的虎克铰，该虎克铰拥有三个自由度，分别为绕X轴旋转的自由度；绕Y轴旋转的自由度；绕Z轴旋转的自由度。每个旋转自由度主要由铰链支架、销轴、轴承、轴承盖四部分组成；所述的绕X轴旋转自由度的结构包括基体、左支架、右支架、中心销轴、轴承和轴承盖；所述的绕Y轴旋转的自由度包括基体、左支架、右支架、两个组合销轴、轴承和轴承盖；所述的绕Z轴旋转的自由度包括与X轴旋转自由度共用的基体，以及销轴、轴承和轴承盖。

Description

一种三自由度虎克铰

技术领域

本发明涉及一种并联运动平台中的铰链元件，具体为一种三自由度虎克铰。

背景技术

六自由度（6-DOF）并联运动平台是一种并联运动机构，最早应用于飞行模拟器，它是由六根驱动杆将上、下两个平台通过铰链连接而成，六根驱动杆都可以独立地运动，被称为Stewart平台。这种平台具有承载能力大、刚度大、精度高、结构稳定等优点，在许多领域都得到广泛的应用。

铰链是六自由度并联运动平台的关键元件，目前并联运动平台的铰链形式大多为6-SPS、6-UPS或6-SPU等铰接副。SPS型是铰链的连接形式为球铰（Sphericaljoint）连接，UPS和SPU型是指一端的连接为球铰，另一端的连接为万向铰（Universaljoint），也称为虎克铰（Hookejoint）。根据机构的自由度计算公式，可以得到，六自由度运动平台要想拥有6个自由度，要求其铰链为两个球铰（三自由度）或至少一个球铰（三自由度）、一个虎克铰（两自由度）。但在工程实际应用中，球铰价格昂贵，加工困难，事实上很难得到，虎克铰就称为球铰的关键替代品。但是传统的虎克铰只有两个旋转自由度，无法满足平台的自由度需求，因此本申请公开一种三自由度虎克铰，解决并联平台铰链精度和价格方面的问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是在传统两自由度虎克铰的基础上，增加了第三自由度——绕Z轴旋转的自由度。当该虎克铰安装到并联运动平台上时，用该三自由度的虎克铰代替球铰。实现了并联平台的六自由度的需求。

技术方案：

一种三自由度虎克铰，其特征在于：该虎克铰由上半部分、下半部分、十字轴组成；其中：

所述上半部分包括上基体、上基体左支架、上基体右支架；上基体左支架、上基体右支架分别安装在上基体的左右两端；上基体左支架、上基体右支架的轴承孔中安装有角接触球轴承，所述轴承孔的外侧安装有轴承盖；

所述下半部分包括下基体、下基体左支架、下基体右支架、下销轴；下基体左支架、下基体右支架分别安装在下基体的左右两端；下基体左支架、下基体右支架的轴承孔中安装有角接触球轴承，所述轴承孔的外侧安装有轴承盖；下销轴的定位轴肩上安装下方角接触球轴承；下方角接触球轴承的外圈嵌入下基体上铣出的轴承座内，并通过下轴承盖固定；

所述十字轴由整体销轴、左销轴、右销轴组成；左销轴与右销轴的螺纹端穿入整体销轴中间的圆孔，并在孔中通过螺纹连接；整体销轴的两端、左销轴的外端、右销轴的外端分别安装在个角接触球轴承的内圈中。

所述的三自由度虎克铰，其特征在于：所述上基体与上基体左支架，上基体与上基体右支架的连接方式为：上基体上铣出的凹槽，分别与上基体左支架、上基体右支架上的定位凸台相配合，并通过螺钉锁紧。

所述的三自由度虎克铰，其特征在于：所述下基体与下基体左支架，下基体与下基体右支架的连接方式为：下基体上铣出的凹槽，分别与下基体左支架、下基体右支架上的定位凸台相配合，并通过螺钉锁紧。

所述的三自由度虎克铰，其特征在于：所述的左销轴、右销轴在近螺纹端有定位凸台。

优点及效果：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、结构简单：本发明在实现三个自由度运动的同时，采用了最简单的结构形式，这为降低虎克铰的加工制造成本，维修养护并联运动平台，创造了便利条件。

二、每个旋转运动支撑的定位方式采用了凸台和凹槽配合的定位方式，这即降低了加工制造难度，提高了定位精度，同时为装配和维修虎克铰提供了方便。

三、绕X轴旋转的支撑销轴采用整体式，提高了虎克铰的刚度。

四、绕Y轴旋转支撑的销轴采用分体式，装配时通过螺纹连接、凸肩定位，保证了定位精度，同时方便了加工制造和装配。

附图说明：

图1为本发明三自由度虎克铰的轴侧图；

图2为本发明三自由度虎克铰的主视图；

图3为本发明三自由度虎克铰的A-A剖视图；

图4为本发明三自由度虎克铰的B-B剖视图。

图中标注：1下基体左支架；2上基体；3上基体左支架；4下基体右支架；5下基体；6上基体右支架；7轴侧盖；8角接触球轴承；9右销轴；10螺钉；11下销轴；12左销轴；13整体销轴；14下方角接触球轴承；15下轴承盖。

