專利名稱：新型大行程柔性虎克鉸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種柔性鉸鏈，特別是涉及一種組合式多簧片大行程柔性虎克鉸，適用于精密機械、機器人等技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
柔性鉸鏈是指在外部力或力矩的作用下，利用材料的彈性變形在相鄰剛性桿之間產(chǎn)生相對運動的一種運動副結(jié)構(gòu)形式，這與傳統(tǒng)剛性運動副的結(jié)構(gòu)有很大不同。較之于傳統(tǒng)的剛性鉸鏈(機構(gòu))，柔性鉸鏈及柔性機構(gòu)具有許多優(yōu)點(1)可以整體化(或一體化) 設(shè)計和加工，故可簡化結(jié)構(gòu)、減小體積和重量、免于裝配；(2)無間隙和摩擦，可實現(xiàn)高精度運動；(3)免于磨損，提高壽命；(4)免于潤滑，避免污染；(5)可增大結(jié)構(gòu)剛度?？蓱糜谖⒍ㄎ患拔⑦M給、微姿態(tài)調(diào)整、微執(zhí)行器、微操作及微裝配等領(lǐng)域?；⒖算q又稱萬向鉸，虎克鉸是軸線通過同一點的兩個轉(zhuǎn)動副的組合，允許兩構(gòu)件沿著相互垂直的軸線有兩個相對轉(zhuǎn)動的自由度?；⒖算q具有兩個獨立轉(zhuǎn)角運動范圍較大、 間隙小及抗拉強度高等優(yōu)點。傳統(tǒng)的柔性虎克鉸大多為切口型柔性鉸鏈，變形小，難以適應一些大轉(zhuǎn)角大位移的場合，并且轉(zhuǎn)動中心漂移嚴重，在大變形情況下難以提高其轉(zhuǎn)動精度。針對這些問題，有學者提出了一些新型的柔性虎克鉸，如申請?zhí)朇N200710064993. 9公開的具有虛擬轉(zhuǎn)動中心的大變形柔性虎克鉸，以及申請?zhí)朇N201010566231. 0公開的分布式多簧片大變形柔性虎克鉸。雖有所改進，仍存在結(jié)構(gòu)偏復雜、加工困難的問題，且柔性虎克鉸的行程還需進一步增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種分布式大行程柔性虎克鉸，通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)
一種新型大行程柔性虎克鉸，包括柔性體一、柔性體二、支架一、支架二；柔性體一包括外圈一、外圈二、“Y”字構(gòu)型簧片組一、“Y”字構(gòu)型簧片組二和芯體；芯體一端通過“Y”字構(gòu)型簧片組一與外圈一連接，另一端通過“Y”字構(gòu)型簧片組二與外圈二連接；芯體上設(shè)有兩個定位槽和兩個定位片；柔性體二與柔性體一的結(jié)構(gòu)相同，兩者通過芯體上的定位槽和定位片垂直正交裝配；外圈一、外圈二分別設(shè)有一個以上安裝孔，支架一兩端分別設(shè)有兩個以上安裝孔，支架一兩端通過安裝孔與柔性體一相連；支架二與支架一的結(jié)構(gòu)相同，支架二兩端通過安裝孔與柔性體二相連。優(yōu)選的，外圈一、外圈二分別設(shè)有一個安裝孔，支架一兩端分別設(shè)有兩個安裝孔， 支架二與支架一的結(jié)構(gòu)相同。為進一步實現(xiàn)本發(fā)明目的，柔性體上的四個外圈結(jié)構(gòu)相同；柔性體一上的兩個外圈位于一圓周相對的兩段圓弧上，柔性體二上的兩個外圈位于另一圓周相對的兩段圓弧上，兩圓周為垂直正交。支架與柔性體通過螺紋連接。
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所述芯體裝配后為球形、立方體或多面體。每組“Y”字構(gòu)型簧片由1段直線簧片和2段曲線簧片組成，直線簧片一端連接芯體，另一端通過2個曲線簧片連接到外圈上；2個曲線簧片從相反的方向形成圓弧，構(gòu)成一組“Y”字構(gòu)型簧片。四組“Y”字構(gòu)型簧片的直線簧片位于同一平面內(nèi)，呈均勻陣列分布，相鄰簧片的中心線夾角為90度。本發(fā)明新型大行程柔性虎克鉸本與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果
(1)采用了中空設(shè)計，從而降低了結(jié)構(gòu)的內(nèi)應力，這樣就提高了其轉(zhuǎn)動范圍以及疲勞壽
命；
(2)可實現(xiàn)高精度、大角度的二維轉(zhuǎn)動運動，可根據(jù)實際工作需求調(diào)整柔性虎克鉸的結(jié)構(gòu)尺寸，兩個方向的最大轉(zhuǎn)動范圍為士 5° 士 15° ；可用于精密柔性機械、機器人關(guān)節(jié)等領(lǐng)域；
