CN106015311B - 一种可调心的滚珠球铰关节及其调心方法 - Google Patents

一种可调心的滚珠球铰关节及其调心方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调心的滚珠球铰关节及其调心方法。由于加工和装配误差，通常球铰关节处于偏心状态。本发明滚珠球铰关节的支撑球窝开设支撑滚珠导向孔；位移传感器安放在支撑球窝的传感器安装孔；约束球窝开设约束滚珠导向孔；支撑滚珠导向孔和约束滚珠导向孔内均安装双螺纹调心机构来调节滚珠钢球。本发明的调心方法：安装可调心的滚珠球铰关节；安装双螺纹调心机构时，主螺纹柱与副螺纹柱反向旋转，对约束滚珠钢球和支撑滚珠钢球快速定位；双螺纹调心机构进行对心调节时，主螺纹柱和副螺纹柱同向旋转。本发明的双螺纹结构在偏心误差较大时反向旋转，快速减小偏心误差，在偏心误差较小时同向旋转，对球头和球窝的对心情况进行微小调节。

Description

一种可调心的滚珠球铰关节及其调心方法
技术领域
本发明属于滚珠球铰关节领域，具体涉及一种可调心的滚珠球铰关节及其调心方法。
背景技术
球铰关节是一种结构紧凑、运动灵活的三自由度机械关节，正逐步广泛应用于机器人、并联机构、汽车、电机等多个领域。
滚动球铰关节采用球头与球窝之间分布滚珠钢球，将球头与球窝之间的滑动接触转换成球头与滚珠钢球以及球窝与滚珠钢球之间的滚动接触，从而降低球头与球窝之间的摩擦，但由于球头与滚珠钢球之间的滚动接触位置为一个接触点，接触应力集中，产生较大赫兹变形。针对赫兹变形问题，德国INA和日本HEPHAIST精工株式会社研发了高精密滚珠球铰关节，通过布置大量的钢球，降低钢球与球头的赫兹应力，从而减小赫兹变形。
球铰关节存在偏心问题，即球头与球窝的中心发生偏移。由于加工和装配误差，通常球铰关节处于偏心状态，同时球铰关节在长期运动状况下，球头与球窝的磨损造成球头与球窝之间的间隙增大，运动精度降低，使球铰关节无法满足高精度场合的运动精度要求。
发明内容
本发明的目的是为了减小偏心误差，提高球铰关节的运动精度，提供一种可调心的滚珠球铰关节及其调心方法，基于双螺纹结构，实现球铰关节的对心调节，以满足工程实际需要，扩大滚珠球铰关节的应用范围。
本发明一种可调心的滚珠球铰关节包括球头、约束球窝、双螺纹调心机构、圆柱块、约束滚珠钢球、支撑球窝、支撑滚珠钢球和位移检测系统。所述的支撑球窝开设有沿圆周均布的n个支撑滚珠导向孔，n≥6，支撑滚珠导向孔内安装双螺纹调心机构、圆柱块和支撑滚珠钢球；支撑滚珠导向孔内圆柱块的尾部平面端与双螺纹调心机构接触，头部弧面与支撑滚珠钢球接触；n个位移传感器各自安放在支撑球窝对应的传感器安装孔内，位移传感器将球头的位移检测值输入位移检测系统；所述的约束球窝开设有沿圆周均布的n个约束滚珠导向孔，约束滚珠导向孔内安装双螺纹调心机构、圆柱块和约束滚珠钢球；约束滚珠导向孔内圆柱块的尾部平面端与双螺纹调心机构接触，头部弧面与约束滚珠钢球接触。所述的球头安置在支撑球窝内，与所有支撑滚珠钢球和约束滚珠钢球接触；球头的支撑杆穿过约束球窝顶部的开孔，该开孔的孔径大于球头的支撑杆直径；约束球窝与支撑球窝的接触面处通过固联螺栓组固定。
