CN116275946B - 六自由度并联平台用无间隙且刚度可定量调节的铰接机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了六自由度并联平台用无间隙且刚度可定量调节的铰接机构，包括铰接机构本体，铰接机构本体包括垂直铰接部和水平铰接部；垂直铰接部包括垂直铰接座、垂直铰轴、第一防松螺母、第一角接触轴承和推力球轴承，调整第一放松螺母，实现第一角接触轴承与垂直铰接座可调过盈配合，第一角接触轴承和推力球轴承分别与垂直铰轴可调过盈配合，完成垂直铰接部轴向、径向无间隙转动和刚度的定量调节；水平铰接部包括水平轴承座、水平铰轴、第二防松螺母、第二角接触球轴承和定量调整垫圈，第二角接触球轴承成对设置，调整垫圈厚度，实现第二角接触球轴承与水平轴承座、水平铰轴可调过盈配合，完成水平铰接部轴向、径向无间隙转动和刚度的定量调节。

Description

六自由度并联平台用无间隙且刚度可定量调节的铰接机构

技术领域

本发明涉及精密机械制造装配技术领域，尤其是涉及一种六自由度并联平台用无间隙且刚度可定量调节的铰接机构。

背景技术

随着机械制造的技术发展，制造精度、装配精度的要求越来越高，在一些精密零、部件装配过程中，相对位置的对位精度的要求随之也越来越高，对位的精度要求是μm级，甚至要小于5μm。精密机械的零、部件外形复杂，装配时两个零、部件中的一个需要定位后，另一个零、部件要与之对位配合后才能装配，不同的零、部件定位后其装配面的位置是不规律的，因此，与之相配的其他零部件要在X、Y、Z的方向及角度上在一定范围内能有六自由度的运动调整，使之精确对位，并且要有很高的重复定位精度。在高精度装配的工作中采用六自由度并联平台。六自由度并联平台主要由工作平台、六个由伺服电机驱动的可伸缩电缸和十二个铰接机构及底座组成。每个电缸的两端各有一个铰接机构组成有万向节功能的机构，在相关程序的控制下，使工作平台在一定范围内实现六自由度运动。

本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：目前，六自由度并联平台的铰接机构一般都采用销轴铰接或球面销轴铰接。销轴铰接或球面销轴铰接铰接机构都存在结构性的运动间隙，由于间隙的存在，导致铰接机构在转动过程中径向和轴向位移较大，运动精度较低，误差较大，不能满足六自由度并联平台在高精密机械装配时要求的运动精度和重复定位精度，系统稳定性差，使用存在局限性。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种六自由度并联平台用无间隙且刚度可定量调节的铰接机构，解决了现有技术中存在六自由度并联平台的铰接机构具有结构性的运动间隙，在转动过程中径向和轴向位移较大，无法满足六自由度并联平台在高精密机械装配时对运动精度和重复定位精度要求的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种六自由度并联平台用无间隙且刚度可定量调节的铰接机构，包括铰接机构本体，所述铰接机构本体包括垂直铰接部和与垂直铰接部垂直设置的水平铰接部；

所述垂直铰接部包括同轴设置的垂直铰接座、垂直铰轴、第一防松螺母和轴承组件，所述轴承组件包括自上至下依次套设在垂直铰轴上的第一角接触球轴承和推力球轴承，所述第一角接触球轴承成对设置且安装方向相同，所述第一角接触球轴承的外环与垂直铰接座过盈配合，所述第一角接触球轴承的内环和推力球轴承的下环分别与垂直铰轴过盈配合，所述推力球轴承的下环底面与垂直铰轴的轴肩面紧密配合，所述第一防松螺母套设在垂直铰轴的杆端，用于加载第一角接触球轴承的预紧力，实现所述垂直铰接座在垂直铰轴上轴向、径向无间隙转动，且通过第一防松螺母的扭矩大小定量控制垂直铰轴的轴向刚度；

