专利名称：复合球铰关节的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种可用于并联机床的大角度球铰关节，更特别地是指一种可实现大范围偏转的复合球铰关节。
背景技术：
并联机床是一种加工设备，是并联机器人技术和机床技术相结合的产物。在理论上，并联机构相对于串联机构具有许多优势，比如刚度高、精度好、运动速度快而灵活等。因此，近些年来出现了多种并联机床产品。但随着研究的不短深入，人们发现并联机床的高精度和高刚度很难体现出来，再加上这种机构本身工作空间比较小，因此并联机床的发展受到了一些阻碍，这其中，缺乏高精度和高刚性的并联机床专用铰链关键部件是重要原因之一。
并联机床含有大量的关节，这些关节的精度和刚性直接影响到整机的性能。球铰型关节在各类并联机床中应用非常广泛。目前用于并联机床的球铰形式一般有两种，一种是由球和球窝组成的直接球铰；另外一种是由三个转动副间接形成的等效球铰。这两种形式中，第一种球铰由于是直接采用球和球窝结构，其摆动范围一般都很小，在45度以下，因此大大限制了并联机床的工作空间。第二种球铰的摆动空间虽然有所改善，但球铰体积相对较大，实现三个转轴共点和相互垂直都有很高的难度，而且零件多易产生装配误差，结构刚性弱，不利于精度的提高。所以目前的球铰结构很难同时满足摆动角度大、精度高、刚性好、易于制造等特点。研究开发可实现大角度偏转、高精度、高刚性并且易于实现的球铰对于推动并联机床的发展具有重要意义。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种可实现大范围偏转的适用于并联机床使用的复合球铰关节，球铰连杆的球头可在球窝内实现绕球铰连杆自身轴线的自由转动以及在限位槽中实现偏摆运动；球铰连杆与球窝整体可绕底座的轴线实现自由转动。
本实用新型的一种复合球铰关节，由球铰连杆、球窝端盖、球窝底部和底座构成，所述球铰连杆为采用机械加工方法一次加工成型，其一端为球头，另一端为连杆，球头与连杆接合处为滑柱；所述球窝端盖由左端盖和右端盖组成，左端盖和右端盖的结构相同，且采用机械加工方法一次加工成型，左端盖的内部为球面，右端盖的内部为球面，左端盖和右端盖上分别设有固定槽，左端盖和右端盖与球窝底部的支撑面的固定形成有一间隙；
所述球窝底部为采用机械加工方法一次加工成型，其上端部内部是一球面，端部是支撑面，支撑面上设有螺纹孔，在球窝底部的上部对称位置开设有第一槽口和第二槽口，球窝底部的下部是轴，轴穿过底座的轴孔且套接一锁紧螺母；所述底座由固定套、深沟球轴承和角接触球轴承构成，固定套为采用机械加工方法一次加工成型，固定套的中心是孔，固定套的固紧面上设有安装孔，深沟球轴承和角接触球轴承固定在固定套上，角接触球轴承的一端与轴卡合，另一端与深沟球轴承轴动配合连接；球窝端盖的左端盖内部的球面和右端盖球面与球窝底部的球面共同构成球窝；球窝底部上部对称开设的第一槽口和第二槽口与球窝端盖的左端盖和右端盖与球窝底部的支撑面的固定形成的间隙共同构成限位槽。
本实用新型复合球铰关节的优点(1)偏转范围大这种球铰的三个转动中，有两个可实现360度的无限制转动，另外一个可实现最大可达±130度的偏转，因此，该球铰可以在任意方向最大偏转为130度，这远大于目前球铰的偏转范围；(2)结构紧凑，易于实现这种球铰采用了球体与球窝的结构，避免了三个转轴的同心问题，加工难度大大降低。另外，去掉中心转轴以后，整个球铰的尺寸得以减小，易于在各种并联机床上应用；(3)精度高球窝的结构是由顶部的端盖和底部球窝两部分用螺栓连接而成的，这种连接方式最大的优点在于可以调整由于配合而产生的球与球窝之间的间隙。同时，球铰底座部分采用成对使用的角接触球轴承和两个锁紧螺母来调整沿底座轴线方向的间隙，提高其运动精度；(4)刚性好该球铰的刚性主要体现为球窝底部的刚性以及球和球窝的接触刚度，由于这种球铰结构紧凑，因此易于实现整个球铰的高刚性。
图1是本实用新型球铰关节的结构示意图。
图2是球铰连杆的结构示意图。
图3A是球窝端盖的结构示意图。
图3B是球窝端盖内部结构示意图。
