CN108050151B - 一种基于双正交弹性簧片的球链 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双正交弹性簧片的球链，本发明所采用的技术方案是包括两片形状完全相同的对称半包围形的弹性簧片A和簧片B，簧片A底部为A3段，开口部中间为A2两段，开口部前端为A1两段，簧片B底部为B3段，开口部中间为B2两段，开口部前端为B1两段，弹性簧片A和弹性簧片B开口对开口地正交垂直布置，将A3段固定在基座上，将B3段对外连接运动构件，将A1段和B1通过四个中间连接件相固连，而A2段和B2段自由。本发明的有益效果是可实现三个转动自由度，结构紧凑对称、对外接口方便。

Description

一种基于双正交弹性簧片的球链
技术领域
本发明属于精密机械和并联机器人技术领域，涉及一种基于双正交弹性簧片的球链。
背景技术
球铰是可提供三个回转自由度的铰链，传统球铰一般采用球面副--球座和球头--结构形式，典型产品为关节轴承。传统球铰对球面副的加工工艺要求极高，往往需要有精密的公差和良好的表面质量，造价较高，但仍然不可避免存在摩擦和间隙，长期运行后将产生磨损和间隙或间隙增大，并往往需要润滑和定期维护。
柔性铰链技术是利用材料的弹性变形，实现相邻相对刚性的构件之间的相对转动，从而形成一种等效转动副的结构形式。由于柔性铰链利用了弹性材料微小变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程间隙和机械摩擦，从而能获得高位移分辨率，且造价低廉，结构紧凑，一般也不需要维护。特别适用于回转角度不大的，分辨率和重复定位精度要求极高的场合。但柔性铰链往往采用整块材料切割而成，柔性部分往往薄弱，且刀痕不易打磨光滑，长期使用容易应力集中和疲劳断裂。
传统结构形式球铰和柔性铰链易于疲劳断裂寿命较短，因各自的特点在不同的场合均得到广泛应用，但尚无将柔性铰链的优良特性和功能进行发展，以实现具有精密位移分辨率的、结构简单紧凑的、提供三个回转自由度的球铰。同时，还需回避柔性铰链柔性部分较为薄弱、表面较为粗糙，从而易于发生应力集中和疲劳断裂的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双正交弹性簧片的球链，本发明的有益效果是可实现三个转动自由度，可方便地根据实际工作需要调整弹性簧片的尺寸与厚度来设计球铰的弹性、强度及工作范围；结构紧凑对称、对外接口方便、工艺简单，且疲劳寿命高、成本低，可应用于各种精密机械和精密仪器领域。
本发明所采用的技术方案是包括两片形状完全相同的对称半包围形的弹性簧片A和簧片B，簧片A分为三段：底部为A3段，开口部中间为A2两段，开口部前端为A1两段，簧片B分为三段：底部为B3段，开口部中间为B2两段，开口部前端为B1两段，弹性簧片A和弹性簧片B开口对开口地正交垂直布置，此时A3段和B1段在同一高度，A2段和B2段在同一高度，A1段和B3段在同一高度，将A3段固定在基座上，将B3段对外连接运动构件，将A1段和B1通过四个中间连接件相固连，而A2段和B2段自由。
进一步，A3段的长度与B3段的长度相等，A2段的长度和B2段的长度相等，A1段的长度和B1段的长度相等。
进一步，四个中间连接件为一体化。
附图说明
图1是单弹性簧片可允许两个自由度示意图；
图2是双弹性簧片正交串联结构示意图；
图3是对称半包围形的弹性簧片示意图；
图4是改进的正交串联双弹性簧片相对位置布置图；
图5是改进的正交串联双弹性簧片的正交连接示意图；
图6是结构对称且具有螺纹接口的正交串联双弹性簧片球铰；
图7是两弹性簧片之间的中间连接件示意图；
图8是弹性簧片固定基座示意图；
图9是两弹性簧片之间一体式中间连接件示意图；
图10是基于一体式中间连接件的正交串联双弹性簧片球铰示意图。
图中，1.簧片A1，2.簧片B2，3.中间连接件，4.基座。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
