专利名称：一种抗轴向载荷的无回差扭矩输出球铰驱动机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种球铰驱动机构，更特别地说，是指一种具有抗轴向载荷的无回差 扭矩输出的球铰驱动机构。
背景技术：
扭矩输出球铰驱动机构是一种输出轴角度可调的旋转驱动机构形式。该机构输出 扭矩时，输出轴的角度可以调整，以适应后级传动机构姿态和位置的变化，可应用于 机器人、微操作、医疗设备、科研仪器等领域。
传统的扭矩输出球铰驱动机构，主要采用十字万向联轴器或弹性联轴器与输出轴 相联，以实现扭矩输出和绕球心被动偏摆的功能。这类机构实现形式采用标准器件， 具有结构简单紧凑、体积较小的优点，但其固有的缺点限制了该类机构的应用。其主 要的缺点可归纳如下
1) 抗轴向载荷性能较差。如釆用弹性联轴器作为过渡联接件，轴向长度尺寸会
发生变动；而采用十字万向联轴器，联轴器的联接销轴承受轴向和径向交变
载荷，容易磨损变形而导致传动间隙较大。
2) 旋转回差较大。如釆用弹性联轴器作为过渡联接件，输出轴与输入轴存在一 定的相位差；而釆用十字万向联轴器，其交叉销轴的磨损会迅速影响回转精 度，使正反向切换时存在静止区，对球铰驱动机构造成冲击。
发明内 容
本发明的目的是提供一种抗轴向载荷的无回差扭矩输出球铰驱动机构，该球铰驱 动机构采用球铰关节结构实现输出轴的偏摆，同时抵抗输出轴承受的轴向载荷，球铰 关节与输出轴之间用角接触球轴承联接，使球面关节仅产生偏摆运动而不回转。电机 输出扭矩通过浮动的十字交叉滑块传递至输出轴，十字交叉滑块可自动适应输出轴的 姿态，以补偿由于输出轴偏摆造成的径向和轴向误差。本发明公开了一种抗轴向载荷的无回差扭矩输出球铰驱动机构，其包括了驱动单
元、传动单元和调心单元；伺服直流电机安装于电机安装座上，并与电机轴联接块连 接构成驱动单元；输出轴、十字交叉滑块和电机轴联接块三者通过纵向卡槽、横向卡 槽相互联接构成传动单元；使用压边圈将球铰关节外环紧固在电机安装座的安装孔 内，球铰关节内环与球铰关节外环相互配合实现调心功能，使用轴承外挡圈将两个角 接触球轴承压紧于球铰关节内环的轴承安装孔中，并通过紧固螺母将输出轴与角接触 球轴承锁紧，共同构成调心单元。本发明中采用球铰关节实现抗轴向载荷特性，同时 使用浮动的十字交叉滑块传递扭矩，克服了伺服直流电机在正、反转切换时的回差， 并补偿由于输出轴偏摆造成的径向和轴向误差。
本发明抗轴向载荷的无回差扭矩输出球铰驱动机构的优点在于
(1) 釆用电机轴联接块2与十字交叉滑块3的活动连接、十字交叉滑块3与输出 轴5的活动连接。当输出轴5偏摆时，十字交叉滑块3可以在纵向方向上滑 动，输出轴5在横向方向上滑动，消除了球铰驱动机构在运动过程中由于伺 服直流电机1换向导致的回差。
(2) 球形的球铰关节内环10可随输出轴5的偏摆而偏摆，避免了输出轴5偏摆造 成的附加载荷。
(3) 球铰关节外环4通过压边圈9安装在电机安装座7的关节外环安装孔7e内， 并在球铰关节内环10内通过输出轴5上套接的两个角接触球轴承，降低输出 轴5回转阻力的同时，将轴向载荷传递给球铰关节外环4承担，保证了本发 明的球铰驱动机构的抗轴向载荷性。
(4) 本机构使用球铰关节和十字交叉滑块作为实现方式，具有传动刚性好、无回差 和抗轴向载荷性能好等优点。
附图说 明