所述的双螺纹调心机构由主螺纹柱和副螺纹柱组成；主螺纹柱的外螺纹与对应的支撑滚珠导向孔或约束滚珠导向孔内螺纹连接；主螺纹柱的内螺纹与副螺纹柱的外螺纹连接；主螺纹柱的外螺纹与副螺纹柱的外螺纹旋向相反。
所述主螺纹柱的外螺纹为右旋，副螺纹柱的外螺纹为左旋。
主螺纹柱与副螺纹柱反向旋转，且主螺纹柱旋转副螺纹柱旋转时，支撑滚珠钢球或约束滚珠钢球沿径向移动的距离为：
式中，Ph1为主螺纹柱的导程，Ph2为副螺纹柱的导程，Ph1＞Ph2。
主螺纹柱与副螺纹柱同向旋转，且主螺纹柱旋转副螺纹柱旋转时，支撑滚珠钢球或约束滚珠钢球沿径向移动的距离为：
本发明可调心的滚珠球铰关节的调心方法，具体如下：
步骤一、安装可调心的滚珠球铰关节；在支撑球窝的支撑滚珠导向孔内安装支撑滚珠钢球，在支撑球窝的传感器安装孔内安装位移传感器；位移传感器的输出端连接位移检测系统；球头放置在支撑球窝内；在约束球窝的约束滚珠导向孔内安装约束滚珠钢球后，将球头的支撑杆穿过约束球窝顶部的开孔；约束球窝与支撑球窝的接触面处通过固联螺栓组固定；支撑滚珠导向孔和约束滚珠导向孔内均放入圆柱块后，再安装双螺纹调心机构。安装双螺纹调心机构时，主螺纹柱与副螺纹柱反向旋转，从而对约束滚珠钢球和支撑滚珠钢球进行快速定位，直至双螺纹调心机构旋入预定深度后结束。
步骤二、各个双螺纹调心机构进行滚珠球铰关节对心调节，实现对心精度要求。此时，主螺纹柱和副螺纹柱同向旋转；根据某个位移传感器的安放位置，确定当滚珠球铰关节对心调节完成时该位移传感器对球头的位移理论值T；将所有位移传感器对球头的位移检测值C与位移理论值T的差值绝对值均小于或等于K时的状态作为滚珠球铰关节对心调节完成的判断标准，0≤K≤0.01mm。当某个位移传感器的位移检测值C与位移理论值T的差值小于或等于K时，表示该位移传感器对应径向方向上球头处于对心位置。某个位移传感器对球头的位移检测值C与位移理论值T的差值绝对值大于K时，该位移传感器对应径向方向上的两个双螺纹调心机构进行对心调节，调节过程如下；位移检测值C比位移理论值T偏高，则表明此时球头偏向于该位移传感器位置，需要调节支撑球窝上对应的双螺纹调心机构沿支撑滚珠导向孔轴线方向内移，并调节约束球窝上对应的双螺纹调心机构沿约束滚珠导向孔轴线方向外移，使球头中心往约束球窝和支撑球窝的中心移动；位移检测值C比位移理论值T偏低，则表明此时球头偏离该位移传感器位置，需要调节支撑球窝上对应的双螺纹调心机构沿支撑滚珠导向孔轴线方向外移，并调节约束球窝上对应的双螺纹调心机构沿约束滚珠导向孔轴线方向内移，使球头中心往约束球窝和支撑球窝的中心移动。
本发明的有益效果是：
1.本发明基于滚珠球铰关节的结构原型，结构简单，加工技术成熟，制造方便。
2.本发明使用的调心机构在滚珠球铰关节偏心误差较大时，双螺纹结构采用反向旋转，快速减小滚珠球铰关节的偏心误差，减少调心的时间，快速便捷。
3.本发明使用的调心结构在滚珠球铰关节偏心误差较小时，双螺纹结构采用同向旋转，对球头和球窝的对心情况进行微小的调节，进一步减小滚珠球铰关节的偏心误差，提高调心精度。
