专利名称：一种过约束滚滑复合回转关节的制作方法
技术领域：
本发明属于机械设计与制造技术的一种回转关节，特别涉及一种并联机床的过约束滚滑复合回转关节。
背景技术：
机器人的关节大多为回转关节，串联原理机器人中的回转关节一般为主动关节，并联原理机器人中的回转关节除了主动回转关节外，还有众多被动关节。由于并联机构具有高速、高刚度、高精度的突出优点，因此近年来将并联机构应用到机床上的研究开发成为热点。有关文献预测完全并联机床的速度、刚度及精度可达到传统的串联原理机床的五倍。美国、俄罗斯、德国、中国等各国相继开发出了一些新型原理的并联机床，但除了速度快之外，其刚度、精度都还远没有达到理论上所期望的那么高的水平，其关键的原因之一是并联机构带来的众多被动关节问题。由于结构尺寸的限制，一般来说回转关节刚度比较低。而关节的运动精度与它的刚度及阻尼呈制约关系，若用滚动副，则其运动精度稳定性好(不易产生爬行)，但其刚度、阻尼小；若用滑动副，则其优缺点恰恰相反。
研究开发刚度、精度、阻尼特性都好的回转关节，对推动机器人、机床的创新开发，特别是对推动并联机床的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种过约束滚滑复合回转关节，该回转关节兼有滚动副和滑动副的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，由杆件，回转轴，支架和过约束连接件构成回转关节；其特点是，该回转关节的运动副由滚动副与过约束的滑动副复合而成；其中回转轴与杆件固定连接形成滚动组件，该滚动组件与支架用滚动副连接，使该滚动组件和支架相对转动；该回转关节的两个过约束连接件与杆件在两边连接组成滑动组件，该滑动组件与支架用滑动副连接。
本发明的其他一些特点是，所述滚动组件与支架的滚动副约束了5个自由度，只允许相对转动。
滑动组件的过约束连接件与支架之间回转滑动副的滑动面为树脂。
过约束连接件与支架之间的滑动副为该回转关节的过约束。
该过约束滚滑复合回转关节用于单自由度的回转关节即R关节，也可将它组合成RR型的2自由度关节或RRR型的3自由度关节。
本发明的过约束回转关节的约束量可以优化设置，使其兼具滚动副与滑动副的优点，既具有刚度和精度高，又具有大的阻尼。该过约束滚滑复合回转关节可用于单自由度回转关节R，还可用RR型的2自由度和RRR型3自由度的回转关节。
附图1是本发明的结构原理示意图；附图2是滚滑复合关节的结构图。
具体实施例方式
以下结合工作原理和附图对本发明作进一步的详细说明。
依照上述技术方案，过约束滚滑复合回转关节，由支架1，回转轴2，杆件3和过约束连接件4构成回转关节；该回转关节的运动副由滚动副与过约束的滑动副复合而成；其中回转轴2与杆件3固定连接形成滚动组件，该组件与支架1用滚动副连接，使该滚动组件和支架1相对转动；该回转关节的两个过约束连接件4与杆件3在两边连接组成滑动组件，该滑动组件与支架1用滑动副连接。
图1为其原理示意图，本发明的工作原理如下采用过约束原理，回转轴2和过约束连接件4安装在杆件3上，构成一个滚动组件(即杆件3、回转轴2、过约束连接件4)，该组件和支架1形成一个回转运动副，即回转关节。该回转关节的自由度是1，即允许关节组件相对支架1绕Z轴回转即C轴运动，而其他5个自由度(即X，Y，Z，A，B轴运动均被约束，a，b，c是关节组件与支架1之间运动副的相对运动面。相对运动面a，b采用滚动副，该滚动副约束了5个自由度(X，Y，Z，A，B)，只允许关节组件与支架1之间有C轴相对转动；相对运动c采用摩擦系数很小的树脂滑动副，滑动副为回转关节的过约束，合理设置滑动副的约束量，合理分配滚动副与滑动副的承载比例，以使在一般情况下，载荷主要由滚动副承受，滑动副起辅助作用；而当载荷大，关节变形大时，滑动副的承载作用增强，特别是当绕X轴，Y轴的转矩负载Mx，My大，关节弯曲变形大时，滑动副负载作用更强。