图1是本发明抗轴向载荷的无回差扭矩输出球铰驱动机构的外形图。 图1A是本发明抗轴向载荷的无回差扭矩输出球铰驱动机构的装配示图。 图2是本发明电机轴联接块的结构图。 图3是本发明十字交叉滑块的结构图。 图4是本发明压边圈的结构图。
6图5是本发明电机安装座的结构图。
图6是本发明调心单元固定组件爆炸示图。
图7是本发明调心单元活动组件爆炸示图。
图中l.伺服直流电机la.电机轴2.电机轴联接块
2a.A通孔2b.径向卡槽3.十字交叉滑块3a.径向筋
3b.轴向卡槽4.球铰关节外环4&.关节外环定位面4b.关节外环球面
5.输出轴5&.轴向筋5b.键槽5c.轴承挡环
5d.外螺纹6.电机紧固螺钉7.电机安装座7a.定位孔
7b.空腔7c.A螺纹孔7d.B螺纹孔7e.关节外环安装孔
7f.凸台 7g.沉槽7h.电机安装面7j.前端 7k.后端8.压边圈紧固螺钉
9.压边圈9a.卡榫9b.B通孔io.球铰关节内环
10a.关节内环球面10b.轴承安装孔10c.内螺纹
ll.第一角接触球轴承12.第二角接触球轴承
13.轴承外挡圈13a.装卸工艺孔14.紧固螺母
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
请参看图1、图IA所示，本发明的一种抗轴向载荷的无回差扭矩输出球铰驱动 机构，包括伺服直流电机l、电机轴联接块2、十字交叉滑块3、球铰关节外环4、 输出轴5、电机紧固螺钉6、电机安装座7、压边圈紧固螺钉8、压边圈9、球铰关 节内环10、第一角接触球轴承11、第二角接触球轴承12、轴承外挡圈13、输出轴 紧固螺母14。
其中，由伺服直流电机l、电机轴联接块2、电机紧固螺钉6和电机安装座7构 成驱动单元。
其中，由电机轴联接块2、十字交叉滑块3和输出轴5构成传动单元。
其中，由电机安装座7、压边圈紧固螺钉8、压边圈9和球铰关节外环4构成调
心单元固定组件。
其中，输出轴5、球铰关节内环IO、第一角接触球轴承ll、第二角接触球轴承 12、轴承外挡圈13和紧固螺母14构成调心单元活动组件。其中，输出轴5、球铰关节外环4、由球铰关节内环IO、第一角接触球轴承ll、 第二角接触球轴承12、轴承外挡圈13和紧固螺母14构成球铰关节机构。
参见图1A、图2所示，电机轴联接块2上设有A通孔2a和径向卡槽2b，该A 通孔2a用于实现电机轴联接块2连接在伺服直流电机1的电机轴la上，从而实现 在伺服直流电机1的驱动下，电机轴联接块2绕电机轴旋转轴线转动；径向卡槽2b 用于放置十字交叉滑块3上的径向筋3a，从而实现电机轴联接块2与十字交叉滑块 3的活动连接，该活动连接是指径向筋3a在径向卡槽2b内可以滑动。在本发明中， 设定伺服直流电机1的长度方向为轴向，则垂直与电机轴la安装的电机轴联接块2 上的径向卡槽2b为径向方向开口 ，因此十字交叉滑块3上的径向筋3a为在径向(纵 向)方向上可以滑动。该电机轴联接块2置于电机安装座7的空腔7b内。
参见图1A、图3所示，十字交叉滑块3的一端设有径向筋3a，十字交叉滑块3 的另一端设有轴向卡槽3b;径向筋3a置于电机轴联接块2的径向卡槽2b内，该径 向筋3a可以在径向卡槽2b内滑动；轴向卡槽3b内活动安装有输出轴5 —端的轴 向筋5a，该轴向筋5a可以在轴向卡槽3b内滑动。该十字交叉滑块3置于电机安装 座7的空腔7b内。在本发明中，十字交叉滑块3浮动于电机轴联接块2与输出轴5 之间，当输出轴5偏摆时，十字交叉滑块3可以在径向(纵向)方向上滑动，而输 出轴5则在轴向(横向)方向上滑动，消除了本发明的球铰驱动机构在运动过程中 由于伺服直流电机1正、反转换向导致的回差，并补偿由于输出轴5偏摆造成的径 向和轴向误差。
