CN112454415A - 一种可控锁紧式机械关节 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可控锁紧式机械关节，包括后端部分、前端部分及锁紧装置；后端部分包括固定座、回转筒以及转动体，回转筒通过转动体连接至固定座，并设置为能够相对固定座围绕第一方向进行回转；前端部分包括连接座、相互啮合的第一齿轮与第二齿轮，连接座设在回转筒上，第一齿轮、第二齿轮设在连接座上，二者设置为能够围绕第二方向进行转动；锁紧装置包括轴、前端锁紧件与后端锁紧件，前端锁紧件设在轴上，其作用于第二齿轮，并在轴伸出时压紧第二齿轮；后端锁紧件设在轴上，其作用于转动体，并在轴伸出时压紧转动体。本发明能够在任意角度悬停、锁紧，具有自动化程度高、灵活性好的优点。

Description

一种可控锁紧式机械关节

技术领域

本发明属于机械关节技术领域，具体涉及一种可控锁紧式机械关节。

背景技术

汽车业的繁荣发展是和近现代科学技术进步密不可分的，随着科学技术的进步，目前，在工业生产线上，机械关节相关技术已获得广泛的应用，例如在汽车生产领域通过多自由度机械手臂进行整车喷漆等。

现有的生产车间，部分工位需要进行任意角度定位并锁定的功能，例如汽车的烘烤，由于不同的汽车轮廓不相同，需要经常移动烘烤架来对汽车表面进行烘烤，现有的烤灯主要有手持式和立柱式两种，手持式需要操作人员长时间保持固定姿态，劳动强度高；立柱式的灵活性较差，不能随意调整烤灯位置和照明角度，需要经常移动烘烤架来对汽车表面进行烘烤，导致自动化程度低、局限性较大、效率低。

基于此，本申请提供了一种能够在较大范围位置内进行锁紧的可控锁紧式机械关节。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种可控锁紧式机械关节，其能够在较大角度范围内进行任意角度悬停、锁紧，具有自动化程度高，灵活性好的优点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种可控锁紧式机械关节，包括后端部分、前端部分以及锁紧装置；

其中后端部分包括固定座、回转筒以及转动体，回转筒通过转动体连接至固定座，其设置为能够相对固定座围绕第一方向进行回转；

其中前端部分包括连接座、相互啮合的第一齿轮与第二齿轮，连接座设在回转筒上，第一齿轮、第二齿轮设在连接座上，二者设置为能够围绕第二方向进行俯仰转动，第二方向与第一方向之间互相垂直；

锁紧装置包括能够沿第一方向伸出或者缩回的轴、前端锁紧件与后端锁紧件，前端锁紧件设在轴上，其作用于第二齿轮，并在轴伸出时锁紧第二齿轮；后端锁紧件设在轴上，其作用于转动体，并在轴伸出时锁紧转动体。

在本发明的上述技术方案中，可以在机械关节的输出端设置连接部件，例如连接部件设在第一齿轮上，其与第一齿轮同步转动，后端部分用于实现该机械关节的输出端(连接部件)的回转运动，即围绕第一方向进行回转，前端部分用于实现该机械关节的输出端(连接部件)的俯仰运动，即围绕第二方向的进行俯仰转动。

进一步的，机械关节的输出端可以在设定范围内的任意位置进行锁紧，其通过轴的伸缩到位分别完成前端部分、后端部分的锁紧；

本发明中的后端部分采用转动体结构进行回转运动，在锁紧装置中轴处于缩回状态时，在转动体的作用下，回转筒可以相对于固定座进行自转，在回转至设定位置后悬停，轴的伸出带动后端锁紧件将转动体锁定，此时回转筒无法回转，即能够实现回转筒任意位置的悬停。

具体的，一种优选的转动体的结构为：包括两个轴承，固定座具有中空外壳，回转筒通过两个轴承可转动地设在该中空外壳的内部，其中回转筒连接至轴承的内圈，固定座与轴承的外圈相对固定，后端锁紧件可以采用例如电机刹车片的结构方式，将该轴承锁紧而不能进行转动，优选的，后端锁紧件可以采用耐磨聚氨酯制成。

本发明中的前端部分采用齿轮结构完成转动，在锁紧装置中的轴处于缩回状态时，第一齿轮、第二齿轮之间可以自由转动，在俯仰至设定位置后悬停，轴的伸出带动前端锁紧件将第二齿轮锁定，此时第二齿轮无法转动，即能够实现第一齿轮任意位置的悬停。

其中，本发明中在前端锁紧件、后端锁紧件在处于非锁紧位置时，各个转动部件例如第一齿轮、第二齿轮以及回转筒之间可以存在较小的预紧力，即在无外力作用下，第一齿轮、第二齿轮以及回转筒不会随意产生晃动，使得机械关节的输出端具有较为稳定的姿态。

