CN105840677A - 一种六自由度自适应柔性万向节 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种六自由度自适应柔性万向节，包括：安装座、球垫、球套和柔性铰。其中，安装座主要用来实现一个平动方向的调节和安装角度的初调。球垫主要用来实现另一个平动方向的精确调整。同时，球垫两侧设置有两个球窝，通过与球套和压紧螺母的配合，实现一个平动方向和三个转动方向的精确调整，由此实现六自由度自适应调节。此外，柔性铰轴向具有较大的刚度、其它方向具有较小的刚度且具有较高的承载能力，所以在六自由度自适应柔性万向节调节到位、外围部件安装固定完毕后，柔性铰可以有效传递轴向载荷，并释放其他方向的载荷。

Description

一种六自由度自适应柔性万向节

技术领域

本发明涉及一种万向节,具体涉及一种六自由度自适应柔性万向节。

背景技术

随着遥感卫星技术的发展，对地光学成像相机、对地测绘相机、测绘雷达等载荷的成像精度越来越高，对微振动干扰更加敏感。为有效抑制微振动的干扰，保证卫星的成像精度，设计了一种并联桁架式多扰源组合体减隔振装置，通过多个隔振杆组合成的隔振平台，将扰源组合体工作时产生的微振动进行隔离和衰减。为保证承载性能和可靠性，并联桁架式减隔振装置由多个隔振杆构成过约束杆架系统，每个隔振杆由柔性接头、弹簧、阻尼器、连接杆等组成。对于高精度遥感卫星，用于安装扰源组合体的隔振平台大都具有较高的安装精度要求。但由于零件加工精度的限制，每个隔振杆的几何外形和安装角度通常存在着误差，若采用常规的柔性接头将导致隔振杆安装后存在着较大的内应力，隔振平台的精度通常也难以保证。隔振杆的内应力将使柔性接头和阻尼器产生较大的预应力，严重降低其抗疲劳性能，甚至可能导致隔振杆破坏、隔振平台失效。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种承载能力大、结构简单、精度高、自适应性强的六自由度自适应柔性万向节。

所述的六自由度自适应柔性万向节包括：安装座、球垫、球套和柔性铰；所述安装座包括：下安装面和一端与下安装面相连，另一端倾斜向上延伸的上安装面；所述安装座通过设置在其下安装面上的两个以上长圆安装孔与外部平台相连，所述长圆安装孔的长度方向与所述下安装面的长度方向一致，由此实现万向节在所述下安装面长度方向平动自由度的调节；所述安装座的上安装面上设置有球垫安装孔；

所述球垫的两端面分别设置有用于安装球套的球窝，所述球垫通过其端面上的长圆安装孔固定在安装座的上安装面上，使其球窝所在位置与所述球垫安装孔所在位置对应；所述球垫端面上的长圆安装孔的长度方向与上安装面的宽度方向一致，由此实现万向节在所述上安装面宽度方向平动自由度的调节；

所述球套为具有中心孔的半球形结构，球套的外表面包括一个平面和一个球面，其中该平面为压紧面，两个所述球套分别安装在球垫两端的球窝内，使球套的球面通过与所述球窝配合，由此实现万向节在所述球套中心孔轴向上平动自由度的调节以及球面三个转动方向自由度的调节；

所述柔性铰一端同轴穿过球套和球垫的中心孔，固定在安装座上；另一端与外围设备相连。

所述柔性铰包括螺杆、连接轴和连接盘，所述螺杆的一端穿过球套及球垫的中心孔，通过压紧螺母固定在安装座上，另一端通过连接轴与连接法兰相连；所述连接法兰上设置有用于与外围设备相连的安装孔；所述连接轴的圆周面上设置有两个以上切槽，所述切槽包括沿连接轴圆周方向的弧形切口和弧形切口两端沿轴向向下或向上延伸的条形切口，两个以上所述切槽相互交叉。

令向同一方向延伸的两相邻条形切口之间的部分为轴芯，在每个轴芯与弧形切口连接端的端部两侧设置有对称的凸台。

有益效果：

(1)该万向节通过安装座上设置的与卫星结构的连接环节来实现一个平动方向的调节和隔振杆安装角度的初调；球垫上设置的与安装座的连接环节来实现另一个平动方向的精确调整；同时，球垫两侧设置有两个球窝，通过与球套和压紧螺母的配合，实现一个平动方向和三个转动方向的精确调整；由此通过安装座、球垫和球套实现隔振杆安装过程中的六自由度精确调节，具有结构简单、调节方便、精度高、适应性强的特点。

(2)柔性铰在轴向具有较大的刚度和承载能力，同时在其它方向刚度较小且具有到位保护环节，可以有效承受发射过程中的冲击载荷，有效传递轴向载荷、释放其他方向载荷，具有承载能力大，且不影响卫星姿态控制的特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明使用时的安装示意图；