(3)改善了鉸鏈剛度特性，使其在完成大變形功能的同時，獲得較好的剛度；
(4)采用直線與曲線復合簧片對稱分布柔度設(shè)計，提高了鉸鏈的軸向剛度和徑向剛度， 與傳統(tǒng)的切口型柔性鉸鏈相比，轉(zhuǎn)動范圍大大增加。并且在大角度轉(zhuǎn)動有很高的軸向精度， 兩個外圈在轉(zhuǎn)動時耦合很小，轉(zhuǎn)動時軸心漂移很??；
(5)柔性體部分采用線切割機床一體化加工成型，避免了裝配引入的誤差。


圖1是本發(fā)明新型大行程柔性虎克鉸的結(jié)構(gòu)圖。圖2是柔性體部分的結(jié)構(gòu)圖。圖3是支架的結(jié)構(gòu)圖。圖4是新型大行程柔性虎克鉸的裝配干線。圖1 4中示出柔性體一 1、柔性體二 2、支架一 3、支架二 4、外圈一 11、外圈二 12、“Y”字構(gòu)型簧片組一 13、“Υ”字構(gòu)型簧片組二 14、芯體15、定位槽16、定位片17。
具體實施例方式為更好理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明，但是本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于實施方式表示的范圍。如圖1、2、3、4所示，一種新型大行程柔性虎克鉸包括柔性體一 1、柔性體二 2、支架一 3、支架二 4 ；柔性體一 1包括外圈一 11、外圈二 12、“Y”字構(gòu)型簧片組一 13、“Y”字構(gòu)型簧片組二 14和芯體15 ；芯體15 —端通過“Y”字構(gòu)型簧片組一 13與外圈一 11連接，另一端通過“Y”字構(gòu)型簧片組二 14與外圈二 12連接；芯體15上設(shè)有兩個定位槽16和兩個定位片17 ；柔性體二 2與柔性體一 1的結(jié)構(gòu)相同，兩者通過芯體15上的定位槽16和定位片 17垂直正交裝配；外圈一 11、外圈二 12分別設(shè)有一個安裝孔，支架一 3兩端分別設(shè)有兩個安裝孔，支架一 3兩端通過安裝孔與柔性體一 1相連；支架二 4與支架一 3的結(jié)構(gòu)相同，支架二4兩端通過安裝孔與柔性體二2相連。支架與柔性體通過螺紋連接。安裝孔的位置和數(shù)目，可根據(jù)實際使用情況下，與連桿以及底座的連接狀況，在外圈和支架的圓周上調(diào)整。如圖1所示，柔性體一 1上的兩個外圈位于一圓周相對的兩段圓弧上，柔性體二 2 上的兩個外圈位于另一圓周相對的兩段圓弧上，兩圓周為垂直正交。
如圖2所示，每組“Y”字構(gòu)型簧片由1段直線簧片和2段曲線簧片組成，直線簧片一端連接芯體，另一端通過2個曲線簧片連接到外圈上；2個曲線簧片從相反的方向形成圓弧，構(gòu)成一組“Y”字構(gòu)型簧片。
四個“Y”字構(gòu)型簧片組中，直線部分簧片的厚度均為tl，曲線部分簧片的厚度均為t2，曲線部分簧片的曲率半徑也相同。
四組“Y”字構(gòu)型簧片的直線簧片位于同一平面內(nèi)，呈均勻陣列分布，相鄰簧片的中心線夾角為90度。柔性體一 1與柔性體二 2芯體裝配后為球形、立方體或多面體。
制備時，采用精密走絲線切割機床一體化加工有柔性體一 1、柔性體二 2、支架一 1、支架二 2及其上的安裝孔。柔性體部分可整體采用精密走絲線切割機床一體化加工外圈一 11、外圈二 12、“Y”字構(gòu)型簧片組一 13、“Y”字構(gòu)型簧片組二 14和芯體15及外圈上的安裝孔；也可分別用線切割加工外圈、芯體和簧片，用焊接的方法進行裝配，或通過在芯體和外圈上開槽，然后將簧片插入進行裝配。
新型大行程柔性虎克鉸不但能實現(xiàn)的大角度的轉(zhuǎn)動，而且能減小軸漂移，并增加了非功能方向上的剛度。柔性體一與柔性體二垂直正交裝配，四組“Y”字構(gòu)型簧片分別連接裝配后的芯體及四個外圈，并且均勻?qū)ΨQ分布，和與之固聯(lián)的支架一、支架二垂一起形成新型大行程柔性虎克鉸。薄板柔性單元的變形量本身就比較大，并且曲線薄板柔性單元可以實現(xiàn)雙向變形，即可以向曲率增加的方向變形，也可以向曲率減小的方向變形。當固定與柔性體一固聯(lián)的支架一，在與柔性體二固聯(lián)的支架二上施加扭矩時，柔性體二的“Y”字構(gòu)型簧片組就會發(fā)生彎曲變形；同時，柔性體一的“Y”字構(gòu)型簧片組會發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，以上的變形方式使得支架二可以繞芯體做大角度轉(zhuǎn)動。由于四組“Y”字構(gòu)型簧片幾何結(jié)構(gòu)相同，完全對稱分布，假設(shè)鉸鏈所用材料在受力變形時不存在材料非線性，當鉸鏈中心受到轉(zhuǎn)矩作用時，此轉(zhuǎn)動柔性鉸鏈沒有轉(zhuǎn)動中心的漂移。由于本柔性虎克鉸的四個外圈及四個支架具有足夠的厚度和剛度，四組“Y”字構(gòu)型簧片在非功能方向上也具有一定寬度，因此，本柔性虎克鉸在非功能方向上具有較好的剛度，能承受一定的載荷。
