CN105719704A - 一种空间大角度精密切换及锁定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间大角度精密切换及锁定装置，铰链座固定在角度支座的斜面上，翻转螺杆中心穿过螺杆转轴座，与固定在连轴套上的螺纹套组成滑动螺旋机构。铰链座、上连杆A、上连杆B与支撑架及铰链座、下连杆A、下连杆B与支撑架组成两组平行铰链四杆机构。翻转螺杆螺旋运动带动上下连杆运动，而连杆运动带动支撑架进行张开或收缩翻转运动，实现装置角度位置的变换。弧形锁定座的定位基面安装在支撑架基面上，与支撑架一起绕轴线旋转，锁紧螺钉在弧形锁定座圆弧线上滑动，实现锁紧与解锁。本发明集成螺旋机构与铰链四杆机构实现空间角度切换功能，结构紧凑、角度范围大、精度高；运动到位后三重锁紧结构，稳定性好。

Description

一种空间大角度精密切换及锁定装置

技术领域

本发明属于精密机械领域，特别涉及一种基于滑动螺旋传动与铰链四杆传动一体化实现空间大角度、高精度切换及锁定的装置。

背景技术

目前空间角度切换及锁定装置大多通过组合多个转台与角位台来实现空间角度切换功能，存在结构复杂、占用空间大、重量沉、每一维角度调节存在相互干涉等问题。而在有限空间内，利用滑动螺旋传动作为主动力，集成滑动螺旋机构与铰链四杆机构进行空间大角度(≥45°)、高精度(≤5″)的切换及锁定的装置未见报道。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明的目的是寻求一种能在有限空间内实现空间大角度精密切换及锁定的装置。

为达成所述目的，本发明提供一种空间大角度精密切换及锁定装置，包括角度支座、铰链座、连轴套座、圆柱定位销轴A、支撑架、圆柱定位销轴B、上连杆A、下连杆A、螺杆转轴座、轴承组件、手轮、上连杆B、下连杆B、锁紧螺母、圆柱定位销轴C、翻转螺杆、锁紧螺钉、弧形锁定座和螺纹套，其中：

铰链座固定在角度支座的斜面上，铰链座有锁紧孔，锁紧孔与转轴线PQ的距离为k，手轮一端连接翻转螺杆右侧端面；

螺杆转轴座含上轴头和下轴头，螺杆转轴座上轴头依次穿入上连杆A与上连杆B、螺杆转轴座下轴头依次穿入下连杆A和下连杆B；

上连杆A与下连杆A平行，一端与螺杆转轴座连接，另一端由圆柱定位销轴B定位在支撑架上；上连杆B与下连杆B平行，一端与螺杆转轴座连接，另一端由圆柱定位销轴C定位在铰链座上；

轴承组件固定在螺杆转轴座中心孔处，翻转螺杆一端与轴承组件配合装配并且该端面连接手轮，另一端旋入螺纹套中；螺纹套一端与连轴套座焊接在一起，连轴套座卡入铰链座的U型卡槽里；铰链座的U型卡槽孔与支撑架的卡槽孔对齐后穿入圆柱定位销轴A；转动手轮使翻转螺杆在螺纹套内做螺旋运动，同时螺纹套与连轴套座绕轴线PQ转动；

弧形锁定座的定位基面安装在支撑架基面上，与支撑架一起绕轴线PQ旋转，锁紧螺钉在弧形锁定座弧线上滑动，实现锁紧与解锁。

其中，所述铰链座为含两个U型卡槽的机械件，作为装置运动的固定构件，保证装置运动的平稳性，U型卡槽销轴孔的轴线PQ与U型卡槽销轴孔的轴线MN平行，平行度≤0.01mm。

