CN111365362A - 一种球关节锁紧及刚度增强装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种球关节锁紧及刚度增强装置，该装置的第二球关节座套固于空心臂杆一端，第二球关节座与球关节球面配合，第一球关节座套装球关节外部，顶杆座固定于空心臂杆端头内部，顶杆座内均匀设置有三个顶杆，顶杆顶端与球关节尾端接触，顶杆尾端安装有复位弹簧，空心臂杆以及顶杆座与三个顶杆对应位置均匀分布三个通孔，锁紧螺母套固在空心臂杆上，斜面锁柱插入通孔中一端与顶杆接触，另一端与锁紧螺母接触。解决了现有技术不能提供大的锁紧刚度，需要额外的液压装置，使得球关节锁紧机构复杂的问题，提供一种球关节可靠锁紧及刚度增强的装置，可实现大载荷及大扰动使用工况下球关节的锁紧，具有结构简单、锁紧可靠、刚度增强效果好的特点。

Description

一种球关节锁紧及刚度增强装置
技术领域
本发明涉及一种球关节锁紧及刚度增强装置，属于紧锁增强装置技术领域。
背景技术
球关节广泛应用于以操控机械臂为代表的工业自动化生产领域、医疗器械行业及摄像云台等。球关节具有三个旋转自由度，灵活性好及操控方便，但对于调整角度后的球关节一般都是通过施加锁紧力进而增加摩擦力保持球关节的姿态，存在着锁紧不可靠及锁紧后刚度低的缺点，限制了其在某些场合的应用。
现有技术中的球关节的锁紧原理都是在调节球关节角度之前通过手动的方式将摩擦阻尼机构松开，调整完毕后通过施加锁紧力将摩擦阻尼机构锁紧并使得球关节与其基体之间具有比较大的摩擦力来保持锁紧状态，这些装置或方法的缺点是不能提供比较大的锁紧刚度，当机构受到外界扰动时由于锁紧刚度不足可能会导致球关节的姿态发生变化进而使得锁紧失效。还有通过使用液压装置提供很大的锁紧力来保证锁紧刚度，这种装置也存在两方面的缺点：一是需要额外的液压加力装置，使得球关节锁紧机构比较复杂，也会使得锁紧机构的体积和质量比较大，不利于小型化或某些对液压油泄露敏感场合的使用；二是其锁紧刚度虽然会比前者明显提高，但其原理仍然决定了其锁紧刚度也只能维持在一定的范围之内，在大扰动载荷作用下依然会存在锁紧失效的风险。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种球关节可靠锁紧及刚度增强的装置，可实现大载荷及大扰动使用工况下球关节的可靠锁紧，具有结构简单、锁紧可靠、刚度增强效果好的特点。
本发明提出一种球关节锁紧及刚度增强装置包括两个紧锁结构和空心臂杆，所述空心臂杆的两端分别安装有两个紧锁结构，所述紧锁结构包括球关节、第一球关节座、第二球关节座、顶杆座、三个顶杆、三个斜面锁柱、锁紧螺母和复位弹簧；所述第二球关节座套固于空心臂杆的一端，所述第一球关节座位于第二球关节座的外周，所述第二球关节座与球关节的球面配合，所述第一球关节座套装球关节的外部，所述顶杆座固定于空心臂杆的端头内部，所述顶杆座内均匀设置有三个顶杆，所述顶杆的顶端与球关节的尾端接触，所述顶杆的尾端安装有复位弹簧，所述空心臂杆以及顶杆座与三个顶杆对应位置均匀分布三个通孔，所述锁紧螺母套固在空心臂杆上，所述斜面锁柱插入通孔中一端与顶杆接触，另一端与锁紧螺母接触。
优选地，所述顶杆的形状为方形，所述顶杆的端头为球形，所述顶杆的尾部设置有斜面。
优选地，所述顶杆座与空心臂杆通过螺纹固结，其内部沿轴线方向设置有三个均布的方形槽，端部为球头的方形顶杆沿顶杆座内的方形槽滑动。
优选地，所述球关节的尾部为平面，端部为球头的顶杆与球关节的平面接触。
优选地，所述斜面锁柱两端均为斜面结构，其下端斜面斜率与顶杆斜面斜率一致，所述斜面锁柱的上端斜面斜率与锁紧螺母内斜面斜率一致。
优选地，所述锁紧螺母与空心臂杆通过螺纹结构连接，向左拧紧锁紧螺母，压紧三个斜面锁柱，从而向左压紧三个顶杆，通过顶杆球头三点对球关节平面进行有效锁紧。
