專利名稱：樞轉接頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種樞轉接頭，特別是一種球窩接頭。
背景技術：
在桿上包括球狀物的樞轉接頭是已知的。在這樣的樞轉接頭中球狀物位于一球窩內，桿從球窩處伸出。這些樞轉接頭具有精度不高的缺點，主要由于其球狀部分不是精確的球形。另一個缺點是，部件磨損后不能便宜地更換。這樣的接頭磨損后，其定位精度下降，這會導致樞轉接頭發(fā)生不希望的運動。
通過研磨加工可以非常精確地制造精密的球體(也就是滾珠軸承)。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種樞轉接頭，包括第一結構，其包括保持在座中的球體；第二結構，其相對于第一結構可動，并且通過軸承與上述球體相接觸，該接觸限定了樞轉接頭的位置，其特征在于上述軸承的形狀被加工成在其中容納上述球體，當軸承發(fā)生磨損時，該樞轉接頭可以大致保持在其限定的位置。
根據(jù)本發(fā)明的樞轉接頭的優(yōu)點是減少了在樞轉接頭平面內不希望的運動，這樣，接頭具有最小的縱向運動，并且經(jīng)過一段時間后由該樞轉接頭連接的結構的全長基本保持不變。這意味著該樞轉接頭不容易受到磨損的影響，并且能夠更長時間地保持在公差范圍內，增加接頭的壽命或替換接頭部件的時間。
在一個優(yōu)選實施例中，第二結構被偏壓與球體在軸承處相接觸。可以由例如彈簧、磁力、壓差(例如真空)或彈性帶來提供這樣的偏壓。
使用偏壓結構有助于確保球體至少部分地容納在第二結構中位于軸承上的正確位置。這將導致在軸承上的磨損發(fā)生在需要的位置，以便將樞轉接頭大致保持在其限定位置。
球體最好是精確的球體，例如象球軸承那樣的研磨球體。球體，即使在被保持在座中時，也是獨立的，也就是說，沒有通過螺釘，螺栓或者其他影響球體圓形度進而影響精度的方式固定在其位置處。這樣一個獨立的球體可以作為一個精確的軸承，此外提供接頭的定位點。該球體通過例如夾緊、粘貼、焊接被保持在座中，其他不破壞球體形狀的方法都是適合的。
在一個優(yōu)選實施例中，提供一個相對于上述第一和第二結構可動的第三結構，該第三結構通過另一個軸承與球體相接觸，該接觸限定了樞轉接頭的位置，在軸承面發(fā)生磨損時，樞轉接頭基本保持在其限定位置。
軸承可以包括空氣軸承、滾柱軸承或平面軸承。這樣，軸承可以由第一(和第三)結構的一個表面提供。選擇性地，一個單獨的軸承，例如包括在一個座圈中的多個球軸承，提供上述結構之間的接觸。
附圖簡要說明現(xiàn)在將以示例的方式參照附圖描述本發(fā)明的實施例，其中附

圖1是根據(jù)本發(fā)明的樞轉接頭的等軸視圖；附圖2a和2b是樞轉接頭的一部分的視圖；附圖3是樞轉接頭的另一部分的俯視圖；
附圖4a，4b和4c示出了本發(fā)明的另一種樞轉接頭的等比例圖；附圖4d示出了經(jīng)過附圖4a中樞轉接頭的A-A平面的橫截面；附圖5是利用本發(fā)明的樞轉接頭的坐標測量儀的等比例圖。
具體實施例方式
附圖1是兩個樞轉接頭的等比例圖。第一結構由一個用于球體的座和一個球體構成。一個平臺12具有結構化的切除部分30(座)。樞轉接頭的球體32通過切除部分的邊緣所限定的表面被支撐在切除部分30中。在附圖1中示出了兩個切除部分30，其中一個帶有在原位的球窩接頭的其他部件，另一個不帶球窩接頭的其他部件。
