CN110630631B - 球关节及包括其的位置调整装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球关节及包括其的位置调整装置，所述球关节包括：球铰；上球环以及下球环，所述上球环与所述下球环合拢从而容纳所述球铰；推轴，所述推轴将所述下球环向所述上球环压紧；微槽，所述微槽形成于所述上球环的内球面以及所述下球环的内球面上。本发明相比于采用多轴来实现对空间任意位置的固定方案，采用球关节来实现该功能，可以大大减小操作者的操作难度、节约操作时间。且相较于传统的球关节结构，采用优化设计的开槽球面结构，可以有效提升关节在锁紧时所能承受的扭转载荷而不发生相对转动，减小了球关节的制造成本。

Description

球关节及包括其的位置调整装置

技术领域

本发明涉及一种球关节及包括其的位置调整装置。

背景技术

零件的连接方式分为静联接、动联接。对于静连接，常用的连接方式有螺栓连接，键连接、以及销连接等；对于动连接，常用的方式有：轴承连接、联轴器等。在一些特定的工况下，满足静连接的要求的同时也要满足一定的动连接的要求，同时需要满足调向的需求，即，能满足在满足一定的条件时进行方向锁定，当条件撤销时，进行调向，同时满足方向锁定时的负载要求；目前采用的结构有：利用两轴(三轴)来实现万向调节，分别进行锁定；利用球关节进行锁定，实现万向调节。目前的连接方式的主要问题在于：

1、采用两轴或者三轴结构进行锁定，同时为了满足万向调节以及锁定需求，需要分别对多轴进行锁定，这势必会造成设计结构的复杂，进而导致成本的升高。基于该种设计结构，由于各个轴之间是相互独立的，这就会造成调节的难度，往往很难在单人操作的情况下调整到预期的使用位置。

2、对于采用普通球关节来实现万向调节的装置，面临的主要问题是锁紧后所承受的负载的大小问题。对于有一定负载要求的工况，普通的球面接触往往无法满足使用要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中球关节锁定结构复杂，成本高，且锁紧后承受负载能力差，无法满足使用需求的缺陷，提供一种球关节及包括其的位置调整装置。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种球关节，其特点在于，所述球关节包括：

球铰；

上球环以及下球环，所述上球环与所述下球环合拢从而容纳所述球铰；

推轴，所述推轴将所述下球环向所述上球环压紧；

微槽，所述微槽形成于所述上球环的内球面以及所述下球环的内球面上。

当需要完成锁紧动作时，通过推轴逐渐靠近并接触压紧下球环，进而下球环与上球环完成对球铰的锁紧过程。在完成锁紧过程后，在载荷作用下，球铰与上球环、下球环之间始终保持静止。

为提高锁紧后球铰所能承受的转矩载荷，对上球环、下球环进行结构优化设计。对上球环、下球环的内球面结构进行优化设计。优化后的球面由一系列微槽构成，槽的深度以及宽度以及开槽方向可以根据具体工况以及加工条件进行确定。

由于微槽的存在，可以有效提升球铰的抗扭转强度。在锁紧过程中，在上球环、下球环与球铰接触过程中，微槽处会产生弹性微变形，会进一步强化球铰与上球环、下球环的抱紧效应，从而增加球铰的抗扭转强度；另一方面可以有效削弱由于加工误差引起的球铰与上球环、下球环实际接触面积远小于设计接触面积的影响，另在锁紧释放过程中，微槽处的弹性微变形逐渐恢复，球铰与上球环、下球环逐渐进入放松状态。

较佳地，所述微槽为在所述上球环的内球面和所述下球环的内球面上环状或者螺旋状延伸的凹槽。

较佳地，设置于所述上球环的所述微槽沿着所述上球环的内球面的轴向方向平行排列，设置于所述下球环的所述微槽沿着所述下球环的球面的轴向方向平行排列。平行排列的微槽有利于加工。在实际加工中，也可以设置为非连续的微槽，纵向的微槽。

较佳地，设置于所述上球环的所述微槽的半径随着所述上球环的内球面的收窄方向逐渐减小，设置于所述下球环的所述微槽的半径随着所述下球环的内球面的收窄方向逐渐减小。由此微槽能够更加贴合上球环和下球环的内球面的表面变化趋势，使得表面过度平缓。

