一种高精度高刚度自锁铰链关节装置的制作方法

1.本发明属于铰链技术领域，尤其涉及一种高精度高刚度自锁铰链关节装置。


背景技术：

2.自锁铰链关节是一种连接回转臂使其保持单向运动的活动组件，广泛应用在地面和空间机械臂中，自锁铰链关节可实现空间机械臂展开到位后的自动锁定。空间机械臂是卫星在轨维修的重要组成部分，是展开天线的主要支撑结构。目前，随着展开天线的规模不断扩大，重复收展的距离不断增加，对机械臂的要求也越来越高，从而导致传统机械臂铰链关节并不能满足现有条件下的使用需求，故亟待革新。
3.铰链关节的承载能力间接决定了空间机械臂的应用能力，而铰链关节的承载能力体现在关节的强度和刚度两个方面。公开号为cn104675846a的发明专利提出了一种单回转铰链关节，该发明专利是从制造加工角度出发考虑了重载条件下关节强度的问题，但就关节重载变形而导致的刚度问题未给出切实有效的解决途径。
4.应用于空间环境下的铰链关节，除了考虑承载能力外，还需要满足高定位精度的要求，从而保证天线可以持续有效地进行通讯信息的传递。涉及到精密机械技术领域，专利号为cn103322028a的发明专利公开了一种精密柔性球形铰链的装置，但该装置受限于应用在小承载的光学设备中，并不适用对承载要求较高的空间机械臂应用环境。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明的目的是提供一种高精度高刚度自锁铰链关节装置，该装置承载能力高且定位精度高。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
7.一种高精度高刚度自锁铰链关节装置，包括主体、关节臂、锁舌、锁钩、弹性件、旋转限位部和轴向限位部，所述关节臂和所述锁钩均转动连接于所述主体；
8.所述锁舌的一端固连于所述关节臂、相对的另一端为锁定端部；
9.所述锁钩设有位于所述锁定端部转动路径上的锁定凸起，所述弹性件设于所述主体和所述锁钩之间，施加给所述锁钩朝向所述锁舌旋转的弹性力；
10.所述旋转限位部设于所述主体和所述关节臂之间，用于所述关节臂朝向所述锁钩旋转时的限位；
11.所述轴向限位部设于所述主体，且与所述锁舌的两侧相对并对其限位；
12.工作时，所述关节臂朝向所述锁钩旋转，所述锁定端部推动所述锁定凸起转动并在其上相对其滑动，所述锁定端部离开所述锁定凸起时，所述锁定凸起通过所述弹性力抵触并施加给所述锁舌壁面锁定力。
13.根据本发明一实施例，所述主体包括锁架，所述锁钩和所述弹性件均设于所述锁架。
14.根据本发明一实施例，所述锁架上设有拉紧凸耳，所述弹性件包括：
15.拉紧螺杆，依次穿设于所述锁钩和所述拉紧凸耳，且所述拉紧螺杆的头部位于所述锁钩一侧；
16.锁紧螺母，螺纹连接于所述拉紧螺杆的另一端，且位于所述拉紧凸耳远离所述锁钩的一侧；
17.复位弹簧，穿设于所述拉紧螺杆且位于所述拉紧凸耳和所述锁钩之间，所述复位弹簧呈压缩状态。
18.根据本发明一实施例，所述锁定端部和所述锁定凸起的接触面均为圆弧面。
19.根据本发明一实施例，所述旋转限位部包括：
20.限位凸耳，设于所述关节臂的侧壁；
21.限位螺杆，穿设于并螺纹连接于所述限位凸耳；
22.旋转限位挡块，设于所述主体且位于所述限位螺杆的旋转路径上。
23.根据本发明一实施例，所述旋转限位部设有两个，分别位于所述关节臂的两侧。
24.根据本发明一实施例，所述轴向限位部包括两个轴向限位挡块，两个所述轴向限位挡块分别与所述锁舌的两侧相对，所述锁舌向所述锁钩旋转时进入两个所述轴向限位挡块之间。
25.根据本发明一实施例，所述轴向限位挡块与所述锁舌之间的间隙小于等于0.1mm。
26.根据本发明一实施例，所述锁定凸起与所述锁舌壁面的接触点为o，所述锁舌壁面在所述接触点o处的法线和所述接触点o与所述锁钩转轴的连线之间的夹角为α，所述锁定凸起与所述锁舌壁面的摩擦系数为μ，α＜arctan(μ)。
27.本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
