一种腱传动的锁紧工装的制作方法

本发明属于多自由度机构与微传动控制技术领域，具体涉及一种腱传动的锁紧工装。

背景技术：

在多自由度机构与微传动控制领域，传统的齿轮齿条、蜗轮蜗杆、谐波等传动方式虽然具有较高的传动效率和精确的传动比，但由于受到外形尺寸较大、并且微型电机集成在关节微小空间无法提供足够的输出力的约束，是制约微传动控制技术发展的主要瓶颈。因此，在有限空间内通过柔性腱或柔性钢丝绳索实现远距离传动是一种十分有效的传动方式。传动腱的固定方式在很大程度上影响机构的传动效率，本发明利用高刚度金属的塑性变形对钢丝绳索紧固，不仅可以对柔性腱提供足够抱紧力，还可以精确控制紧固块的外形尺寸，相比钢丝绳打结的方式，该方法可以很好地保证绳索强度和装配精度，消除间隙，实现精密传动。

目前在机器人机构运动控制领域，正在向着小型化、微型化方向发展，为了节约空间，很多机器人关节控制采用腱传动的方式，将驱动器外置，通过柔性钢丝绳索等传动腱的结构进行远距离的动力传递。而绳索固定的方式将直接影响传动系统的稳定性和传动精度，目前国内外普遍采用绳索打结的方式，然而该方法的有两大缺点：1、绳索打结的尺寸大小不可控，而且形状不规则，在传动链中必然会产生间隙误差，再加上绳索固有的柔性环节，使得传动系统的精度大大降低；2、绳索系成的结点受到拉力时会沿绳索移动，使得传动系统不稳定，也会导致绳索松脱。如果通过焊接方式固定绳索，一方面会导致绳索受到二次热处理而降低强度，另一方面，对于很细的传动腱，焊接会导致绳索断裂。因此，本发明提出了一种通过机械夹紧的方式锁紧传动腱，保证绳索高可靠性不松脱的同时，又可以精确地控制锁紧结点的外形尺寸，降低传动误差，保证传动系统具有精确的传动比。

该腱传动锁紧工装系统由带锥形孔的基座、可变直径的柔性推杆、刚性推杆、防失稳套以及液压动力源等组成，如图2所示。其功能是利用柔性推杆将带有中心通孔的金属圆柱块(中心孔内有柔性传动腱通过)沿轴向从基座的锥形孔大径端推至锥孔小径一侧，在运动的过程中，带孔的圆柱形金属块由于四周及端面均受压，受迫发生塑性变形，使得中心孔内壁收缩、孔径减小，从而抱紧传动腱，达到绳索紧固的目的，同时还可以精确地控制锁紧传动腱的金属块的外形尺寸，保证腱传动系统具有更为精确的传动比，降低传动误差。

技术实现要素：

本发明的目的是，针对现有技术不足，提供一种以腱传动为主的多自由度机构，特别适用于微小空间的精密传动，保证腱传动系统具有更为精确的传动比，降低传动误差的腱传动的锁紧工装。

本发明的技术方案是：

一种腱传动的锁紧工装，包括左推杆、通孔、基座固定螺栓、支撑座、锥形孔、被挤压金属块、右柔性推杆及防失稳套；其中，所述支撑座焊接于底板上，基座固定螺栓将液压动力系统固定在支撑座上，所述防失稳套嵌入支撑座的右侧安装孔，在失稳套对面支撑座的左侧装有左推杆；所述被挤压金属块设于防失稳套上；所述支撑座上设有锥形孔；所述右柔性推杆设于失稳套的右侧。