优选地，所述紧锁结构还包括螺纹销钉和螺母，所述第二球关节座均匀设置有四个螺纹孔，所述第一球关节座与第二球关节座的对应位置均匀设置有四个通孔，所述螺纹销钉穿过第一球关节座上的通孔，拧入第二球关节座的螺纹孔中，所述螺母与第一球关节座外部通过螺纹配合，拧动螺母向左运动，通过螺纹销钉带动第二球关节座向左运动，进而对球关节施加预紧力。
优选地，所述第一球关节座的主体分为为圆柱段和圆锥段，所述第一球关节座的圆锥段套装球关节的外部，所述第一球关节座的圆柱段套在空心臂杆外周与螺母螺纹配合。
优选地，所述紧锁结构还包括第一结构和第二结构，所述第一结构套固于空心臂杆外周，所述第一结构外周套固有第一球关节座的圆柱段。
优选地，所述第二结构内外圆柱面上均为螺纹结构，内侧螺纹与空心臂杆外圆柱面螺纹配合，外侧螺纹与第一球关节座内圆柱面螺纹配合，所述第一结构对第一球关节座进行预紧。
本发明所述的球关节锁紧及刚度增强装置的工作原理为：对于球关节任意位置的锁紧采用“三点平面”锁紧原理，三点可以确定一个平面，锁紧平面为一空间平面，其位姿可以任意确定，只需要三个顶杆上的球头锁紧点与其接触并压紧，即可将其位姿保持，使其不能转动。所述的顶杆呈120°均匀分布，可在顶杆座的长条形槽内滑动，并始终与球关节上的锁紧平面接触。
本发明所述的球关节锁紧及刚度增强装置的有益效果为：本发明采用机械锁紧及刚度增强的方式，通过采用三个顶杆与球关节底部的小平面三点接触形成的锁紧面实现对球关节的锁紧，锁紧方式非常可靠，适合用于球关节承受大载荷或大扰动的场合，避免了采用摩擦力锁紧不可靠和刚度低的缺陷；同时本发明不需要使用气、液等额外的锁紧力施加装置，可以保证装置可以小型化、轻量化并可应用于食品、医疗等对污染很敏感的场合，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明所述的球关节锁紧及刚度增强装置的整体结构示意图；
图2是本发明所述的球关节锁紧及刚度增强装置的一端的内部结构图；
图3是本发明所述的球关节锁紧及刚度增强装置的“三点平面”锁紧原理示意图
附图标记：1-球关节；2-第一球关节座；3-第二球关节座；4-顶杆座；5-顶杆；6-斜面锁柱；7-锁紧螺母；8-复位弹簧；9-螺纹销钉；10-螺母；11-第一结构体；12-第二结构体；13-空心臂杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-图3说明本实施方式。本实施方式所述的球关节锁紧及刚度增强装置两个紧锁结构和空心臂杆13，所述空心臂杆13的两端分别安装有两个紧锁结构，所述紧锁结构包括球关节1、第一球关节座2、第二球关节座3、顶杆座4、三个顶杆5、三个斜面锁柱6、锁紧螺母7和复位弹簧8；所述第二球关节座3套固于空心臂杆13的一端，所述第一球关节座2位于第二球关节座3的外周，所述第二球关节座3与球关节1的球面配合，所述第一球关节座2套装球关节1的外部，所述顶杆座4固定于空心臂杆13的端头内部，所述顶杆座4内均匀设置有三个顶杆5，所述顶杆5的顶端与球关节1的尾端接触，所述顶杆5的尾端安装有复位弹簧8，所述空心臂杆13以及顶杆座4与三个顶杆5对应位置均匀分布三个通孔，所述锁紧螺母7套固在空心臂杆13上，所述斜面锁柱6插入通孔中一端与顶杆5接触，另一端与锁紧螺母7接触。
所述顶杆5的形状为方形，所述顶杆5的端头为球形，所述顶杆5的尾部设置有斜面。
所述顶杆座4与空心臂杆13通过螺纹固结，其内部沿轴线方向设置有三个均布的方形槽，端部为球头的方形顶杆5沿顶杆座4内的方形槽滑动。
所述球关节1的尾部为平面，端部为球头的顶杆5与球关节1的平面接触。
所述顶杆5，其主体为四边形结构，一端为球头与球关节1的锁紧平面接触，另一端设置有斜面，与斜面锁柱6下端斜面配合，所述复位弹簧8布置在顶杆5右端与顶杆座4孔底面之间，压紧顶杆5使其球头始终与球关节1锁紧平面接触，此处的复位弹簧8仅需要较小的力，防止干扰工作状态下球关节1的灵活转动。