参见图1A、图6所示，球铰关节外环4的外部为关节外环定位面4a，球铰关节 外环4的内部为关节外环球面4b (凹球面)；球铰关节外环4置于电机安装座7的 关节外环安装孔7e内，且关节外环定位面4a与电机安装座7的关节外环安装孔7e 相配合，通过压边圈9将球铰关节外环4与电机安装座7压紧；关节外环球面4b 与球铰关节内环10的关节内环球面10a (凸球面)相配合，通过紧固螺母14将球 铰关节内环10与球铰关节外环4进行压紧。在本发明中，球铰关节外环4与球铰关 节内环10以球面进行接触并浮动，解决了输出轴5的偏摆，以及抵抗输出轴5承受 的轴向载荷。参见图1A、图7所示，输出轴5为阶梯轴，输出轴5从一端至另一端顺次设有 轴向筋5a、轴承挡环5c、外螺纹5d和键槽5b，轴向筋5a设在输出轴5的一端端 部，轴向筋5a活动安装在十字交叉滑块3的轴向卡槽3b内，键槽5b设在输出轴5 的另一端端部，通过在键槽5b中放置键和在电机安装座7的凸台7f上的B螺纹孔 7d中放置螺钉，实现将本发明的机构与外部基体连接。轴承挡环5c与外螺纹5d之 间套接有第一角接触球轴承11、第二角接触球轴承12和轴承外挡圈13，并用紧固 螺母14连接在外螺纹5d上，实现轴承挡环5c与第一角接触球轴承11、第二角接 触球轴承12和轴承外挡圈13之间的压紧；轴承外挡圈13上的螺纹与球铰关节内 环10上的内螺纹10c连接，实现了调心单元活动组件的安装。
参见图1A、图5、图6所示，电机安装座7的前端7j设有四个凸台7f和四个 沉槽7g，每个凸台7f上设有B螺纹孔7d，每个沉槽7g上设有A螺纹孔7c，该A 螺纹孔7c与B通孔9b配合，应用压边圈紧固螺钉8实现将压边圈9安装在电机安 装座7的前端7j;电机安装座7的后端7k设有定位孔7a，该定位孔7a用于伺服 直流电机1的电机轴la通过，伺服直流电机1的机壳通过螺钉安装在电机安装面 7h上；电机安装座7内开有关节外环安装孔7e和空腔7b,关节外环安装孔7e内 放置有球铰关节外环4，空腔7b内放置电机轴联接块2、十字交叉滑块3和输出轴 5的径向筋5a。在本发明中，电机安装座7既作为球铰关节的外壳，同时也作为球 铰关节的基体。
参见图1A、图4、图6所示，压边圈9上设有四个卡榫9a，每个卡榫9a上设 有B通孔9b，压边圈9上的四个卡榫9a分别卡合在电机安装座7的四个沉槽7g 内，并通过压边圈紧固螺钉8穿过卡榫9a上的B通孔9b后螺纹连接在沉槽7g内 的A螺纹孔7c上。
参见图1A、图7所示，球铰关节内环10为一球形切除两端的圆环结构，球铰 关节内环10的外部为关节内环球面10a (凸球面)，球铰关节内环10的内部为轴承 安装孔10b,该轴承安装孔10b的壁上设有内螺纹10c，该内螺纹10c与轴承外挡 圈13上的外螺纹配合，实现轴承外挡圈13安装在球铰关节内环10上。在本发明 中，关节内环球面10a与球铰关节外环4的关节外环球面4b配合。轴承安装孔10b 内放置有第一角接触球轴承11、第二角接触球轴承12和轴承外挡圈13。在本发明中，驱动单元的连接为(如图1A所示)伺服直流电机1的机壳通过 安装在电机安装座7的电机安装面7h上，伺服直流电机1的电机轴la穿过电机安 装座7上的定位孔7a后，安装在电机轴联接块2的A通孔2a内；电机紧固螺钉6 将伺服直流电机1和电机安装座7进行紧固。当伺服直流电机1的电机轴la旋转时， 带动电机轴联接块2绕电机轴旋转轴线转动。