其中，所述连轴套座与螺杆转轴座为转接精密件，作为装置螺旋运动转换为铰链四杆运动的关键构件，螺杆转轴座上轴头及下轴头与连杆孔位间隙配合装配，配合公差为H8/f7。

其中，所述圆柱定位销轴A、圆柱定位销轴B、圆柱定位销轴C均为精密定位元件，圆柱定位销轴A用于精确定位铰链座与支撑架的相对位置，圆柱定位销轴B用于精确定位支撑架与上连杆A、下连杆A的相对位置，圆柱定位销轴C用于精确定位铰链座与上连杆B、下连杆B的相对位置，其中圆柱定位销轴与配合孔均为间隙配合装配，配合公差为H8/f7。

其中，所述翻转螺杆与螺纹套组成滑动螺旋机构，翻转螺杆的导程与螺纹套的导程分别为P₁、P₂，P₁＝P₂，旋向一致，螺纹套起支承作用，消除翻转螺杆与轴承组件间的轴向窜动。

其中，所述铰链座、上连杆A、上连杆B与支撑架组成铰链四杆机构，铰链座、下连杆A、下连杆B与支撑架组成铰链四杆机构，上连杆A、下连杆A、上连杆B、下连杆B固定在螺杆转轴座上，且与螺杆转轴座同轴，上连杆A、下连杆A、上连杆B及下连杆B长度均相等，上连杆A平行于下连杆A，上连杆B平行于下连杆B。

其中，所述弧形锁定座为锁紧装置，固定圆弧线的半径r＝k。

其中，所述翻转螺杆导程角γ≤ρ，能实现自锁，其中：

$\mathrm{\γ}=\arctan \frac{P_1}{{\mathrm{\πd}}_2}$

$\mathrm{\ρ}=\arctan \frac{f}{\cos \mathrm{\α}}$

式中，γ-翻转螺杆导程角；

ρ-翻转螺杆诱导摩擦角；

d₂-翻转螺杆螺纹中径；

f-翻转螺杆螺纹表面滑动摩擦系数；

α-翻转螺杆螺纹牙型半角。

本发明的原理是：通过滑动螺旋传动作为主动力带动铰链四杆运动实现装置空间角度切换。如图3所示，为本发明原理示意图(俯视图)，螺纹套固定在固定支点A上，摇动手轮，翻转螺杆相对于螺纹套转动并移动，翻转螺杆运动带动铰接点T运动到T′，运动轨迹为以固定支点C为圆心，以连杆TC为半径的圆弧曲线UV；同时铰接点B运动到B′，运动轨迹为以固定支点A为圆心，以支撑架AB为半径的圆弧曲线XY；装置运动过程中，支撑架AB与角度支座的夹角θ一直在变化，由于运动机构固定在角度支座斜面上，即装置的空间角度在变换。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明的装置将滑动螺旋机构与铰链四杆机构集成一体，结构更紧凑，节省了有限空间；