權(quán)利要求
1.一種新型大行程柔性虎克鉸，其特征在于包括柔性體一(1)、柔性體二(2)、支架一 (3)、支架二(4)；柔性體一(1)包括外圈一(11)、外圈二(12)、“Y”字構(gòu)型簧片組一(13)、 “Y”字構(gòu)型簧片組二 (14)和芯體(15)；芯體(15) 一端通過“Y”字構(gòu)型簧片組一(13)與外圈一(11)連接，另一端通過“Y”字構(gòu)型簧片組二(14)與外圈二(12)連接；芯體(15)上設(shè)有兩個定位槽(16)和兩個定位片(17);柔性體二(2)與柔性體一(1)的結(jié)構(gòu)相同，兩者通過芯體(15)上的定位槽(16)和定位片(17)垂直正交裝配；外圈一(11)、外圈二(12)分別設(shè)有一個以上安裝孔，支架一(3)兩端分別設(shè)有兩個以上安裝孔，支架一(3)兩端通過安裝孔與柔性體一(1)相連；支架二(4)與支架一(3)的結(jié)構(gòu)相同，支架二(4)兩端通過安裝孔與柔性體二(2)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型大行程柔性虎克鉸，其特征在于外圈一(11)、外圈二(12)分別設(shè)有一個安裝孔，支架一(3)兩端分別設(shè)有兩個安裝孔，支架二(4)與支架一 (3)的結(jié)構(gòu)相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種新型大行程柔性虎克鉸，其特征在于所述柔性體上的四個外圈結(jié)構(gòu)相同；柔性體一(1)上的兩個外圈位于一圓周相對的兩段圓弧上，柔性體二(2)上的兩個外圈位于另一圓周相對的兩段圓弧上，兩圓周為垂直正交。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種新型大行程柔性虎克鉸，其特征在于所述支架與柔性體通過螺紋連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種新型大行程柔性虎克鉸，其特征在于所述芯體裝配后為球形、立方體或多面體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種新型大行程柔性虎克鉸，其特征在于所述每組“Y” 字構(gòu)型簧片由1段直線簧片和2段曲線簧片組成，直線簧片一端連接芯體，另一端通過2個曲線簧片連接到外圈上；2個曲線簧片從相反的方向形成圓弧，構(gòu)成一組“Y”字構(gòu)型簧片。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種新型大行程柔性虎克鉸，其特征在于四組“Y”字構(gòu)型簧片的直線簧片位于同一平面內(nèi)，呈均勻陣列分布，相鄰簧片的中心線夾角為90度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種虎克鉸，包括柔性體一、柔性體二、支架一、支架二；柔性體一包括外圈一、外圈二、“Y”字構(gòu)型簧片組一、“Y”字構(gòu)型簧片組二和芯體；芯體一端通過“Y”字構(gòu)型簧片組一與外圈一連接，另一端通過“Y”字構(gòu)型簧片組二與外圈二連接；芯體上設(shè)有兩個定位槽和兩個定位片；柔性體二與柔性體一的結(jié)構(gòu)相同，兩者通過芯體上的定位槽和定位片垂直正交裝配；外圈一、外圈二分別設(shè)有一個以上安裝孔，支架一兩端分別設(shè)有兩個以上安裝孔，支架一兩端通過安裝孔與柔性體一相連；支架二與支架一的結(jié)構(gòu)相同，支架二兩端通過安裝孔與柔性體二相連。本虎克鉸為多簧片柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，行程大、精度高，轉(zhuǎn)動時軸心漂移小，適用于大行程精密控制構(gòu)。
文檔編號F16D3/26GK102506085SQ20111037537
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者孫煒, 張憲民, 王念峰 申請人:華南理工大學