28.本发明实施例中设置锁钩和锁舌，使得关节臂旋转到位后可完成自锁，且锁定力强。设置旋转限位部，限制了锁紧后关节臂因外力影响继续向锁钩旋转，且锁钩和锁舌配合限制关节臂远离锁钩旋转，也就是说自锁后关节臂两个方向的旋转自由度均被限制。还设置有轴向限位部，以限制锁紧后关节臂沿其转动轴方向的位移。通过旋转限位部和轴向限位部使得定位精度更高。
附图说明
29.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：
30.图1为本发明截面图；
31.图2为本发明图1的局部放大图；
32.图3为本发明正视图；
33.图4为本发明锁定过程中示意图；
34.图5为本发明到位锁定示意图；
35.图6为本发明到位锁定支点几何示意图。
36.附图标记说明：
37.1：主体；2：关节臂；3：锁舌；4：锁钩；5：弹性件；6：第一转轴；7：第二转轴；8：锁架；9：拉紧凸耳；10：拉紧螺杆；11：锁紧螺母；12：复位弹簧；13：锁定端部；14：锁定凸起；15：限位凸耳；16：限位螺杆；17：旋转限位挡块；18：轴向限位挡块；19：三角安装座。
具体实施方式
38.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
39.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
40.参看图1至6，本发明的核心是提供一种高精度高刚度自锁铰链关节装置，包括主体1、关节臂2、锁舌3、锁钩4和弹性件5，关节臂2和锁钩4均转动连接于主体1。
41.主体1为箱体，箱体为长方体空腔，箱体底面四角及中棱边预留用于连接卫星或飞行器的安装孔。关节臂2用于连接天线、机械臂等外载荷，关节臂2上连接载荷的接口可可根据实际使用需求进行接口匹配。
42.关节臂2通过第一转轴6连接于主体1，第一转轴6通过轴承固定于主体1，轴承的型号和数量可根据结构刚度需求适应性选择。例如可选深沟球轴承、角接触球轴承等。且第一转轴6可两端支撑或者悬臂支撑。通过第一转轴6关节臂2可相对主体1旋转。
43.锁舌3的一端固连于关节臂2、相对的另一端为锁定端部13，锁定端部13为圆弧面。锁舌3两侧的宽度方向沿第一转轴6轴向设置。
44.主体1包括锁架8，锁钩4和弹性件5均设于锁架8。锁钩4的一端通过第二转轴7转动连接于锁架8。锁钩4设有位于锁定端部13转动路径上的锁定凸起14，锁定凸起14具有圆弧面，可以起到导向作用。且锁钩4上在锁定凸起14远离锁舌3的一侧为凹槽。
45.弹性件5设于主体1和锁钩4之间，施加给锁钩4朝向锁舌3旋转的弹性力，用于实现锁钩4被锁舌3推动后的复位功能。具体的，锁架8上设有拉紧凸耳9，弹性件5包括拉紧螺杆10、锁紧螺母11和复位弹簧12。拉紧螺杆10依次穿设于锁钩4和拉紧凸耳9，且拉紧螺杆10的头部位于锁钩4一侧，锁紧螺母11螺纹连接于拉紧螺杆10的另一端，且位于拉紧凸耳9远离锁钩4的一侧。复位弹簧12穿设于拉紧螺杆10且位于拉紧凸耳9和锁钩4之间，复位弹簧12呈压缩状态。锁紧螺母11用于调整复位弹簧12的长度，以调整其弹性力。
46.工作时，关节臂2朝向锁钩4旋转，带动锁舌3锁定端部13的圆弧面与锁钩4上锁定凸起14的圆弧面接触，锁定端部13推动锁定凸起14克服弹性力转动，且锁定端部13在锁定凸起14上相对其滑动，锁定端部13离开锁定凸起14进入锁钩4的凹槽时，锁定凸起14移动至与锁舌3壁面相对，锁定凸起14通过弹性力抵触并施加给锁舌3壁面锁定力，以实现锁舌3和锁钩4的自锁。
47.且锁定时，锁钩4与锁舌3接触面要求表面粗糙度高，以增加摩擦力。
48.进一步的，还包括设于主体1的旋转限位部和轴向限位部。旋转限位部设于主体1和关节臂2之间，用于关节臂2朝向锁钩4旋转时的限位。具体的，旋转限位部设有两个，分别位于关节臂2的两侧。主体1上设有三角安装座20，旋转限位部包括限位凸耳15、限位螺杆16和旋转限位挡块17。限位凸耳15设于关节臂2的侧壁，限位螺杆16穿设于并螺纹连接于限位凸耳15。旋转限位挡块17设于三角安装座20且位于限位螺杆16的旋转路径上，锁舌3与锁钩4自锁后调整限位螺杆16的位置使其抵触于旋转限位挡块17，限制了锁紧后关节臂2因外力影响继续向锁钩4旋转，且锁钩4和锁舌3配合限制关节臂2远离锁钩4旋转，也就是说自锁后
