一种可转动式半球连接机构的制作方法
本发明涉及一种可转动式半球连接机构，属于机器人以及特种机械互连。
背景技术：
1、球形机构因具备较强的运动输出能力和优异的力学性能，在空间建造、外行星探测、医疗等领域具有极强的应用价值。在球形机构设计中，需将整球壳切割成两个半球壳以便于其加工和装配，同时考虑两个半球壳需相互旋转以输出一个旋转自由度，这对半球连接机构的设计提出了更高要求。
2、现有半球连接机构大都属于固定连接形式，即半球连接机构只能将两个半球壳通过螺栓螺钉等进行固定连接，这使得两个半球壳无法相互旋转以形成一个旋转自由度；此外，现有半球连接机构因只使用螺栓等连接，这使得两个半球壳间的力传递能力和运动传递精度较差。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可转动式半球连接机构，可实现球形机构两半球壳的相对旋转以及两半球壳间力/位置高精度可靠传递功能。
2、本发明目的通过以下技术方案予以实现：
3、一种可转动式半球连接机构，包括上半球壳、下半球壳、上半球连接板、下半球连接板、交叉滚子轴承、轴承内挡圈和轴承外挡圈；上半球壳通过第一环形凸台与上半球连接板的第一环形凹槽定位对准后并通过螺栓固定连接；下半球壳通过第二环形凸台和下半球连接板的第二环形凹槽定位对准后并通过螺栓固定连接；交叉滚子轴承内圈同轴安装于下半球连接板的凸轴上，凸轴底端加工有轴肩，轴肩与轴承内圈端面接触，配合凸轴顶端固定安装的轴承内挡圈以限制交叉滚子轴承内圈轴向移动；交叉滚子轴承外圈同轴安装于上半球连接板的第一轴承安装座中，第一轴承安装座底端加工有轴承挡肩，轴承挡肩与轴承外圈端面接触，配合第一轴承安装座顶端固定安装的轴承外挡圈以限制交叉滚子轴承外圈轴向移动；通过交叉滚子轴承、轴承内挡圈及轴承外挡圈的安装，约束上半球连接板与下半球连接板除沿两者共轴旋转自由度外的其他五个自由度。
4、优选的，上半球壳与下半球壳由通过球心的平面切割而形成切割面，切割面上分别加工有四个周向均匀分布的环形凸台，工作角度为[0°,90°,180°,270°]；上半球连接板切割面上加工有四个周向均匀分布的第一环形凹槽，与下半球连接板切割面上分别加工有四个周向均匀分布的第二环形凹槽，工作角度均为[0°,90°,180°,270°]；第一环形凸台嵌入第一环形凹槽，第二环形凸台嵌入第二环形凹槽，并通过螺栓固定实现上半球壳与上半球连接板的固定，以及，下半球壳与下半球连接板的固定。
5、优选的，所述上半球壳切割端面加工有用于安装所述上半球连接板的安装座，所述下半球壳切割端面加工有用于安装所述下半球连接板的安装座；所述上半球壳的球壳表面上均环向加工有6个均匀分布的贯穿第一直槽口，下半球壳的球壳表面上均环向加工有6个均匀分布的第二直槽口，用于辅助安装所述上半球壳与所述上半球连接板以及所述下半球壳与所述下半球连接板的螺栓螺母，同时还用于球内热量散发。
6、一种可转动式半球连接机构的安装方法，包括：
7、s1：下半球连接板由第二环形凹槽定位对准后，同轴安装于下半球壳的切割面上，并通过沉头螺丝连接，交叉滚子轴承内圈同轴安装于下半球连接板的凸轴上；
8、s2：将外六角螺栓嵌入于上半球连接板的外六角沉头孔中，然后将上半球连接板同轴安装于交叉滚子轴承外圈，使得交叉滚子轴承完全进入上半球连接板的第一轴承安装座中；
9、s3：将轴承内挡圈同轴安装于下半球连接板的凸轴顶端，并通过螺栓连接，将轴承外挡圈同轴安装于上半球连接板的第一轴承安装座顶端，并通过螺栓连接；
10、s4：将上半球壳由第一环形凹槽定位对准后同轴安装在上半球连接板上，同时保证安装于上半球连接板的外六角螺栓螺柱端穿过上半球壳上加工的螺栓连接通孔，然后通过上半球壳的第一直槽口将螺母安装于上半球连接板的外六角螺栓螺柱端。
11、本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
12、(1)本发明由上半球壳、下半球壳、上半球连接板、下半球连接板、交叉滚子轴承、轴承外挡圈、轴承内挡圈组成，结构简明，可实现快速可靠连接。
13、(2)本发明所有结构均集中于球壳底面，内部空间占有率较低，为半球连接机构的拓展应用提供结构基础。