较佳地，所述球铰上形成有一限位槽，所述上球环上连接有一限位销，所述限位销与所述限位槽配合从而限制所述球铰的活动方向。

较佳地，所述限位销包括柱状部，所述柱状部插入于所述限位槽中，并限制所述球铰沿着所述柱状部转动或者沿着所述限位槽的延伸方向摆动。

较佳地，所述限位销包括端台部，所述端台部通过螺纹紧固件连接于所述上球环的外表面。

较佳地，所述下球环的内部还形成有容纳空间，所述容纳空间设置于与所述下球环的内球面相反的一侧，所述推轴被容纳于所述容纳空间内，且所述推轴被设置为推动所述容纳空间底部端面。容纳空间的内壁具有限位导向的作用，推轴被限位于容纳空间内进行轴向的移动。

较佳地，所述推轴和所述容纳空间的底部端面之间还设置有碟簧。推轴释放时松开碟簧，此时碟簧逐渐释放行程，同时释放压力，使得下球环得以逐渐稳定地向后释放位移。

较佳地，所述推轴的顶端具有环面和凸出的凸台，所述碟簧套设于所述凸台，且所述碟簧的一侧贴设于所述容纳空间的底部端面，所述碟簧的另一侧贴设于所述环面。凸台对碟簧起到限位的作用，保证在推轴的运动过程中，碟簧的两个端面始终能够与推轴以及下球环接触。碟簧的作用对球关节的锁紧使用效果有较大影响，由于碟簧的存在可以起到有效的缓冲，可以做到阻尼放松、阻尼锁紧。

较佳地，所述球关节还包括端头板，所述端头板与所述下球环固定，且所述端头板在所述容纳空间的开口处延伸从而将所述推轴限位于所述容纳空间内。

较佳地，所述球关节还包括一丝杠，所述丝杠的一端穿过所述端头板并朝向所述推轴设置，其中，所述丝杠与所述端头板螺纹连接并通过自身旋转压紧或者松开所述推轴。

一种位置调整装置，其特点在于，所述位置调整装置包括手提柄以及所述球关节，其中，所述手提柄与传动机构连接并通过传动机构推动所述推轴。

较佳地，所述传动机构包括传动连接件以及传动杆，所述传动连接件分别与所述传动杆和所述手提柄连接，所述球关节上旋转连接有丝杠，所述传动杆与所述丝杠连接。

较佳地，所述位置调整装置还包括有壳体，所述传动杆和所述传动连接件设置于所述壳体内。

较佳地，所述壳体内设置有末端定位件，所述末端定位件与所述传动连接件连接并用于限制所述传动连接件的转动，所述末端定位件还与一锁紧手柄连接。

较佳地，所述壳体、所述传动连接件以及所述传动杆均为碳纤维材质。

本发明的积极进步效果在于：本发明相比于采用多轴来实现对空间任意位置的固定方案，采用球关节来实现该功能，可以大大减小操作者的操作难度、节约操作时间。且相较于传统的球关节结构，采用优化设计的开槽球面结构，可以有效提升关节在锁紧时所能承受的扭转载荷而不发生相对转动，减小了球关节的制造成本。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的球关节的剖面结构示意图。

图2为本发明较佳实施例的球关节的俯视结构示意图。

图3为本发明较佳实施例的推轴和碟簧的装配结构示意图。

图4为本发明较佳实施例的下球环的轴向结构示意图。

图5为图4中的A-A方向剖面结构示意图。

图6为图5中的B部放大结构示意图。

图7为本发明较佳实施例的位置调整装置的结构示意图。

图8为图7中的C-C方向剖面结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如1-图6所示，本实施例公开了一种球关节，球关节包括球铰1、上球环21、下球环22、推轴3、碟簧4、限位销5、端头板6以及丝杠7。

如图1所示，本实施例的球关节包括球铰1。球铰1具有球形的外表面从而与上球环21的内球面以及下球环22的内球面进行转动配合。球铰1上形成有单向延伸的限位槽。

如图1所示，本实施例的球关节包括上球环21以及下球环22，上球环21与下球环22合拢，从而使得上球环21的内球面以及下球环22的内球面互相合拢形成球形的内部空间，由此容纳球铰1。