2.本发明的装置角度变化范围大，调节精度高；

3.本发明的装置运动到位后三重锁紧结构，稳定性更好。

附图说明

图1是本发明一种空间大角度精密切换及锁定装置结构图；

图2是本发明装置运动到位及锁紧结构图；

图3本发明原理示意图(俯视图)；

图4是本发明铰链座结构图；

图5是本发明螺杆转轴座结构图；

图6是本发明弧形锁定座结构图。

图中零部件的标号说明：

1.角度支座、2.铰链座、

2-1.左U型卡槽、2-2.右U型卡槽、2-3.锁紧孔、

3.连轴套座、4.销轴A、5.支撑架、

6.销轴B、7.上连杆A、7′.下连杆A、

8.螺杆转轴座、

8-1.螺杆转轴座上轴头、8-2.螺杆转轴座下轴头、

9.轴承组件、10.手轮、11.上连杆B、

11′.下连杆B、12.锁紧螺母、13.销轴C、

14.翻转螺杆、15.锁紧螺钉、16.弧形锁定座、

16-1.弧形锁定座的定位基面、

17.螺纹套；

A—铰链座的左固定支点；

B—支撑架AB与连杆BT的铰接点；

B′—运动到位时，铰接点B在曲线XY上的位置；

C—铰链座的右固定支点；

T—连杆BT与连杆TC的铰接点；

T′—运动到位时，铰接点T在曲线UV上的位置；

δ—角度支座1的斜度；

θ₁₁—支撑架AB的初始转角；

θ₁₂—支撑架AB运动到AB′时的转角；

θ₂₁—连杆BT的初始转角；

θ₂₂—连杆BT运动到BT′时的转角；

θ₃₁—连杆CT的初始转角；

θ₃₂—连杆CT运动到CT′时的转角；

l₁—支撑架AB的长度；

l₂—连杆BT的长度；

l₃—连杆CT的长度；

l₄—铰链座两个固定支点A、C间的距离；

l₅—铰链座的左固定支点A与铰接点T的距离；

l′₅—铰链座的左固定支点A与铰接点T′的距离；

曲线XY—支撑架AB与连杆BT铰接点B的运动轨迹；

曲线UV—连杆BT与连杆CT铰接点T的运动轨迹；

k—锁紧孔2-3与转轴线PQ的距离；

PQ—左U型卡槽2-1销轴孔的轴线；

MN—右U型卡槽2-2销轴孔的轴线；

O—弧形锁定座16圆弧中心点；

r—弧形锁定座固定圆弧线的半径；

S—弧形锁定座16圆弧中心点O到定位基面16-1的距离。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1-图6示出本发明空间大角度精密切换及锁定装置，它包括角度支座1、铰链座2、连轴套座3、圆柱定位销轴A4、支撑架5、圆柱定位销轴B6、上连杆A7、下连杆A7′、螺杆转轴座8、轴承组件9、手轮10、上连杆B11、下连杆B11′、锁紧螺母12、圆柱定位销轴C13、翻转螺杆14、锁紧螺钉15、弧形锁定座16、螺纹套17，其中：

铰链座2固定在角度支座1的斜面上，铰链座2有锁紧孔2-3，如图4所示，锁紧孔2-3与转轴线PQ的距离为k，手轮10一端连接翻转螺杆14右侧端面。

螺杆转轴座8含上轴头8-1及下轴头8-2，如图5所示，螺杆转轴座8上轴头8-1依次穿入上连杆A7与上连杆B11、螺杆转轴座8下轴头8-2依次穿入下连杆A7′和下连杆B11′。

上连杆A7与下连杆A7′平行，一端与螺杆转轴座8连接，另一端由圆柱定位销轴B6定位在支撑架5上；上连杆B11与下连杆B11′平行，一端与螺杆转轴座8连接，另一端由圆柱定位销轴C13定位在铰链座2上。

轴承组件9固定在螺杆转轴座8中心孔处，翻转螺杆14一端与轴承组件9配合装配并且端面连接手轮10，另一端旋入螺纹套17中；螺纹套17一端与连轴套座3焊接在一起，连轴套座3卡入铰链座2的U型卡槽2-1里；铰链座2的U型卡槽2-1孔与支撑架5的卡槽孔对齐后穿入圆柱定位销轴A4；转动手轮10使翻转螺杆14在螺纹套17内做螺旋运动，同时螺纹套17与连轴套座3绕轴线PQ转动；

弧形锁定座16的定位基面16-1安装在支撑架5基面上，与支撑架5一起绕轴线PQ旋转，锁紧螺钉15在弧形锁定座16圆弧线上滑动，实现锁紧与解锁。

所述的角度支座1为有一定斜度的固定件，可以根据实际要求设计合理的斜度来实现空间一维角度的限定。

所述的铰链座2为含两个U型卡槽的机械件，作为装置运动的固定构件，保证装置运动的平稳性。其中，U型卡槽2-1销轴孔的轴线PQ与U型卡槽2-2销轴孔的轴线MN平行，平行度≤0.01mm。

