专利名称：皮带传动十字整轴式两自由度万向节机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种两自由度万向节机构。
背景技术：
现有的锥齿轮差动耦合万向节机构存在两个问题一、电机经减速器后通过齿轮 啮合的方式将转矩传递到四个锥齿轮构成的差动机构，电机减速器与差动耦合锥齿轮之间 是刚性接触，如果差动耦合锥齿轮执行末端受到冲击载荷作用时，此冲击载荷会对电机减 速器造成损坏，造成万向节功能的破坏；二、四个差动耦合的锥齿轮通过半轴安装在支架 上，四个锥齿轮的安装方式为悬臂安装，此种结构方式锥齿轮的承载能力较差，承受冲击载 荷的能力较小，半轴的弯曲会导致四个锥齿轮之间啮合变差，对末端执行精度和锥齿轮寿 命等造成影响。
发明内容
本发明的目的是为解决现有的锥齿轮差动耦合万向节机构存在电机减速器与差 动耦合锥齿轮之间是刚性接触，电机减速器易损坏以及四个锥齿轮为悬臂安装，承载能力 较差的问题，进而提供了一种皮带传动十字整轴式两自由度万向节机构。本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是本发明的皮带传动十字整轴式 两自由度万向节机构由电机驱动机构、锥齿轮差动耦合机构和底座组成，所述电机驱动机 构固装在底座上，所述锥齿轮差动耦合机构安装在电机驱动机构上；所述锥齿轮差动耦合 机构包括纵轴、第一大带轮、第二大带轮、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮、第四锥齿 轮、第一止推轴承座、第二止推轴承座、第一止推轴承、第二止推轴承、第一限位挡板、第二 限位挡板、执行器末端平台、中心套筒、横轴、第一皮带、第二皮带、执行器末端套筒、多个滚 动轴承和两个螺母；所述中心套筒套装在纵轴的中部，所述横轴的中部加工有通孔，所述第 一大带轮、第一锥齿轮、横轴、第三锥齿轮和第二大带轮依次套装在纵轴上，所述横轴套装 在纵轴上的中心套筒上，所述横轴与纵轴垂直设置，所述第一大带轮、第一锥齿轮与第三锥 齿轮、第二大带轮相对横轴对称设置，所述中心套筒位于第一锥齿轮与第三锥齿轮之间，所 述第一大带轮、第一锥齿轮、第三锥齿轮、第二大带轮与纵轴之间各分别设置有一个滚动轴 承，所述第一大带轮与第一锥齿轮固定连接，所述第三锥齿轮与第二大带轮固定连接；所述第二锥齿轮与第四锥齿轮相对纵轴对称设置并套装在横轴上，所述第二锥齿 轮、第四锥齿轮均与第一锥齿轮和第三锥齿轮同时啮合；所述执行器末端平台由第一半个执行器末端平台和第二半个执行器末端平台构 成，所述第一半个执行器末端平台的上端与第二半个执行器末端平台的上端通过执行器末 端套筒固接成一体；所述第一半个执行器末端平台的下端通过一个滚动轴承套装在第二锥齿轮上，第 一止推轴承座和第一止推轴承依次穿过横轴的一端且第一止推轴承通过第一止推轴承座 安装在第一半个执行器末端平台的下端，所述第一限位挡板穿装在横轴的一端上且第一限位挡板的一端面与第一止推轴承相接触，第一限位挡板的另一端面通过两个螺母中的一个 固定，所述第二半个执行器末端平台的下端固套在第四锥齿轮上，第二止推轴承座和第二 止推轴承依次穿过横轴另一端，且第二止推轴承通过第二止推轴承座安装在第二半个执行 器末端平台的下端，所述第二限位挡板穿装在横轴的另一端上，且第二限位挡板的一端面 与第二止推轴承相接触，第二限位挡板的另一端面通过两个螺母中的剩余一个固定；所述电机驱动机构由支架和两个电机驱动装置构成，所述两个电机驱动装置一正 一倒平行设置，所述支架固装在电机驱动机构的上端面上，每个电机驱动装置包括编码器、 抱闸、减速电机、减速器、电机支架和小带轮，每个电机驱动装置上对应安装有抱间和编码 器，所述小带轮固套在减速器的输出轴上，所述小带轮通过轴承安装在电机支架上；所述纵轴的两端安装在支架上，所述第一大带轮通过第一皮带与相应的一个小带 轮传动连接，所述第二大带轮通过第二皮带与相应的另一个小带轮传动连接。