根据本发明的另一种具体实施方式，第二齿轮的齿数设置为不小于第一齿轮的齿数，优选的，第二齿轮的齿数大于第一齿轮的齿数，这样设置的好处在于，第二齿轮较小角度的转动，即可完成第一齿轮较大角度的俯仰，例如第二齿轮90°的转动实现，第一齿轮180°的转动。

根据本发明的另一种具体实施方式，前端锁紧件具有匹配于第二齿轮外轮廓的配合面。

进一步的，配合面可以为圆弧面、椭圆面、U形面、V形面或者梯形面，以更好地限制第二齿轮的转动。

优选的，配合面上设有可变形柔性垫，通过轴伸出后柔性垫的挤压形变，更好地限制第二齿轮的转动。

根据本发明的另一种具体实施方式，还包括回位装置，回位装置包括：

后端回位组件，其包括与轴同步伸出或者缩回的柱杆、具有导向轨迹的导向座，导向座设置在固定座上，轴的缩回，使得柱杆抵在导向座的导向轨迹上，并带动回转筒围绕第一方向进行转动回位；

前端回位组件，其包括与轴同步伸出或者缩回的挡板、固定在第二齿轮上的行程杆，轴的缩回，使得挡板与行程杆相抵，并推动第二齿轮进行围绕第二方向转动回位。

在本发明的上述技术方案中，回位装置用于同时实现该机械关节的后端部分、前端部分的自动回位，以进入下一使用循环的准备。

本方案中的后端回位组件用于使得回转筒回位至初始状态，通过导向座与柱杆之间接触相抵的配合方式，使得轴在缩回至最后端时，柱杆相对导向座具有确定的位置，以使回转筒回位至初始状态位置。

进一步的，导向座的导向轨迹为与柱杆相匹配的引导面，其中，引导面形成在导向座的前端；优选的，引导面为类凸轮轨迹所形成的面结构。

再进一步的，后端回位组件还包括能够同步沿第一方向进行伸出缩回、围绕第一方向进行转动的轴套，后端锁紧件、柱杆均固定在轴套上，即轴套即可以随着轴进行伸出、缩回运动，又可以围绕轴进行设定范围内的转动。

由于前端部分需要随着回转筒的转动而转动，相应的，还可以将轴分为第一段、第二段，其中第一段与第二段在轴套位置进行连接，此时轴套同时还起到连接作用；具体的，第二段一方面可以相对第一段进行转动，另一方面可以随着第一段的伸缩进行同步伸缩。

本方案中的前端回位组件用于使得第二齿轮转动回位至初始状态，通过挡板与行程杆之间接触相抵的配合方式，使得轴在缩回至最后端的过程中，挡板抵在行程杆上，以实现行程杆的转动(即第二齿轮的转动)，进而驱使第一齿轮转动。

进一步的，在连接座上设有支撑板，第一齿轮、第二齿轮分别通过第一安装轴、第二安装轴设在支撑板上；其中支撑板上设有以第二安装轴为中心的弧形导行槽，行程杆位于导行槽内，并且第二齿轮的转动过程中，行程杆在导行槽内转动。

本发明中轴的动力优选是唯一的，可以选择例如压杆式机械结构，可以选择是气动结构，还可以选择电动结构，在车间内使用时，优选为以气源为动力的气动结构，例如采用气缸和中泄电磁阀的联动方式，进行轴的伸出、缩回控制，其具有结构体积小、使用方便的优点，其中采用中泄电磁阀，实现气缸泄气后，带动前端部分、后端部分回位至初始状态，此时，在该电池阀的两个线圈都处于不给电的情况，气缸的前腔和后腔都无压力，在气缸缩回状态下，只需较小的作用力即可使气缸动作，以便于完成对机械关节输出端任意位置的悬停过程。

相应的，也可以采用例如双行程气缸的方式，分别进行机械关节的输出端的回位过程与任意位置的悬停过程，例如在气缸缩回至最小行程时，该机械关节的输出端回位，在中间行程时，可以进行机械关节输出端的任意位置悬停，在伸出至最大行程时，将该机械关节的输出端进行锁定。

本发明具备以下有益效果：

本发明的机械关节能够在较大范围内任意悬停，并进行锁紧，可以有效地解决既要适应任意位置的工作姿态、又要保持长时间固定的问题，结构紧凑，体积小，使用方便；

本发明的机械关节能够实现自动回位，并且锁紧、回位过程仅通过单个动力实现，结构简单，自动化程度高，灵活性好，实用性强。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明可控锁紧式机械关节的结构示意图；

