CN113969937A - 一种密珠关节铰链及具有该密珠关节铰链的并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种密珠关节铰链及具有该密珠关节铰链的并联机构，属于机器人关节技术领域，本发明设置有架设铰链轴的铰链座、用于阻挡所述铰链轴轴向位移并提供预紧力将所述铰链轴连接在所述铰链座上的预紧件、用于所述铰链轴旋转状态与所述铰链座和所述预紧件滚动接触的滚动体、以及定位所述滚动体位置的保持架；其中，所述铰链轴通过所述滚动体与所述铰链座过盈配合，本发明解决了并联机构在重载工况下铰链轴向/侧向刚度不足问题，且消除了轴承装配间隙及热胀冷缩对机构运动的影响，结构简单、易于加工、且能够保证铰链轴的同轴性，具有高刚度、高运动精度、以及承载能力强的有益效果。

Description

一种密珠关节铰链及具有该密珠关节铰链的并联机构
技术领域
本发明涉及机器人关节技术领域，尤其涉及一种密珠关节铰链及具有该密珠关节铰链的并联机构。
背景技术
并联机构具有高精度、高刚度、高承载能力的特点，广泛地应用在光学精密调整、运动模拟器、工业智能分拣等领域，并联机构主要由上、下平台、传动组件以及铰链组成，通常并联机构由多个铰链组成，旋转铰链的精度和刚度决定了并联机构的刚度；
传统的两个自由度的铰链通常由十字轴、滚动轴承、铰链基座以及铰链端盖等组成，铰链刚度通常由轴承刚度决定，且很难消除轴承装配间隙及热胀冷缩对机构运动的影响；
所以，如何解决现有技术中并联机构在重载工况下铰链轴向/侧向刚度不足、以及轴承装配间隙及热胀冷缩对机构运动的影响问题成为了本领域技术人员亟需解决的重要技术问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种密珠关节铰链及具有该密珠关节铰链的并联机构，该铰链解决了并联机构在重载工况下铰链轴向/侧向刚度不足问题，且消除了轴承装配间隙及热胀冷缩对机构运动的影响，具有结构简单、易于加工、且能够保证铰链轴的同轴性，实现了高刚度、高运动精度的目的。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明公开的一种密珠关节铰链，包括：架设铰链轴的铰链座、用于阻挡所述铰链轴轴向位移并提供预紧力将所述铰链轴连接在所述铰链座上的预紧件、用于所述铰链轴旋转状态与所述铰链座和所述预紧件滚动接触的滚动体、以及定位所述滚动体位置的保持架；
其中，所述铰链轴通过所述滚动体与所述铰链座过盈配合。
进一步的，所述铰链轴具有朝向所述铰链座轴孔内壁凸起的凸起部，所述凸起部的侧壁通过圆球体结构的所述滚动体与所述轴孔和所述预紧件接触。
进一步的，所述凸起部的构造为与所述铰链轴同轴的圆柱体结构，所述凸起部两端的侧壁与所述铰链轴的中心轴线垂直。
进一步的，所述保持架套设于所述铰链轴外部、并与所述铰链座和所述铰链轴均间隙配合。
进一步的，所述保持架包括径向保持架和以搭接的形式安装在所述径向保持架两端的轴向保持架，所述径向保持架周向阵列有多个轴线垂直相交于所述铰链轴的中心轴线用于定位所述滚动体的径向安装通道，所述轴向保持架周向阵列有多个轴线平行于所述铰链轴的中心轴线用于定位所述滚动体的轴向安装通道。
进一步的，还包括用于定位所述径向保持架和所述轴向保持架位置的定位结构，所述径向安装通道和所述轴向安装通道内选择性地形成有所述定位结构。
进一步的，所述定位结构的构造为变径阶梯结构的通孔，所述通孔具有直径不小于所述滚动体直径的第一通孔部和直径小于所述滚动体直径的第二通孔部。
进一步的，所述预紧件包括能够套设于所述铰链轴上的铰链端盖和与所述铰链座螺纹连接的沉头螺钉，所述铰链端盖通过沉头孔与所述沉头螺钉配合，以使所述铰链端盖预紧在所述铰链座上阻挡所述铰链轴轴向位移。
进一步的，所述铰链轴包括两个，两个所述铰链轴的中心轴线垂直不相交。