所述斜面锁柱6两端均为斜面结构，其下端斜面斜率与顶杆5斜面斜率一致，所述斜面锁柱6的上端斜面斜率与锁紧螺母7内斜面斜率一致。
所述锁紧螺母7与空心臂杆13通过螺纹结构连接，向左拧紧锁紧螺母7，压紧三个斜面锁柱6，从而向左压紧三个顶杆5，通过顶杆球头三点对球关节1平面进行有效锁紧。
所述斜面锁柱6两端均为斜面结构，其下端斜面斜率与顶杆5斜面斜率一致，其上端斜面斜率与锁紧螺母7内斜面斜率一致，斜面锁柱下斜面与顶杆斜面接触，穿过空心臂杆13与顶杆座4上的三个方形孔，上端斜面与锁紧螺母6内斜面接触。所述锁紧螺母7与空心臂杆13通过螺纹结构连接，向左拧紧锁紧螺母7，压紧斜面锁柱6，从而向左压紧顶杆5，通过顶杆球头三点对球关节1平面进行有效锁紧。
所述紧锁结构还包括螺纹销钉9和螺母10，所述第二球关节座3均匀设置有四个螺纹孔，所述第一球关节座2与第二球关节座3的对应位置均匀设置有四个通孔，所述螺纹销钉9穿过第一球关节座2上的通孔，拧入第二球关节座3的螺纹孔中，所述螺母10与第一球关节座2外部通过螺纹配合，拧动螺母10向左运动，通过螺纹销钉9带动第二球关节座3向左运动，进而对球关节1施加预紧力。
所述第一球关节座2的主体分为为圆柱段和圆锥段，所述第一球关节座2的圆锥段套装球关节1的外部，所述第一球关节座2的圆柱段套在空心臂杆13外周与螺母10螺纹配合。
所述紧锁结构还包括第一结构11和第二结构12，所述第一结构11套固于空心臂杆13外周，所述第一结构11外周套固有第一球关节座2的圆柱段。
所述第二结构12内外圆柱面上均为螺纹结构，内侧螺纹与空心臂杆13外圆柱面螺纹配合，外侧螺纹与第一球关节座2内圆柱面螺纹配合，所述第一结构11对第一球关节座2进行预紧。
所述第一球关节座2主体为圆柱段和圆锥段，内部中空结构，所述球关节1套装在第一球关节座2内部，与第一球关节座2内部球面段配合，所述第二球关节座3与球关节1通过球面配合，在其径向上均匀分布四个螺纹孔，所述螺纹销钉9穿过第一球关节座上的通孔，拧入第二球关节座的螺纹孔中，所述螺母10与第一球关节座2外部圆柱段通过螺纹配合，拧动螺母10向左运动，通过螺纹销钉9可带动第二球关节座3向左运动，进而对球关节1施加预紧力。
所述顶杆座4与铝合金空心臂杆13通过螺纹固结，其内部沿轴线方向设置有三个均布的方形槽，一端端部为球头的方形顶杆5可沿顶杆座4内的方形槽滑动。所述第二结构12内外圆柱面上均为螺纹结构，内侧螺纹与空心臂杆13外圆柱面螺纹配合，外侧螺纹与第一球关节座2内圆柱面螺纹配合，所述第一结构11对第一球关节座2进行预紧，所述顶杆座4内均匀分布的三个顶杆5在末端复位弹簧8的作用下，顶端球头始终与球关节1小平面保持接触，所述空心臂杆13与顶杆座4上对应位置均匀分布三个通孔。
对于球关节任意位置的锁紧采用“三点平面”锁紧原理，三点可以确定一个平面，图3中锁紧平面为一空间平面，其位姿可以任意确定，只需要三个顶杆上的球头锁紧点与其接触并压紧，即可将其位姿保持，使其不能转动。所述的顶杆5呈120°均匀分布，可在顶杆座4的长条形槽内滑动，并始终与球关节1上的锁紧平面接触，球关节1上锁紧平面的大小以不影响球关节转动功能为前提。
如图2所示，所述锁紧螺母7上的压紧结构圆圈内的结构非整体结构，而是设置了一个弹性调节结构，材质为弹簧钢，其与斜面锁柱6的斜面配合，其根部与锁紧螺母7固连，这样做的目的是：保证弹性调节结构受斜面锁柱6的压力时，有一定的空间缓冲，当球关节1在任意姿态下，三个顶杆5斜面与斜面锁柱6下端斜面的相对位置不尽相同，这就使得三个斜面锁柱6突出空心臂杆13外圆面的高度也不尽相同，锁紧螺母7上的压紧结构是一个具有一定刚度的弹性调节结构，当锁紧螺母7向左运动对斜面锁柱6施加锁紧力时，该弹性调节结构可使三个高度不同的斜面锁柱均能被有效锁紧。
