專利名稱：基于柔性元件的球鉸機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于柔性元件的球鉸機(jī)構(gòu)，是一種尤其適用于工作姿態(tài) 需要變化的作小角度精密轉(zhuǎn)動的物體的定位支撐和聯(lián)接機(jī)構(gòu)。
技術(shù)背景球鉸作為球面高副，對運(yùn)動件約束三個(gè)平動自由度而留有三個(gè)轉(zhuǎn)動自由 度。傳統(tǒng)上球鉸一般采用諸如關(guān)節(jié)軸承或球面球軸承機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，這種方式 可以使運(yùn)動機(jī)構(gòu)具有較大的承載能力和剛度，但是除軸承機(jī)構(gòu)安裝和維護(hù)較 為復(fù)雜外，摩擦和間隙是較難克服的問題。特別地，對于被聯(lián)接的物體需要 作精密運(yùn)動時(shí)(例如，天文望遠(yuǎn)鏡上的球面高副)，摩擦和間隙是極其有害的；而且不同工作姿態(tài)或安裝狀態(tài)下，軸承機(jī)構(gòu)中摩擦力大小往往不一樣。 因此，在使用這種基于軸承機(jī)構(gòu)的球鉸時(shí)需要合理設(shè)計(jì)安裝方式和方位。柔性元件如柔性鉸鏈，往往被用來克服上述基于軸承機(jī)構(gòu)的球鉸的缺 點(diǎn)，參見圖l，工作運(yùn)動件搖臂在末端附近采取縮頸的方式，形成剛度較小 的部分，從而允許運(yùn)動件搖臂可以在較小的角度范圍內(nèi)作轉(zhuǎn)動運(yùn)動，但沿其 軸線的第三個(gè)轉(zhuǎn)動自由度不易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榭s頸部分扭轉(zhuǎn)剛度相對較大；而且， 縮頸的設(shè)計(jì)直接影響柔性鉸鏈的剛度、運(yùn)動范圍和壽命。有時(shí)，也采用細(xì)鋼 絲取代圖l中的縮頸部分。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種基于鋼絲或鋼絲繩(下文統(tǒng)稱鋼絲)柔性元件的柔性球鉸機(jī)構(gòu)，即，允許被聯(lián)接的工作運(yùn)動件在小角度范圍內(nèi)具有三個(gè)轉(zhuǎn)動自由度，而三個(gè)平動自由度被限制；該球鉸機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)無間隙無摩擦且任意平動方向 的剛度恒定和任意轉(zhuǎn)動方向的柔度恒定的球面高副功能。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種基于柔性元件的球鉸 機(jī)構(gòu)，設(shè)有工作運(yùn)動件(搖臂)，其特征在于，設(shè)有三根相同的細(xì)長鋼絲， 該三根鋼絲在中點(diǎn)O處相互正交放置，所述三根鋼絲的兩端分別固定，所述 的工作運(yùn)動件的球節(jié)點(diǎn)與三根鋼絲聯(lián)接于O點(diǎn)處。本發(fā)明利用鋼絲具有良好的軸向抗拉剛度及良好的軸外柔性，具體地 iJL，細(xì)長的鋼絲4叉能7 義受軸向4立力，不能7K受或〗又能承受纟艮小的軸向壓力， 否則將失穩(wěn)；而對于兩端固定的鋼絲，在其上某點(diǎn)處承受力偶時(shí)，則在小轉(zhuǎn) 動角度內(nèi)表現(xiàn)出良好的柔性。利用鋼絲元件這一特性，參見圖2柔性球鉸機(jī) 構(gòu)原理圖及圖3柔性球鉸機(jī)構(gòu)分析圖，取三根相同的細(xì)長的鋼絲r， s和t，在 中點(diǎn)0處相互正交》文置，分別在兩端點(diǎn)A、 A，， B、 B，和C、 C，處固定，工作 運(yùn)動件聯(lián)接于O點(diǎn)處。這樣，工作運(yùn)動件的三個(gè)平動自由度被三根鋼絲的合 成的軸向抗拉剛度限制，而三個(gè)轉(zhuǎn)動自由度在較小的轉(zhuǎn)動角度范圍內(nèi)由三根 鋼絲的軸外柔性提供。