本发明的有益效果是本发明的皮带传动十字整轴式两自由度万向节机构采用十 字整轴设计，即横轴与纵轴之间垂直设置，使得四个锥齿轮差动耦合机构成简支方式安装 在支架上，与现有的锥齿轮的悬臂方式安装方式相比，大大提高了万向节机构的承载能力， 同时提高了抗冲击载荷的能力；由于采用十字整轴设计，保证了锥齿轮差动耦合机构中相 对的锥齿轮之间的同轴度，使得锥齿轮传动更加平稳，末端执行精度高；本发明的皮带传动十字整轴式两自由度万向节机构采用皮带传动将电机驱动机 构的转矩传递到锥齿轮差动耦合机构上，锥齿轮差动耦合机构与电机驱动机构之间是柔性 连接，万向节机构在承受较大冲击载荷时，冲击载荷不会作用到电机驱动机构上，大大提高 了万向节机构承受冲击载荷的能力。
图1是本发明的皮带传动十字整轴式两自由度万向节机构的立体图， 图2是本发明的皮带传动十字整轴式两自由度万向节机构的阶梯剖视图，
图3是电机驱动机构的立体图， 图4是电机驱动机构的主剖视图， 图5是锥齿轮差动耦合机构的立体图， 图6是锥齿轮差动耦合机构的俯视剖视图， 图7是锥齿轮差动耦合机构的主视剖视图，
图8是本发明的皮带传动十字整轴式两自由度万向节机构向左调整姿态状态图， 图9是本发明的皮带传动十字整轴式两自由度万向节机构向前调整姿态状态图， 图10是本发明的皮带传动十字整轴式两自由度万向节机构向右调整姿态状态图， 图11是本发明的皮带传动十字整轴式两自由度万向节机构向后调整姿态状态图。
具体实施例方式具体实施方式
一如图1 7所示，本实施方式的皮带传动十字整轴式两自由度 万向节机构由电机驱动机构1、锥齿轮差动耦合机构2和底座3组成，所述电机驱动机构1 固装在底座3上，所述锥齿轮差动耦合机构2安装在电机驱动机构1上；所述锥齿轮差动 耦合机构2包括纵轴2-1、第一大带轮2-3、第二大带轮2-25、第一锥齿轮2_4、第二锥齿轮2-5、第三锥齿轮2-13、第四锥齿轮2-16、第一止推轴承座2_6、第二止推轴承座246、第一 止推轴承2-7、第二止推轴承2-27、第一限位挡板2-9、第二限位挡板2- 、执行器末端平 台2-11、中心套筒2-14、横轴2-15、第一皮带2-18、第二皮带2-30、执行器末端套筒2-20、 多个滚动轴承2-2和两个螺母2-8 ；所述中心套筒2-14套装在纵轴2-1的中部，所述横轴 2-15的中部加工有通孔2-15-1，所述第一大带轮2-3、第一锥齿轮2-4、横轴2-15、第三锥齿 轮2-13和第二大带轮2-25依次套装在纵轴2-1上，所述横轴2_15套装在纵轴2_1上的中 心套筒2-14上，所述横轴2-15与纵轴2-1垂直设置，所述第一大带轮2-3、第一锥齿轮2_4 与第三锥齿轮2-13、第二大带轮2-25相对横轴2-15对称设置，所述中心套筒2_14位于第 一锥齿轮2-4与第三锥齿轮2-13之间，所述第一大带轮2-3、第一锥齿轮2-4、第三锥齿轮 2-13、第二大带轮2-25与纵轴2-1之间各分别设置有一个滚动轴承2_2，所述第一大带轮 2-3与第一锥齿轮2-4固定连接，所述第三锥齿轮2-13与第二大带轮2-25固定连接；所述第二锥齿轮2-5与第四锥齿轮2-16相对纵轴2_1对称设置并套装在横轴 2-15上，所述第二锥齿轮2-5、第四锥齿轮2-16均与第一锥齿轮2_4和第三锥齿轮2_13同 时啮合；所述执行器末端平台2-11由第一半个执行器末端平台2-11-1和第二半个执行器 末端平台2-11-2构成，所述第一半个执行器末端平台2-11-1的上端与第二半个执行器末 端平台2-11-2的上端通过执行器末端套筒2-20固接成一体；所述第一半个执行器末端平台2-11-1的下端通过一个滚动轴承2-2套装在第二 锥齿轮2-5上，第一止推轴承座2-6和第一止推轴承2-7依次穿过横轴2-15的一端且第一 止推轴承2-7通过第一止推轴承座2-6安装在第一半个执行器末端平台2-11-1的下端， 所述第一限位挡板2-9穿装在横轴2-15的一端上且第一限位挡板2-9的一端面与第一止 