所述左推杆和右柔性推杆上设有通孔。

所述左推杆端部位于右侧失稳套内孔边缘。

被挤压金属块前段设有绳索，该绳索通过左推杆中心孔引出；

所述右柔性推杆沿轴向开有十字槽。

本发明的有益效果是：

1、具有可变直径的柔性推杆，可以自适应发生塑性变形的金属块的直径变化；

2、双推杆协同往复工作，既保证金属块在工装内部运动的平稳性，又提高金属块挤压试验的工作效率；

3、可根据不同应用场合和安装空间的需求，灵活更改工装内部锥形孔的尺寸，做出不同尺寸的柔性腱锁紧块，并且与其他传动机构之间的安装配合具有较高的精度。

附图说明

图1是多自由度机构示意图；

图2是柔性传动腱示意图；

图3是腱传动的锁紧工装示意图；

图4是可变直径的柔性推杆装配图；

图5是十字开槽示意图；

图6是金属块塑性变形前后的几何尺寸变化图i

图7是金属块塑性变形前后的几何尺寸变化图ii

图8是挤压通道结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的介绍：

一种腱传动的锁紧工装，包括左推杆1、通孔2、基座固定螺栓3、支撑座4、锥形孔5、被挤压金属块6、右柔性推杆7及防失稳套8；其中，所述支撑座4焊接于底板上，基座固定螺栓3将液压动力系统固定在支撑座4上，所述防失稳套8嵌入支撑座4的右侧安装孔，在失稳套8对面支撑座的左侧装有左推杆1；所述被挤压金属块6设于防失稳套8上；所述支撑座4上设有锥形孔5；所述右柔性推杆7设于失稳套8的右侧。

所述左推杆1和右柔性推杆7上设有通孔2。

所述左推杆1端部位于右侧失稳套内孔边缘。

被挤压金属块6前段设有绳索，该绳索通过左推杆1中心孔引出。

所述右柔性推杆沿轴向开有十字槽，在保证推杆强度的同时，还具有端部轴径可变的能力，从而自适应锥孔内径，在金属块外径连续收缩的过程中，持续与金属块端面稳定接触，提供恒定不变的推力。如图3所示。

工装设计过程需要针对两个问题进行定量的风险分析：1、受挤压金属块的形变及钢丝绳索受拉的风险分析；2、分析挤压金属块的柔性可变直径的推杆的压杆稳定性。

(1)绳索受拉伸应力校核

根据理想的几何学分析，金属块受压后内孔收缩的过程中，外径的收缩引起体积的变化量等于中心孔收缩的体积变化，实现中心孔被填满。为了尽量提高柔性腱的抱紧力，可以适当的将金属块的压缩量再增加几成，然而可能会导致金属块纵向有所伸长，其几何原理如图4所示。

根据总体积守恒的原则：

其中，δ为金属块轴向伸长量。

由于受压过程中，左右推杆始终保持一定的夹紧力，抑制金属块的伸长，使得该过程中，金属块的塑性变形先发生在孔径收缩，然后发生轴向拉伸。因此，需要校核金属块轴向伸长量引起的应变，进而产生的应力与柔性腱的公称抗拉强度之间的关系，必须满足如下关系：

此时，金属块可以提供足够的抱紧力，同时又不会损伤柔性腱。

(2)柔性可变直径推杆的压杆稳定性分析

由于柔性推杆可看作“一端固定，一段自由”的压杆，截面为四个四分之一圆，如图3所示。因此，计算压杆的临界力：

截面惯性矩：

其中，e为柔性腱材料的弹性模量；l为压杆长度。

由于金属块的受压面积：根据被挤压金属块的屈服强度σ0.2，计算推杆所需的最小推力f，且必须满足：

σ0.2×s＜f＜pij

根据上述不等式最终计算，确定柔性可变直径推杆的长度。

柔性钢丝绳索紧固工装的核心技术包括：1、柔性可变直径的推杆；2、带有微小锥度的光滑锥形孔；3、左右推杆可往复工作。如图2所示。

金属块中心穿有柔性钢丝绳索，挤压过程中为了不致损伤绳索，在两边推杆中心开有绳索导引通孔。如图5所示。工装需要严格保证防失稳套、锥形孔、圆柱孔的同轴度，确保金属块平稳地通过工装，不致发生姿态偏转。

左右推杆可通过液压系统提供足够的推力，根据被挤压金属块的材料屈服极限，进行液压缸和活塞杆的设计。由于实验过程会产生较大的推力，为了保证工装的可靠性，对其中关键部件的材料进行特别要求：

硬度关系：外壳基座>推杆>被挤压金属块。

该腱传动锁紧工装系统由带锥形孔的基座、可变直径的柔性推杆、刚性推杆、防失稳套以及液压动力源等组成。金属块中心穿有柔性钢丝绳索，挤压过程中为了不致损伤绳索，在左右两侧的推杆中心均开有绳索导引通孔，如图5所示。工装需要严格保证防失稳套、锥形孔、圆柱孔的同轴度，确保金属块平稳地通过工装，不致发生姿态偏转。

支撑基座的锥形孔的内表面光洁度、粗糙度要求较高，支撑基座具有足够高的硬度和强度，保证金属块受压变形过程中，锥形孔内表面不会划伤，支撑基座不会发生弯曲或断裂。支撑基座通过点焊的方式与支撑底板相连接。