弹性簧片因为簧片材料具有高弹性及其弹性回复性能，往往被用来作为储能元件，或利用弹性簧片具有良好的面外弹性和良好的面内刚度，被用于相对运动构件间的联接件，起到等效铰链的作用。由于弹性簧片表面质量一般都很高，能有效避免应力集中，从而具有良好疲劳寿命；且厚度便于选择，因此可以确保高位移分辨率高重复定位精度的同时，还便于设计强度和刚度。
参见图1，图示坐标系中，在OYZ平面内弹性簧片下沿固定安装，上沿对外安装连接运动构件。可见，簧片上沿允许联接的运动构件沿X轴发生有限弹性位移Tx，即可视为簧片可提供绕Y轴的转动自由度Ry；同时，簧片也允许其上沿联接的运动构件绕Z轴发生有限回转，可视为具有绕Z轴的转动自由度Rz，即单弹性簧片可提供两个转动自由度。
参见图2，如将两片弹性簧片正交串联，簧片A1安装在YaOaZ平面内，簧片B2安装在XbObZ平面内，二者互相垂直，通过中间连接件正交串联，则运动构件可获得3个转动自由度：绕Xb轴的转动自由度Rxb，绕Ya轴的转动自由度Rya和绕Z轴转动自由度Rz，但明显的缺点是，三个转动的回转轴不重合，应使得两片弹性簧片A和B的对应坐标系OaXaYaZ和ObXbYbZ的原点Oa和Ob重合，从而实现具有3个具有有限转动自由度的球铰。
为使得图2中正交串联的弹性簧片A1和B2的坐标系原点重合，采取如下措施：
参见图3和图4，首先制作两片完全相同的对称半包围形的弹性簧片A1和簧片B2，然后将它们开口对开口地，正交垂直布置，并如图所示将它们分三段标记，分别为A1、A2、A3和B1、B2、B3，其中，A1、A2和B1、B2均是分开的对称的两片组成。因A3的长度与B3的长度相等，所以A2和B2的长度必然相等，A1和B1也等长。最后，参见图5，将A3段固定在基座4上，将B3段对外连接运动构件，图中为显示清晰，隐藏了运动构件。将A1段和B1通过四个中间连接件3相固连，而A2段和B2段自由。这样就构建了正交串联双弹性簧片机构，具体的，发挥弹性簧片功能的分别是簧片A1的A2段和簧片B2的B2段，且均是由分开的对称的两部分弹性簧片组成。参见图5和图4，簧片A1相当于沿A3段和A2段分界线MN固定；而簧片B2相当于沿B2段和B1段分界线UV与A1段固定，且MN与UV垂直相交与O，并以UV和MN建立坐标系OXYZ。因此，簧片A1可提供绕Y轴的转动自由度Ry和绕Z轴转动自由度Rz；簧片B2可提供绕X轴的转动自由度Rx和绕Z转动自由度Rz。于是，就实现了具有3个有限转动自由度的球铰功能。
需要说明的是，参见图5和图6，由于对称性，运动构件与簧片B2的接口形式和固连方式同基座4与簧片A1的接口形式和固定方式完全相同，或者说，簧片A1和簧片B2的可以互换，从而，可以将与它们相连接的零件设计成同样形式，进而可以设计成一个具有标准接口的基于正交串联双弹性簧片的球铰机构。
参见图3，首先加工相同的两片半包围形弹性簧片；参见图7，加工4个弹性簧片中间连接件3；参见图8，加工2个弹性簧片固定用基座4。然后，参见图5和图6，分别将两片弹性簧片与基座4紧固，并采用四个中间连接件3将它们连接紧固。这样便完成了本发明基于正交串联双弹性簧片的球铰的加工。
还可优化加工工艺，参见图9和图10，可加工将四个中间连接件3一体化，这样更便于弹性簧片的定位和紧固。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种基于双正交弹性簧片的球链，其特征在于：包括两片形状完全相同的对称半包围形的弹性簧片A和簧片B，簧片A分为三段：底部为A3段，开口部中间为A2两段，开口部前端为A1两段，簧片B分为三段：底部为B3段，开口部中间为B2两段，开口部前端为B1两段，弹性簧片A和弹性簧片B开口对开口地正交垂直布置，此时A3段和B1段在同一高度，A2段和B2段在同一高度，A1段和B3段在同一高度，将A3段固定在基座上，将B3段对外连接运动构件，将A1段和B1段通过四个中间连接件相固连，而A2段和B2段自由；
所述A3段的长度与B3段的长度相等，A2段的长度和B2段的长度相等，A1段的长度和B1段的长度相等。
2.按照权利要求1所述一种基于双正交弹性簧片的球链，其特征在于：所述四个中间连接件为一体化。
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