所述的连轴套座3与螺杆转轴座8为转接精密件，作为装置螺旋运动转换为铰链四杆运动的关键构件，螺杆转轴座8上下轴头8-1及8-2与连杆孔位间隙配合装配，配合公差为H8/f7。

所述的圆柱定位销轴A4、圆柱定位销轴B6、圆柱定位销轴C13均为精密定位元件，圆柱定位销轴A4用于精确定位铰链座2与支撑架5的相对位置，圆柱定位销轴B6用于精确定位支撑架5与上连杆A7、下连杆A7′的相对位置，圆柱定位销轴C13用于精确定位铰链座2与上连杆B11、下连杆B11′的相对位置，其中圆柱定位销轴与配合孔均为间隙配合装配，配合公差为H8/f7。

所述的支撑架5为焊接件，作为装置铰链四杆运动的摇杆构件，为从动件。

所述的轴承组件9用于保证翻转螺杆14螺旋运动的同心性及平稳性。

所示的手轮10用于施加主动力，可换成电机实现装置自动控制。

所述的翻转螺杆14与螺纹套17组成滑动螺旋机构，翻转螺杆14的导程与螺纹套17的导程分别为P₁、P₂，P₁＝P₂，旋向一致。螺纹套17起支承作用，消除翻转螺杆14与轴承组件9间的轴向窜动。翻转螺杆14导程角γ≤ρ，实现自锁。其中：

$\mathrm{\γ}=arctan\frac{P_1}{{\mathrm{\πd}}_2}$

$\mathrm{\ρ}=\arctan \frac{f}{\cos \mathrm{\α}}$

式中，γ-翻转螺杆导程角；

ρ-翻转螺杆诱导摩擦角；

d₂-翻转螺杆螺纹中径；

f-翻转螺杆螺纹表面滑动摩擦系数；

α-翻转螺杆螺纹牙型半角。

所述的铰链座2、上连杆A7、上连杆B11与支撑架5组成铰链四杆机构，铰链座2、下连杆A7′、下连杆B11′与支撑架5组成铰链四杆机构。上连杆A7、下连杆A7′、上连杆B11、下连杆B11′固定在螺杆转轴座8上，且与螺杆转轴座8同轴。上连杆A7、下连杆A7′与上连杆B11、下连杆B11′长度均一致，上连杆A7平行于下连杆A7′，上连杆B11平行于下连杆B11′。连杆运动带动支撑架5进行张开或收缩翻转运动。

所述的弧形锁定座16为锁紧装置，如图6所示，固定圆弧线的半径r＝k。

Ⅰ.装置张开翻转运动的实现(由图1的位置改变为图2的位置)：

1-1.如图1所示，装置运动前，先拧松弧形锁定座16上的锁紧螺钉15，再将锁紧螺母12旋离螺纹套17的靠面，装置实现解锁。

1-2.顺时针摇动手轮10，带动翻转螺杆14在螺纹套17内做顺时针旋转及向前移动；

1-3.由于螺杆转轴座连接，翻转螺杆14移动带动上下连杆做张开运动；

1-4.上连杆A7受到力带动支撑架5绕旋转轴线PQ做旋转运动；

1-5.装置角度运动到位后，如图2所示，由于滑动螺旋机构可自锁，旋紧锁紧螺母12到螺纹套17的靠面上，再拧紧弧形锁定座16上的锁紧螺钉15，装置实现三重稳定锁紧。

Ⅱ.装置收缩翻转运动的实现(由图2的位置改变为图1的位置)：

同序号1-1至1-5，逆时针摇动手轮10，带动翻转螺杆14在螺纹套17内做逆时针旋转及向后移动，实现装置收缩翻转运动。

Ⅲ.装置大角度(≥45°)切换的实现：

如图3所示的原理图中，装置各杆长按比例放大或缩小，不会改变各杆件的相对转角关系，取l₁＝l₁，l₂＝l₃＝ml₁，l₄＝nl₁，故设计变量为m、n。

在四边形ABTC中，各杆的投影长度可得：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_2{\mathrm{sin\θ}}_{21}=l_1{\mathrm{sin\θ}}_{11}-l_3{\mathrm{sin\θ}}_{31}\\ l_2{\mathrm{cos\θ}}_{21}=l_4+l_3{\mathrm{cos\θ}}_{31}-l_1{\mathrm{cos\θ}}_{11}\end{array}\right.---\left(1\right)$