锁紧完毕后，若球关节1有转动的趋势，则会使其中的一个顶杆5有向右滑动的趋势，则右端斜面给锁紧螺母6的径向分力有使锁紧螺母7内斜面沿径向背离圆心运动的趋势，但此趋势不会实现，有如下两点原因：1、设置的斜面角度使得顶杆轴向力分给斜面锁柱的轴向力比较小；2、锁紧螺母内斜面结构有一定的刚度和强度，在结构不发生破坏的情况下，不会产生较大变形。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种球关节锁紧及刚度增强装置，其特征在于，包括两个紧锁结构和空心臂杆(13)，所述空心臂杆(13)的两端分别安装有两个紧锁结构，所述紧锁结构包括球关节(1)、第一球关节座(2)、第二球关节座(3)、顶杆座(4)、三个顶杆(5)、三个斜面锁柱(6)、锁紧螺母(7)和复位弹簧(8)；
所述第二球关节座(3)套固于空心臂杆(13)的一端，所述第一球关节座(2)位于第二球关节座(3)的外周，所述第二球关节座(3)与球关节(1)的球面配合，所述第一球关节座(2)套装球关节(1)的外部，所述顶杆座(4)固定于空心臂杆(13)的端头内部，所述顶杆座(4)内均匀设置有三个顶杆(5)，所述顶杆(5)的顶端与球关节(1)的一侧平面接触，所述顶杆(5)的尾端安装有复位弹簧(8)，所述空心臂杆(13)以及顶杆座(4)与三个顶杆(5)对应位置均匀分布三个通孔，所述锁紧螺母(7)套固在空心臂杆(13)上，所述斜面锁柱(6)插入通孔中一端与顶杆(5)接触，另一端与锁紧螺母(7)接触。
2.根据权利要求1所述的球关节锁紧及刚度增强装置，其特征在于，所述顶杆(5)的形状为方形，所述顶杆(5)的端头为球形，所述顶杆(5)的尾部设置有斜面。
3.根据权利要求2所述的球关节锁紧及刚度增强装置，其特征在于，所述顶杆座(4)与空心臂杆(13)通过螺纹固结，其内部沿轴线方向设置有三个均布的方形槽，端部为球头的方形顶杆(5)沿顶杆座(4)内的方形槽滑动。
4.根据权利要求2所述的球关节锁紧及刚度增强装置，其特征在于，所述球关节(1)的尾部为平面，端部为球头的顶杆(5)与球关节(1)的平面接触。
5.根据权利要求2所述的球关节锁紧及刚度增强装置，其特征在于，所述斜面锁柱(6)两端均为斜面结构，其下端斜面斜率与顶杆(5)斜面斜率一致，所诉斜面锁柱(6)的上端斜面斜率与锁紧螺母(7)内斜面斜率一致。
6.根据权利要求1所述的球关节锁紧及刚度增强装置，其特征在于，所述锁紧螺母(7)与空心臂杆(13)通过螺纹结构连接，向左拧紧锁紧螺母(7)，压紧三个斜面锁柱(6)，从而向左压紧三个顶杆(5)，通过顶杆球头三点对球关节(1)平面进行有效锁紧。
7.根据权利要求1所述的球关节锁紧及刚度增强装置，其特征在于，所述紧锁结构还包括螺纹销钉(9)和螺母(10)，所述第二球关节座(3)均匀设置有四个螺纹孔，所述第一球关节座(2)与第二球关节座(3)的对应位置均匀设置有四个通孔，所述螺纹销钉(9)穿过第一球关节座(2)上的通孔，拧入第二球关节座(3)的螺纹孔中，所述螺母(10)与第一球关节座(2)外部通过螺纹配合，拧动螺母(10)向左运动，通过螺纹销钉(9)带动第二球关节座(3)向左运动，进而对球关节(1)施加预紧力。
8.根据权利要求7所述的球关节锁紧及刚度增强装置，其特征在于，所述第一球关节座(2)的主体分为为圆柱段和圆锥段，所述第一球关节座(2)的圆锥段套装球关节(1)的外部，所述第一球关节座(2)的圆柱段套在空心臂杆(13)外周与螺母(10)螺纹配合。
9.根据权利要求8所述的球关节锁紧及刚度增强装置，其特征在于，所述紧锁结构还包括第一结构(11)和第二结构(12)，所述第一结构(11)套固于空心臂杆(13)外周，所述第一结构(11)外周套固有第一球关节座(2)的圆柱段。
10.根据权利要求9所述的球关节锁紧及刚度增强装置，其特征在于，所述第二结构(12)内外圆柱面上均为螺纹结构，内侧螺纹与空心臂杆(13)外圆柱面螺纹配合，外侧螺纹与第一球关节座(2)内圆柱面螺纹配合，所述第一结构(11)对第一球关节座(2)进行预紧。
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