可变直径的柔性推杆利用线切割的方式沿轴向开有十字槽，槽宽根据金属块受压后的收缩量来确定，使得推杆在进入锥形孔的过程中，由于孔径的收缩使得推杆端部也沿径向收缩，以适应锥形孔的尺寸，最终顺利将发生塑性变形的金属块挤入锥孔小径一侧的圆柱通孔内。

由于此工装在工作过程中需要时刻保证内孔、推杆的同轴精度，而外接液压动力源的液压缸活塞杆由于密封圈具有弹性，使得活塞杆在受力时的运动轨迹可能会有轴向偏移，若直接与工装系统的左右推杆刚性连接，可能会导致推杆承受较大的弯曲应力，进而引起推杆断裂。因此，将外界液压动力源与左右推杆之间进行非固连式的碰撞挤压，降低动力源与工装的安装精度要求，使推杆沿工装内部导向槽运动，避免承受过大的弯曲应力。

腱传动锁紧工装的特点在于：

(1)具有可变直径的柔性推杆，利用推杆的柔性变形，自适应锥形孔的内径变化，并始终保持与发生塑性变形的金属块端面接触，在防失稳套的作用下，即能提高导向精度，同时又保证柔性推杆不发生失稳，提供足够迫使金属块发生塑性变形的推力。

(2)具有内表面光滑的微小锥度的锥形孔，并且锥形孔与两侧的圆柱通孔以及外部防失稳套之间具有较高的同轴度。

(3)左右推杆可以实现往复工作。由于金属发生塑性变形进入小直径的圆柱孔内，其与工装内表面之间会有较大的压力，此时若想取出金属块需要克服极大的摩擦力，因此，通过液压动力源带动左端的刚性推杆施加推力，即可将受压后的金属块连同抱紧的钢丝绳索一同从工装的右端推出，提高金属块挤压试验的工作效率。

系统工作初始阶段，被挤压的金属块处于防失稳套与锥形孔大径的交界处，左侧的刚性推杆和右端的柔性推杆与圆柱形金属块的两端面均保持接触，并通过外界液压动力源施加一定的负载力，保证金属块受力平衡达到姿态稳定状态。

然后进入工作第一阶段，通过液压源增加左右推杆的推力至金属块的屈服极限，保证右侧柔性推杆的推力略大于左侧推杆，使得穿有钢丝绳索的圆柱形金属块缓慢地沿轴向进入中间的锥形孔内，金属块随着锥孔径收缩发生塑性变形，柔性推杆由于轴向开有十字槽，在受到锥形孔内壁挤压后，端面会沿径向收缩，自适应锥形孔径的变化。金属块在运动的过程中，随着四面受压而逐渐抱紧绳索，最终进入左侧的同心圆柱通孔，此阶段左右推杆始终保持着恒定的压力差，保证金属块缓慢通过锥形孔，同时又避免金属块受挤压而伸长，使得塑性变形的收缩量充分填充金属块的内孔，抱紧内部的传动腱。

最后，系统工作第三阶段，金属块塑性变形后，会涨紧基座的左侧通孔，由于摩擦力过大而不易取出，右侧柔性推杆卸压，由左侧液压动力源带动刚性推杆将抱紧柔性钢丝绳索的金属块向右侧推出。

实施例

装配时，首先将支撑基座与支撑底板通过点焊方式连接，保证基座与底板相互垂直。

然后，通过基座固定螺栓与液压动力系统固定，保证液压源输出端与支撑基座的锥形孔大致在同轴线的位置上。

第三，将防失稳套嵌入右侧安装孔。

第四，安装左侧刚性推杆，使其端部刚好达到右侧防失稳套内孔边缘。

第五，将穿有柔性腱的金属块装入防失稳套，并且将前端的绳索通过左侧的刚性推杆中心孔引出。

第六，将另一端的柔性腱穿入可变直径柔性推杆的中心孔，并将推杆装入防失稳套。

最后，拉紧柔性腱，并使左右两推杆夹紧金属块。

实验时，首先同时调整推杆两侧的液压源，使其施加一定的预紧力，刚性推杆与可变直径的柔性推杆之间保持一定的紧固力，夹紧金属块，保持位置不变。

然后，通过调压阀增加柔性推杆外侧的液压源的流量，增大右侧推力，将金属块平稳推入锥形孔，在这个过程中，调整左侧液压源的流向，使其在对金属块保持一定夹紧力的同时，与柔性推杆同步向后收缩，直至金属块发生塑性变形，完全进入左侧直径较小的圆柱通孔。

最后，通过流量阀分别对右侧液压源卸压，左侧液压源增压，利用刚性推杆将金属块连同柔性推杆一并从锥形孔大径一侧推出。