在本发明中，传动单元的连接为(如图1A、图7所示)电机轴联接块2的径向 卡槽2b与十字交叉滑块3的径向筋3a相配合，十字交叉滑块3的轴向槽3b与输 出轴5的轴向筋5b相配合。应用"配合"二字说明十字交叉滑块3浮动于电机轴联 接块2与输出轴5之间，输出轴5上的键槽5b可与外接对应机构相配合，用于向外 接机构传递扭矩。
在本发明中，调心单元固定组件的连接为(如图6所示)球铰关节外环4的关 节外环定位面4a与电机安装座7的关节外环安装孔7e相配合，通过压边圈9将球 铰关节外环4与电机安装座7压紧，压边圈9上的卡榫9a与电机安装座7上的沉 槽7g相配合，用压边圈紧固螺钉8进行紧固。当与外接机构相联接时，外接机构可 安装于电机安装座7的凸台7f上，并通过B螺纹孔7d进行紧固。
在本发明中，调心单元活动组件的连接为(如图7所示)关节内环球面10a与 关节外环球面4b相配合，当输出轴5偏摆时，球铰关节内环10可绕关节内环球面 10a偏摆。第一角接触球轴承11、第二角接触球轴承12成对使用，安装于轴承安 装孔10b内，轴承外挡圈13与轴承紧固螺纹槽10c旋合，将第一角接触球轴承11、 第二角接触球轴承12与球面关节内环IO相压紧，装卸工艺孔13a用于轴承外挡圈 13拆装时使用。第一角接触球轴承11、第二角接触球轴承12内圈与输出轴5上的 轴承安装面5c相配合，输出轴紧固螺母14与输出轴锁紧螺纹5d旋合，使输出轴5 与第一角接触球轴承ll、第二角接触球轴承12内圈压紧。当输出轴5旋转时，带 动第一角接触球轴承11、第二角接触球轴承12内圈旋转，而球铰关节内环10不随 输出轴旋转轴线转动。
本发明抗轴向载荷的无回差扭矩输出球铰驱动机构的的动作过程有
当伺服直流电机1启动后，其电机轴la带动电机轴联接块2绕电机轴旋转轴线 旋转，依次带动十字交叉滑块3、输出轴5转动。当输出轴5承受轴向载荷时，轴向
10载荷通过第一角接触球轴承11、第二角接触球轴承12、球铰关节内环10、球铰关 节外环4传递至电机安装座7，十字交叉滑块3始终承受纯扭矩，且在轴向和径向具 有一定的游动空间，容许十字交叉滑块3在输出轴5和电机轴联接块2之间游动。
当输出轴5绕球铰关节内环10的关节内环球面10a偏摆时，十字交叉滑块3 的径向筋3a可在电机轴联接块2的径向卡槽2b中摆动，轴向筋5a可在十字交叉 滑块3的轴向卡槽3b中摆动，以补偿输出轴5偏摆时产生的轴向和径向误差，而不 产生附加载荷。
当伺服直流电机1的电机轴la反转时，十字交叉滑块3的径向筋3a与电机联 接块2的径向卡槽2b的配合，以及输出轴5的轴向筋5a与轴向卡槽3b的配合， 使得十字交叉滑块3的两端始终与电机联接块2、输出轴5接触而不脱离，消除了伺 服直流电机1的正、反转切换时回差的产生因素，保证了本发明机构本身的无回差特性。
权利要求
