專利名稱：可控萬向柔性傳動(dòng)軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。尤其是一種可依據(jù)需要受控改變空間 姿態(tài)、并能連續(xù)傳遞扭矩的可控萬向柔性傳動(dòng)軸。
技術(shù)背景無論通訊、制導(dǎo)還是激光探測、激光測距、矢量推進(jìn)等，都要求其傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)全方位大范圍姿態(tài)指向。作為一種解決方案，人們往往首先想到的 是兩軸指向機(jī)構(gòu)和萬向聯(lián)軸器，然而這種傳統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受結(jié)構(gòu)制約不但偏擺 范圍較小，機(jī)構(gòu)本身的局限性也促使其難于以串連或并聯(lián)方式進(jìn)行擴(kuò)展。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)現(xiàn)有兩軸指向機(jī)構(gòu)和萬向聯(lián)軸器的缺陷， 設(shè)計(jì)一種既能用來空間指向，又能傳遞扭矩的可控萬向柔性傳動(dòng)軸。為航天、 通信、交通、機(jī)器人、兵器等領(lǐng)域提供一種大范圍空間運(yùn)動(dòng)指向機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，所述可控萬向柔性傳動(dòng)軸，參見圖1，具有由至少二個(gè)漸開線環(huán)形球齒輪組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)利用球齒輪具有360°全方 位偏擺運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，使安裝在從動(dòng)球齒輪輸出軸上的工作執(zhí)行零件實(shí)現(xiàn)空間指 向。由于單對(duì)球齒輪傳動(dòng)時(shí)偏擺角度理論上總是小于90。，受結(jié)構(gòu)條件的限制， 實(shí)際工作時(shí)單向偏擺角度往往小于60°。為獲得較大范圍偏擺運(yùn)動(dòng)，本發(fā)明可 將多個(gè)漸開線環(huán)形球齒輪串聯(lián)組合在一起，使每兩個(gè)球齒輪組成一對(duì)行星式齒 輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其串聯(lián)方式如下(1) 、第一級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的系桿即一級(jí)系桿與第二級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的中心 輪固定聯(lián)接；第二級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的系桿即二級(jí)系桿與第三級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的 中心輪固定聯(lián)接；依此類推，即上一級(jí)行星傳動(dòng)的系桿與下一級(jí)行星傳動(dòng)的中 心輪固接；(2) 、第一級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的行星輪與二級(jí)系桿固定聯(lián)接；第二級(jí)行星傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)的行星輪則與三級(jí)系桿固定聯(lián)接即上一級(jí)行星傳動(dòng)的行星輪與下一級(jí)行星 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的系桿固接，上一級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的系桿為主動(dòng)件，下一級(jí)行星傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)的行星輪為輸出偏擺角度運(yùn)動(dòng)的輸出構(gòu)件，所述一級(jí)系桿為整體傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件，終級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的行星球齒輪為終級(jí)輸出偏擺角度運(yùn)動(dòng)的輸出構(gòu) 件接外設(shè)動(dòng)作執(zhí)行元件。(3)、所述--級(jí)系桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接有推力環(huán)，推力環(huán)上有兩個(gè)球形鉸接頭， 球形鉸接頭通過連桿與推拉桿鉸接。推力環(huán)的中心與兩個(gè)球形鉸接頭的球心在 同一個(gè)平面內(nèi)，且推力環(huán)的中心與球齒輪的中心重合。由以上構(gòu)件構(gòu)成的本發(fā)明的可控萬向柔性傳動(dòng)軸，如圖1所示，是一種基 于漸開線環(huán)形齒球齒輪的可控萬向柔性傳動(dòng)軸，同時(shí)繼承了萬向節(jié)傳動(dòng)和漸開 線圓柱齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，使得全方位連續(xù)偏擺運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。該機(jī)構(gòu)的 可將多個(gè)球齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)按照一定的規(guī)律串聯(lián)使用，組成一種姿態(tài)可控的柔性 傳動(dòng)裝置，這種裝置具有更大的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)范圍。圖1即為使用三對(duì)球齒輪機(jī)構(gòu) 串連構(gòu)造而成的復(fù)雜空間輪系機(jī)構(gòu)——姿態(tài)可控柔性傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，經(jīng) 驗(yàn)證，該傳動(dòng)裝置在360。全方位最大擺角可以達(dá)到126°。除去全方位偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 之外，該裝置還有第三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，那就是可實(shí)現(xiàn)繞中心軸線的自旋運(yùn)動(dòng)。 這就保證了機(jī)構(gòu)末端到達(dá)任一姿態(tài)后，還可以在保持這一姿態(tài)同時(shí)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。