整理得cosθ₁₁＝mcosθ₃₁-(m/n)cos(θ₃₁-θ₁₁)+(n²+1)/2n(2)

同理，在四边形AB′T′C中：

cosθ₁₂＝mcosθ₃₂-(m/n)cos(θ₃₂-θ₁₂)+(n²+1)/2n(3)

假定初始角度θ₁₁＝25°，θ₃₁＝50°；最终角度θ₁₂＝90°，θ₃₁＝120°。

由方程式(2)、(3)可求得m＝0.8176；n＝1.1726。

因此设计长度l₂＝l₃＝0.8176l₁，l₄＝1.1726l₁时，装置的变换角度(θ₁₂-θ₁₁)达到65°，实现装置大角度变换。

Ⅳ.装置精密角度(角秒级)切换的实现：

如图3所示的原理图中，AT长度的变化是由翻转螺杆14与螺纹套17螺旋运动引起的，由位置T变化到T′，AT长度的变化为：

Δl＝P₁·ψ/360(4)

同时由三角关系可得：

$\mathrm{\Δ}l=l_5^{\′}-l_5=\sqrt{l_2^2+l_4^2-2l_2{l}_{4}cos(\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_{32})}-\sqrt{l_2^2+l_4^2-2l_2{l}_{4}cos(\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_{31})}---\left(5\right)$

当转动手轮10时，人为调节的灵敏度为3°～5°，

假定手轮10相对转角ψ＝4°，翻转螺杆导程P₁＝1mm，l₁＝300mm；

由方程式(2)、(3)、(4)、(5)可求得装置变换角度为5″，即实现装置精密角度切换。

若手轮10换成电机控制，装置角度切换精度更高。

本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (8)

1.一种空间大角度精密切换及锁定装置，其特征在于，包括角度支座(1)、铰链座(2)、连轴套座(3)、圆柱定位销轴A(4)、支撑架(5)、圆柱定位销轴B(6)、上连杆A(7)、下连杆A(7′)、螺杆转轴座(8)、轴承组件(9)、手轮(10)、上连杆B(11)、下连杆B(11′)、锁紧螺母(12)、圆柱定位销轴C(13)、翻转螺杆(14)、锁紧螺钉(15)、弧形锁定座(16)和螺纹套(17)，其中：

铰链座(2)固定在角度支座(1)的斜面上，铰链座(2)有锁紧孔(2-3)，锁紧孔(2-3)与转轴线PQ的距离为k，手轮(10)一端连接翻转螺杆(14)右侧端面；

螺杆转轴座(8)含上轴头(8-1)和下轴头(8-2)，螺杆转轴座(8)上轴头(8-1)依次穿入上连杆A(7)与上连杆B(11)、螺杆转轴座(8)下轴头(8-2)依次穿入下连杆A(7′)和下连杆B(11′)；

上连杆A(7)与下连杆A(7′)平行，一端与螺杆转轴座(8)连接，另一端由圆柱定位销轴B(6)定位在支撑架(5)上；上连杆B(11)与下连杆B(11′)平行，一端与螺杆转轴座(8)连接，另一端由圆柱定位销轴C(13)定位在铰链座(2)上；

