专利名称：双曲杆型空心柔性铰链的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种柔性铰链，具体地说，是指一种双曲杆型空心柔性铰链。
背景技术：
柔性铰链是指在外部力或力矩的作用下，利用材料的弹性变形在相邻刚性杆之间产生相对运动的一种运动副结构形式，这与传统刚性运动副的结构有很大不同。柔性铰链是柔性机构中一种典型的柔性元素。较之于传统的刚性铰链(机构)，柔性铰链及柔性机构具有许多优点(1)可以整体化(或一体化)设计和加工，故可简化结构、减小体积和重量、免于装配；(2)无间隙和摩擦，可实现高精度运动；(3)免于磨损，提高寿命；(4)免于润滑，避免污染；(5)可增大结构刚度。可应用于微定位及微进给、微姿态调整、微执行器、微操作及微装配等领域。但传统的切口型柔性铰链运动范围小，难以适应一些大转角的场合。而普通的簧片式柔性铰链的运动范围虽然提高了，但是转动中心漂移严重，在大变形情况下难以提高其转动精度。
在公告号CN2459740Y中公开了一种在一矩形立方体相对的两个面分别制有圆弧底的凹槽的柔性铰链，该柔性铰链的两个圆弧之间为实心设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种双曲杆型空心柔性铰链，通过在背对背并联的两个簧片纵向之间设有纵向筋，横向之间设有横向筋加强了上下连杆的承载能力，以及其它非功能方向上的结构刚度，采用线切割机床一体化加工成型。
本发明是一种双曲杆型空心柔性铰链，是在一矩形立方体的相对两个面上对称切割有左簧片、右簧片，在矩形立方体的纵向中心上切有一定厚度的纵向筋，在矩形立方体的横向中心上切有一定厚度的横向筋，纵向筋、横向筋与右簧片形成A空心区、C空心区，纵向筋、横向筋与左簧片形成B空心区、D空心区。由于空心区的存在使得传统的切口型柔性铰链转换为簧片式柔性铰链，从而降低了结构的内应力，这样就提高了其转动范围以及疲劳寿命。左簧片、右簧片、横向筋和纵向筋将矩形立方体分隔为上连杆、下连杆。结构相对于轴心O左右对称，并且上下对称。
本发明双曲杆型空心柔性铰链的优点在于(1)采用了中空设计，将传统的切口型柔性铰链转换为簧片式柔性铰链，从而降低了结构的内应力，这样就提高了其转动范围以及疲劳寿命。
(2)左右簧片为双曲线型，这样可以改善铰链柔度特性，使其更宜变形。
(3)在铰链空心处加入横向筋和纵向筋，提高了铰链轴向的抗压刚度，以及其它非功能方向上的结构刚度，并协调了两簧片的变形形式。
(4)横向筋和纵向筋的加入还可以起到稳定转动中心(柔性铰链的轴心O)的作用，这样使铰链在大转角时仍具有较高的转动精度。
(5)采用线切割机床一体化加工成型，避免了装配引入的误差。
图1是本发明双曲杆型空心柔性铰链的正视图。
图2是本发明双曲杆型空心柔性铰链的结构参数示意图。
图中 1.上连杆2.下连杆3.左簧片4.右簧片5.横向筋6.纵向筋11.A空心区12.B空心区 13.C空心区 14.D空心区具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参见图1所示，本发明是一种双曲杆型空心柔性铰链，是在一矩形立方体的相对两个面上对称切割有左簧片3、右簧片4，在矩形立方体的纵向中心上切有一定厚度的纵向筋6，在矩形立方体的横向中心上切有一定厚度的横向筋5，纵向筋6、横向筋5与右簧片4形成A空心区11、C空心区13，纵向筋6、横向筋5与左簧片3形成B空心区12、D空心区14。左簧片3、右簧片4、横向筋5和纵向筋6构成一个双曲杆型空心柔性铰链。所述双曲杆型空心柔性铰链将矩形立方体分隔为上连杆1、下连杆2。