如图1和图3所示，本实施例的球关节包括推轴3，推轴3将下球环22向上球环21压紧。推轴3可以通过直接或者间接的方式与下球环22接触，从而沿着轴向将下球环22向上球环21压紧。

如图4、图5和图6所示，本实施例的球关节包括微槽8，微槽8形成于上球环21的内球面以及下球环22的内球面上。

当需要完成锁紧动作时，通过推轴3逐渐靠近并接触压紧下球环22，进而下球环22与上球环21完成对球铰1的锁紧过程。在完成锁紧过程后，在载荷作用下，球铰1与上球环21、下球环22之间始终保持静止。

为提高锁紧后球铰1所能承受的转矩载荷，对上球环21、下球环22进行结构优化设计。对上球环21、下球环22的内球面结构进行优化设计。优化后的球面由一系列微槽8构成，槽的深度以及宽度以及开槽方向可以根据具体工况以及加工条件进行确定。

由于微槽8的存在，可以有效提升球铰1的抗扭转强度。在锁紧过程中，在上球环21、下球环22与球铰1接触过程中，微槽8处会产生弹性微变形，会进一步强化球铰1与上球环21、下球环22的抱紧效应，从而增加球铰1的抗扭转强度；另一方面可以有效削弱由于加工误差引起的球铰1与上球环21、下球环22实际接触面积远小于设计接触面积的影响，另在锁紧释放过程中，微槽8处的弹性微变形逐渐恢复，球铰1与上球环21、下球环22逐渐进入放松状态。

如图4、图5和图6所示，本实施例的微槽8为在上球环21的内球面和下球环22的内球面上环状或者螺旋状延伸的凹槽。其中，本实施例的设置于上球环21的微槽8沿着上球环21的内球面的轴向方向平行排列，设置于下球环22的微槽8沿着下球环22的球面的轴向方向平行排列。平行排列的微槽8有利于加工。当然，在其他可选的实施例之中，也可以根据实际情况采用不同形状和延伸的微槽。例如可以设置非平行的环状凹槽，或者在环状凹槽之间有交叉的凹槽以及其他各种凹槽的布置设置。在实际加工中，也可以设置为非连续的微槽，纵向的微槽。

本实施例的微槽的截面形状可以为矩形槽、半椭圆槽、三角形槽以及其他各种现有的凹槽的截面形状，其中，采用矩形槽更加利于加工。

如图4、图5和图6所示，设置于上球环21的微槽8的半径随着上球环21的内球面的收窄方向逐渐减小，设置于下球环22的微槽8的半径随着下球环22的内球面的收窄方向逐渐减小。由此微槽8能够更加贴合上球环21和下球环22的内球面的表面变化趋势，使得表面过度平缓。在其他实施方式中，微槽8的开槽情况应当根据球、上球环21和下球环22的尺寸进行选择设计。在同一面上的微槽8的宽度和深度也可以是不相同的，这都应当根据具体工况具体考量。

本实施例中，球铰1上形成有一限位槽，上球环21上连接有一限位销5，限位销5与限位槽配合从而限制球铰1的活动方向。如图1所示，球铰1的限位槽为图1中左右方向延伸的单向槽。

如图1和图2所示，本实施例的限位销5包括柱状部52，柱状部52插入于限位槽中。由于球铰1的限位槽为图1中左右方向延伸的单向槽，因此此处转动方向是抑制了球铰1绕与纸面垂直方向的旋转。

如图2所示，本实施例的限位销5包括端台部51，端台部51通过螺纹紧固件101连接于上球环21的外表面。如图1和图2所示，本实施例的端台部51具有平整的平台形状，连接于上球环21并与上球环21的上表面之间保持平整。

如图1和图5所示，本实施例的下球环22的内部还形成有容纳空间221，容纳空间221设置于与下球环22的内球面相反的一侧，推轴3被容纳于容纳空间221内，且推轴3被设置为推动容纳空间221底部端面。容纳空间221的内壁具有限位导向的作用，推轴3被限位于容纳空间221内进行轴向的移动。