若把這一裝置應(yīng)用于通訊、制導(dǎo)等用途，可以實(shí)現(xiàn)全方位大范圍姿 態(tài)指向；若用于矢量推進(jìn)，則可以獲得全方位的矢量推進(jìn)力；若用于移動(dòng)平臺(tái) 的移動(dòng)系統(tǒng)，偏擺運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)的結(jié)合將使平臺(tái)同時(shí)具備輪式和腿式兩種移 動(dòng)方式。本發(fā)明的有益效果是，該可控萬向柔性傳動(dòng)軸由于其運(yùn)動(dòng)輸入軸的軸線相 對(duì)固定不動(dòng)，而輸出軸可以根據(jù)需要受控改變空間姿態(tài)，故能連續(xù)傳遞扭矩。 該裝置適用于需要頻繁改變輸出軸末端執(zhí)行器空間姿態(tài)以完成正常作業(yè)的場 合。例如可用于衛(wèi)星太陽能電池帆板、通信天線定位指向、水下矢量推進(jìn)、萬 向移動(dòng)平臺(tái)等設(shè)備中姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，效率高、無污染、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、機(jī)動(dòng)性 好。圖1是本發(fā)明可控萬向柔性傳動(dòng)軸一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中標(biāo) 示為


l一銷軸，3—一級(jí)系桿5—銷軸，7—二級(jí)系桿4一球齒輪，6—球齒輪， 8—球齒輪，2—中心球齒輪軸，9一-銷軸，10--球齒輪，il-一三級(jí)系桿，12--球齒輪，ls-一銷軸，14--十字環(huán)，15-_輸出軸，16--銷軸，17-一銷軸，18--十字座，19-—銷軸，20--十字座，21-一推力環(huán)，22--球形鉸接頭，23-一銷軸，24--十字座，25-一安裝套。
具體實(shí)施方式
參見附圖1,本發(fā)明的該實(shí)施例中，三對(duì)取材不銹鋼制作的相互嚙合的球齒輪串聯(lián)與輸入軸一體構(gòu)成中心球齒輪軸2，該中心球齒輪軸2可繞其軸線自 轉(zhuǎn)。其中球齒輪4為行星齒輪。 一級(jí)系桿3連接球齒輪2和球齒輪4構(gòu)成第一 級(jí)行星球齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；球齒輪6和球齒輪8相互嚙合。其中球齒輪6為中心 輪，球齒輪8為行星輪，二者通過二級(jí)系桿7連接構(gòu)成第二級(jí)行星球齒輪傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)；球齒輪IO和球齒輪12相互嚙合。其中球齒輪10為中心輪，球齒輪12 為行星輪，二者通過三級(jí)系桿11連接構(gòu)成第三級(jí)行星球齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。上述球 齒輪4與二級(jí)系桿7固接； 一級(jí)系桿3與球齒輪6固接；球齒輪8與三級(jí)系桿 ll固接；二級(jí)系桿7與球齒輪10固接。該實(shí)施例的十字座24有兩組軸線正交的軸承孔，其中一組軸承孔通過銷軸 23與球齒輪2組成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副；另--組軸承孔通過銷軸1與一級(jí)系桿3組成另 一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。該實(shí)施例的十字座20亦有二組軸線正交的軸承孔，其中一組軸承 孔通過銷軸5與球齒輪6組成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，另一組軸承孔通過銷軸19與二級(jí)系 桿7也組成另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。而十字座18亦有兩組軸線正交的軸承孔，其中一組 軸承孔通過銷軸17與球齒輪10組成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，另一組軸承孔通過銷軸9與 三級(jí)系桿11也組成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。該實(shí)施例的十字環(huán)14有兩組軸線正交的軸承孔，其中一組孔通過銷軸16 與球齒輪12組成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，另一組軸承孔通過銷軸13與三級(jí)系桿11也組成 一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。輸出軸15與球齒輪12固接。該可控萬向柔性傳動(dòng)軸實(shí)施例如上述由6個(gè)球齒輪、三個(gè)系桿、四個(gè)十字環(huán)通過16個(gè)銷軸組合在一起，實(shí)際上包含了三個(gè)萬向聯(lián)軸器，其中， 一級(jí)系桿 3、十字座24、十字座20、銷軸l、銷軸5、銷軸19、銷軸23等零件構(gòu)成了第 一個(gè)萬向聯(lián)軸器。二級(jí)系桿7、十字座18、十字座20、銷軸5、銷軸9、銷軸 17、銷軸19等零件構(gòu)成了第二個(gè)萬向聯(lián)軸器。三級(jí)系桿ll、十字環(huán)14、十字 座18、銷軸13、銷軸16、銷軸9、銷軸17等零件構(gòu)成了第三個(gè)萬向聯(lián)軸器。 當(dāng)球齒輪軸2繞自身軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，相當(dāng)于三個(gè)萬向聯(lián)軸節(jié)串聯(lián)傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 從而實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞。而此時(shí)各對(duì)球齒輪沿節(jié)球進(jìn)行純滾動(dòng)。并由此而來，構(gòu) 成一個(gè)具有三重系桿的空間運(yùn)動(dòng)球齒輪行星輪系。整個(gè)軸系通過安裝套25與基 座聯(lián)接在一起。 一級(jí)系桿3通過轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接有推力環(huán)21，推力環(huán)21上有兩個(gè) 球形鉸接頭22。推力環(huán)21的中心與兩個(gè)球形鉸接頭22的球心在同一個(gè)平面內(nèi)， 且推力環(huán)的中心與球齒輪的中心重合，由外設(shè)直線驅(qū)動(dòng)器控制兩個(gè)球鉸接頭的 空間位置以實(shí)現(xiàn)推力環(huán)空間姿態(tài)的改變。