关节臂2两个方向的旋转自由度均被限制。
49.轴向限位部设于三角安装座20，且与锁舌3的两侧相对并对其限位。具体的，轴向限位部包括两个设于三角安装座20的轴向限位挡块18，两个轴向限位挡块18分别与锁舌3的两侧相对，锁舌3向锁钩4旋转时进入两个轴向限位挡块18之间，以限制锁紧后关节臂2沿其转动轴方向的位移。且轴向限位挡块18与锁舌3之间的间隙小于等于0.1mm。
50.下面结合原理和工作过程对本发明作进一步说明：
51.如图2所示，本发明可通过调整锁架8和三角安装座20的安装位置实现关节臂2到位锁定的角度，即图2所示的β角，理论上β角的取值范围为0～90
°
，本实施例仅以β＝60
°
进行举例描述。
52.当外载荷转动时，带动关节臂2朝向锁钩4转动，关节臂2带动锁舌3转动，使得锁舌3的锁定端部13与锁钩4上的锁定凸起14接触，锁定端部13推动锁定凸起14和锁钩4克服弹性力远离关节臂2转动，复位弹簧12被压缩，且同时锁定端部13在锁定凸起14上相对其滑动，锁定端部13离开锁定凸起14进入锁钩4的凹槽时，锁舌3对锁钩4的推力消失，锁钩4在复位弹簧12弹性力的作用下朝向锁舌3旋转至初始位置，此时锁钩4的锁定凸起14移动至与锁舌3壁面相对，锁定凸起14通过弹性力抵触并施加给锁舌3壁面锁定力，以实现锁舌3和锁钩4的自锁。
53.设锁定凸起14与锁舌3壁面的接触点为o，锁舌3壁面在接触点o处的法线和接触点o与锁钩4转轴的连线之间的夹角为α，α角即为自锁角，锁定凸起14与锁舌3壁面的摩擦系数为μ，则α＜arctan(μ)。一般金属面摩擦系数取0.2，即α应小于11
°
18
′
。
54.当锁舌3卡入锁钩4时，调整限位螺杆16的位置，使其抵触于旋转限位挡块17，以限制关节臂2无法继续朝向锁钩4旋转。
55.关节臂2锁紧到位后可能受到外界干扰力矩以使得关节臂2有向远离锁钩4旋转的趋势。此时对接触点o进行受力分析，该点受锁舌3给锁钩4的推力f，以及接触面摩擦力f。该推力f可分解为沿接触点o和第二转轴7连线切向方向的切向力f
t
＝f
×
sin(α)，和接触面法线方向正压力fn＝f
×
cos(α)，则摩擦力可表示为f＝f
×
cos(α)
×
μ，该摩擦力与切向力f
t
方向相反。由于初始设计参数α＜arctan(μ)成立，则切向力f
t
将永远小于摩擦力f，那么锁钩4与锁舌3完成自锁，关节臂2将不会被外力推开远离锁钩4转动。故当锁舌3滑入锁钩4锁定后，关节臂2两个方向的转动自由度均被限制。
56.如图5、6所示。不妨设自锁时锁钩4和锁舌3接触处为a点，锁架8与主体1固定端为b点，关节臂2的第一转轴6两端与主体1的安装位置分别为c点和d点。abcd构成了一近似正四面体几何构型，并与主体1构成立方体与近正四面体嵌套结构，从而提高了结构的整体刚度。
57.a点为接触锁紧点，即主要受力点，a点受力并将力传递到b、c、d点，通过装置构型设计将受力进行分解，从而保证关节臂2回转到位自锁后，可以使装置承受更大的外力作用，在小幅值外力作用下，装置锁紧能力良好，可以有效保证到位锁定后关节臂2的展开精度。
58.本发明的高精度高刚度自锁铰链关节装置创新采用锁钩4和锁舌3到位锁定，构思新颖，锁定功能可靠，锁定时无间隙和空程，可满足空间机械臂在轨高精度锁定需求，具有广阔的应用前景。
59.本发明结构设计不拘泥于传统通过局部加强运动构件支撑点的固化模式，从铰链关节全局出发，综合考虑零部件相互关系，创新地通过机构部组件支撑定位点彼此约束组合，构成abcd承力几何体的方式增强结构刚度。主体1薄壁立方空腔同支撑点构成的四面体组成主体1结构，有益于在铰链关节最小重量下获得最大的刚度，满足空间机械臂承载的要求。
60.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。