本发明的滚动副和摩擦系数小的树脂过约束滑动副组合而成的滚滑复合关节具有摩擦小、精度稳定性好，刚度及阻尼大的特点。
过约束量的确定原理及方法如下设由于载荷引起的关节变形而产生的关节位移列阵用{Xj}表示，该滚滑复合回转关节的滚动副的刚度矩阵用[K1]表示，滚动副的刚度与关节位移近似呈线性关系，则该复合关节中滚滑副的反力列阵{FR1}用如下公式表示{FR1}＝[K1]{Xj} (1)其中{FR1}和{Xj}为6×1的列阵，[K1]为6×6的方阵。
该复合回转关节中的树脂滑动副的刚度呈非线形，且与过约束量δ有关，故滚动副的反力列阵{FR2}可用下式表示{FR2}＝f(Xj，δ) (2)外载荷列阵{F}与滚动副和滑动副的力平衡式为{FR1}+{FR2}+{F}＝0(3)设置一定的过约束量δ，由式(1)，(2)，(3)可求出与载荷{F}相对应的关节位移{Xj}，改变δ可求出与δ相对应的{Xj}，同时可以求出总摩擦力ff＝{FR1}μ1+{FR2}μ2(4)其中μ1，μ2分别为滚动摩擦系数和树脂滑动摩擦系数。
由计算结果可知，当过约束量增大时，求出关节位移Xj减小，而关节的摩擦力增加。而摩擦增大将会产生爬行，影响精度的平稳性。因此可以求出既不爬行，刚度高，精度又高(即关节位移小)的合理过约束量。
以下是发明人给出的实施例图2为滚滑复合关节的结构图，图中的回转轴2与杆件3固定联接，形成滚动组件(2、3)，滚动组件(2、3)用滚动轴承与支架1连接，即滚动组件(2、3)与支架1用滚动副连接，过约束连接件4与杆件3连接形成组件(34)，组件(34)与支架1之间为树脂滑动副。组件(2、3)和组件(3、4)合起来称关节组件(2、3、4)，关节组件(2、3、4)与支架1之间形成回转关节，允许二者之间具有C轴运动。
权利要求
1.一种过约束滚滑复合回转关节，由支架1，回转轴2，杆件3和两个过约束连接件4构成回转关节；其特征在于，该回转关节的运动副由滚动副与过约束的滑动副复合而成；其中回转轴2与杆件3固定连接形成滚动组件，该滚动组件与支架1用滚动副连接，使该滚动组件和支架1相对转动；该回转关节的两个过约束连接件4与杆件3在两边连接组成滑动组件，该滑动组件与支架1用滑动副连接。
2.根据权利要求1所述的过约束滚滑复合回转关节，其特征在于，所述滚动组件与支架1的滚动副约束了5个自由度，只允许相对转动。
3.根据权利要求1所述的过约束滚滑复合回转关节，其特征在于，过约束连接件4与支架1之间回转滑动副的滑动面为树脂。
4.根据权利要求3所述的过约束滚滑复合回转关节，其特征在于，过约束连接件4与支架1之间的滑动副为该回转关节的过约束。
5.根据权利要求1所述的过约束滚滑复合回转关节，其特征在于，该过约束滚滑复合回转关节用于单自由度的回转关节即R关节，也可将它组合成RR型的2自由度关节或RRR型的3自由度关节。
全文摘要
本发明公开了一种过约束滚滑复合关节，由支架，回转轴，杆件和两个过约束连接件构成回转关节；其特点是，该回转关节的运动副由滚动副与过约束的滑动副复合而成；其中回转轴与杆件固定连接形成滚动组件，该滚动组件与支架用滚动副连接，使该滚动组件和支架相对转动；该回转关节的两个过约束连接件与杆件在两边连接组成滑动组件，该滑动组件与支架用滑动副连接，回转滑动副为过约束，其滑动面为摩擦系数很小的树脂。该过约束回转关节的约束量可以优化设置，使其兼具滚动副与滑动副的优点，既具有刚度和精度高，又具有大的阻尼。该过约束滚滑复合回转关节可用于单自由度回转关节R，还可用于RR型的2自由度和RRR型3自由度的回转关节。
文档编号B23Q41/00GK1555966SQ20041002580
公开日2004年12月22日 申请日期2004年1月5日 优先权日2004年1月5日
发明者黄玉美, 程祥, 樊泽明, 高峰, 王世军 申请人:西安理工大学