图2是本发明可控锁紧式机械关节的爆炸结构示意图；

图3是后端部分的结构示意图；

图4是前端部分的结构示意图；

图5是图4中前端锁紧件的配合示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1－5所示，一种可控锁紧式机械关节，用于进行需要任意位置悬停锁定的工位使用，例如汽车喷涂车间的烘烤工位，作为烘烤灯的支撑臂使用，包括后端部分100、前端部分200以及锁紧装置300。

后端部分100包括固定座101、回转筒102以及转动体103，其中固定座101可以采用中空的圆筒状，在固定座101的两端部分别设有法兰连接结构，本实施例中的转动体103采用两个圆柱滚子轴承，回转筒102通过两个圆柱滚子轴承连接至固定座101，并且回转筒102能够围绕两个圆柱滚子轴承的中心线方向(第一方向)进行转动。

为了进行转动体103的安装，本实施例采用了两个法兰连接片104，两个法兰连接片104分别连接在固定座101的两端，同时将转动体103(两个圆柱滚子轴承)进行固定。

前端部分200包括连接座201、相互啮合的第一齿轮202与第二齿轮203、连接部件204，连接座201固定在回转筒102上，随着回转筒102的转动而转动，在连接座201设有两个支撑板205，第一齿轮202、第二齿轮203分别通过第一安装轴206、第二安装轴207设置在支撑板205上，其中第一安装轴206、第二安装轴207位于与第一方向相垂直的第二方向上，连接部件204作为该机械关节的输出端，用于安装或者支撑零部件，其固定在第一齿轮202上并随着第一齿轮202能够进行同步的俯仰转动。

本实施例中第一齿轮202为小齿轮，第二齿轮203为大齿轮，以实现第一齿轮202(以及与其相固定的连接部件204)的较大角度范围的转动。

锁紧装置300用于同时锁紧回转筒102和第二齿轮203，锁紧回转筒102用来限制连接部件204围绕第一方向的转动，锁紧第二齿轮203用来限制连接部件204围绕第二方向的转动。

锁紧装置300包括能够沿第一方向伸出或者缩回的气缸301、与气缸301的活塞杆连接的轴302、前端锁紧件303与后端锁紧件304，其中，前端锁紧件303作用于第二齿轮203，其在轴302伸出时限制第二齿轮203的转动；后端锁紧件304作用于转动体103(圆柱滚子轴承)，并在轴302伸出时限制回转筒102的转动。

本实施例中的后端锁紧件304采用刹车片的方式进行锁紧，具体的，后端锁紧件304采用耐磨聚氨酯制成，在回转筒102上具有滑槽105，后端锁紧件304从滑槽105中向外侧伸出，并沿着该滑槽105伸出或者缩回，在轴302伸出后，后端锁紧件304压紧至其中一个圆柱滚子轴承上，以限制回转筒102的转动。

前端锁紧件303也采用压紧制动的方式进行锁紧，限制第二齿轮203的转动，具体的，前端锁紧件303具有匹配于第二齿轮203外轮廓的配合面，本实施例中的配合面采用圆弧面，优选的，在圆弧面上设有一层可变形的柔性垫，优选为耐磨橡胶，在轴302伸出后，前端锁紧件303上的柔性垫压紧至第二齿轮203上，并产生相应的挤压形变，以限制第二齿轮203的转动。

为了能够更为顺畅地采用同一动力——与气缸301连接的轴302，进行前端锁紧件303、后端锁紧件304的同步锁紧，本实施例中的轴302包括位于后端的第一段302a、位于前端的第二段302b，其中，第一段302a、第二段302b之间通过轴套305进行连接，一方面第二段302b可以相对第一段302a进行转动，另一方面第二段302b可以随着第一段302a的伸缩进行同步伸缩。

具体的，为了实现作用力(压紧力)的平衡，在轴套305内位于第一段302a的自由端处设有弹簧306，通过弹簧306的作用，实现轴302伸出的过程中，前端锁紧件303、后端锁紧件304的受力均衡。

实施例2

如图1－5所示，一种具有自动回位功能的可控锁紧式机械关节，在实施例1的基础上，本实施例还设置了能够使得连接部件204回位至初始状态的回位装置400，回位装置400包括后端回位组件410和前端回位组件420。

后端回位组件410用于实现回转筒102的回位，其包括柱杆411、导向座412，其中柱杆411设在轴套305上，与轴302同步伸出或者缩回，导向座412设置在固定座101上，并位于固定座101与回转筒102之间，在导向座412上形成有与柱杆411相匹配的引导面413，具体的，引导面413为类凸轮轨迹所形成的面结构，在柱杆411上可以设有滚圈，以降低柱杆411与引导面413之间的硬摩擦力。