轴承组件(9)固定在螺杆转轴座(8)中心孔处，翻转螺杆(14)一端与轴承组件(9)配合装配并且该端面连接手轮(10)，另一端旋入螺纹套(17)中；螺纹套(17)一端与连轴套座(3)焊接在一起，连轴套座(3)卡入铰链座(2)的U型卡槽(2-1)里；铰链座(2)的U型卡槽(2-1)孔与支撑架(5)的卡槽孔对齐后穿入圆柱定位销轴A(4)；转动手轮(10)使翻转螺杆(14)在螺纹套(17)内做螺旋运动，同时螺纹套(17)与连轴套座(3)绕轴线PQ转动；

弧形锁定座(16)的定位基面(16-1)安装在支撑架(5)基面上，与支撑架(5)一起绕轴线PQ旋转，锁紧螺钉(15)在弧形锁定座(16)弧线上滑动，实现锁紧与解锁。

2.根据权利要求1所述的空间大角度精密切换及锁定装置，其特征在于，所述铰链座(2)为含两个U型卡槽的机械件，作为装置运动的固定构件，保证装置运动的平稳性，U型卡槽(2-1)销轴孔的轴线PQ与U型卡槽(2-2)销轴孔的轴线MN平行，平行度≤0.01mm。

3.根据权利要求1所述的空间大角度精密切换及锁定装置，其特征在于，所述连轴套座(3)与螺杆转轴座(8)为转接精密件，作为装置螺旋运动转换为铰链四杆运动的关键构件，螺杆转轴座(8)上轴头(8-1)及下轴头(8-2)与连杆孔位间隙配合装配，配合公差为H8/f7。

4.根据权利要求1所述的空间大角度精密切换及锁定装置，其特征在于，所述圆柱定位销轴A(4)、圆柱定位销轴B(6)、圆柱定位销轴C(13)均为精密定位元件，圆柱定位销轴A(4)用于精确定位铰链座(2)与支撑架(5)的相对位置，圆柱定位销轴B(6)用于精确定位支撑架(5)与上连杆A(7)、下连杆A(7′)的相对位置，圆柱定位销轴C(13)用于精确定位铰链座(2)与上连杆B(11)、下连杆B(11′)的相对位置，其中圆柱定位销轴与配合孔均为间隙配合装配，配合公差为H8/f7。

5.根据权利要求1所述的空间大角度精密切换及锁定装置，其特征在于，所述翻转螺杆(14)与螺纹套(17)组成滑动螺旋机构，翻转螺杆(14)的导程与螺纹套(17)的导程分别为P₁、P₂，P₁＝P₂，旋向一致，螺纹套(17)起支承作用，消除翻转螺杆(14)与轴承组件(9)间的轴向窜动。

6.根据权利要求1所述的空间大角度精密切换及锁定装置，其特征在于，所述铰链座(2)、上连杆A(7)、上连杆B(11)与支撑架(5)组成铰链四杆机构，铰链座(2)、下连杆A(8′)、下连杆B(11′)与支撑架(5)组成铰链四杆机构，上连杆A(7)、下连杆A(7′)、上连杆B(11)、下连杆B(11′)固定在螺杆转轴座(8)上，且与螺杆转轴座(8)同轴，上连杆A(7)、下连杆A(7′)、上连杆B(11)及下连杆B(11′)长度均相等，上连杆A(7)平行于下连杆A(7′)，上连杆B(11)平行于下连杆B(11′)。

7.根据权利要求1所述的空间大角度精密切换及锁定装置，其特征在于，所述弧形锁定座(16)为锁紧装置，固定圆弧线的半径r＝k。

8.根据权利要求5所述的空间大角度精密切换及锁定装置，其特征在于，所述翻转螺杆(14)导程角γ≤ρ，能实现自锁，其中：

$\mathrm{\γ}=\arctan \frac{P_1}{{\mathrm{\πd}}_2}$

$\mathrm{\ρ}=\arctan \frac{f}{cos\mathrm{\α}}$

式中，γ-翻转螺杆导程角；

ρ-翻转螺杆诱导摩擦角；

d₂-翻转螺杆螺纹中径；

f-翻转螺杆螺纹表面滑动摩擦系数；

α-翻转螺杆螺纹牙型半角。