CN113701013B - 一种适用于细长结构的运动学支撑机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于细长结构的运动学支撑机构，运动学支撑机构与细长结构通过三个球副和一个球槽副连接，与外部的支撑底座之间通过一个转动副、两个虎克副和一处固定连接；且三个球副均具有X、Y、Z轴的转动自由度，球槽副具有X、Y、Z轴的转动自由度和沿X轴方向的移动自由度，转动副具有绕X轴的转动自由度，两个虎克副均具有绕X轴与Y轴的转动自由度；其中，X轴与细长结构的长度方向平行，Y轴与细长结构的宽度方向平行，Z轴垂直于X轴与Y轴。

Description

一种适用于细长结构的运动学支撑机构
技术领域
本发明涉及高精密支撑机构技术领域，具体涉及一种适用于细长结构的运动学支撑机构。
背景技术
近年来，随着人类在探索外太空技术的不断发展，越来越多的航天器被送往外太空，其中空间观测、空间测量是一个重要的领域。为了实现高分辨率的空间观测和高精度的空间测量，需要运动学支撑结构，以解决重力卸载、应力释放、热变形等因素引起的支撑精度变化。
现有技术中，常用的运动学支撑方法为三支腿和六支腿两种形式，其中，三支腿形式的运动学支撑结构包括“点-V形槽-平面”均布的运动学支撑和“3V形槽”均布的运动学支撑，多用于精密仪器的支撑；六支腿形式的运动学支撑主要为“Hexapod”形式的运动学支撑，多用于光学镜的运动学支撑，配合驱动部件可实现位姿的调整。
三支腿和六支腿形式的运动学支撑结构受其构型必须均布的特点的影响，只能用于圆形或正方形的设备，无法用于细长结构。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种适用于细长结构的运动学支撑机构，实现细长结构与支撑底座之间的运动学支撑，可有效解耦细长结构与支撑底座之间由于材料热膨胀系数不匹配而引起的热应力及装配误差引起的装配应力；且该运动学支撑机构支腿间的跨距对解耦效果无影响，适用于细长结构支撑。
本发明的技术方案为：一种适用于细长结构的运动学支撑机构，运动学支撑机构与细长结构通过三个球副和一个球槽副连接，与外部的支撑底座之间通过一个转动副、两个虎克副和一处固定连接；且三个球副均具有X、Y、Z轴的转动自由度，球槽副具有X、Y、Z轴的转动自由度和沿X轴方向的移动自由度，转动副具有绕X轴的转动自由度，两个虎克副均具有绕X轴与Y轴的转动自由度；其中，X轴与细长结构的长度方向平行，Y轴与细长结构的宽度方向平行，Z轴垂直于X轴与Y轴。
优选地，所述运动学支撑机构包括：工字形支撑架Ⅰ、工字形支撑架Ⅱ、球头上安装块和球头下安装块；
所述工字形支撑架Ⅰ和工字形支撑架Ⅱ的一端与球头下安装块之间均通过虎克副相连，球头下安装块固定在支撑底座上；所述工字形支撑架Ⅰ和工字形支撑架Ⅱ的另一端与球头上安装块之间均通过球副相连，球头上安装块固定在细长结构上。
优选地，所述运动学支撑机构还包括：球头和双头螺栓；
所述球头下安装块内部设有孔轴向与细长结构的长度方向一致的通孔，将球头固定于双头螺栓的一端，将固定好的两个球头分别置于球头下安装块内部通孔的轴向两端，然后将双头螺栓的另一端固定于工字形支撑架Ⅰ或工字形支撑架Ⅱ上，且球头下安装块内部通孔的孔径与球头直径相等，从而实现工字形支撑架Ⅰ和工字形支撑架Ⅱ与支撑底座之间的虎克副连接。
优选地，所述运动学支撑机构还包括：支撑架固定安装块、倒V形支撑架Ⅰ和倒V形支撑架Ⅱ；
所述倒V形支撑架Ⅰ的汇合端与球头上安装块之间为球槽副连接，球头上安装块固定在细长结构另一端的一侧；所述倒V形支撑架Ⅰ的两个分叉端分别通过支撑架固定安装块固定在支撑底座另一端的一侧；
所述倒V形支撑架Ⅱ的汇合端与球头上安装块之间为球副连接，球头上安装块固定在细长结构另一端的另一侧，两个分叉端分别与球头下安装块之间为转动副连接，球头下安装块固定在支撑底座另一端的另一侧。