1、一种抗轴向载荷的无回差扭矩输出球铰驱动机构，其特征在于该球铰驱动机构包括伺服直流电机(1)、电机轴联接块(2)、十字交叉滑块(3)、球铰关节外环(4)、输出轴(5)、电机紧固螺钉(6)、电机安装座(7)、压边圈紧固螺钉(8)、压边圈(9)、球铰关节内环(10)、第一角接触球轴承(11)、第二角接触球轴承(12)、轴承外挡圈(13)、输出轴紧固螺母(14)；电机轴联接块(2)上设有A通孔(2a)和径向卡槽(2b)；该A通孔(2a)用于实现电机轴联接块(2)连接在伺服直流电机(1)的电机轴(1a)上；径向卡槽(2b)用于放置十字交叉滑块(3)上的径向筋(3a)；该电机轴联接块(2)置于电机安装座(7)的空腔(7b)内；十字交叉滑块(3)的一端设有径向筋(3a)，十字交叉滑块(3)的另一端设有轴向卡槽(3b)；径向筋(3a)置于电机轴联接块(2)的径向卡槽(2b)内，轴向卡槽(3b)内活动安装有输出轴(5)一端的轴向筋(5a)；该十字交叉滑块(3)置于电机安装座(7)的空腔(7b)内；十字交叉滑块(3)浮动安装在电机轴联接块(2)与输出轴(5)之间；球铰关节外环(4)的外部为关节外环定位面(4a)，球铰关节外环(4)的内部为关节外环球面(4b)；球铰关节外环(4)置于电机安装座(7)的关节外环安装孔(7e)内，且关节外环定位面(4a)与电机安装座(7)的关节外环安装孔(7e)相配合，通过压边圈(9)将球铰关节外环(4)与电机安装座(7)压紧；关节外环球面(4b)与球铰关节内环(10)的关节内环球面(10a)相配合，通过紧固螺母(14)将球铰关节内环(10)与球铰关节外环(4)进行压紧；输出轴(5)为阶梯轴，输出轴(5)从一端至另一端顺次设有轴向筋(5a)、轴承挡环(5c)、外螺纹(5d)和键槽(5b)，轴向筋(5a)设在输出轴(5)的一端端部，轴向筋(5a)活动安装在十字交叉滑块(3)的轴向卡槽(3b)内，键槽(5b)设在输出轴(5)的另一端端部；轴承挡环(5c)与外螺纹(5d)之间套接有第一角接触球轴承(11)、第二角接触球轴承(12)和轴承外挡圈(13)，并用紧固螺母(14)连接在外螺纹(5d)上；电机安装座(7)的前端(7j)设有四个凸台(7f)和四个沉槽(7g)，每个凸台(7f)上设有B螺纹孔(7d)，每个沉槽(7g)上设有A螺纹孔(7c)，该A螺纹孔(7c)与B通孔(9b)配合，应用压边圈紧固螺钉(8)实现将压边圈(9)安装在电机安装座(7)的前端(7j)；电机安装座(7)的后端(7k)设有定位孔(7a)，该定位孔(7a)用于伺服直流电机(1)的电机轴(1a)通过，伺服直流电机(1)的机壳通过螺钉安装在电机安装面(7h)上；电机安装座(7)内开有关节外环安装孔(7e)和空腔(7b)，关节外环安装孔(7e)内放置有球铰关节外环(4)，空腔(7b)内放置电机轴联接块(2)、十字交叉滑块(3)和输出轴(5)的径向筋(5a)；压边圈(9)上设有四个卡榫(9a)，每个卡榫(9a)上设有B通孔(9b)，压边圈(9)上的四个卡榫(9a)分别卡合在电机安装座(7)的四个沉槽(7g)内，并通过压边圈紧固螺钉(8)穿过卡榫(9a)上的B通孔(9b)后螺纹连接在沉槽(7g)内的A螺纹孔(7c)上；球铰关节内环(10)的外部为关节内环球面(10a)，球铰关节内环(10)的内部为轴承安装孔(10b)，该轴承安装孔(10b)的壁上设有内螺纹(10c)，该内螺纹(10c)与轴承外挡圈(13)上的外螺纹配合，实现轴承外挡圈(13)安装在球铰关节内环(10)上；轴承安装孔(10b)内放置有第一角接触球轴承(11)、第二角接触球轴承(12)和轴承外挡圈(13)；当伺服直流电机(1)启动后，电机轴(