所述水平铰接部包括同轴设置的水平轴承座、水平铰轴、第二防松螺母、第二角接触球轴承和定位调整垫圈，所述第二角接触球轴承成对设置且安装方向相背，所述第二角接触球轴承和定位调整垫圈关于垂直铰轴对称设置在水平铰轴上，所述第二角接触球轴承的外环与水平轴承座过盈配合，所述第二角接触球轴承的内环与水平铰轴过盈配合，所述第二防松螺母套设在水平铰轴的杆端，用于加载第二角接触球轴承的预紧力，所述垂直铰轴的轴孔端与水平铰轴过盈配合，实现所述水平轴承座在水平铰轴上轴向、径向无间隙转动，且通过定位调整垫圈的厚度定量控制水平铰轴的轴向刚度；

优选地，所述第一角接触球轴承的外环与垂直铰接座采用过盈量为2-5μm的过盈配合，所述第一角接触球轴承的内环和推力球轴承的下环分别与垂直铰轴采用过盈量为2-5μm的过盈配合，所述垂直铰轴的轴孔端与水平铰轴采用过盈量为2-5μm的过盈配合；

优选地，所述第二角接触球轴承的外环与水平轴承座采用过盈量为2-5μm的过盈配合，所述第二角接触球轴承的内环与水平铰轴采用过盈量为2-5μm的过盈配合；

优选地，两所述第一角接触球轴承之间分别通过第一角接触球轴承外环定位套和第一角接触球轴承内环定位套相连，所述第一角接触球轴承外环定位套和第一角接触球轴承内环定位套的长度相同，且通过第一防松螺母的扭矩大小定量控制垂直铰轴的轴向刚度；

优选地，所述定位调整垫圈位于垂直铰轴的轴孔端的两侧，所述定位调整垫圈与水平铰轴间隙配合，定位调整垫圈的厚度与铰轴轴向刚度变化的定量关系式可通过实验测试或仿真计算得到，作为装配时水平铰轴轴向刚度定量控制的依据；

优选地，所述第一防松螺母和第二防松螺母具有防松组件；

优选地，所述水平轴承座底部向下延伸形成具有与六自由度并联平台的伸缩电缸螺纹连接的螺纹段的连接杆；

优选地，所述铰接机构本体分别对称设置在六自由度并联平台的伸缩电缸的两端。

本发明优选技术方案至少还可以产生如下技术效果：

1.本发明有效避免了现有技术存在的铰接机构存在结构性的运动间隙，在转动过程中径向和轴向位移较大，无法满足六自由度并联平台在高精密机械装配时对运动精度和重复定位精度要求。通过按本发明特定结构限定的垂直铰接部和水平铰接部组成到一起形成的铰接机构本体，有效消除垂直铰接部和水平铰接部的部件本身存在的轴向、径向间隙以及部件之间存在的轴向、径向间隙，实现垂直铰接部和水平铰接部轴向、径向无间隙转动，极大程度提高了运动精度，误差较小，系统稳定性高，满足六自由度并联平台在高精密机械装配时要求的运动精度和重复定位精度。

2.垂直铰轴和水平铰轴的端部分别套设有第一防松螺母和第二防松螺母，通过旋紧第一防松螺母和第二防松螺母对第一角接触球轴承、推力球轴承和第二角接触球轴承施加预紧力，有效地消除了第一角接触球轴承、推力球轴承和第二角接触球轴承自身存在的轴向、径向间隙，实现无间隙运动，同时，第一防松螺母和第二防松螺母具有防松作用，锁紧力大，有效避免第一防松螺母和第二防松螺母松动，保证铰接机构本体锁紧安全可靠。

3.六自由度并联平台上有六组电缸，运动机理相同的两铰接机构本体分别对称安装在伸缩电缸的两端，铰接机构本体实现万向节功能，使六自由度并联平台的工作平台可以实现无间隙六自由度运动和定位，使得定位误差和重复定位误差绝对值小于5μm，运行平稳，稳定性高，提高六自由度并联平台的运动精度及重复定位精度，满足精密机械产品精密装配的技术要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种六自由度并联平台用无间隙且刚度可定量调节的铰接机构的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种六自由度并联平台用无间隙且刚度可定量调节的铰接机构的剖面图；