图4是球窝底部的结构示意图。
图5A是底座的结构示意图。
图5B是底座的剖视图。
图中 1.球铰连杆11.球头 12.连杆13.滑柱2.球窝端盖 21.间隙 22.球面 23.球面24.右端盖25.左端盖 26.固定槽 3.球窝底部 31.球面32.支撑面33.锁紧螺母34.轴 35.第一槽口 36.第二槽口37.螺纹孔4.底座 41.固定套 42.深沟球轴承43.角接触球轴承44.固紧面 45.轴孔 5.限位槽具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。
本实用新型是一种可实现大范围偏转的复合球铰关节，该球铰主要由球铰连杆1、球窝端盖2、球窝底部3和底座4构成。其中，球铰连杆1与球窝通过球头与球窝直接配合来实现球铰连杆1绕其自身轴线的360度转动，同时，球铰连杆1可在限位槽5内实现最大可达±130度的摆动，另外球窝端盖2和球窝底部3可绕底座4实现360度的旋转。这样该球铰可以实现在任意方向最大偏转为130度，远大于目前球铰的偏转范围。此外，该球铰通过螺栓预紧的方法调整球铰连杆1与球窝之间以及球铰沿底座4轴线方向的间隙，有利于提高球铰的运动精度。本球铰还具有结构紧凑、刚性好、易于制造的特点，非常适于用作并联机床的球铰型关节，这对于扩大并联机床的工作空间以及提高机床的精度和刚度具有重要意义。
本实用新型的复合球铰关节，其球窝是由球窝端盖2的左端盖25内部的球面23和右端盖24球面22与球窝底部3的球面31共同构成的。
本实用新型的复合球铰关节，其限位槽5是由在球窝底部3上对称开设的槽口即第一槽口35和第二槽口36，以及球窝端盖2的左端盖25和右端盖24与球窝底部3的支撑面32的固定形成的间隙21共同构成的。
请参见图1所示，本实用新型复合球铰关节由球铰连杆1、球窝端盖2、球窝底部3和底座4构成，球铰连杆1放置在由球窝端盖2和球窝底部3内部形成的球窝内，球窝端盖2和球窝底部3通过螺钉固定连接，球窝底部3通过轴34与底座4的深沟球轴承42和角接触球轴承43轴动连接，底座4上设有安装孔，其安装孔通过螺钉用于将本实用新型球铰关节与所需的一个安装基面固定。
请参见图2所示，在本实用新型中，球铰连杆1为采用机械加工方法一次加工成型，其一端加工为球头11，另一端加工为连杆12，球头11与连杆12接合处加工成滑柱13，滑柱13的直径比连杆12直径小5～25mm，并且滑柱13的直径与球窝端盖2的左端盖25与右端盖24之间的间隙21的宽度大小适配。
请参见图3A和图3B所示，在本实用新型中，球窝端盖2由左端盖25和右端盖24组成，左端盖25和右端盖24的结构相同，且采用机械加工方法一次加工成型。左端盖25的内部为球面23结构，右端盖24的内部为球面22结构，左端盖25和右端盖24上分别设有固定槽26，通过螺钉将固定槽26与球窝底部3的支撑面32上设有的螺纹孔37相配合连接使左端盖25与右端盖24之间中间形成一间隙21，且间隙21宽度与球窝底部3上的第一槽口35和第二槽口36的宽度相等。
请参见图4所示，在本实用新型中，球窝底部3为采用机械加工方法一次加工成型，球窝底部3上部内部是一球面31，球窝底部3上部端部是支撑面32，支撑面32上设有螺纹孔37，在球窝底部3的上部对称位置开设有第一槽口35和第二槽口36，球窝底部3的下部是轴34，轴34穿过底座4的轴孔45且套接一锁紧螺母33。球窝端盖2和球窝底部3采用螺钉固定连接后，通过轴34与深沟球轴承42和角接触球轴承43的轴动连接，可以使球窝端盖2和球窝底部3绕底座4实现360度的旋转。进而推导得到，球铰连杆1、球窝端盖2和球窝底部3可以绕底座4实现360度的旋转。球窝端盖2的球面22和球面23与球窝底部3的球面31构成球铰连杆1的球头11运动的球窝。
请参见图5A和图5B所示，在本实用新型中，底座4由固定套41、深沟球轴承42和角接触球轴承43构成，固定套41为采用机械加工方法一次加工成型，固定套41的中心是孔，固定套41的固紧面44上设有安装孔，安装孔通过螺钉用于将本实用新型复合球铰关节与所需的一个安装基面固定。深沟球轴承42和角接触球轴承43固定在固定套41上，角接触球轴承43的一端与轴34卡合，另一端与深沟球轴承42轴动配合连接，即深沟球轴承42放置在角接触球轴承43的下方。