由此構(gòu)成的本發(fā)明的可控萬向柔性傳動(dòng)軸經(jīng)試制試用被證明效果顯著，達(dá) 到了設(shè)計(jì)要求。該可控萬向柔性傳動(dòng)軸試用記錄記載，試驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)，外設(shè)直 線驅(qū)動(dòng)器有效帶動(dòng)推力環(huán)21繞球齒輪2的中心作定點(diǎn)偏擺運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)一級(jí)系 桿3作相同方向的偏擺運(yùn)動(dòng)，通過十字座19迫使行星球齒輪2產(chǎn)生相同方向的 自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生一級(jí)偏轉(zhuǎn)。在以上偏轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，二級(jí)系桿7通過十字座 17迫使行星輪8往相同方向產(chǎn)生自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生二級(jí)偏轉(zhuǎn)。由此，第三級(jí) 系桿亦通過十字環(huán)14迫使行星輪12往相同方向產(chǎn)生自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生三級(jí) 偏轉(zhuǎn)。試驗(yàn)表明，輸出軸的最大單向偏擺角達(dá)136°。通過控制兩根推拉桿不同 的位移量，可使推力環(huán)21在360°范圍內(nèi)任意角度偏擺，從而使輸出軸實(shí)現(xiàn)全 方位偏擺，并能在保持偏擺姿態(tài)的前提下傳遞扭矩。即該裝置具有三個(gè)運(yùn)動(dòng)自 由度，其中兩個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度用來實(shí)現(xiàn)柔性傳動(dòng)軸輸出端全方位偏擺，另一個(gè)用 來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩。
權(quán)利要求
1. 一種可控萬向柔性傳動(dòng)軸，其特征在于，它具有由至少二個(gè)漸開線環(huán)形球齒輪組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)將多個(gè)漸開線環(huán)形球齒輪串聯(lián)組合，使每兩個(gè)球齒輪組成一對(duì)行星式齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其串聯(lián)方式如下(1)、第一級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的系桿即一級(jí)系桿與第二級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的中心輪固定聯(lián)接；第二級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的系桿即二級(jí)系桿與第三級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的中心輪固定聯(lián)接即上一級(jí)行星傳動(dòng)的系桿與下一級(jí)行星傳動(dòng)的中心輪固接；(2)、第一級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的行星輪與二級(jí)系桿固定聯(lián)接；第二級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的行星輪則與三級(jí)系桿固定聯(lián)接即上一級(jí)行星傳動(dòng)的行星輪與下一級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的系桿固接，上一級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的系桿為主動(dòng)件，下一級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的行星輪為輸出偏擺角度運(yùn)動(dòng)的輸出構(gòu)件，所述一級(jí)系桿為整體傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件，終級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的行星球齒輪為終級(jí)輸出偏擺角度運(yùn)動(dòng)的輸出構(gòu)件接外設(shè)動(dòng)作執(zhí)行元件。(3)、所述一級(jí)系桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接有推力環(huán)，推力環(huán)上有兩個(gè)球形鉸接頭，球形鉸接頭通過連桿與推拉桿鉸接。推力環(huán)的中心與兩個(gè)球形鉸接頭的球心在同一個(gè)平面內(nèi)，且推力環(huán)的中心與球齒輪的中心重合。
全文摘要
一種可控萬向柔性傳動(dòng)軸，具有由至少二個(gè)漸開線環(huán)形球齒輪組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用球齒輪具有360°全方位偏擺特點(diǎn)，使執(zhí)行零件實(shí)現(xiàn)空間指向。球齒輪串聯(lián)方式為上一級(jí)行星傳動(dòng)的系桿與下一級(jí)行星傳動(dòng)的中心輪固接；上一級(jí)行星傳動(dòng)的行星輪與下一級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的系桿固接，一級(jí)系桿為主動(dòng)件，終級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的行星球齒輪接執(zhí)行元件。該傳動(dòng)軸可根據(jù)需要受控改變空間姿態(tài)，故能連續(xù)傳遞扭矩。適用于需要頻繁改變輸出軸末端執(zhí)行器空間姿態(tài)以完成作業(yè)的場合，如用于衛(wèi)星太陽能電池帆板、通信天線定位指向、水下矢量推進(jìn)、萬向移動(dòng)平臺(tái)等設(shè)備中姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
文檔編號(hào)F16H35/18GK101216097SQ200710034210
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2007年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月5日
發(fā)明者張立杰, 李明宇, 潘存云 申請(qǐng)人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)