优选地，所述运动学支撑机构还包括：安装块左侧挡板和安装块右侧挡板；
所述倒V形支撑架Ⅱ的两个分叉端与支撑底座之间先形成虎克副连接，球头下安装块沿长度方向的两侧分别固定有安装块左侧挡板和安装块右侧挡板，且安装块左侧挡板和安装块右侧挡板分别插入球头下安装块的通孔中，并与对应侧的球头相切，则限制了倒V形支撑架Ⅱ的两个分叉端沿球头下安装块内部通孔轴向的移动，从而实现所述倒V形支撑架Ⅱ与支撑底座之间转动副连接。
优选地，所述运动学支撑机构还包括：支撑架左侧挡板和支撑架右侧挡板；
所述工字形支撑架Ⅰ和工字形支撑架Ⅱ与细长结构相连的一端及倒V形支撑架Ⅱ的汇合端内部分别设有与球头等径的通孔，每个通孔中设有一个球头，每个球头通过双头螺栓固定于球头上安装块上；每个通孔的轴向两侧分别固定有支撑架左侧挡板和支撑架右侧挡板，且支撑架左侧挡板和支撑架右侧挡板均与球头相切，以此实现所述工字形支撑架Ⅰ、工字形支撑架Ⅱ和倒V形支撑架Ⅱ与细长结构之间的球副连接。
优选地，所述倒V形支撑架Ⅰ的汇合端内部设有与球头等径的通孔，所述通孔中设有一个球头，所述球头通过双头螺栓固定于球头上安装块上；所述通孔的轴向两侧分别固定有支撑架左侧挡板和支撑架右侧挡板，且支撑架左侧挡板和支撑架右侧挡板与球头之间均预留设定的间隙，从而倒V形支撑架Ⅰ能够沿通孔的轴线方向移动设定的距离，以此实现所述倒V形支撑架Ⅰ与细长结构之间的球槽副连接。
优选地，所述工字形支撑架Ⅰ和工字形支撑架Ⅱ的竖直段进行局部削薄处理，此处在整个运动学支撑机构中充当柔性铰链转动副。
有益效果：
1、本发明的运动学支撑机构采用非均布布局的四支腿形式，细长结构与支撑底座之间不再采用固连的方式，通过一定数量的运动副相连，完全约束细长结构的六个自由度，保证整个运动学支撑机构的自由度为零，既没有过约束也没有欠约束，可以有效降低材料热膨胀系数不匹配对细长结构造成的不良影响；同时，该运动学支撑机构支腿间的跨距对解耦效果无影响，适用于支撑细长结构。
2、本发明中工字形支撑架Ⅰ、工字形支撑架Ⅱ、倒V形支撑架Ⅱ和倒V形支撑架Ⅰ作为运动学支撑机构的四个支腿，四个支腿之间的跨距对解耦效果无影响，对被支撑件的支撑跨距大，适用于细长机构的支撑。
3、本发明中以球副为主要运动副，机械设计简单、可靠、模块化高，支撑刚度高、可实现被支撑件的高刚度支撑。
4、本发明中工字形支撑架Ⅰ和工字形支撑架Ⅱ的竖直段进行局部削薄处理后，作为柔性铰链，实现设定范围内的转动副连接，机械设计简单、可靠，支撑刚度高。
附图说明
图1为本发明提供运动学支撑机构的原理示意图。
图2为本发明提供运动学支撑机构的结构示意图。
图3为本发明中转动副的结构示意图。
图4为本发明中球副的结构示意图。
图5为本发明中工字形支架的结构示意图。
图6为本发明中倒V形支架的结构示意图。
图7为本发明中侧挡板的结构示意图。
图8为本发明中球头下安装块的结构示意图。
图9为本发明中支撑架固定安装块的结构示意图。
图10为本发明中球头的结构示意图。
其中，1-支撑底座，2-运动学支撑机构，2.1工字形支撑架Ⅰ，2.2-支撑架固定安装块，2.3-倒V形支撑架Ⅰ，2.4-工字形支撑架Ⅱ，2.5-球头上安装块，2.6-球头下安装块，2.7-倒V形支撑架Ⅱ，2.8-安装块左侧挡板，2.9-安装块右侧挡板，2.10-球头，2.11-双头螺栓，2.12-支撑架左侧挡板，2.13-支撑架右侧挡板，3-细长结构。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种适用于细长结构的运动学支撑机构，实现细长结构与支撑底座之间的运动学支撑，可有效解耦细长结构与支撑底座之间由于材料热膨胀系数不匹配而引起的热应力及装配误差引起的装配应力；且该运动学支撑机构的跨距对解耦效果无影响，适用于支撑细长结构。