图3是本发明实施例提供的一种具有无间隙且刚度可定量调节的铰接机构的六自由度并联平台的结构示意图。

图中：

1-垂直铰轴；2-第一角接触球轴承；3-推力球轴承；4-垂直铰接座；5-第一角接触球轴承外环定位套；6-第二角接触球轴承内环定位套；7-第二角接触球轴承；8-水平铰轴；9-定位调整垫圈；10-第一防松螺母；11-第一轴承端盖；12-第二轴承端盖；13-水平轴承座；131-连接杆；14-第二防松螺母；

15-铰接机构本体；16-工作平台；17-伸缩电缸；18-底座。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

如图1-2所示，本发明提供了一种六自由度并联平台用无间隙且刚度可定量调节的铰接机构，包括铰接机构本体15，铰接机构本体15包括垂直铰接部和与垂直铰接部垂直设置的水平铰接部。垂直铰接部包括同轴设置的垂直铰接座4、垂直铰轴1、第一防松螺母10和轴承组件，轴承组件包括自上至下依次套设在垂直铰轴1上的第一角接触球轴承2和推力球轴承3，第一防松螺母10、第一角接触球轴承2和推力球轴承3自上至下依次套设在垂直铰轴1上。第一角接触球轴承2成对设置且安装方向相同，用于消除垂直铰轴1的径向运动间隙。推力球轴承3用于承受轴向推力。第一角接触球轴承2的外环与垂直铰接座4过盈配合。第一角接触球轴承2的内环和推力球轴承3的下环分别与垂直铰轴1过盈配合，推力球轴承3的下环底面与垂直铰轴1的轴肩面紧密配合，第一防松螺母10套设在垂直铰轴1的杆端，用于加载第一角接触球轴承2的预紧力，实现垂直铰接座4在垂直铰轴1上轴向、径向无间隙转动，且通过第一防松螺母10的扭矩大小定量控制垂直铰轴1的轴向刚度。

水平铰接部包括同轴设置的水平轴承座13、水平铰轴8、第二防松螺母14、第二角接触球轴承7和定位调整垫圈9，第二角接触球轴承7成对设置且安装方向相背，用于消除水平铰轴8的径向运动间隙。第二角接触球轴承7和定位调整垫圈9关于垂直铰轴1对称设置在水平铰轴8上，第二角接触球轴承7的外环与水平轴承座13过盈配合，第二角接触球轴承7的内环与水平铰轴8过盈配合，第二防松螺母14套设在水平铰轴8的杆端，用于加载第二角接触球轴承7的预紧力，垂直铰轴1的轴孔端与水平铰轴8过盈配合，实现水平轴承座13在水平铰轴8上轴向、径向无间隙转动，且通过定位调整垫圈9的厚度定量控制水平铰轴8的轴向刚度。

作为可选地实施方式，第一角接触球轴承2的外环与垂直铰接座4采用过盈量为2-5μm的过盈配合，第一角接触球轴承2的内环和推力球轴承3的下环分别与垂直铰轴1采用过盈量为2-5μm的过盈配合，垂直铰轴1的轴孔端与水平铰轴8采用过盈量为2-5μm的过盈配合。

作为可选地实施方式，第二角接触球轴承7的外环与水平轴承座13采用过盈量为2-5μm的过盈配合，第二角接触球轴承7的内环与水平铰轴8采用过盈量为2-5μm的过盈配合。

作为可选地实施方式，两第一角接触球轴承2之间分别通过第一角接触球轴承外环定位套5和第一角接触球轴承内环定位套6相连，第一角接触球轴承外环定位套5和第一角接触球轴承内环定位套6的长度相同，其公差要控制在允许的范围内，且通过第一防松螺母10的扭矩大小定量控制垂直铰轴1的轴向刚度。

作为可选地实施方式，定位调整垫圈9位于垂直铰轴1的轴孔端的两侧，定位调整垫圈9与水平铰轴8间隙配合，通过调整定位调整垫圈9的厚度，使旋紧第二防松螺母14时，实现消除水平铰接部的部件之间轴向间隙，定位调整垫圈9的厚度与水平铰轴8轴向刚度变化的定量关系式可通过实验测试或仿真计算得到，作为装配时水平铰轴8轴向刚度定量控制的依据。