前端回位组件420用于实现第二齿轮203的回位，其包括挡板421、行程杆422，本实施例中的挡板421以框架的形成示出，其中挡板421与轴302的第一段302a相对固定，与轴302同步伸出或者缩回，行程杆422固定在第二齿轮203上，相应的，在支撑板205上设置了以第二安装轴207为中心的弧形导行槽423，以便于行程杆422的转动。

本实施例中通过轴302的缩回，一方面使得柱杆411抵在导向座412的引导面413上，并带动回转筒102围绕第一方向进行转动回位，另一方面使得挡板421与行程杆422相抵，并推动第二齿轮203进行围绕第二方向转动回位。

相应的，在回位以后进入下一个循环，为了自动消除回位后，气缸301对轴302的限制，以实现连接部件204任意位置的悬停，本实施例采用中泄电磁阀控制气缸301，在气缸301正常缩回后，只需较小的作用力即可使气缸301动作，以便于对连接部件204任意位置的悬停过程。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种可控锁紧式机械关节，其特征在于，包括：

后端部分(100)；

前端部分(200)；以及

锁紧装置(300)；

其中所述后端部分(100)包括固定座(101)、回转筒(102)以及转动体(103)，所述回转筒(102)通过所述转动体(103)连接至所述固定座(101)，其设置为能够相对所述固定座(101)围绕第一方向进行回转；

其中所述前端部分(200)包括连接座(201)、相互啮合的第一齿轮(202)与第二齿轮(203)，所述连接座(201)设在所述回转筒(102)上，所述第一齿轮(202)、所述第二齿轮(203)设在所述连接座(201)上，二者设置为能够围绕第二方向进行转动，且第二方向与第一方向之间互相垂直；

所述锁紧装置(300)包括能够沿第一方向伸出或者缩回的轴(302)、前端锁紧件(303)与后端锁紧件(304)，所述前端锁紧件(303)设在所述轴(302)上，其作用于所述第二齿轮(203)，并在所述轴(302)伸出时压紧所述第二齿轮(203)；所述后端锁紧件(304)设在所述轴(302)上，其作用于所述转动体(103)，并在所述轴(302)伸出时压紧所述转动体(103)。

2.如权利要求1所述的可控锁紧式机械关节，其特征在于，所述第二齿轮(203)的齿数设置为不小于所述第一齿轮(202)的齿数。

3.如权利要求1所述的可控锁紧式机械关节，其特征在于，所述前端锁紧件(303)具有匹配于所述第二齿轮(203)外轮廓的配合面。

4.如权利要求3所述的可控锁紧式机械关节，其特征在于，所述配合面为圆弧面、椭圆面、U形面、V形面或者梯形面。

5.如权利要求3所述的可控锁紧式机械关节，其特征在于，所述配合面上设有可变形柔性垫。

6.如权利要求1所述的可控锁紧式机械关节，其特征在于，所述固定座(101)具有中空外壳，所述转动体(103)包括两个轴承，所述回转筒(102)通过两个轴承可转动地设在所述中空外壳的内部。

7.如权利要求1所述的可控锁紧式机械关节，其特征在于，还包括回位装置(400)，所述回位装置(400)包括：

后端回位组件(410)，其包括与所述轴(302)同步伸出或者缩回的柱杆(411)、具有导向轨迹的导向座(412)，所述导向座(412)设置在所述固定座(101)上，所述轴(302)的缩回，使得所述柱杆(411)抵在所述导向座(412)的导向轨迹上，并带动所述回转筒(102)围绕第一方向进行转动回位；

前端回位组件(420)，其包括与所述轴(302)同步伸出或者缩回的挡板(421)、固定在所述第二齿轮(203)上的行程杆(422)，所述轴(302)的缩回，使得所述挡板(421)与所述行程杆(422)相抵，并推动所述第二齿轮(203)进行围绕第二方向转动回位。

8.如权利要求7所述的可控锁紧式机械关节，其特征在于，所述导向座(412)的导向轨迹为与所述柱杆(411)相匹配的引导面(413)。

9.如权利要求8所述的可控锁紧式机械关节，其特征在于，所述后端回位组件(410)还包括能够沿第一方向进行伸出缩回的同时围绕第一方向进行转动的轴套(305)，所述后端锁紧件(304)、所述柱杆(411)均固定在所述轴套上。

10.如权利要求1－7任一项所述的可控锁紧式机械关节，其特征在于，在所述连接座(201)上设有支撑板(205)；

所述第一齿轮(202)、所述第二齿轮(203)分别通过第一安装轴(206)、第二安装轴(207)设在所述支撑板(205)上；

其中所述支撑板(205)上设有以所述第二安装轴(207)为中心的弧形导行槽(423)，所述行程杆(422)位于所述导行槽(423)内。

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