如图1所示，细长结构3(被支撑件)通过运动学支撑机构2支撑在外部的支撑底座1上，运动学支撑机构2与细长结构3之间通过三个球副(A、C、D)和一个球槽副(B)连接，且三个球副均具有三个自由度，均可绕X、Y、Z轴转动，球槽副具有四个自由度，既可绕X、Y、Z轴转动又可沿X轴方向移动；运动学支撑机构2与支撑底座1之间通过一个转动副(E)、两个虎克副(G、H)和一处固定(无运动副，零自由度)连接，且转动副具有绕X轴转动一个自由度，虎克副具有两个自由度，分别可绕X轴与Y轴转动；其中，X轴与细长结构3的长度方向平行，Y轴与细长结构3的宽度方向平行，Z轴垂直于X轴与Y轴；
根据Kutzbach-Grvbler公式计算运动学支撑机构整体的自由度数目M为：
Figure BDA0003182877380000041
式中，n＝5为运动学支撑机构的总构件数；g＝7为运动副数；
Figure BDA0003182877380000042
为各运动副的自由度数目之和，这里为1+2×2+3×3+4＝18；从而，计算可得，M＝0，运动学支撑机构整体的自由度数目为0。
本实施例中，如图2-4所示，所述运动学支撑机构2包括：工字形支撑架Ⅰ2.1、支撑架固定安装块2.2、倒V形支撑架Ⅰ2.3、工字形支撑架Ⅱ2.4、球头上安装块2.5、球头下安装块2.6和倒V形支撑架Ⅱ2.7；
所述工字形支撑架Ⅰ2.1和工字形支撑架Ⅱ2.4(如图5所示)的一个水平段分别通过球头下安装块2.6连接在支撑底座1的一端；其中，所述工字形支撑架Ⅰ2.1和工字形支撑架Ⅱ2.4与球头下安装块2.6之间均通过虎克副相连，球头下安装块2.6固定在支撑底座1上；
所述工字形支撑架Ⅰ2.1和工字形支撑架Ⅱ2.4的另一个水平段分别通过球头上安装块2.5连接在细长结构3的一端；其中，所述工字形支撑架Ⅰ2.1和工字形支撑架Ⅱ2.4与球头上安装块2.5之间均通过球副相连，球头上安装块2.5固定在细长结构3上；
所述倒V形支撑架Ⅰ2.3(如图6所示)的汇合端通过球头上安装块2.5安装在细长结构3另一端的一侧，两个分叉端分别通过支撑架固定安装块2.2(如图9所示)固定在支撑底座1另一端的一侧；其中，所述倒V形支撑架Ⅰ2.3与球头上安装块2.5之间为球槽副连接，球头上安装块2.5固定在细长结构3上；
所述倒V形支撑架Ⅱ2.7(如图6所示)的汇合端通过球头上安装块2.5安装在细长结构3另一端的另一侧，两个分叉端分别通过球头下安装块2.6连接在支撑底座1另一端的另一侧；所述倒V形支撑架Ⅱ2.7与球头上安装块2.5之间为球副连接，球头上安装块2.5固定在细长结构3上；所述倒V形支撑架Ⅱ2.7与球头下安装块2.6之间为转动副连接，球头下安装块2.6固定在支撑底座1上。
本实施例中，所述运动学支撑机构2还包括：安装块左侧挡板2.8、安装块右侧挡板2.9、球头2.10、双头螺栓2.11、支撑架左侧挡板2.12和支撑架右侧挡板2.13；其中，如图7所示，安装块左侧挡板2.8、安装块右侧挡板2.9、支撑架左侧挡板2.12和支撑架右侧挡板2.13的结构形式基本相同；
如图8所示，所述球头下安装块2.6内部设有通孔(孔轴向与细长结构3的长度方向一致)，将球头2.10(如图10所示)固定于双头螺栓2.11的一端，将固定好的两个球头2.10分别置于球头下安装块2.6内部通孔的轴向两端，然后将双头螺栓2.11的另一端通过螺母固定于工字形支撑架Ⅰ2.1(或工字形支撑架Ⅱ2.4)上；将球头下安装块2.6内部通孔的孔径与球头2.10直径设置为相等，此时，工字形支撑架Ⅰ2.1和工字形支撑架Ⅱ2.4只能沿球头下安装块2.6内部通孔轴向移动和绕轴线转动，从而实现工字形支撑架Ⅰ2.1和工字形支撑架Ⅱ2.4与支撑底座1之间的虎克副连接；