1a)带动电机轴联接块(2)绕电机轴旋转轴线旋转，依次带动十字交叉滑块(3)、输出轴(5)转动；当输出轴(5)承受轴向载荷时，轴向载荷通过第一角接触球轴承(11)、第二角接触球轴承(12)、球铰关节内环(10)、球铰关节外环(4)传递至电机安装座(7)；十字交叉滑块(3)始终承受纯扭矩，且在轴向和径向具有一定的游动空间，容许十字交叉滑块(3)在输出轴(5)和电机轴联接块(2)之间游动；当输出轴(5)绕球铰关节内环(10)的关节内环球面(10a)偏摆时，十字交叉滑块(3)的径向筋(3a)可在电机轴联接块(2)的径向卡槽(2b)中摆动，轴向筋(5a)可在十字交叉滑块(3)的轴向卡槽(3b)中摆动，以补偿输出轴(5)偏摆时产生的轴向和径向误差，而不产生附加载荷。
2、 根据权利要求1所述的抗轴向载荷的无回差扭矩输出球铰驱动机构，其特征在 于球铰关节外环(4)与球铰关节内环(10)以球面进行接触并浮动，解决了输出轴 (5)的偏摆，以及抵抗输出轴(5)承受的轴向载荷。
3、 根据权利要求1所述的抗轴向载荷的无回差扭矩输出球铰驱动机构，其特征在 于由伺服直流电机(l)、电机轴联接块(2)、电机紧固螺钉(6)和电机安装座(7)构 成驱动单元；当伺服直流电机(l)的电机轴(la)旋转时，带动电机轴联接块(2)绕电 机轴旋转轴线转动。
4、 根据权利要求1所述的抗轴向载荷的无回差扭矩输出球铰驱动机构，其特征在 于由电机轴联接块(2)、十字交叉滑块(3)和输出轴(5)构成传动单元；十字交叉 滑块(3)浮动安装在电机轴联接块(2)与输出轴(5)之间。
5、 根据权利要求1所述的抗轴向载荷的无回差扭矩输出球铰驱动机构，其特征在 于由电机安装座(7)、压边圈紧固螺钉(8)、压边圈(9)和球铰关节外环(4)构成调 心单元固定组件。
6、 根据权利要求1所述的抗轴向载荷的无回差扭矩输出球铰驱动机构，其特征在 于输出轴(5)、球铰关节内环(IO)、第一角接触球轴承(ll)、第二角接触球轴承 (12)、轴承外挡圈(13)和紧固螺母(14)构成调心单元活动组件。
7、 根据权利要求1所述的抗轴向载荷的无回差扭矩输出球铰驱动机构，其特征在 于输出轴(5)、球铰关节外环(4)、由球铰关节内环(IO)、第一角接触球轴承(ll)、 第二角接触球轴别12)、轴承外挡圈(13)和紧固螺母(14)构成球铰关节机构。
全文摘要
本发明公开了一种抗轴向载荷的无回差扭矩输出球铰驱动机构，其包括了驱动单元、传动单元和调心单元；伺服直流电机安装于电机安装座上，并与电机轴联接块连接构成驱动单元；输出轴、十字交叉滑块和电机轴联接块三者通过纵向卡槽、横向卡槽相互联接构成传动单元；使用压边圈将球铰关节外环紧固在电机安装座的安装孔内，球铰关节内环与球铰关节外环相互配合实现调心功能，使用轴承外挡圈将两个角接触球轴承压紧于球铰关节内环的轴承安装孔中，并通过紧固螺母将输出轴与角接触球轴承锁紧，共同构成调心单元。本发明中采用球铰关节实现抗轴向载荷特性，同时使用浮动的十字交叉滑块传递扭矩，克服了伺服直流电机在正、反转切换时的回差，并补偿由于输出轴偏摆造成的径向和轴向误差。
文档编号H02K7/10GK101640446SQ200910092300
公开日2010年2月3日 申请日期2009年9月9日 优先权日2009年9月9日
发明者于文鹏, 宗光华, 李宗良, 李雄峰, 巍 王 申请人:北京航空航天大学