图3是本发明中安装座的结构示意图；

图4是本发明中球垫的结构示意图；

图5是本发明中球套的结构示意图；

图6是本发明中柔性铰的结构示意图；

图7是本发明中柔性铰A向投影视图；

图8是本发明中柔性铰B向投影视图；

图9本发明的一种防松设计示意图。

其中:1-安装座、2-球垫、3-球套、4-柔性铰、5-压紧螺母、6-安装螺钉、7-防松螺母、10-隔振器、11-卫星结构、12-下安装面、13-上安装面、14-长圆安装孔、15-球垫安装孔、21球窝、31-压紧面、32-球面、41-螺杆、42-连接法兰、43-切槽、44-轴芯、45-凸台、46-轴肩、461-轴肩内表面、462-轴肩上表面、47-上法兰面

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

为解决并联桁架式减隔振装置的多杆过约束高精度装配问题，本实施例提供一种适用于航天器并联桁架式减振装置的六自由度自适应柔性万向节。

如图1所示，该六自由度自适应柔性万向节包括：安装座1、球垫2、两个球套3、柔性铰4以及若干压紧螺母5和若干安装螺钉6。使用时，六自由度自适应柔性万向节的一端与隔振器10连接，另一端与卫星结构11连接，如图2所示。

所述安装座1用来实现与卫星结构11的连接以及柔性铰4与球垫2的安装，并通过柔性铰4的安装角度保证隔振杆中隔振器的初始安装角度。如图3所示，安装座1的下安装面12通过设置的若干长圆安装孔14实现与卫星结构11的连接；上安装面13上设置了用于安装球垫2的球垫安装孔15以及位于球垫安装孔15周围用于固定球垫2的若干固定孔。安装时，在所述球垫安装孔15内放置球垫2，两个球套3分别通过压紧螺母5压紧在球垫2的两侧，最后球垫2通过若干安装螺钉6安装到安装座1上。所述下安装面11与上安装面13之间的夹角α用来保证隔振器的初始安装角度。

为方便描述，分别建立隔振杆安装坐标系OXYZ和隔振杆本体坐标系O′X′Y′Z′；其中隔振杆安装坐标系OXYZ以下安装面12所在平面中，安装座1的长度方向为X轴，宽度方向为Y轴，垂直于下安装面12的方向为Z轴(X轴、Y轴、Z轴符合右手定则)；隔振杆本体坐标系以上安装面13所在平面中，上安装面13的长度方向为X′轴(上安装面13倾斜的方向)，宽度方向为Y′轴(Y′轴与Y轴方向一致)，垂直于上安装面13的方向为Z′轴(X′轴、Y′轴、Z′轴符合右手定则)，如图3所示。

安装座1中下安装面11上所设置的长圆安装孔14在隔振杆安装坐标系X轴方向的尺寸大于Y轴方向的尺寸，由此隔振杆安装过程中，可通过安装座1沿长圆安装孔12长度方向的移动，来实现隔振杆沿隔振杆安装坐标系X轴方向平动的精确调节。为保证球垫2的平动调节，所设置的球垫安装孔15可设计为长圆孔，即球垫安装孔15在隔振杆本体坐标系Y′轴方向的尺寸大于X′轴的尺寸。

球垫2用来实现柔性铰4与安装座1的连接、隔振杆沿隔振杆安装坐标系Y轴方向平动的精确调节以及球套3的安装。如图4所示，球垫2上设置有若干长圆形安装孔，该长圆形安装孔与上安装面13上用于固定球垫2的固定孔匹配，该长圆形安装孔在隔振杆本体坐标系Y′轴方向的尺寸大于X′轴方向的尺寸，由于隔振杆通过柔性铰4安装在安装座1上，安装过程中，可通过球垫2沿该长圆安装孔的移动，来实现隔振杆沿隔振杆安装坐标系Y轴方向平动的精确调节。同时，在球垫2的两端面分别设置了用于安装球套3的球窝21。

球套3用于固定柔性铰4，并通过与球垫2的配合，实现隔振杆三个转动自由度的精确调节。如图5所示，球套3为具有中心孔的半球形结构，其外表面包括一个平面和一个球面，其中该平面为压紧面31，通过压紧螺母5实现柔性铰的压紧固定，并实现隔振杆沿隔振杆本体坐标系Z′轴方向平动自由度的调节。同时，球套3的球面32通过与球垫2上球窝21的配合，使隔振杆可以在隔振杆本体坐标系三个方向进行转动自由度的精确调节。

柔性铰4用于实现隔振杆轴向载荷的传递和其他方向载荷的释放，柔性铰4的一端固定在安装座1上，另一端与隔振器相连。柔性铰4包括依次连接的螺杆41、连接轴和连接法兰42，如图6-8所示。所述螺杆41的一端同轴穿过球套3及球垫2的中心孔，通过压紧螺母固定在安装座1上，另一端通过连接轴与连接法兰42相连，连接法兰42上设置若干安装孔用于隔振器的安装。连接轴的圆周面上设置有若干切槽43，所述切槽43包括沿连接轴圆周方向的弧形切口和弧形切口两端沿轴向(向下或向上)延伸的条形切口，若干所述切槽相互交叉。通过轴芯44以及轴芯44上所设置的切槽43来实现柔性铰4的轴向(即Z′轴方向)高刚度、其他方向(X′轴和Y′轴方向)低刚度。