倒V形支撑架Ⅱ2.7与支撑底座1之间的转动副的连接通过以下连接形式实现：倒V形支撑架Ⅱ2.7的两个分叉端与支撑底座1之间首先形成虎克副连接(具体形式同工字形支撑架Ⅰ2.1和工字形支撑架Ⅱ2.4与支撑底座1之间的虎克副连接)，在此基础上，球头下安装块2.6沿长度方向的两侧分别固定有安装块左侧挡板2.8和安装块右侧挡板2.9，且安装块左侧挡板2.8和安装块右侧挡板2.9分别插入球头下安装块2.6的通孔中，并与对应侧的球头2.10相切，则限制了倒V形支撑架Ⅱ2.7的两个分叉端沿球头下安装块2.6内部通孔轴向的移动，故此时倒V形支撑架Ⅱ2.7只能绕通孔轴线转动，以此来实现转动副(如图3所示)的功能；
三个球副通过以下方式来实现：工字形支撑架Ⅰ2.1和工字形支撑架Ⅱ2.4与细长结构3相连的一端及倒V形支撑架Ⅱ2.7的汇合端内部分别设有与球头2.10等径的通孔，每个通孔中设有一个球头2.10，每个球头2.10通过双头螺栓2.11固定于球头上安装块2.5上；每个通孔的轴向两侧分别固定有支撑架左侧挡板2.12和支撑架右侧挡板2.13，且支撑架左侧挡板2.12和支撑架右侧挡板2.13均与球头2.10相切，故此时，工字形支撑架Ⅰ2.1、工字形支撑架Ⅱ2.4和倒V形支撑架Ⅱ2.7只能沿X、Y和Z轴三个方向转动，以此来实现球副(如图4所示)的功能；
所述球槽副的实现方式与球副的实现方式类似，区别在于固定于倒V形支撑架Ⅰ2.3汇合端两侧的支撑架左侧挡板2.12和支撑架右侧挡板2.13插入通孔的部分不与球头2.10相切，球头2.10与支撑架左侧挡板2.12和支撑架右侧挡板2.13之间均预留设定的间隙，从而使得倒V形支撑架Ⅰ2.3可以沿通孔的轴线方向移动一定的距离，这样倒V形支撑架Ⅰ2.3有三个转动自由度和一个移动自由度，以此实现球槽副的功能。
本实施例中，工字形支撑架Ⅰ2.1和工字形支撑架Ⅱ2.4的竖直段进行局部削薄处理，此处在整个运动学支撑机构2中充当柔性铰链转动副，可以实现设定范围内的转动。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于细长结构的运动学支撑机构，其特征在于，运动学支撑机构(2)与细长结构(3)通过三个球副和一个球槽副连接，与外部的支撑底座(1)之间通过一个转动副、两个虎克副和一处固定连接；且三个球副均具有X、Y、Z轴的转动自由度，球槽副具有X、Y、Z轴的转动自由度和沿X轴方向的移动自由度，转动副具有绕X轴的转动自由度，两个虎克副均具有绕X轴与Y轴的转动自由度；其中，X轴与细长结构(3)的长度方向平行，Y轴与细长结构(3)的宽度方向平行，Z轴垂直于X轴与Y轴；
两个运动学支撑机构(2)的一端分别通过虎克副连接于支撑底座(1)的一端，另一端分别通过球副连接于细长结构(3)的一端；
一个运动学支撑机构(2)的一端通过球槽副连接于细长结构(3)的另一端的一侧，另一端固定在支撑底座(1)另一端的一侧；一个运动学支撑机构(2)的一端通过球副连接于细长结构(3)另一端的另一侧，另一端通过转动副连接于支撑底座(1)的另一端的另一侧。
2.如权利要求1所述的适用于细长结构的运动学支撑机构，其特征在于，所述运动学支撑机构(2)包括：工字形支撑架Ⅰ(2.1)、工字形支撑架Ⅱ(2.4)、球头上安装块(2.5)和球头下安装块(2.6)；
所述工字形支撑架Ⅰ(2.1)和工字形支撑架Ⅱ(2.4)的一端与球头下安装块(2.6)之间均通过虎克副相连，球头下安装块(2.6)固定在支撑底座(1)上；所述工字形支撑架Ⅰ(2.1)和工字形支撑架Ⅱ(2.4)的另一端与球头上安装块(2.5)之间均通过球副相连，球头上安装块(2.5)固定在细长结构(3)上。
3.如权利要求2所述的适用于细长结构的运动学支撑机构，其特征在于，所述运动学支撑机构(2)还包括：球头(2.10)和双头螺栓(2.11)；