作为可选地实施方式，第一防松螺母10和第二防松螺母14采用具备防松组件的标准螺母，锁紧力大，有效避免第一防松螺母10和第二防松螺母14松动，保证铰接机构本体15锁紧安全可靠。

作为可选地实施方式，水平轴承座13底部向下延伸形成具有与六自由度并联平台的伸缩电缸17螺纹连接的螺纹段的连接杆131。

作为可选地实施方式，水平轴承座13的两端分别通过第一轴承端盖11和第二轴承端盖12覆盖，第一轴承端盖11上开设有供水平铰轴8通过的通孔。

本发明的工作原理：

1.垂直铰接部：如图1-2所示，通过第一角接触球轴承2的外环与垂直铰接座4无间隙过盈配合，第一角接触球轴承2的内环、推力球轴承3的下环分别与垂直铰轴1无间隙的过盈配合，实现消除第一角接触球轴承2的外环与垂直铰接座4以及第一角接触球轴承2和推力球轴承3与垂直铰轴1的径向间隙。进一步，通过实验或仿真计算，得到垂直铰轴1轴向刚度与第一防松螺母10施加扭矩之间的关系，以此作为定量控制垂直铰轴1轴向刚度的依据。此时，第一角接触球轴承2和推力球轴承3自身可能存在的轴向、径向间隙，通过在两个第一角接触球轴承2之间安装第一角接触球轴承外环定位套5和第二角接触球轴承7内环定位套以及推力球轴承3的下环底面与垂直铰轴1的轴肩面紧密配合，再旋紧第一防松螺母10施加预紧力后，可以有效地消除了第一角接触球轴承2、推力球轴承3自身可能存在的轴向、径向间隙，实现垂直铰接部轴向、径向无间隙转动。

2.水平铰接部：如图1-2所示，通过第二角接触球轴承7的外环与水平轴承座13无间隙过盈配合，第二角接触球轴承7的内环与水平铰轴8无间隙过盈配合，实现了消除第二角接触球轴承7与水平轴承座13以及第二角接触球轴承7与水平铰轴8的径向间隙。此时，还存在的间隙包括第二角接触球轴承7自身可能存在的轴向、径向间隙，第二角接触球轴承7的内环、垂直铰轴1轴孔端和定位调整垫圈9与水平铰轴8的轴向间隙以及第二角接触球轴承7的外环与水平轴承座13共同因加工公差产生的轴向间隙。为了消除这些间隙，对其轴向尺寸进行精密测量，再根据实验或仿真得到的定位调整垫圈9的厚度与水平铰轴8轴向刚度的定量关系对定位调整垫圈9的厚度进行修磨调整，其厚度要满足第二防松螺母14在消除上述间隙的同时，和施加与刚度实验所施加相同预紧力条件下的水平铰轴8轴向刚度一致的要求。即调整定位调整垫圈9的厚度，通过旋紧第二防松螺母14施加预紧力后，可以有效地消除第二角接触球轴承7自身可能存在的轴向、径向间隙，第二角接触球轴承7的内环、垂直铰轴1轴孔端和定位调整垫圈9与水平铰轴8的轴向间隙以及第二角接触球轴承7的外环与水平轴承座13共同因加工公差产生的轴向间隙，同时，由于垂直铰轴1的轴孔端与水平铰轴8是过盈配合，其轴向位置是固定的，水平铰轴8静止不转动。因此，实现水平轴承座13在水平铰轴8上轴向、径向无间隙转动且满足轴向刚度要求。