本發(fā)明有以下優(yōu)化方案1、 所述的"工作運(yùn)動件的球節(jié)點(diǎn)與三根鋼絲聯(lián)接于O點(diǎn)處"，是采用以下 聯(lián)結(jié)方式球節(jié)點(diǎn)上正交地鉆有三個(gè)比鋼絲稍大的通孔，中心鉆有盡可能大 的空心，以便三才艮鋼絲(第三根垂直紙面)通過，并采用螺紋聯(lián)接運(yùn)動活動 件搖臂；2、 為消除間隙和保持穩(wěn)固，三根鋼絲通過球節(jié)點(diǎn)上對應(yīng)小孔后，采用釬焊方式將鋼絲和球節(jié)點(diǎn)上對應(yīng)孔填充嚴(yán)實(shí)。3、 所述的基于柔性元件的球鉸機(jī)構(gòu)是固定設(shè)置在中筒里；所述的運(yùn)動 活動件搖臂穿過中筒的上壓板的中孔；該上壓板的中空的大小按球鉸需要工 作的角度范圍設(shè)計(jì)，用以防止運(yùn)動活動件搖臂超過工作角度范圍。4、 三根鋼絲兩端的固定方式是三根鋼絲的一端分別通過上壓板，釆 用八個(gè)螺釘緊固在中筒的上端面；三根鋼絲的另一端分別通過下壓板，采用 八個(gè)螺釘緊固在中筒的下端面。5、 所述的上壓板、中筒和下壓板的聯(lián)接面均設(shè)計(jì)成錐面，而在鋼絲穿 過的位置，各銑有比鋼絲直徑稍小的半圓形槽，以便壓緊鋼絲。6、 所述的三根鋼絲兩端伸出中筒，以便于在安裝中施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力 從而使鋼絲平直。本發(fā)明的有益效果是，原理明了，結(jié)構(gòu)簡單，加工和安裝工藝要求松； 該柔性球鉸機(jī)構(gòu)允許被聯(lián)接的工作運(yùn)動件在小角度范圍內(nèi)具有三個(gè)轉(zhuǎn)動自 由度，而三個(gè)平動自由度被限制，可用于要求無間隙無摩擦的精密運(yùn)動系統(tǒng)； 該柔性球鉸在任意平動方向的剛度恒定(即該球鉸的任意方向支撐剛度恒 定)，且任意轉(zhuǎn)動方向的柔度一致(即該球鉸的任意轉(zhuǎn)動方向柔性一致)，這 一效果特別有利于安裝和使用。下面對該柔性J求鉸才幾構(gòu)的以上效果進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析和證明。 圖l中鋼絲r， s和t在O點(diǎn)受負(fù)載時(shí)，各鋼絲受拉的一半提供為抗拉負(fù)載能 力，而另一半不起作用；當(dāng)負(fù)載的方向相反時(shí)，則各鋼絲的受力和工作狀態(tài) 也相反，這相當(dāng)于各鋼絲僅其一半工作，但可提供拉伸也可提供壓縮的負(fù)載 能力。因此，為方便分析，可將圖1的形式等效為圖2中形式，即從O點(diǎn)處截?cái)?，取各鋼絲的一半，并視為拉壓彈簧。定義如圖任意坐標(biāo)系Oxyz。1. 任意方向平動剛度分析該柔性球鉸機(jī)構(gòu)的平動剛度K直接來自于三根鋼絲的軸向拉伸剛度，在 圖3中，已將鋼絲等效為拉壓彈簧，并記剛度為k。由于三根鋼絲r, s和t 兩兩正交，恰可構(gòu)成一個(gè)固定的直角坐標(biāo)系，記為Orst。設(shè)在外載荷力F以 任意方向作用于O點(diǎn)，并記F作用下O點(diǎn)發(fā)生位移為D，則有D=F/K。記 外力向量F關(guān)于r, s和t坐標(biāo)軸的方向余弦分別為/, w和"，則F在r， s 和t三軸上的分量分別為F產(chǎn)/F, Fs-wFD和F產(chǎn)"F，則在r， s和t三軸上， 即三根鋼絲上，對應(yīng)的變形位移分別為D產(chǎn)/F/k， Ds=mF/k和D產(chǎn)"F/k,則根 據(jù)虛功原理有FD=FrDr+FsDs+FtDt 即F'(F/K)=(/F).(/F/k)+(mF)'(mF/k)+("F).("F/k)F2/K=(/2+m2+"2)F2/k 因/2+附2+"2=1 有K=k即，該柔性球鉸機(jī)構(gòu)的平動剛度是恒定的，且等于一根鋼絲的剛度。2. 任意轉(zhuǎn)動方向的柔性分析在0點(diǎn)作用任意方向力矩M。，則M。可等效為一個(gè)力偶M和一個(gè)集中 力F。集中力F的影響可按1中方法分析；而力偶M會同時(shí)引起鋼絲的彎曲 和扭轉(zhuǎn)兩種效果，如圖4和圖5所示。因柔性是剛度的倒數(shù)，為同1中的分析對應(yīng)，按剛度進(jìn)行分析。記鋼絲 的彎曲剛度為kw,扭轉(zhuǎn)剛度為kt。由于彎曲和扭轉(zhuǎn)效果均反映為角位移，因析。