如图1和图3所示，本实施例的推轴3和容纳空间221的底部端面之间还设置有碟簧4。推轴3释放时松开碟簧4，此时碟簧4逐渐释放行程，同时释放压力，使得下球环22得以逐渐稳定地向后释放位移。

如图3所示，本实施例的推轴3的顶端具有环面32和凸出的凸台31，碟簧4套设于凸台31，且碟簧4的一侧贴设于容纳空间221的底部端面，碟簧4的另一侧贴设于环面32。凸台31对碟簧4起到限位的作用，保证在推轴3的运动过程中，碟簧4的两个端面始终能够与推轴3以及下球环22接触，从而起到缓冲和支撑作用。

如图1和图2所示，本实施例的球关节还包括端头板6，端头板6与下球环22固定，且端头板6在容纳空间221的开口处延伸从而将推轴3限位于容纳空间221内。端头板6可以进一步设置为方管端头板。如图2所示，端头板6通过沉头螺钉102与上球环21连接。

如图1和图2所示，本实施例的球关节还包括一丝杠7，丝杠7的一端穿过端头板6并朝向推轴3设置，其中，丝杠7与端头板6螺纹连接并通过自身旋转压紧或者松开推轴3。

本实施例的球关节达到的目标：在锁紧状态下，在球铰前端处施加预期的载荷(沿任意方向)时，在该载荷作用下球铰1与上球环21、下球环22保持相对静止，不发生相对滑动；在载荷卸载后，将整体状态调整为解锁状态，球铰1可以任意调整与上球环21与下球环22之间的姿态；重复以上锁紧以及解锁动作，球铰1均可以满足所述要求，在既定工作寿命周期内，均不发生破坏。

锁紧过程：当需要完成锁紧动作时，通过旋转丝杠7将旋转运动转化成向前平移运动，在丝杠7旋转向前进行平动时，丝杠7逐渐压紧推轴3，进而推轴3压紧碟簧4，在不断压紧过程中，推轴3逐渐靠近并接触压紧下球环22，进而下球环22与上球环21完成对球铰1的锁紧过程。

锁紧状态：在完成锁紧过程后，在载荷作用下，球铰1与端头板6、上球环21、下球环22之间始终保持静止。

解锁过程：相对于锁紧过程，反向旋转丝杠7，使得丝杠7逐渐向后平移，此时碟簧4逐渐释放行程，同时释放压力，使得下球环22得以逐渐向后释放位移，进而使得球铰1与上球环21、下球环22逐渐脱离。

解锁状态/姿态调整：完成解锁过程后的球铰处1于松脱状态，可以自由拖动进行姿态的调整；本装配体中，为满足实际需求，定位销5对球铰1的自由度进行了限制。

为提高锁紧后球铰所能承受的转矩载荷，对上球环21、下球环22进行结构优化设计。对上球环21、下球环22的内球面结构进行优化设计，得到如图3、图4和图5所示的结构。优化后的球面由一系列微槽8构成，槽的深度以及宽度以及开槽方向可以根据具体工况以及加工条件进行确定。

由于微槽8的存在，可以有效提升球铰的抗扭转强度。在锁紧过程中，来自丝杠7的平移作用力，传递到推轴3，然后传递到下球环22，下球环22在与球铰1接触过程中一方面在上球环21、下球环22与球铰接1触过程中，微槽8处会产生弹性微变形，会进一步强化球铰1与上球环21、下球环22的抱紧效应，从而增加球铰1的抗扭转强度；另一方面可以有效削弱由于加工误差引起的球铰1与上球环21、下球环2实际接触面积远小于设计接触面积的影响，另在锁紧释放过程中，微槽8处的弹性微变形逐渐恢复，球铰1与上球环21、下球环22逐渐进入放松状态。

如图7和图8所示，本实施例还公开了一种位置调整装置，其中，位置调整装置包括手提柄92以及球关节，其中，手提柄92与传动机构连接并通过传动机构推动推轴3。

如图7和图8所示，本实施例的传动机构包括传动连接件94以及传动杆95，传动连接件94分别与传动杆95和手提柄92连接，球关节上旋转连接有丝杠7，传动杆95与丝杠7连接。