如图6所示，本实施例中在连接轴的圆周面上设置有四个大小相同的切槽43，其中两个切槽的弧形切口位于连接轴的上部，条形切口沿轴向向下延伸，另外两个切槽的弧形切口位于连接轴的下部，条形切口沿轴向向上延伸；条形切口向同一方向延伸的两个切槽相邻条形切口之间的部分为轴芯44，条形切口向不同方向延伸的两个切槽相邻条形切口之间的部分为轴肩46。在每个轴芯44与弧形切口连接端的端部两侧设置有对称的凸台45，当X′轴和Y′轴方向载荷过大时，轴肩46内表面461与凸台45接触或轴肩46上表面462与上法兰面47接触，通过轴肩46对轴芯44的位移进行限制，辅助轴芯44承受外界载荷，避免轴芯44发生过大变形而破坏。

为避免球套3发生松脱，可对压紧螺母5施加一定的拧紧力矩并涂覆螺纹防松胶；也可以增加防松螺母7，用双螺母形式进行防松，防松螺母7可以与压紧螺母5相同，也可以不同，如图7所示。

当航天器并联桁架式减振装置需要反复拆装时，为保证其重复安装精度的精度，并联桁架式减振装置第一次安装到位后，可以对安装座1与卫星结构、安装座1与球垫2分别配打定位孔。在并联桁架式减振装置拆卸过程中，只需松开安装座1内部的压紧螺母和锁紧螺母，而不松开柔性铰4与球垫2之间的压紧螺母和锁紧螺母。在并联桁架式减振装置再次安装过程中，通过轴销分别保证支座1与卫星结构之间以及支座1与球垫2之间安装位置的一致性，进而保证隔振杆X向和Y向的重复安装精度；通过柔性铰4与球垫2之间的压紧螺母和锁紧螺母，保证隔振杆轴向重复安装精度，同时，保证隔振杆三个转动方向的重复安装精度。

经过六自由度自适应柔性万向节的调整，可以保证并联桁架式减隔振装置的安装精度，避免隔振杆安装后存在较大的变形和内应力，从而可以有效提高隔振杆的抗疲劳性能和可靠性。

以上所述是对本发明优选实施方式的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不脱离本发明原理的前提下，还可做出多种等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请专利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种六自由度自适应柔性万向节，其特征在于，包括：安装座、球垫、球套和柔性铰；所述安装座包括：下安装面和一端与下安装面相连，另一端倾斜向上延伸的上安装面；所述安装座通过设置在其下安装面上的两个以上长圆安装孔与外部平台相连，所述长圆安装孔的长度方向与所述下安装面的长度方向一致，由此实现万向节在所述下安装面长度方向平动自由度的调节；所述安装座的上安装面上设置有球垫安装孔；

所述球垫的两端面分别设置有用于安装球套的球窝，所述球垫通过其端面上的长圆安装孔固定在安装座的上安装面上，使其球窝所在位置与所述球垫安装孔所在位置对应；所述球垫端面上的长圆安装孔的长度方向与上安装面的宽度方向一致，由此实现万向节在所述上安装面宽度方向平动自由度的调节；

所述球套为具有中心孔的半球形结构，球套的外表面包括一个平面和一个球面，其中该平面为压紧面，两个所述球套分别安装在球垫两端的球窝内，使球套的球面通过与所述球窝配合，由此实现万向节在所述球套中心孔轴向上平动自由度的调节以及球面三个转动方向自由度的调节；

所述柔性铰一端同轴穿过球套和球垫的中心孔，固定在安装座上；另一端与外围设备相连。

2.根据权利要求1所述的六自由度自适应柔性万向节，其特征在于，所述柔性铰包括螺杆、连接轴和连接盘，所述螺杆的一端穿过球套及球垫的中心孔，通过压紧螺母固定在安装座上，另一端通过连接轴与连接法兰相连；所述连接法兰上设置有用于与外围设备相连的安装孔；所述连接轴的圆周面上设置有两个以上切槽，所述切槽包括沿连接轴圆周方向的弧形切口和弧形切口两端沿轴向向下或向上延伸的条形切口，两个以上所述切槽相互交叉。

3.根据权利要求2所述的六自由度自适应柔性万向节，其特征在于，令条形切口向同一方向延伸的两个切槽相邻两条形切口之间的部分为轴芯，在所述轴芯与弧形切口连接端的端部两侧设置有对称的凸台。

4.根据权利要求1或2所述的六自由度自适应柔性万向节，其特征在于，所述球套通过压紧螺母压紧在所述球垫的球窝内，安装时，对所述压紧螺母施加有设定的拧紧力矩并涂覆螺纹防松胶。

5.根据权利要求1或2所述的六自由度自适应柔性万向节，其特征在于，所述球套通过压紧螺母和防松螺母压紧在所述球垫的球窝内。

6.根据权利要求1或2所述的六自由度自适应柔性万向节，其特征在于，所述球垫安装孔为长圆孔，该长圆孔的长度方向与所述安装座上安装面的宽度方向一致。