所述球头下安装块(2.6)内部设有孔轴向与细长结构(3)的长度方向一致的通孔，将球头(2.10)固定于双头螺栓(2.11)的一端，将固定好的两个球头(2.10)分别置于球头下安装块(2.6)内部通孔的轴向两端，然后将双头螺栓(2.11)的另一端固定于工字形支撑架Ⅰ(2.1)或工字形支撑架Ⅱ(2.4)上，且球头下安装块(2.6)内部通孔的孔径与球头(2.10)直径相等，从而实现工字形支撑架Ⅰ(2.1)和工字形支撑架Ⅱ(2.4)与支撑底座(1)之间的虎克副连接。
4.如权利要求3所述的适用于细长结构的运动学支撑机构，其特征在于，所述运动学支撑机构(2)还包括：支撑架固定安装块(2.2)、倒V形支撑架Ⅰ(2.3)和倒V形支撑架Ⅱ(2.7)；
所述倒V形支撑架Ⅰ(2.3)的汇合端与球头上安装块(2.5)之间为球槽副连接，球头上安装块(2.5)固定在细长结构(3)另一端的一侧；所述倒V形支撑架Ⅰ(2.3)的两个分叉端分别通过支撑架固定安装块(2.2)固定在支撑底座(1)另一端的一侧；
所述倒V形支撑架Ⅱ(2.7)的汇合端与球头上安装块(2.5)之间为球副连接，球头上安装块(2.5)固定在细长结构(3)另一端的另一侧，两个分叉端分别与球头下安装块(2.6)之间为转动副连接，球头下安装块(2.6)固定在支撑底座(1)另一端的另一侧。
5.如权利要求4所述的适用于细长结构的运动学支撑机构，其特征在于，所述运动学支撑机构(2)还包括：安装块左侧挡板(2.8)和安装块右侧挡板(2.9)；
所述倒V形支撑架Ⅱ(2.7)的两个分叉端与支撑底座(1)之间先形成虎克副连接，球头下安装块(2.6)沿长度方向的两侧分别固定有安装块左侧挡板(2.8)和安装块右侧挡板(2.9)，且安装块左侧挡板(2.8)和安装块右侧挡板(2.9)分别插入球头下安装块(2.6)的通孔中，并与对应侧的球头(2.10)相切，则限制了倒V形支撑架Ⅱ(2.7)的两个分叉端沿球头下安装块(2.6)内部通孔轴向的移动，从而实现所述倒V形支撑架Ⅱ(2.7)与支撑底座(1)之间转动副连接。
6.如权利要求5所述的适用于细长结构的运动学支撑机构，其特征在于，所述运动学支撑机构(2)还包括：支撑架左侧挡板(2.12)和支撑架右侧挡板(2.13)；
所述工字形支撑架Ⅰ(2.1)和工字形支撑架Ⅱ(2.4)与细长结构(3)相连的一端及倒V形支撑架Ⅱ(2.7)的汇合端内部分别设有与球头(2.10)等径的通孔，每个通孔中设有一个球头(2.10)，每个球头(2.10)通过双头螺栓(2.11)固定于球头上安装块(2.5)上；每个通孔的轴向两侧分别固定有支撑架左侧挡板(2.12)和支撑架右侧挡板(2.13)，且支撑架左侧挡板(2.12)和支撑架右侧挡板(2.13)均与球头(2.10)相切，以此实现所述工字形支撑架Ⅰ(2.1)、工字形支撑架Ⅱ(2.4)和倒V形支撑架Ⅱ(2.7)与细长结构(3)之间的球副连接。
7.如权利要求6所述的适用于细长结构的运动学支撑机构，其特征在于，所述倒V形支撑架Ⅰ(2.3)的汇合端内部设有与球头(2.10)等径的通孔，所述通孔中设有一个球头(2.10)，所述球头(2.10)通过双头螺栓(2.11)固定于球头上安装块(2.5)上；所述通孔的轴向两侧分别固定有支撑架左侧挡板(2.12)和支撑架右侧挡板(2.13)，且支撑架左侧挡板(2.12)和支撑架右侧挡板(2.13)与球头(2.10)之间均预留设定的间隙，从而倒V形支撑架Ⅰ(2.3)能够沿通孔的轴线方向移动设定的距离，以此实现所述倒V形支撑架Ⅰ(2.3)与细长结构(3)之间的球槽副连接。
8.如权利要求2-7中任意一项所述的适用于细长结构的运动学支撑机构，其特征在于，所述工字形支撑架Ⅰ(2.1)和工字形支撑架Ⅱ(2.4)的竖直段进行局部削薄处理，此处在整个运动学支撑机构(2)中充当柔性铰链转动副。
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