本实用新型球铰关节的运动关系为(一)球铰连杆1的球头11在球窝端盖2和球窝底部3构成的球窝中实现绕其自身轴线方向360度的转动；(二)球铰连杆1在限位槽5内实现±130度偏转，解决了现有球铰连杆只能在小范围内进行的偏转缺陷；(三)由于球窝底部3的轴34与底座4的深沟球轴承42和角接触球轴承43的轴动配合，又因球窝端盖2和球窝底部3通过螺钉固定连接，所以球铰连杆1、球窝端盖2和球窝底部3可以绕底座4实现360度的旋转。
权利要求1.一种复合球铰关节，其特征在于由球铰连杆(1)、球窝端盖(2)、球窝底部(3)和底座(4)构成，所述球铰连杆(1)为采用机械加工方法一次加工成型，其一端为球头(11)，另一端为连杆(12)，球头(11)与连杆(12)接合处为滑柱(13)；所述球窝端盖(2)由左端盖(25)和右端盖(24)组成，左端盖(25)和右端盖(24)的结构相同，且采用机械加工方法一次加工成型，左端盖(25)的内部为球面(23)，右端盖(24)的内部为球面(22)，左端盖(25)和右端盖(24)上分别设有固定槽(26)，左端盖(25)和右端盖(24)与球窝底部(3)的支撑面(32)的固定形成有一间隙(21)；所述球窝底部(3)为采用机械加工方法一次加工成型，其上端部内部是一球面(31)，端部是支撑面(32)，支撑面(32)上设有螺纹孔(37)，在球窝底部(3)的上部对称位置开设有第一槽口(35)和第二槽口(36)，球窝底部(3)的下部是轴(34)，轴(34)穿过底座(4)的轴孔(45)且套接一锁紧螺母(33)；所述底座(4)由固定套(41)、深沟球轴承(42)和角接触球轴承(43)构成，固定套(41)为采用机械加工方法一次加工成型，固定套(41)的中心是孔，固定套(41)的固紧面(44)上设有安装孔，深沟球轴承(42)和角接触球轴承(43)固定在固定套(41)上，角接触球轴承(43)的一端与轴(34)卡合，另一端与深沟球轴承(42)轴动配合连接；球窝端盖(2)的左端盖(25)内部的球面(23)和右端盖(24)球面(22)与球窝底部(3)的球面(31)共同构成球窝；球窝底部(3)上部对称开设的第一槽口(35)和第二槽口(36)与球窝端盖(2)的左端盖(25)和右端盖(24)与球窝底部(3)的支撑面(32)的固定形成的间隙(21)共同构成限位槽(5)。
2.根据权利要求1所述的复合球铰关节，其特征在于球铰连杆(1)的滑柱(13)直径比连杆(12)直径小5～25mm，并且滑柱(13)的直径与间隙(21)的宽度大小适配。
3.根据权利要求1所述的复合球铰关节，其特征在于间隙(21)宽度与球窝底部(3)上的第一槽口(35)和第二槽口(36)的宽度相等。
4.根据权利要求1所述的复合球铰关节，其特征在于球铰连杆(1)的球头(11)在球窝中实现绕其自身轴线方向360度的转动。
5.根据权利要求1所述的复合球铰关节，其特征在于球铰连杆(1)在限位槽(5)内实现±130度偏转。
6.根据权利要求1所述的复合球铰关节，其特征在于球铰连杆(1)、球窝端盖(2)和球窝底部(3)绕底座(4)实现360度的旋转。
专利摘要本实用新型公开了一种可实现大范围偏转的复合球铰关节，它由球铰连杆、球窝端盖、球窝底部和底座构成，球铰连杆与球窝通过球头与球窝直接配合来实现球铰连杆绕其自身轴线的360度转动，同时，球铰连杆可在限位槽内实现最大可达±130度的摆动，另外球窝端盖和球窝底部可绕底座实现360度的旋转。本复合球铰关节具有结构紧凑、刚性好、易于制造的特点，非常适于用作并联机床的球铰型关节，这对于扩大并联机床的工作空间以及提高机床的精度和刚度具有重要意义。
文档编号B23Q1/25GK2810871SQ20052010380
公开日2006年8月30日 申请日期2005年8月12日 优先权日2005年8月12日
发明者陈五一, 白志富 申请人:北京航空航天大学