球體32由切除部分30的兩個相對的表面34，36支撐。第一彎曲表面34與球體32的一側接觸，且第二彎曲表面36與球體32的下表面在兩個接觸點36A，36B處接觸。球體32的位置由這三個接觸點34，36A，36B以及一個夾具38，42提供的第四接觸點所確定。因此該球運動學上可重復地位于上述切除部分中。
在該實例中，上述夾具包括一個墊圈38和一個固定裝置42，如螺釘或螺栓。墊圈38位于上臺面12的切除部分30中的擱板41上，墊圈下表面的邊緣與球體32接觸。平臺12具有一個與墊圈38的中心共線的孔40，以接收保持墊圈38頂靠球體32的固定裝置42。球體32因此在圍繞其表面的四個位置由第一曲面34，第二曲面36上的兩個接觸點36A，36B以及墊圈38嚴格保持在一個固定的位置。
第二結構20具有一個孔45，其部分容納并裝上相應的接頭的球體32。
球體被保持在座中并作為軸承中心的精確表面，此外，該球體還為接頭的兩個部分之間提供連接。
附圖2a，2b和3示出了具有平面軸承的第二結構的布置。在附圖2a中孔45是具有兩個軸承面46A，46B的橢圓形。當上述軸承面發(fā)生磨損時，它們會進一步向下位于球體面上，從而減少了軸承面和球體之間的響聲。這種布置尤其適用于作用在軸承面上的力平行于軸承面的垂直軸線的情況(例如，若球窩接頭用于千斤頂中)。
附圖3示出了軸承面的一種變換的布置。每個孔45加工成具有三個間隔120°的軸承面43A，B，C。只有這三個軸承面與球體32相接觸。這些軸承面與球體32具有小的接觸面積，以增加表面之間的滑動。
上述軸承面是傾斜的，最好是以很小的角度傾斜，以便允許球體坐在上述表面上(見附圖2b)。與軸承面的平面的垂線呈15°至45°的角度是合適的。因此，適于接收上述球體的孔的每個表面形成了一個錐體。上述表面可以形成一個單獨的錐體或者是不同的、非同心的錐體，此時每個錐體的接觸半徑大于球體半徑。
小于15°的角度會導致球體卡在孔中，這必然會影響接頭的靈活性。大于45°的角度需要更大的負荷使球體被容納在孔中。優(yōu)選的角度是15°至30°，最好是15°至20°，因為這樣的小角度既可以保證上述軸承面與球體之間的滑動作用，又可以使球體很容易地容納在孔中。如果上述軸承面被一個彈簧共同作用，那么小角度是有利的，因為與使用較大角度的情況相比其可以使用較軟的彈簧。
在附圖2中，兩個軸承面在二維彎曲。首先經(jīng)過第二結構的厚度方向部分接收球體(附圖2b)，其次沿第二結構的縱向(附圖2a)，在此，軸承面的寬度在需要容納球體的位置處是最大的(在這種情況下，是橢圓孔的中心)，所需位置的任一側逐漸變細。這種錐形促使球體容納在所需位置處。
在附圖3中，三個軸承面在平面上經(jīng)過第二結構的厚度方向并且彎曲經(jīng)過第二結構的平面，以便形成錐體的一部分，該錐體的表面由軸承面確定，也就是說，它們是錐形的。球體坐在這三個小接觸面上。
雖然上述例子示出第二結構14，20環(huán)繞球體32，但是這不是必需的。因此第二結構可以在其結構中具有間隙地大致環(huán)繞球體(任一間隙的限制尺寸是球體直徑和第二結構支撐表面的位置的函數(shù))。
容納在兩個結構之間的單獨的支撐是作為利用兩個結構之一的軸承面的變換形式。在該例子中，最好除了被成形為接收球體的軸承面之外，另一個軸承面和第二結構的連通面也這樣成形。這種成形有助于將樞轉接頭保持在其位置。如果軸承是一個空氣軸承，那么兩個結構之間的距離將基本保持在固定值，這樣相互結合的第一和第二結構的表面需要具有配合的形式。因此，在一個實施例中，球體可以在座和第二結構之間浮動，并且可以相對兩者自由地轉動。