本发明公开的一种并联机构，包括：
上平台、下平台、装设在所述上平台和所述下平台之间的驱动组件、以及如上述所述密珠关节铰链，所述驱动组件两端均通过所述密珠关节铰链与所述上平台和所述下平台连接。
在上述技术方案中，本发明提供的一种密珠关节铰链及具有该密珠关节铰链的并联机构，有益效果：
本发明设计的密珠关节铰链与现有技术相比，其装设在铰链座中的铰链轴旋转状态通过滚动体与铰链座和预紧件滚动接触，并通过保持架定位滚动体位置，且通过预紧件轴向将铰链轴预紧在铰链座上，消除轴向间隙，铰链轴通过滚动体与铰链座过盈配合，消除径向间隙，结构简单，易于加工、能够保证铰链座与铰链轴的同轴性，从而替代了现有技术中的滚动轴承，解决了并联机构在重载工况下铰链轴向/侧向刚度不足问题，消除了轴承装配间隙及热胀冷缩对机构运动的影响，而且，可以增加滚动体数量，提高铰链的承载能力和转动精度，该铰链完全消除了铰链间隙，提高铰链刚度，有效地提高了并联机构的固有频率和运动精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明公开的一种密珠关节铰链的爆炸图；
图2是本发明公开的一种密珠关节铰链的轴测图；
图3是本发明公开的一种密珠关节铰链的剖视图；
图4是本发明公开的一种密珠关节铰链保持架的轴测图；
图5是本发明公开的一种密珠关节铰链保持架的剖视图；
图6是本发明公开的一种并联机构的轴测图。
附图标记说明：
1、上平台；2、驱动组件；3、密珠关节铰链；4、铰链压块；5、内六角螺钉；6、下平台；7、铰链座；8、径向保持架；9、铰链轴；10、轴向保持架；11、滚动体；12、铰链端盖；13、沉头螺钉；14、通孔。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
参见图1、2所示；
发明一种密珠关节铰链，包括：
架设铰链轴9的铰链座7、用于阻挡铰链轴9轴向位移并提供预紧力将铰链轴9连接在铰链座7上的预紧件、用于铰链轴9旋转状态与铰链座7和预紧件滚动接触的滚动体11、以及定位滚动体11位置的保持架；
其中，铰链轴9通过滚动体11与铰链座7过盈配合。
具体的，该结构中，铰链轴9穿装在铰链座7中，并通过预紧件阻挡铰链轴9沿长度方向轴向位移，且铰链轴9利用若干圆球体结构的滚动体11，当铰链轴9相对与铰链座7和预紧件旋转时，铰链轴9通过滚动体11与铰链座7和预紧件滚动接触，铰链轴9外部套设有保持架，通过保持架定位滚动体11位置来间隔相邻的两个滚动体11，铰链轴9径向通过滚动体11与铰链座7轴孔过盈配合，通过预紧件阻挡铰链轴9轴向位移，进而实现消除现有技术中轴承装配间隙及热胀冷缩对机构运动的影响，而且铰链轴9与铰链座7还能够保证较高的同轴度，从而使该铰链具有高刚度、高运动精度、以及较高的承载能，满足重载情况下并联机构的应用；
参见图2所示，为了满足该关节铰链在两个自由度方向应用，优选的，铰链轴9包括两个，两个铰链轴9的中心轴线垂直不相交。另外，通过将两个铰链轴9的中心轴线垂直不相交设置，还便于增大两个铰链轴9上连接件摆动范围，大大提高了工作空间，避免发生运动干涉；
参见图3所示；
优选的，铰链轴9具有朝向铰链座7轴孔内壁凸起的凸起部，凸起部的侧壁通过圆球体结构的滚动体11与轴孔和预紧件接触。
具体的，该铰链轴9为阶梯轴，其中部形成有直径大于两端直径的凸起部，也就是说，优选的凸起部的构造为与铰链轴9同轴的圆柱体结构，凸起部两端的侧壁与铰链轴9的中心轴线垂直。通过凸起部与铰链座7的轴孔和预紧件配合，使凸起部的径向通过滚动体11与铰链座7的轴孔接触、凸起部的轴向通过滚动体11与预紧件接触，从而径向、轴向刚性限定铰链轴9在铰链座7中的位置，结构稳定，保证铰链轴9和铰链座7具有较高的连接刚度；
参见图3所示；