推轴承2-7相接触，第一限位挡板2-9的另一端面通过两个螺母2-8中的一个固定，所述第 二半个执行器末端平台2-11-2的下端固套在第四锥齿轮2-16上，第二止推轴承座246和 第二止推轴承2-27依次穿过横轴2-15另一端，且第二止推轴承2-27通过第二止推轴承座 2-26安装在第二半个执行器末端平台2-11-2的下端，所述第二限位挡板2- 穿装在横轴 2-15的另一端上，且第二限位挡板2- 的一端面与第二止推轴承2-27相接触，第二限位挡 板2- 的另一端面通过两个螺母2-8中的剩余一个固定；所述电机驱动机构1由支架1-10和两个电机驱动装置1-15构成，所述两个电机 驱动装置1-15 —正一倒平行设置，所述支架1-10固装在电机驱动机构1的上端面上，每个 电机驱动装置1-15包括编码器1-1、抱闸1-2、减速电机1-3、减速器1-4、电机支架1_6和 小带轮1-8，每个电机驱动装置1-15上对应安装有抱闸1-2和编码器1-1，所述小带轮1-8 固套在减速器1-4的输出轴上，所述小带轮1-8通过轴承安装在电机支架1-6上；所述纵轴2-1的两端安装在支架1-10上，所述第一大带轮2-3通过第一皮带2_18 与相应的一个小带轮1-8传动连接，所述第二大带轮2-25通过第二皮带2-30与相应的另 一个小带轮8传动连接。
具体实施方式
二 如图6所示，本实施方式所述第一锥齿轮2-4、第二锥齿轮2-5、 第三锥齿轮2-13和第四锥齿轮2-16均为斜齿锥齿轮。如此设计，与采用直齿锥齿轮相比， 斜齿锥齿轮有更高的承载能力，同时四个锥齿轮之间的传动更加平稳。其它组成及连接关 系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三如图7所示，本实施方式所述锥齿轮差动耦合机构2还包括四个 大带轮销2-19，所述第一大带轮2-3与第一锥齿轮2-4通过四个大带轮销2-19中的两个固 定连接，所述第三锥齿轮2-13与第二大带轮2-25通过四个大带轮销2-19中剩余两个固定 连接。如此设计，可以将第一大带轮2-3与第一锥齿轮2-4固定连接。其它组成及连接关 系与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四如图3和图4所示，本实施方式每个电机驱动装置1-15还包括 端盖1-9，所述端盖1-9盖在电机支架1-6上。其它组成及连接关系与具体实施方式
三相 同。
具体实施方式
五如图4所示，本实施方式每个电机驱动装置1-15还包括两个小 带轮挡圈1-11，小带轮1-8的两侧对应固套有一个小带轮挡圈1-11。如此设计，可以防止 小带轮1-8上的皮带滑动。其它组成及连接关系与具体实施方式
一、二或四相同。
具体实施方式
六如图3所示，本实施方式电机驱动装置1-15还包括连接螺栓
1-12和张紧螺栓1-13，支架1-10与电机支架1-6通过连接螺栓1_12连接，支架1_10与电 机支架1-6通过张紧螺栓1-13调整十字轴支架1-10与电机支架1-6之间的间隙，达到张 紧和放松皮带2-18的作用。其它组成及连接关系与具体实施方式
五相同。工作原理电机1-3经减速器1-4将转矩输出到小带轮1-8，小带轮1_8再通过皮带2_18将 转矩传递给大带轮2-3，大带轮2-3驱动斜齿锥齿轮差动耦合机构2运动，将运动输出到执 行末端2-11，实现执行末端2-11姿态的调整。具体调整过程如下万向节要实现图8、图10所示的姿态调整，结合图6、图8、图10来说明，电机按图
8、图10中所示方向转动时，左侧电机通过第一皮带2-18带动第一大带轮2-3转动，右侧电 机通过第二皮带2-30带动第二大带轮2-25转动，第一大带轮2-3转动带动第一锥齿轮2_4 转动，第二大带轮2-25转动带动第三锥齿轮2-13转动，第一锥齿轮2-4、第三锥齿轮2_13 的转动会带动与它们相啮合的第二锥齿轮2-5、第四锥齿轮2-16发生转动，其中第四锥齿 轮2-16与执行器末端平台2-11固定连接，第二锥齿轮2-5与执行器末端平台2-11通过一 个滚动轴承2-2转动连接，所以第四锥齿轮2-16的转动带动执行器末端平台2-11发生摆 动，即可实现如图8、图10所示的姿态调整；万向节要实现图9、图11所示的姿态调整，结合图6、图9、图11来说明，电机按图