無論所用的軸承類型如何，最好第一和第二結構彼此相應地被制造。
對于高精度的接頭，需要利用偏壓使第二結構與球體相接觸。對于精度較低的情況，可以通過仔細地選擇軸承面的角度免去偏壓結構。
將軸承面擠靠到球體32上的一種方式是通過偏壓第二結構14，20。這可以通過提供一個板來實現(xiàn)，該板的一端被夾緊到第二結構14，20且另一端被壓靠在球體32上。因此該板產(chǎn)生類似于板簧的作用。上述夾緊最好通過例如螺釘可拆除地固定，使球體32能夠移走以便進行維修或者更換。所述板可以包括適于提供偏壓作用的各種形狀和結構，例如墊圈。這樣的板可以與墊圈38結合或者作為其替代品使用。
利用偏壓結構，可以確保球體和第二(也包括第三)結構的所有的接觸點都是同樣的剛性和加載，這樣所有的接觸處具有同樣的磨損率。
附圖4a和4b分別示出了樞轉接頭100和101的等軸視圖。所述的第一結構是一個用于球體的座106和一個球體114。
第二和第三結構由兩個支柱102，104構成，它們在靠近其端部處分別具有一個孔122，124，所述孔部分地接收并裝入球體114。兩個支柱102，104在球體114上彼此徑向相對。第二和第三結構的遠端也具有樞轉接頭。這些遠端的樞轉接頭可以是單支柱式或者是雙支柱式的接頭，雙支柱可以是兩個相同的支柱，或者是一個是這樣的支柱另一個是與之相符的不同的支柱。
在支柱中的孔122，124被加工成倒圓的三角形(見附圖4c)，以便于提供三個軸承面126A，B，C，它們位于三角結構的每個邊上，與球體相接觸。軸承面是傾斜的，因此不垂直于支柱的縱軸線128。這允許球體114(部分)容納在孔122，124中。
為了確保兩個支柱102，104在三個軸承面處均接觸球體，兩個支柱被向一起偏壓。附圖4a示出了兩個u形彈簧108，其作用在兩個支柱相對的側面上。每個彈簧108在將支柱拉向一起的支柱上的凸耳112與到球體表面的軸承面之間連接。附圖4b示出了一種變換的布置，其中兩個螺旋彈簧110穿過兩個支柱的凸耳12相連(第二螺旋彈簧未示出)。
選擇性地，上述彈簧可以位于靠近支柱上的孔的兩個相對的側面之間，或者，如果使用了較硬的彈簧，可以位于沿著支柱長度一半的位置處(這樣可以利用一個彈簧實現(xiàn)支柱兩端的偏壓)。
除了利用彈簧偏壓軸承面與球面接觸之外，還可以利用磁引力。在此在每個支柱上的凸耳容納或者包括一塊磁鐵。上述磁鐵被設置成相反的磁極面向兩個支柱之間的間隙，這樣兩個支柱被磁力吸引并繞著球體正確定位。
作為將兩個支柱拉向一起的結構的變換方式，支柱可以分別被推向軸承面，且彼此通過偏壓(彈簧，磁力，壓差等)作用在座上。
球體114通過兩個在座106a一側的接收表面132，134(見附圖4d)之間的夾緊作用和一個大致在球體的徑向相對位置處的平頭螺釘130被支撐在座106中。利用一個可動的接收面134可以使球體114相對于兩個支柱102，104以及座106a，106b更容易定位。為了清楚起見在附圖4d中僅示出了座和球體。
選擇性地，球體可以被推入配合到座中一個尺寸相應的間隙中?；蛘?，球體可以被安裝在一個中央桿(未示出)上，該桿經(jīng)過球體114的中心并在任一側進入座106中，該桿在一側伸出座(未示出)并被夾緊以確保球體114被固定在座106中。