本发明双曲杆型空心柔性铰链采用线切割机床一体化加工成型，左簧片3、右簧片4分别为柔性铰链上的两根曲杆，曲率半径R与左簧片3厚度D3满足2R/D3＞10，曲率半径R与右簧片4厚度D4满足2R/D4＞10，且左簧片3厚度D3等于右簧片4厚度D4；曲率半径R与横向筋5厚度D1满足2R/D1＞10，曲率半径R与纵向筋6厚度D2满足2R/D2＞10。
为了设计出柔度较大的大变形柔性铰链，即必须大大降低轴心受压杆件的刚度，在不考虑材料压缩变形的情况下，轴心受压杆件在屈曲前的刚度应尽可能大。在本发明中的双曲杆型空心柔性铰链，参见图2所示，纵向筋6为柔性铰链的受压杆件，横向筋5的中心点为柔性铰链的轴心O。
本发明双曲杆型空心柔性铰链由于采用中空设计，使得左右两簧片变薄，从而减小了内应力，增大了转动范围。为了增加轴向的刚度、以及协调左右两簧片的变形，加入了横向筋5和纵向筋6。
本发明根据双曲线选取形式不同，其左簧片3、右簧片4所形成的构图可以是纵向椭圆形、正圆形、屈曲形或者横向椭圆形。
在柔性铰链或柔性机构中抑制其寄生运动通常所采用的一种设计方法是“对称约束法”。在本发明中，采用同样的方法将其设计成由两根对称的具有初弯曲缺陷的曲杆所构成的双曲杆型柔性铰链，它不但减小了轴漂，同时也增加了非功能方向上的刚度。
通过仿真和实验证明，本发明双曲杆型空心柔性铰链与实心圆弧切口铰链相比，在相同力矩作用下，最大转角增加，柔度增大，使用寿命增加，且在非功能方向上的刚度减少很小。
权利要求
1.一种双曲杆型空心柔性铰链，其特征在于是在一矩形立方体的相对两个面上对称切割有左簧片(3)、右簧片(4)，在矩形立方体的纵向中心上切有纵向筋(6)，在矩形立方体的横向中心上切有横向筋(5)，纵向筋(6)、横向筋(5)与右簧片(4)形成A空心区(11)、C空心区(13)，纵向筋(6)、横向筋(5)与左簧片(3)形成B空心区(12)、D空心区(14)；所述左簧片(3)、右簧片(4)、横向筋(5)和纵向筋(6)将矩形立方体分隔为上连杆(1)、下连杆(2)。
2.根据权利要求1所述的双曲杆型空心柔性铰链，其特征在于采用线切割机床一体化加工成型。
3.根据权利要求1所述的双曲杆型空心柔性铰链，其特征在于所述左簧片(3)、右簧片(4)分别为柔性铰链上的两根曲杆，曲率半径R与左簧片(3)厚度D3满足2R/D3＞10，曲率半径R与右簧片(4)厚度D4满足2R/D4＞10，且左簧片(3)厚度D3等于右簧片(4)厚度D4；曲率半径R与横向筋(5)厚度D1满足2R/D1＞10，曲率半径R与纵向筋(6)厚度D2满足2R/D2＞10。
全文摘要
本发明公开了一种双曲杆型空心柔性铰链，是在一矩形立方体的相对两个面上对称切割有左簧片(3)、右簧片(4)，在矩形立方体的纵向中心上切有纵向筋(6)，在矩形立方体的横向中心上切有横向筋(5)，纵向筋(6)、横向筋(5)与右簧片(4)形成A空心区(11)、C空心区(13)，纵向筋(6)、横向筋(5)与左簧片(3)形成B空心区(12)、D空心区(14)；所述左簧片(3)、右簧片(4)、横向筋(5)和纵向筋(6)将矩形立方体分隔为上连杆(1)、下连杆(2)。本发明柔性铰链采用中空设计，将传统的切口型柔性铰链转换为簧片式柔性铰链，从而提高了其转动范围，并降低了结构的内应力，适用于大行程的智能控制机构。
文档编号F16C11/00GK101025187SQ20071006499
公开日2007年8月29日 申请日期2007年3月30日 优先权日2007年3月30日
发明者宗光华, 毕树生, 于靖军, 余志伟, 裴旭 申请人:北京航空航天大学