如图7和图8所示，本实施例的位置调整装置还包括有壳体96，传动杆95和传动连接件94设置于壳体96内。

如图7和图8所示，本实施例的壳体96内设置有末端定位件93，末端定位件93与传动连接件94连接并用于限制传动连接件94的转动，末端定位件93还与一锁紧手柄91连接。

本实施例中，壳体96、传动连接件94以及传动杆95均为碳纤维材质。

综上所述，本发明相比于采用多轴来实现对空间任意位置的固定方案，采用球关节来实现该功能，可以大大减小操作者的操作难度、节约操作时间。且相较于传统的球关节结构，采用优化设计的开槽球面结构，可以有效提升关节在锁紧时所能承受的扭转载荷而不发生相对转动，减小了球关节的制造成本。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种球关节，其特征在于，所述球关节包括：

球铰；

上球环以及下球环，所述上球环与所述下球环合拢从而容纳所述球铰；

推轴，所述推轴将所述下球环向所述上球环压紧；

微槽，所述微槽形成于所述上球环的内球面以及所述下球环的内球面上；

所述微槽为在所述上球环的内球面和所述下球环的内球面上环状或者螺旋状延伸的凹槽；

设置于所述上球环的所述微槽沿着所述上球环的内球面的轴向方向平行排列，且设置于所述上球环的所述微槽的半径随着所述上球环的内球面的收窄方向逐渐减小；

设置于所述下球环的所述微槽沿着所述下球环的球面的轴向方向平行排列，且设置于所述下球环的所述微槽的半径随着所述下球环的内球面的收窄方向逐渐减小。

2.如权利要求1所述的球关节，其特征在于，所述球铰上形成有一限位槽，所述上球环上连接有一限位销，所述限位销与所述限位槽配合从而限制所述球铰的活动方向。

3.如权利要求2所述的球关节，其特征在于，所述限位销包括柱状部，所述柱状部插入于所述限位槽中，并限制所述球铰沿着所述柱状部转动或者沿着所述限位槽的延伸方向摆动。

4.如权利要求2所述的球关节，其特征在于，所述限位销包括端台部，所述端台部通过螺纹紧固件连接于所述上球环的外表面。

5.如权利要求1所述的球关节，其特征在于，所述下球环的内部还形成有容纳空间，所述容纳空间设置于与所述下球环的内球面相反的一侧，所述推轴被容纳于所述容纳空间内，且所述推轴被设置为推动所述容纳空间底部端面。

6.如权利要求5所述的球关节，其特征在于，所述推轴和所述容纳空间的底部端面之间还设置有碟簧。

7.如权利要求6所述的球关节，其特征在于，所述推轴的顶端具有环面和凸出的凸台，所述碟簧套设于所述凸台，且所述碟簧的一侧贴设于所述容纳空间的底部端面，所述碟簧的另一侧贴设于所述环面。

8.如权利要求5所述的球关节，其特征在于，所述球关节还包括端头板，所述端头板与所述下球环固定，且所述端头板在所述容纳空间的开口处延伸从而将所述推轴限位于所述容纳空间内。

9.如权利要求8所述的球关节，其特征在于，所述球关节还包括一丝杠，所述丝杠的一端穿过所述端头板并朝向所述推轴设置，其中，所述丝杠与所述端头板螺纹连接并通过自身旋转压紧或者松开所述推轴。

10.一种位置调整装置，其特征在于，所述位置调整装置包括手提柄以及如权利要求1-9任意一项所述的球关节，其中，所述手提柄与传动机构连接并通过传动机构推动所述推轴。

11.如权利要求10所述的位置调整装置，其特征在于，所述传动机构包括传动连接件以及传动杆，所述传动连接件分别与所述传动杆和所述手提柄连接，所述球关节上旋转连接有丝杠，所述传动杆与所述丝杠连接。

12.如权利要求11所述的位置调整装置，其特征在于，所述位置调整装置还包括有壳体，所述传动杆和所述传动连接件设置于所述壳体内。

13.如权利要求12所述的位置调整装置，其特征在于，所述壳体内设置有末端定位件，所述末端定位件与所述传动连接件连接并用于限制所述传动连接件的转动，所述末端定位件还与一锁紧手柄连接。

14.如权利要求12所述的位置调整装置，其特征在于，所述壳体、所述传动连接件以及所述传动杆均为碳纤维材质。

Images