优选的，保持架套设于铰链轴9外部、并与铰链座7和铰链轴9均间隙配合。具体的，保持架外壁与铰链座7间隙配合、内壁与铰链轴9间隙配合，有效保证滚动体11与铰链轴9和铰链座7接触的可靠性；
参见图4、5所示；
优选的，保持架包括径向保持架8和以搭接的形式安装在径向保持架8两端的轴向保持架10，径向保持架8周向阵列有多个轴线垂直相交于铰链轴9的中心轴线用于定位滚动体11的径向安装通道，轴向保持架10周向阵列有多个轴线平行于铰链轴9的中心轴线用于定位滚动体11的轴向安装通道。
具体的，参见图5所示，径向保持架8两端均开设有凹槽，轴向保持架10侧壁形成有凸台，装配时，轴向保持架10通过凸台插装在径向保持架8的凹槽内以搭接的形式连接，从限定轴向保持架10径向位移，滚动体11装配时通过润滑脂安装在径向保持架8的径向安装通道和轴向保持架10的轴向安装通道内；
径向保持架8周向阵列多个径向安装通道，进而形成径向安装通道组，用于安装滚动体11，根据实际承载需要，径向保持架8沿其长度方向可以间隔阵列多排径向安装通道组，本实施例只是以在径向保持架8沿其长度方向阵列六排径向安装通道组为例，若干径向安装通道轴线均与铰链轴9的中心轴线垂直相交设置；
轴向保持架10侧壁同一虚拟圆上周向阵列有多个轴向安装通道，进而形成轴向安装通道组，轴向安装通道轴线与铰链轴9的中心轴线保持平行设置，该结构中在铰链轴9凸起部两端对称布设轴向保持架10，再通过预紧件进行预紧装配，消除轴向间隙，径向保持器8与铰链轴9同轴，多个滚动体11安装在径向保持器8上，径向保持器8与铰链座7、铰链轴9均为间隙配合，通过修配铰链轴9外径的方法，使滚动体11与铰链座7、滚动体11与铰链轴9之间过盈配合，从而达到径向预紧、消除径向间隙的效果。
参见图5所示，为了避免径向保持架8和轴向保持架10在铰链轴9运动过程中产生晃动，优选的，还包括用于定位径向保持架8和轴向保持架10位置的定位结构，径向安装通道和轴向安装通道内选择性地形成有定位结构。
优选的，定位结构的构造为变径阶梯结构的通孔14，通孔14具有直径不小于滚动体11直径的第一通孔部和直径小于滚动体11直径的第二通孔部。通过第二通孔部与滚动体11配合限定径向保持架8和轴向保持架10位置，避免定径向保持架8产生径向晃动、轴向保持架10产生轴向晃动；
具体的，参见图5所示，本实施例中，径向保持架8两端均周向布设有四个通孔14，也就是说在径向保持架8的六列径向安装通道组中，首列和尾列径向安装通道组中均具有四个通孔14，通孔14通过第二通孔部与滚动体11配合起到约束径向保持架8位置的作用；
轴向保持架10的轴向安装通道组中均布有三个通孔14，通孔14通过第二通孔部与滚动体11配合起到约束轴向保持架10位置的作用；
参见图3所示；
优选的，预紧件包括能够套设于铰链轴9上的铰链端盖12和与铰链座7螺纹连接的沉头螺钉13，铰链端盖12通过沉头孔与沉头螺钉13配合，以使铰链端盖12预紧在铰链座7上阻挡铰链轴9轴向位移。
装配时，铰链座7轴孔两端安装有铰链端盖12，铰链端盖12套设在铰链轴9外部，且铰链端盖12侧壁与轴向保持器10中的滚动体11接触，沉头螺钉13贯穿铰链端盖12沉头孔与铰链座7螺纹孔螺纹连接，进行预紧，消除轴向间隙。
参见图6所示；
发明一种并联机构，包括：上平台1、下平台2、装设在上平台1和下平台2之间的驱动组件2、以及上述密珠关节铰链，驱动组件2两端均通过密珠关节铰链与上平台1和下平台2连接。
具体的，为了更好地理解具有上述密珠关节铰链的并联机构整体结构，密珠关节铰链在附图6中为密珠关节铰链3，上平台1和下平台2之间布设有不同姿态的驱动组件2，驱动组件2端部通过铰链压块4与密珠关节铰链3顶部的铰链轴9配合，并通过安装在铰链压块4两端的内六角螺钉5将铰链轴9连接在驱动组件2端部，密珠关节铰链3底部的铰链轴9置于上平台1、下平台6的U型槽中，再利用铰链压块4和内六角螺钉5实现将密珠铰链3底部的铰链轴9连接在上平台1和下平台6上。