4.本发明在应用中，可根据偏心情况进行对心调节，若在长期使用情况下，局部零件严重磨损，可单独对该零件进行替换，从而增长球铰关节的使用寿命，减少零件更新成本。
5.本发明的调心精度主要取决于双螺纹调心机构中主螺纹柱和副螺纹柱的导程，所以可以根据实际情况选择不同导程的螺纹来得到更高的调心精度。
附图说明
图1为本发明可调心的滚珠球铰关节的结构剖视图；
图2为本发明中支撑球窝的结构立体图；
图3为本发明中约束球窝的结构立体图；
图4为本发明中球头的结构立体图；
图5为本发明中双螺纹调心机构的结构示意图；
图6为本发明方法进行滚珠球铰关节调心的流程图。
图中：1-球头，2-约束球窝，3-双螺纹调心机构，4-圆柱块，5-约束滚珠钢球，6-联接螺栓组，7-支撑球窝，8-位移检测系统，9-支撑滚珠钢球，10-传感器安装孔，11-支撑滚珠导向孔，12-约束滚珠导向孔，13-主螺纹柱，14-副螺纹柱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1、2、3和4所示，一种可调心的滚珠球铰关节，包括球头1、约束球窝2、双螺纹调心机构3、圆柱块4、约束滚珠钢球5、支撑球窝7、支撑滚珠钢球9和位移检测系统8。支撑球窝7作为本实施例的基座；支撑球窝7开设有沿圆周均布的六个支撑滚珠导向孔11，支撑滚珠导向孔11内安装双螺纹调心机构3、圆柱块4和支撑滚珠钢球9；支撑滚珠导向孔内圆柱块4的尾部平面端与双螺纹调心机构3接触，头部弧面与支撑滚珠钢球9接触；六个位移传感器各自安放在支撑球窝对应的传感器安装孔10内，位移传感器将球头的位移检测值输入位移检测系统8；约束球窝2开设有沿圆周均布的六个约束滚珠导向孔12，约束滚珠导向孔12内安装双螺纹调心机构3、圆柱块4和约束滚珠钢球5；约束滚珠导向孔内圆柱块4的尾部平面端与双螺纹调心机构3接触，头部弧面与约束滚珠钢球5接触。球头1安置在支撑球窝内，与所有支撑滚珠钢球9和约束滚珠钢球5接触；球头1的支撑杆穿过约束球窝2顶部的开孔，该开孔的孔径大于球头1的支撑杆直径，开孔孔径大小影响球铰关节工作的摆角范围；约束球窝2与支撑球窝7的接触面处通过固联螺栓组6固定。
如图5所示，双螺纹调心机构3由主螺纹柱13和副螺纹柱14组成，本实施例采用十二个双螺纹调心机构3协同工作对球铰关节进行对心调节；主螺纹柱13的外螺纹与对应的支撑滚珠导向孔11或约束滚珠导向孔12内螺纹连接；主螺纹柱13的内螺纹与副螺纹柱14的外螺纹连接；本实施例中主螺纹柱的外螺纹设为右旋，副螺纹柱的外螺纹设为左旋。
在初始安装时，球头1与支撑滚珠钢球9或约束滚珠钢球5之间的间隙较大，滚珠钢球需要快速定位，根据差动传动原理，采用反向旋转，可实现快速移动，即此时主螺纹柱13顺时针旋转，副螺纹柱14逆时针旋转，当主螺纹柱13旋转副螺纹柱14旋转时，支撑滚珠钢球9或约束滚珠钢球5沿径向移动的距离为：
式中，Ph1为主螺纹柱13的导程，Ph2为副螺纹柱14的导程，Ph1＞Ph2。
在进行对心调节时，球头1与支撑滚珠钢球9或约束滚珠钢球5之间的间隙较小，需要微动调节，采用同向旋转，即此时主螺纹柱13和副螺纹柱14均顺时针旋转(或均逆时针旋转)。当主螺纹柱13旋转副螺纹柱14旋转时，支撑滚珠钢球9或约束滚珠钢球5沿径向移动的距离为：