9、图11中所示方向转动时，后侧电机通过第一皮带2-18带动第一大带轮2-3转动，前侧 电机通过第二皮带2-30带动第二大带轮2-25转动，第一大带轮2-3转动带动第一锥齿轮
2-4转动，第二大带轮2-25转动带动第三锥齿轮2-13转动，由于前后两电机的转动方向一 致，所以第一锥齿轮2-4、第三锥齿轮2-13的转动方向也是一致的，这样第一锥齿轮2-4、第 三锥齿轮2-13的转动就不能引起与它们啮合的第二锥齿轮2-5、第四锥齿轮2-16的转动， 而是导致整个差动耦合机构绕纵轴2-1发生摆动，其中第四锥齿轮2-16与执行器末端平台 2-11固定连接，第二锥齿轮2-5与执行器末端平台2-11通过滚动轴承2-10连接，所以整个 差动耦合机构绕纵轴2-1的摆动会带动执行器末端平台2-11发生绕2-Y轴的摆动，即可实 现如图9、图11所示的姿态调整。
权利要求
1. 一种皮带传动十字整轴式两自由度万向节机构，所述万向节机构由电机驱动机构 (1)、锥齿轮差动耦合机构( 和底座C3)组成，所述电机驱动机构(1)固装在底座(3)上， 所述锥齿轮差动耦合机构(2)安装在电机驱动机构(1)上；其特征在于所述锥齿轮差动 耦合机构( 包括纵轴0-1)、第一大带轮0-3)、第二大带轮(2-25)、第一锥齿轮0-4)、 第二锥齿轮(2- 、第三锥齿轮、第四锥齿轮0-16)、第一止推轴承座(2-6)、第二止 推轴承座0-26)、第一止推轴承(2-7)、第二止推轴承0-27)、第一限位挡板(2-9)、第二限 位挡板(2- )、执行器末端平台(2-11)、中心套筒(2-14)、横轴(2-15)、第一皮带(2-18)、 第二皮带(2-30)、执行器末端套筒(2-20)、多个滚动轴承(2- 和两个螺母0-8)；所述中 心套筒0-14)套装在纵轴0-1)的中部，所述横轴0-15)的中部加工有通孔(2-15-1)， 所述第一大带轮0-3)、第一锥齿轮0-4)、横轴(2-15)、第三锥齿轮和第二大带轮 (2-25)依次套装在纵轴(2-1)上，所述横轴0-1 套装在纵轴(2-1)上的中心套筒0-14) 上，所述横轴0-1 与纵轴垂直设置，所述第一大带轮0-3)、第一锥齿轮(2-4)与 第三锥齿轮(2-13)、第二大带轮0-2 相对横轴0-1 对称设置，所述中心套筒0-14) 位于第一锥齿轮(2-4)与第三锥齿轮之间，所述第一大带轮0-3)、第一锥齿轮 0-4)、第三锥齿轮(2-13)、第二大带轮0-2 与纵轴之间各分别设置有一个滚动 轴承0-2)，所述第一大带轮(2- 与第一锥齿轮(2-4)固定连接，所述第三锥齿轮0-13) 与第二大带轮0-2 固定连接；所述第二锥齿轮(2- 与第四锥齿轮0-16)相对纵轴(2-1)对称设置并套装在横轴 (2-15)上，所述第二锥齿轮0-5)、第四锥齿轮0-16)均与第一锥齿轮(2-4)和第三锥齿 轮(2-13)同时啮合；所述执行器末端平台0-11)由第一半个执行器末端平台0-11-1)和第二半个执行器 末端平台0-11-2)构成，所述第一半个执行器末端平台0-11-1)的上端与第二半个执行 器末端平台0-11- 的上端通过执行器末端套筒O-20)固接成一体；所述第一半个执行器末端平台0-11-1)的下端通过一个滚动轴承(2- 套装在第二 锥齿轮(2- 上，第一止推轴承座(2-6)和第一止推轴承(2-7)依次穿过横轴0-15)的 一端且第一止推轴承(2-7)通过第一止推轴承座(2-6)安装在第一半个执行器末端平台 (2-11-1)的下端，所述第一限位挡板0-9)穿装在横轴0-15)的一端上且第一限位挡板 (2-9)的一端面与第一止推轴承(2-7)相接触，第一限位挡板0-9)的另一端面通过两个 螺母(2-8)中的一个固定，所述第二半个执行器末端平台0-11- 的下端固套在第四锥齿 轮0-16)上，第二止推轴承座0-26)和第二止推轴承0-27)依次穿过横轴0-1 另一 端，且第二止推轴承0-27)通过第二止推轴承座0-26)安装在第二半个执行器末端平台 (2-11-2)的下端，所述第二限位挡板0-29)穿装在横轴0-15)的另一端上，且第二限位挡 板0-29)的一端面与第二止推轴承0-27)相接触，第二限位挡板0-29)的另一端面通过 两个螺母0-8)中的剩余一个固定；所述电机驱动机构(1)由支架(1-10)和两个电机驱动装置(1-15)构成，所述两个 电机驱动装置(1-15) —正一倒平行设置，所述支架(1-10)固装在电机驱动机构(1)的 上端面上，每个电机驱动装置(1-1 包括编码器(1-1)、抱闸(1-2)、减速电机(1-3)、减 速器(1-4)、电机支架(1-6)和小带轮(1-8)，每个电机驱动装置(1-15)上对应安装有抱 闸(1-2)和编码器(1-1)，所述小带轮(1-8)固套在减速器(1-4)的输出轴上，所述小带轮(1-8)通过轴承安装在电机支架(1-6)上；所述纵轴的两端安装在支架(1-10)上，所述第一大带轮(2- 通过第一皮 带0-18)与相应的一个小带轮(1-8)传动连接，所述第二大带轮0-2 通过第二皮带 (2-30)与相应的另一个小带轮(8)传动连接。
2.根据权利要求1所述的皮带传动十字整轴式两自由度万向节机构，其特征在于所 述第一锥齿轮0-4)、第二锥齿轮0-5)、第三锥齿轮和第四锥齿轮0-16)均为斜 齿锥齿轮。
3.根据权利要求1或2所述的皮带传动十字整轴式两自由度万向节机构，其特征在于 所述锥齿轮差动耦合机构( 还包括四个大带轮销(2-19)，所述第一大带轮(2- 与第一 锥齿轮(2-4)通过四个大带轮销0-19)中的两个固定连接，所述第三锥齿轮0-13)与第 二大带轮0-25)通过四个大带轮销0-19)中剩余两个固定连接。
4.根据权利要求3所述的皮带传动十字整轴式两自由度万向节机构，其特征在于每 个电机驱动装置(1-15)还包括端盖(1-9)，所述端盖(1-9)盖在电机支架(1-6)上。
5.根据权利要求1、2或4所述的皮带传动十字整轴式两自由度万向节机构，其特征在 于每个电机驱动装置(1-15)还包括两个小带轮挡圈(1-11)，每个小带轮(1-8)的两侧对 应固套有一个小带轮挡圈(1-11)。
6.根据权利要求5所述的皮带传动十字整轴式两自由度万向节机构，其特征在于电 机驱动装置(1-15)还包括连接螺栓(1-12)和张紧螺栓(1-13)，支架(1-10)与电机支架 (1-6)通过连接螺栓(1-12)连接，支架(1-10)与电机支架(1-6)通过张紧螺栓(1-13)调 整十字轴支架(1-10)与电机支架(1-6)之间的间隙。
全文摘要
皮带传动十字整轴式两自由度万向节机构，它涉及一种万向节机构。本发明为解决现有锥齿轮差动耦合万向节机构存在电机减速器与差动耦合锥齿轮之间是刚性接触，电机减速器易损坏以及四个锥齿轮的为悬臂安装，承载能力较差的问题。横轴与纵轴垂直设置，第一大带轮、第一锥齿轮与第三锥齿轮、第二大带轮关于横轴对称设置，中心套筒位于第一锥齿轮与第三锥齿轮之间，第一大带轮、第一锥齿轮、第三锥齿轮、第二大带轮与纵轴之间分别设置有一个滚动轴承，第一大带轮与第一锥齿轮固定连接，第三锥齿轮与第二大带轮固定连接；纵轴的两端安装在两个支架上，第一大带轮通过第一皮带与相应的一个小带轮传动连接。本发明的万向节机构用于调整执行器末端的姿态。
文档编号F16D3/16GK102128213SQ201110044740
公开日2011年7月20日 申请日期2011年2月24日 优先权日2011年2月24日
发明者刘伊威, 刘宏, 谢宗武, 赵京东, 赵志军 申请人:哈尔滨工业大学