在上述技术方案中，本发明提供的一种密珠关节铰链及具有该密珠关节铰链的并联机构，有益效果：
本发明设计的密珠关节铰链与现有技术相比，其装设在铰链座中的铰链轴旋转状态通过滚动体与铰链座和预紧件滚动接触，并通过保持架定位滚动体位置，且通过预紧件轴向将铰链轴预紧在铰链座上，消除轴向间隙，铰链轴通过滚动体与铰链座过盈配合，消除径向间隙，结构简单，易于加工、能够保证铰链座与铰链轴的同轴性，从而替代了现有技术中的滚动轴承，解决了并联机构在重载工况下铰链轴向/侧向刚度不足问题，消除了轴承装配间隙及热胀冷缩对机构运动的影响，而且，可以增加滚动体数量，提高铰链的承载能力和转动精度，该铰链完全消除了铰链间隙，提高铰链刚度，有效地提高了并联机构的固有频率和运动精度。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种密珠关节铰链，其特征在于，包括：
架设铰链轴(9)的铰链座(7)、用于阻挡所述铰链轴(9)轴向位移并提供预紧力将所述铰链轴(9)连接在所述铰链座(7)上的预紧件、用于所述铰链轴(9)旋转状态与所述铰链座(7)和所述预紧件滚动接触的滚动体(11)、以及定位所述滚动体(11)位置的保持架；
其中，所述铰链轴(9)通过所述滚动体(11)与所述铰链座(7)过盈配合。
2.根据权利要求1所述的一种密珠关节铰链，其特征在于；
所述铰链轴(9)具有朝向所述铰链座(7)轴孔内壁凸起的凸起部，所述凸起部的侧壁通过圆球体结构的所述滚动体(11)与所述轴孔和所述预紧件接触。
3.根据权利要求2所述的一种密珠关节铰链，其特征在于；
所述凸起部的构造为与所述铰链轴(9)同轴的圆柱体结构，所述凸起部两端的侧壁与所述铰链轴(9)的中心轴线垂直。
4.根据权利要求1或2所述的一种密珠关节铰链，其特征在于；
所述保持架套设于所述铰链轴(9)外部、并与所述铰链座(7)和所述铰链轴(9)均间隙配合。
5.根据权利要求4所述的一种密珠关节铰链，其特征在于；
所述保持架包括径向保持架(8)和以搭接的形式安装在所述径向保持架(8)两端的轴向保持架(10)，所述径向保持架(8)周向阵列有多个轴线垂直相交于所述铰链轴(9)的中心轴线用于定位所述滚动体(11)的径向安装通道，所述轴向保持架(10)周向阵列有多个轴线平行于所述铰链轴(9)的中心轴线用于定位所述滚动体(11)的轴向安装通道。
6.根据权利要求5所述的一种密珠关节铰链，其特征在于；
还包括用于定位所述径向保持架(8)和所述轴向保持架(10)位置的定位结构，所述径向安装通道和所述轴向安装通道内选择性地形成有所述定位结构。
7.根据权利要求6所述的一种密珠关节铰链，其特征在于；
所述定位结构的构造为变径阶梯结构的通孔(14)，所述通孔(14)具有直径不小于所述滚动体(11)直径的第一通孔部和直径小于所述滚动体(11)直径的第二通孔部。
8.根据权利要求1所述的一种密珠关节铰链，其特征在于；
所述预紧件包括能够套设于所述铰链轴(9)上的铰链端盖(12)和与所述铰链座(7)螺纹连接的沉头螺钉(13)，所述铰链端盖(12)通过沉头孔与所述沉头螺钉(13)配合，以使所述铰链端盖(12)预紧在所述铰链座(7)上阻挡所述铰链轴(9)轴向位移。
9.根据权利要求1所述的一种密珠关节铰链，其特征在于；
所述铰链轴(9)包括两个，两个所述铰链轴(9)的中心轴线垂直不相交。
10.一种并联机构，其特征在于，包括：
上平台(1)、下平台(2)、装设在所述上平台(1)和所述下平台(2)之间的驱动组件(2)、以及如权利要求1-9任一项所述密珠关节铰链，所述驱动组件(2)两端均通过所述密珠关节铰链与所述上平台(1)和所述下平台(2)连接。
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