如图6所示，该可调心的滚珠球铰关节的调心方法，具体如下：
步骤一、安装可调心的滚珠球铰关节；在支撑球窝7的支撑滚珠导向孔11内安装支撑滚珠钢球9，在支撑球窝7的传感器安装孔10内安装位移传感器；位移传感器的输出端连接位移检测系统8；球头1放置在支撑球窝7内；在约束球窝2的约束滚珠导向孔12内安装约束滚珠钢球5后，将球头1的支撑杆穿过约束球窝2顶部的开孔；约束球窝2与支撑球窝7的接触面处通过固联螺栓组6固定；支撑滚珠导向孔11和约束滚珠导向孔12内均放入圆柱块4后，再安装双螺纹调心机构3。安装双螺纹调心机构3时，主螺纹柱13与副螺纹柱14反向旋转，从而对约束滚珠钢球5和支撑滚珠钢球9进行快速定位，直至双螺纹调心机构旋入预定深度后结束。
步骤二、各个双螺纹调心机构进行滚珠球铰关节对心调节，实现对心精度要求。此时，主螺纹柱13和副螺纹柱14同向旋转；根据某个位移传感器的安放位置，确定当滚珠球铰关节对心调节完成时该位移传感器8对球头的位移理论值T(应当检测出的位移传感器8与球头之间的距离，该距离根据位移传感器的安放位置确定，为定值)；将所有位移传感器8对球头的位移检测值C与位移理论值T的差值绝对值均小于或等于K时的状态作为滚珠球铰关节对心调节完成的判断标准，这里K＝0.005mm。当某个位移传感器8的位移检测值C与位移理论值T的差值小于或等于K时，表示该位移传感器8对应径向方向上球头1处于对心位置。某个位移传感器8对球头的位移检测值C与位移理论值T的差值绝对值大于K时，该位移传感器8对应径向方向上的两个双螺纹调心机构进行对心调节，调节过程如下；位移检测值C比位移理论值T偏高，则表明此时球头1偏向于该位移传感器8位置，需要调节支撑球窝上对应的双螺纹调心机构沿支撑滚珠导向孔11轴线方向内移，并调节约束球窝2上对应的双螺纹调心机构沿约束滚珠导向孔12轴线方向外移，使球头1中心往约束球窝2和支撑球窝7的中心移动；位移检测值C比位移理论值T偏低，则表明此时球头1偏离该位移传感器8位置，需要调节支撑球窝上对应的双螺纹调心机构沿支撑滚珠导向孔11轴线方向外移，并调节约束球窝2上对应的双螺纹调心机构沿约束滚珠导向孔12轴线方向内移，使球头1中心往约束球窝2和支撑球窝7的中心移动。

Claims (4)

1.一种可调心的滚珠球铰关节，包括球头、约束球窝、双螺纹调心机构、圆柱块、约束滚珠钢球、支撑球窝、支撑滚珠钢球和位移检测系统，其特征在于：所述的支撑球窝开设有沿圆周均布的n个支撑滚珠导向孔，n≥6，支撑滚珠导向孔内安装双螺纹调心机构、圆柱块和支撑滚珠钢球；支撑滚珠导向孔内圆柱块的尾部平面端与双螺纹调心机构接触，头部弧面与支撑滚珠钢球接触；n个位移传感器各自安放在支撑球窝对应的传感器安装孔内，位移传感器将球头的位移检测值输入位移检测系统；所述的约束球窝开设有沿圆周均布的n个约束滚珠导向孔，约束滚珠导向孔内安装双螺纹调心机构、圆柱块和约束滚珠钢球；约束滚珠导向孔内圆柱块的尾部平面端与双螺纹调心机构接触，头部弧面与约束滚珠钢球接触；所述的球头安置在支撑球窝内，与所有支撑滚珠钢球和约束滚珠钢球接触；球头的支撑杆穿过约束球窝顶部的开孔，该开孔的孔径大于球头的支撑杆直径；约束球窝与支撑球窝的接触面处通过固联螺栓组固定；