如已經(jīng)描述的雙支柱式樞轉接頭有許多應用，其中之一是應用在坐標測量儀中。這樣的儀器包括兩個平臺，它們通過至少三個長度可變的支柱相連。一個例子是六腳式，這在國際申請WO95/20747中更充分地被說明。
附圖5示出了一個利用本發(fā)明的樞轉接頭的坐標測量儀。該坐標測量儀包括一個下部固定臺10和一個上部可動臺12。上部臺和下部臺通過伸縮支柱14相連，每個支柱在其相應的上下端部通過樞轉接頭被連接到上部臺和下部臺上。每個支柱具有一個電動機16以增加或者減少其長度。
由于上部臺12僅由三個通過樞轉接頭連接到上部臺和下部臺上的伸縮支柱14支撐，因此該臺可以繞著三個垂直軸線相對于下部臺10旋轉。為防止發(fā)生這種情況，提供了三個防轉裝置20，它們可以去除三個旋轉自由度同時允許發(fā)生平移運動。該裝置是被動的，即它們沒有電動機或者其他執(zhí)行機構。在防轉裝置20和上下部臺12，10之間的接頭也是樞轉接頭。上部臺12包括用于多個樞轉接頭的座和球體(第一結構)。每個支柱14和防轉裝置20構成了第二結構(根據(jù)本發(fā)明這對于所有的接頭并不是必需的)。
支柱14和防轉裝置20由優(yōu)良的軸承材料，例如磷青銅制成。支柱14可以通過蝕刻然后進行機械加工或者壓印孔45來準確地控制孔45的長度和形狀。
如果發(fā)生晃動，軸承面將被彈離球體，碰撞堅固的障礙物(即切除部分30的邊緣)并返回到它們在球體上的位置。因此球窩接頭是自我保護式的。
在需要高精度的球窩接頭的情況下，可以提供螺旋彈簧，例如在一個防轉裝置20的兩個部分之間，以便于將軸承面擠靠到球體32上。這樣的彈簧將有助于在發(fā)生任何搖晃之后軸承面返回到球體上。這樣的彈簧還有助于保持球體相對于軸承面的位置。因此，軸承面發(fā)生磨損時，球體將維持支柱固定長度地保持其位于(準)運動學上的適當位置。
在該實施例中，球體通過切除部分被保持和支撐，當支柱(或第二結構)在支撐處與球體沒有結合時，球體相對于接頭保持其定位。
偏壓的利用確保了球體在正確的位置處與軸承面重復接觸，根據(jù)軸承面的形狀在軸承面磨損時減小球體相對于第二結構的橫向運動。因此，支柱14或防轉裝置20的活動長度隨著時間流逝和儀器的磨損可以保持穩(wěn)定。如果該活動長度沒有被保持住，那么經(jīng)過一段時間的使用后，儀器將不會把自身定位在儀器電機所指定的位置，因為結構中將發(fā)生橫向運動，對于每個接頭而言橫向運動量是不同的。對支柱14來說，這將影響上部臺12在x，y或z方向上的位置。對防轉裝置20來說，這將影響上部臺12相對于下部固定臺10的旋轉以及兩個臺之間的平行度。這種樞轉接頭具有制造經(jīng)濟且便于裝配的優(yōu)點。
上述保持球體的切除結構便于加工。一個自由的球體在該結構中可重復的(運動學的)定位使得球體便于被更換。這也使得在組裝儀器時能夠正確地幾何定位部件。此外利用市售的精確球體(例如球軸承)與結構中精確的定位相結合可以生產(chǎn)出高精度的球軸承，其可以確保球體在第二結構的孔中良好的定位。球體可以通過夾緊、粘貼、焊接或者其他任何保持球體整個為圓形體的方法保持定位。
在該說明書中的用語樞轉接頭中所用的詞樞轉被定義為包括具有一個，兩個和三個自由度的樞轉接頭以及具有兩個或者三個自由度的萬向接頭。
在樞轉接頭中所用的球體可以由任何硬的/低摩擦材料制成或者選擇性地由任何涂有一層硬的/低摩擦材料的材料制成。
雖然上述例子描述了樞轉接頭在坐標測量儀上的應用，但是該樞轉接頭不限于用在這樣的儀器上，它還可以應用在其他地方。其他應用的例子包括定位儀器，例如機器人、機床、測量儀器、還包括非笛卡爾機構和其他平行運動儀器。