具体实施方式：本发明是一种并联运动平台中的铰链元件，具体为一种可以替代球铰三自由度虎克铰。

本发明的技术思想为：通过采用两组角接触球轴承、双端固定的方式，实现了绕X和Y轴的自由度，采用一组安装在基底上的角接触球轴承，实现了绕Z轴旋转的自由度。这样，该虎克铰实现了绕X、Y和Z轴的三个旋转自由度，可以取代传统的球铰。

本发明的具体结构主要由下基体5、下基体左支架1、下基体右支架4组成了绕X轴旋转的机构；由上基体2、上基体左支架3、上基体右支架6组成了绕Y轴旋转的机构；由下基体5和与下销轴11构成了绕Z轴的旋转机构。其中绕X轴旋转机构的旋转轴13为整体销轴，在整体销轴13的两侧铣削台肩，安装角接触球轴承8，轴承的外圈用轴承盖7固定，形成两端固定式的轴承定位配置模式，这样，整个上基体2、上基体左支架3、上基体右支架6就可以绕X轴旋转了。同理，绕Y轴旋转机构的旋转轴分体式销轴，分别为左销轴12、右销轴9。两销轴通过螺纹连接，并且两销轴都带有凸肩，起到定位作用。左销轴12和右销轴9两侧铣有台肩，安装角接触球轴承8，轴承的外圈同样用轴承盖7定位。采用此结构，就可以实现上基体2、上基体左支架3、上基体右支架6绕Y轴旋转。绕Z轴的旋转机构由下销轴11和下基体5组成，在下基体5内部铣削轴承座，嵌入下方角接触球轴承14，并用下轴承盖15压紧外圈。这样，下基体5、下基体左支架1、下基体右支架4就可以带动整个虎克铰绕Z轴旋转。通过以上结构，实现了三自由度虎克铰的所有运动。

上述三自由度虎克铰的两个绕X和Y轴的旋转自由度的结构相类似，其基体部分都是采用带定位的组合方式，在基体上铣出凹槽，与左右铰链支架上的凸台相配合，用凸台和凹槽的配合保证定位精度，最后用螺钉拧紧。

绕X轴的旋转自由度与绕Y轴的旋转自由度结构上的不同主要体现在销轴上。绕X轴旋转的销轴采用的是整体式；而绕Y轴旋转的销轴采用的是分体式，分体的两个销轴采用螺纹连接，并且销轴上带凸肩，以利定位。

绕Z轴旋转的自由度采用一组轴承支撑，销轴是悬臂式结构（与绕X、Y轴旋转的两端支撑不同）。

绕X、Y轴旋转自由度的轴承定位采用两端固定方式，保证了旋转精度。

该三自由度虎克铰全部零部件采用45号钢制造。

Claims (4)

1.一种三自由度虎克铰，其特征在于：该虎克铰由上半部分、下半部分、十字轴组成；其中：

所述上半部分包括上基体（2）、上基体左支架（3）、上基体右支架（6）；上基体左支架（3）、上基体右支架（6）分别安装在上基体（2）的左右两端；上基体左支架（3）、上基体右支架（6）的轴承孔中安装有角接触球轴承（8），所述轴承孔的外侧安装有轴承盖（7）；

所述下半部分包括下基体（5）、下基体左支架（1）、下基体右支架（4）、下销轴（11）；下基体左支架（1）、下基体右支架（4）分别安装在下基体（5）的左右两端；下基体左支架（1）、下基体右支架（4）的轴承孔中安装有角接触球轴承（8），所述轴承孔的外侧安装有轴承盖（7）；所述下销轴（11）的定位轴肩上安装下方角接触球轴承（14）；下方角接触球轴承（14）的外圈嵌入下基体（5）上铣出的轴承座内，并通过下轴承盖（15）固定；

所述十字轴由整体销轴（13）、左销轴（12）、右销轴（9）组成；左销轴（12）与右销轴（9）的螺纹端穿入整体销轴（13）中间的圆孔，并在孔中通过螺纹连接；整体销轴（13）的两端、左销轴（12）的外端、右销轴（9）的外端分别安装在上半部分和下半部分中的4个角接触球轴承（8）的内圈中。

2.根据权利要求1所述的三自由度虎克铰，其特征在于：所述上基体（2）与上基体左支架（3），上基体（2）与上基体右支架（6）的连接方式为：上基体（2）上铣出的凹槽，分别与上基体左支架（3）、上基体右支架（6）上的定位凸台相配合，并通过螺钉锁紧。

3.根据权利要求1所述的三自由度虎克铰，其特征在于：所述下基体（5）与下基体左支架（1），下基体（5）与下基体右支架（4）的连接方式为：下基体（5）上铣出的凹槽，分别与下基体左支架（1）、下基体右支架（4）上的定位凸台相配合，并通过螺钉锁紧。

4.根据权利要求1所述的三自由度虎克铰，其特征在于：所述的左销轴（12）、右销轴（9）在近螺纹端有定位凸台。