所述的双螺纹调心机构由主螺纹柱和副螺纹柱组成；主螺纹柱的外螺纹与对应的支撑滚珠导向孔或约束滚珠导向孔内螺纹连接；主螺纹柱的内螺纹与副螺纹柱的外螺纹连接；主螺纹柱的外螺纹与副螺纹柱的外螺纹旋向相反。
2.根据权利要求1所述的一种可调心的滚珠球铰关节，其特征在于：所述主螺纹柱的外螺纹为右旋，副螺纹柱的外螺纹为左旋。
3.根据权利要求1所述的一种可调心的滚珠球铰关节，其特征在于：主螺纹柱与副螺纹柱反向旋转，且主螺纹柱旋转副螺纹柱旋转时，支撑滚珠钢球或约束滚珠钢球沿径向移动的距离为：
式中，Ph1为主螺纹柱的导程，Ph2为副螺纹柱的导程，Ph1＞Ph2；
主螺纹柱与副螺纹柱同向旋转，且主螺纹柱旋转副螺纹柱旋转时，支撑滚珠钢球或约束滚珠钢球沿径向移动的距离为：
4.一种用于如权利要求1所述一种可调心的滚珠球铰关节的调心方法，其特征在于：该调心方法具体如下：
步骤一、安装可调心的滚珠球铰关节；在支撑球窝的支撑滚珠导向孔内安装支撑滚珠钢球，在支撑球窝的传感器安装孔内安装位移传感器；位移传感器的输出端连接位移检测系统；球头放置在支撑球窝内；在约束球窝的约束滚珠导向孔内安装约束滚珠钢球后，将球头的支撑杆穿过约束球窝顶部的开孔；约束球窝与支撑球窝的接触面处通过固联螺栓组固定；支撑滚珠导向孔和约束滚珠导向孔内均放入圆柱块后，再安装双螺纹调心机构；安装双螺纹调心机构时，主螺纹柱与副螺纹柱反向旋转，从而对约束滚珠钢球和支撑滚珠钢球进行快速定位，直至双螺纹调心机构旋入预定深度后结束；
步骤二、各个双螺纹调心机构进行滚珠球铰关节对心调节，实现对心精度要求；此时，主螺纹柱和副螺纹柱同向旋转；根据某个位移传感器的安放位置，确定当滚珠球铰关节对心调节完成时该位移传感器对球头的位移理论值T；将所有位移传感器对球头的位移检测值C与位移理论值T的差值绝对值均小于或等于K时的状态作为滚珠球铰关节对心调节完成的判断标准，0≤K≤0.01mm；当某个位移传感器的位移检测值C与位移理论值T的差值小于或等于K时，表示该位移传感器对应径向方向上球头处于对心位置；某个位移传感器对球头的位移检测值C与位移理论值T的差值绝对值大于K时，该位移传感器对应径向方向上的两个双螺纹调心机构进行对心调节，调节过程如下；位移检测值C比位移理论值T偏高，则表明此时球头偏向于该位移传感器位置，需要调节支撑球窝上对应的双螺纹调心机构沿支撑滚珠导向孔轴线方向内移，并调节约束球窝上对应的双螺纹调心机构沿约束滚珠导向孔轴线方向外移，使球头中心往约束球窝和支撑球窝的中心移动；位移检测值C比位移理论值T偏低，则表明此时球头偏离该位移传感器位置，需要调节支撑球窝上对应的双螺纹调心机构沿支撑滚珠导向孔轴线方向外移，并调节约束球窝上对应的双螺纹调心机构沿约束滚珠导向孔轴线方向内移，使球头中心往约束球窝和支撑球窝的中心移动。
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