在Orst坐標(biāo)系內(nèi)，沿任意r, s或t軸作用于O 點(diǎn)的力矩將受到的兩根鋼絲的彎曲反力和一根鋼絲的扭轉(zhuǎn)反力，因此，可記 該柔性球鉸在三個(gè)正交軸線方向的剛度均為km=2kw+kt,三個(gè)軸線方向剛度 的合成效果即是該柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動方向剛度，記為Km;記力矩M作用下O 點(diǎn)發(fā)生角位移為V，則有V-M/Km。記力矩向量M關(guān)于r, s和t坐標(biāo)軸的方 向余弦分別為/, w和w,則M在r， s和t三軸上的分量分別為M產(chǎn)/M，Ms=mM 和M產(chǎn)"M,則在r， s和t三軸上，即三根鋼絲上，對應(yīng)的角位移分別為 Vr=M/km， Vs^wM/km和Vt=wM/km，則根據(jù)虛功原理有V=MrVr+MsVs+MtVt 即M'(M/Km)=(M).(/M/km)+(mM).(;wM/km)+("M).("M/km)M2/Km=(/2+w2+"2)M2/km 因/2+w2+"2=l 有Km=km即，該柔性球4交機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動動剛度是恒定的，且等于兩根鋼絲的彎曲剛 度和一根鋼絲的扭轉(zhuǎn)剛度之和，也即，該柔性球鉸機(jī)構(gòu)任意轉(zhuǎn)動方向的柔性 是恒定的。本發(fā)明的基于鋼絲或鋼絲繩柔性元件的柔性球鉸機(jī)構(gòu)，允許被聯(lián)接的工 作運(yùn)動件在小角度范圍內(nèi)具有三個(gè)轉(zhuǎn)動自由度，而三個(gè)平動自由度被限制； 該球鉸機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)無間隙無摩擦且任意平動方向的剛度恒定和任意轉(zhuǎn)動方 向的柔度恒定的球面高副功能。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)原理圖；圖2為柔性球鉸機(jī)構(gòu)原理圖； 圖3為柔性球鉸機(jī)構(gòu)分析圖；圖4為鋼絲在力偶作用下彎曲變形；圖5為鋼絲在扭矩作用下扭轉(zhuǎn)變形；圖6是本發(fā)明基于鋼絲的柔性球鉸機(jī)構(gòu)實(shí)施方案剖視圖；圖6中，l為工作運(yùn)動件搖臂，2為上壓板，3為上壓板螺4丁， 4為鋼絲，5 為中筒，6為球節(jié)點(diǎn)，7為下壓板螺釘，8為下壓板。圖7是上壓板主視圖；圖8是上壓板A-A剖視圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。實(shí)施例l，基于柔性元件的球4交機(jī)構(gòu)參見圖6、圖7、圖8,球節(jié)點(diǎn)6上正交 地鉆有三個(gè)比鋼絲4稍大的通孔，中心鉆有盡可能大的空心，以便三根鋼絲4 (第三根垂直紙面)通過，并采用螺紋聯(lián)接運(yùn)動活動件搖臂l。為消除間隙 和保持穩(wěn)固，三根鋼絲4通過球節(jié)點(diǎn)6上對應(yīng)小孔后，采用釬焊方式將鋼絲4 和球節(jié)點(diǎn)6上對應(yīng)孔填充嚴(yán)實(shí)。然后，將運(yùn)動活動件搖臂1穿過上壓板2的中 孔。上壓板2的中空的大小按球鉸需要工作的角度范圍設(shè)計(jì)，用以防止運(yùn)動 活動件搖臂2超過工作角度方位，從而使球鉸發(fā)生破壞。三根鋼絲4的兩端分 別通過上壓板2采用八個(gè)螺4丁3緊固在中筒5的上端面；采用下壓板8采用八個(gè) 螺釘7緊固在中筒5的下端面。為使三根鋼絲4安裝中和工作中保持平直，上 壓板2、中筒5和下壓板8的聯(lián)接面均設(shè)計(jì)成特定的錐面，而在鋼絲穿過的位 置，各銑有比鋼絲4直徑稍小的半圓形槽，以便壓緊鋼絲4;并且，三根鋼絲 4兩端伸出中筒5，以便在安裝中施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力從而使鋼絲4平直。
權(quán)利要求