權利要求
1.一種樞轉接頭，包括第一結構(10，12)，其包括保持在座(30，106)中的球體(32，114)；第二結構(14，20，102，104)，其相對于第一結構可動，并且通過軸承(43，46，126)與上述球體相接觸，該接觸限定了樞轉接頭的位置，其特征在于上述軸承的形狀被加工成在其中容納上述球體，當軸承發(fā)生磨損時，該樞轉接頭可以大致保持在其限定的位置。
2.如權利要求1所述的樞轉接頭，其特征在于，上述第二結構(14，20，102)在軸承處被偏壓(108，110)至與球體(32，114)相接觸。
3.如權利要求1或2所述的樞轉接頭，其特征在于，上述第二結構(14，20，102)提供該軸承。
4.如前述任一權利要求所述的樞轉接頭，其特征在于，上述軸承(43，46，126)包括兩個或三個軸承面(43A，43B，43C，46A，46B，126A，126B，126C)。
5.如權利要求5所述的樞轉接頭，其特征在于，每個軸承面(43A，43B，43C，46A，46B，126A，126B，126C)以約15°至45°的角度相對于軸承面的平面的垂線發(fā)生傾斜。
6.如前述任一權利要求所述的樞轉接頭，其特征在于，還包括一個第三結構(104)，其相對于第一和第二結構可動，該第三結構通過另一個軸承與上述球體相接觸，該接觸限定了樞轉接頭的位置，當該軸承面發(fā)生磨損時，樞轉接頭可以大致保持在其限定的位置。
7.如權利要求6所述的樞轉接頭，其特征在于，上述另一個軸承由第三結構提供。
8.如前述任一權利要求所述的樞轉接頭，其特征在于，上述球體通過至少在兩點處與座相接觸而被保持在座中。
9.如權利要求8所述的樞轉接頭，其特征在于，兩個接觸點大致被設置在球體上徑向相對的兩點處。
10.如前述任一權利要求所述的樞轉接頭，其特征在于，上述球體是精確的球體。
11.一種包括上述任一權利要求所述的樞轉接頭的定位儀器。
12.一種包括權利要求1-10之一所述的樞轉接頭的測量儀器。
13.一種包括權利要求1-10之一所述的樞轉接頭的平行運動儀器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種樞轉接頭，其包括一個第一結構(10，12)，一個第二結構(14，20，102，104)，第一結構具有一個保持在座(30，106)中的球體(32，114)，第二結構相對于第一結構可動，并且通過一個軸承(43，46，126)與球體相接觸，該接觸確定了樞轉接頭的位置，其中軸承被成形為接收球體，且在軸承磨損時，樞轉接頭基本保持在其確定位置處。第二結構被偏壓(108，110)至與球體(32，114)相接觸。軸承包括兩個或三個軸承面(43A，43B，43C，46A，46B，126A，126B，126C)，它們以一角度相對于軸承面的平面的垂線發(fā)生傾斜?？梢蕴峁┮粋€第三結構(104)，其相對于第一和第二結構可動。球體通過兩個與座的接觸點而被保持在座中，這兩個接觸點被提供在球體上徑向相對的位置處。本發(fā)明還公開了一種包括樞轉接頭的定位儀器。
文檔編號G01B3/00GK1738978SQ200380108738
公開日2006年2月22日 申請日期2003年12月19日 優(yōu)先權日2003年1月15日
發(fā)明者大衛(wèi)·羅伯茨·麥克默特里, 芬利·喬納森·埃文斯 申請人:瑞尼斯豪公司