实施例2：

如图3所示，本发明提供了一种具有无间隙且刚度可定量调节的铰接机构的六自由度并联平台用，六自由度并联平台上有六组电缸17，运动机理相同的两铰接机构本体15分别对称安装在伸缩电缸17的两端，铰接机构本体15实现万向节功能，即垂直铰接座4分别固定在六自由度并联平台的工作平台16和底座18上，水平轴承座13的连接杆131分别与电缸17的两端固定连接，使六自由度并联平台的工作平台16可以实现无间隙六自由度运动和定位，使得定位误差和重复定位误差绝对值小于5μm，运行平滑，精准可靠，稳定性好，提高六自由度并联平台的运动精度及重复定位精度，满足精密机械产品精密装配的技术要求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种六自由度并联平台用无间隙且刚度可定量调节的铰接机构，其特征在于，包括铰接机构本体，所述铰接机构本体包括垂直铰接部和与垂直铰接部垂直设置的水平铰接部；

所述垂直铰接部包括同轴设置的垂直铰接座、垂直铰轴、第一防松螺母和轴承组件，所述轴承组件包括自上至下依次套设在垂直铰轴上的第一角接触球轴承和推力球轴承，所述第一角接触球轴承成对设置且安装方向相同，所述第一角接触球轴承的外环与垂直铰接座过盈配合，所述第一角接触球轴承的内环和推力球轴承的下环分别与垂直铰轴过盈配合，所述推力球轴承的下环底面与垂直铰轴的轴肩面紧密配合，所述第一防松螺母套设在垂直铰轴的杆端，用于加载第一角接触球轴承的预紧力，实现所述垂直铰接座在垂直铰轴上轴向、径向无间隙转动，且通过所述第一防松螺母的扭矩大小定量控制垂直铰轴的轴向刚度；

所述水平铰接部包括同轴设置的水平轴承座、水平铰轴、第二防松螺母、第二角接触球轴承和定位调整垫圈，所述第二角接触球轴承成对设置且安装方向相背，所述第二角接触球轴承和定位调整垫圈关于垂直铰轴对称设置在水平铰轴上，所述第二角接触球轴承的外环与水平轴承座过盈配合，所述第二角接触球轴承的内环与水平铰轴过盈配合，所述第二防松螺母套设在水平铰轴的杆端，用于加载第二角接触球轴承的预紧力，所述垂直铰轴的轴孔端与水平铰轴过盈配合，实现所述水平轴承座在水平铰轴上轴向、径向无间隙转动，且通过所述定位调整垫圈的厚度定量控制水平铰轴的轴向刚度；

所述第一角接触球轴承的外环与垂直铰接座采用过盈量为2-5μm的过盈配合，所述第一角接触球轴承的内环和推力球轴承的下环分别与垂直铰轴采用过盈量为2-5μm的过盈配合，所述垂直铰轴的轴孔端与水平铰轴采用过盈量为2-5μm的过盈配合；

两所述第一角接触球轴承之间分别通过第一角接触球轴承外环定位套和第一角接触球轴承内环定位套相连，所述第一角接触球轴承外环定位套和第一角接触球轴承内环定位套的长度相同，且通过所述第一防松螺母的扭矩大小定量控制垂直铰轴的轴向刚度；

所述定位调整垫圈位于垂直铰轴的轴孔端的两侧，所述定位调整垫圈与水平铰轴间隙配合，所述定位调整垫圈的厚度与水平铰轴轴向刚度变化的定量关系式可通过实验测试或仿真计算得到，作为装配时水平铰轴轴向刚度定量控制的依据。

2.根据权利要求1所述的一种六自由度并联平台用无间隙且刚度可定量调节的铰接机构，其特征在于，所述第二角接触球轴承的外环与水平轴承座采用过盈量为2-5μm的过盈配合，所述第二角接触球轴承的内环与水平铰轴采用过盈量为2-5μm的过盈配合。

3.根据权利要求1所述的一种六自由度并联平台用无间隙且刚度可定量调节的铰接机构，其特征在于，所述第一防松螺母和第二防松螺母具有防松组件。

4.根据权利要求1所述的一种六自由度并联平台用无间隙且刚度可定量调节的铰接机构，其特征在于，所述水平轴承座底部向下延伸形成具有与六自由度并联平台的伸缩电缸螺纹连接的螺纹段的连接杆。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种六自由度并联平台用无间隙且刚度可定量调节的铰接机构，其特征在于，所述铰接机构本体对称设置在六自由度并联平台的伸缩电缸的两端。