1. 一種基于柔性元件的球鉸機(jī)構(gòu)，設(shè)有工作運(yùn)動件搖臂，其特征在于，設(shè)有三根相同的細(xì)長鋼絲，該三根鋼絲在中點(diǎn)O處相互正交放置，所述三根鋼絲的兩端分別固定，所述的工作運(yùn)動件的球節(jié)點(diǎn)與三根鋼絲聯(lián)接于O點(diǎn)處。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于柔性元件的球鉸機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述 的"工作運(yùn)動件的球節(jié)點(diǎn)與三根鋼絲聯(lián)接于O點(diǎn)處"，是采用以下聯(lián)結(jié)方式 球節(jié)點(diǎn)上正交地鉆有三個(gè)比鋼絲稍大的通孔，中心鉆有盡可能大的空心，以 便三根鋼絲通過，并采用螺紋聯(lián)接運(yùn)動活動件搖臂。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于柔性元件的球鉸機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述 的三根鋼絲通過球節(jié)點(diǎn)上對應(yīng)小孔后，采用釬焊方式將鋼絲和球節(jié)點(diǎn)上對應(yīng) 孔填充嚴(yán)實(shí)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于柔性元件的球鉸機(jī)構(gòu)，其特征在于， 所述的基于柔性元件的球鉸機(jī)構(gòu)是固定設(shè)置在中筒里；所述的運(yùn)動活動件搖 臂穿過中筒的上壓板的中孔；該上壓板的中空的大小按球鉸需要工作的角度 范圍設(shè)計(jì)，用以防止運(yùn)動活動件搖臂超過工作角度范圍。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于柔性元件的球鉸機(jī)構(gòu)，其特征在于，三根 鋼絲兩端的固定方式是三根鋼絲的一端分別通過上壓板，采用八個(gè)螺釘緊 固在中筒的上端面；三根鋼絲的另一端分別通過下壓板，采用八個(gè)螺釘緊固 在中筒的下端面。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于柔性元件的球鉸機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的上壓板、中筒和下壓板的聯(lián)接面均設(shè)計(jì)成錐面，而在鋼絲穿過的位置，各 銑有比鋼絲直徑稍小的半圓形槽，以便壓緊鋼絲。
7、根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于柔性元件的球鉸機(jī)構(gòu)，其特征在于， 所述的三根鋼絲兩端伸出中筒，以便于在安裝中施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力從而使鋼 絲平直。
全文摘要
基于柔性元件的球鉸機(jī)構(gòu)，設(shè)有工作運(yùn)動件(搖臂)，其特征在于，設(shè)有三根相同的細(xì)長鋼絲，該三根鋼絲在中點(diǎn)O處相互正交放置，所述三根鋼絲的兩端分別固定，所述的工作運(yùn)動件的球節(jié)點(diǎn)與三根鋼絲聯(lián)接于O點(diǎn)處。優(yōu)化方案的“工作運(yùn)動件的球節(jié)點(diǎn)與三根鋼絲聯(lián)接于O點(diǎn)處”，是采用以下聯(lián)結(jié)方式球節(jié)點(diǎn)上正交地鉆有三個(gè)比鋼絲稍大的通孔，中心鉆有盡可能大的空心，以便三根鋼絲通過，并采用螺紋聯(lián)接運(yùn)動活動件搖臂。本發(fā)明允許被聯(lián)接的工作運(yùn)動件在小角度范圍內(nèi)具有三個(gè)轉(zhuǎn)動自由度，而三個(gè)平動自由度被限制；該球鉸機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)無間隙無摩擦且任意平動方向的剛度恒定和任意轉(zhuǎn)動方向的柔度恒定的球面高副功能。
文檔編號F16C11/06GK101260904SQ200810023999
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月23日
發(fā)明者楊德華, 陳昆新 申請人:中國科學(xué)院國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所