[發明專利]基于柔性元件的球鉸機構

無效

• 申請號: 200810023999.6
• 申請日: 2008-04-23
• 公開（公告）號: CN101260904A
• 公開（公告）日: 2008-09-10
• 發明（設計）人: 楊德華;陳昆新
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所
• 主分類號: F16C11/06
• 分類號: F16C11/06
• 代理公司: 南京知識律師事務所
• 代理人: 栗仲平

技術領域

本發明涉及一種基于柔性元件的球鉸機構，是一種尤其適用于工作姿態需要變化的作小角度精密轉動的物體的定位支撐和聯接機構。

背景技術

球鉸作為球面高副，對運動件約束三個平動自由度而留有三個轉動自由度。傳統上球鉸一般采用諸如關節軸承或球面球軸承機構來實現，這種方式可以使運動機構具有較大的承載能力和剛度，但是除軸承機構安裝和維護較為復雜外，摩擦和間隙是較難克服的問題。特別地，對于被聯接的物體需要作精密運動時(例如，天文望遠鏡上的球面高副)，摩擦和間隙是極其有害的；而且不同工作姿態或安裝狀態下，軸承機構中摩擦力大小往往不一樣。因此，在使用這種基于軸承機構的球鉸時需要合理設計安裝方式和方位。

柔性元件如柔性鉸鏈，往往被用來克服上述基于軸承機構的球鉸的缺點，參見圖1，工作運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，從而允許運動件搖臂可以在較小的角度范圍內作轉動運動，但沿其軸線的第三個轉動自由度不易實現，因為縮頸部分扭轉剛度相對較大；而且，縮頸的設計直接影響柔性鉸鏈的剛度、運動范圍和壽命。有時，也采用細鋼絲取代圖1中的縮頸部分。

發明內容

本發明提供一種基于鋼絲或鋼絲繩(下文統稱鋼絲)柔性元件的柔性球鉸機構，即，允許被聯接的工作運動件在小角度范圍內具有三個轉動自由度，而三個平動自由度被限制；該球鉸機構可實現無間隙無摩擦且任意平動方向的剛度恒定和任意轉動方向的柔度恒定的球面高副功能。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種基于柔性元件的球鉸機構，設有工作運動件(搖臂)，其特征在于，設有三根相同的細長鋼絲，該三根鋼絲在中點O處相互正交放置，所述三根鋼絲的兩端分別固定，所述的工作運動件的球節點與三根鋼絲聯接于O點處。

本發明利用鋼絲具有良好的軸向抗拉剛度及良好的軸外柔性，具體地說，細長的鋼絲僅能承受軸向拉力，不能承受或僅能承受很小的軸向壓力，否則將失穩；而對于兩端固定的鋼絲，在其上某點處承受力偶時，則在小轉動角度內表現出良好的柔性。利用鋼絲元件這一特性，參見圖2柔性球鉸機構原理圖及圖3柔性球鉸機構分析圖，取三根相同的細長的鋼絲r，s和t，在中點O處相互正交放置，分別在兩端點A、A’，B、B’和C、C’處固定，工作運動件聯接于O點處。這樣，工作運動件的三個平動自由度被三根鋼絲的合成的軸向抗拉剛度限制，而三個轉動自由度在較小的轉動角度范圍內由三根鋼絲的軸外柔性提供。

本發明有以下優化方案：

1、所述的“工作運動件的球節點與三根鋼絲聯接于O點處”，是采用以下聯結方式：球節點上正交地鉆有三個比鋼絲稍大的通孔，中心鉆有盡可能大的空心，以便三根鋼絲(第三根垂直紙面)通過，并采用螺紋聯接運動活動件搖臂；

2、為消除間隙和保持穩固，三根鋼絲通過球節點上對應小孔后，采用釬焊方式將鋼絲和球節點上對應孔填充嚴實。

3、所述的基于柔性元件的球鉸機構是固定設置在中筒里；所述的運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計，用以防止運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，采用八個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、中筒和下壓板的聯接面均設計成錐面，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的預緊力從而使鋼絲平直。

本發明的有益效果是，原理明了，結構簡單，加工和安裝工藝要求松；該柔性球鉸機構允許被聯接的工作運動件在小角度范圍內具有三個轉動自由度，而三個平動自由度被限制，可用于要求無間隙無摩擦的精密運動系統；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)，且任意轉動方向的柔度一致(即該球鉸的任意轉動方向柔性一致)，這一效果特別有利于安裝和使用。

下面對該柔性球鉸機構的以上效果進行機構分析和證明。

圖1中鋼絲r，s和t在O點受負載時，各鋼絲受拉的一半提供為抗拉負載能力，而另一半不起作用；當負載的方向相反時，則各鋼絲的受力和工作狀態也相反，這相當于各鋼絲僅其一半工作，但可提供拉伸也可提供壓縮的負載能力。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點處截斷，取各鋼絲的一半，并視為拉壓彈簧。定義如圖任意坐標系Oxyz。