14、(3)上半球壳设计有第一环形凸台以及下半球壳设计有第二环形凸台分别与上半球连接板的第一环形凹槽和下半球连接板的第二环形凹槽嵌连，可以实现较大的力传递，同时保证位姿传递精度。
15、(4)上半球壳与下半球壳其外表面分别设计第一直槽口和第二直槽口，便于球壳安装、内部散热和观测内部结构。
16、(5)设计交叉滚子轴承，并将其安装于下半球连接板中的凸轴上，能够在传递较大力的同时，保证运动的顺滑性。
技术特征：
1.一种可转动式半球连接机构，其特征在于，包括上半球壳(1)、下半球壳(2)、上半球连接板(3)、下半球连接板(4)、交叉滚子轴承(5)、轴承内挡圈(6)和轴承外挡圈(7)；
2.根据权利要求1所述的一种可转动式半球连接机构，其特征在于，上半球壳(1)与下半球壳(2)由通过球心的平面切割而形成切割面，上半球壳(1)切割面上分别加工有四个周向均匀分布的第一环形凸台(12)，下半球壳(2)切割面上分别加工有四个周向均匀分布的第二环形凸台(22)；上半球连接板(3)切割面上加工有四个周向均匀分布的第一环形凹槽(31)，下半球连接板(4)切割面上加工有四个周向均匀分布的第二环形凹槽(41)；第一环形凸台(12)嵌入第一环形凹槽(31)，第二环形凸台(22)嵌入第二环形凹槽(41)，并通过螺栓固定实现上半球壳(1)与上半球连接板(3)的固定，以及，下半球壳(2)与下半球连接板(4)的固定。
3.根据权利要求2所述的一种可转动式半球连接机构，其特征在于，上半球壳(1)上还加工有第一直槽口(11)、上半球连接板安装座(13)和第一螺栓连接孔(14)，其中第一直槽口(11)位于上半球壳(1)球面上，第一环形凸台(12)、上半球连接板安装座(13)和第一螺栓连接孔(14)位于上半球壳(1)切割面；下半球壳(2)上还加工有第二直槽口(21)、下半球连接板安装座(23)和第二螺栓连接孔(24)，其中第二直槽口(21)位于下半球壳(2)球面上，第二环形凸台(22)、下半球连接板安装座(23)和第二螺栓连接孔(24)位于下半球壳(2)切割面上。
4.根据权利要求2所述的一种可转动式半球连接机构，其特征在于，上半球连接件板(3)上还加工有轴承外挡圈安装台(32)，交叉滚子轴承(5)安装于第一轴承安装座(35)中，其下端面外圈与轴承挡圈接触(34)，上端面与轴承外挡圈安装台(32)预留间隙，并通过轴承外挡圈(7)安装到轴承外挡圈安装台(32)上以压紧轴承外圈从而约束轴承外圈的轴向移动；下半球连接件板上还加工有第二轴承内挡圈安装台(42)，交叉滚子轴承(5)内圈同轴安装于下半球连接板(4)的第二轴承内挡圈安装台(42)上，凸轴(46)底端加工有轴肩(44)并与轴承内圈端面接触，配合凸轴(46)顶端固定安装的轴承内挡圈(6)以限制交叉滚子轴承(5)内圈轴向移动。
5.根据权利要求4所述的一种可转动式半球连接机构，其特征在于，通过将交叉滚子轴承(5)安装于凸轴(46)上实现力传递的同时保证运动的顺滑性。
6.根据权利要求2所述的一种可转动式半球连接机构，其特征在于，第一环形凹槽(31)与第一环形凸台(12)间隙配合以便于安装；第二环形凹槽(41)与第一环形凸台(22)间隙配合以便于安装。
7.根据权利要求2所述的一种可转动式半球连接机构，其特征在于，通过第一环形凸台(12)嵌入第一环形凹槽(31)，第二环形凸台(22)嵌入第二环形凹槽(41)，实现力传递的同时保证位姿传递精度。
8.根据权利要求1所述的一种可转动式半球连接机构，其特征在于，所述上半球壳(1)切割端面加工有用于安装所述上半球连接板(3)的上半球连接板安装座(13)，所述下半球壳(2)切割端面加工有用于安装所述下半球连接板(4)的下半球连接板安装座(23)；所述上半球壳(1)的球壳表面上均环向加工有6个均匀分布的第一直槽口(11)，下半球壳的球壳表面上均环向加工有6个均匀分布的第二直槽口(21)，用于辅助安装所述上半球壳(1)与所述上半球连接板(3)以及所述下半球壳(2)与所述下半球连接板(4)的螺栓螺母，同时还用于球内热量散发。
9.根据权利要求8所述的一种可转动式半球连接机构，其特征在于，第一直槽口(11)和第二直槽口(21)还用于观测内部结构。
10.一种基于权利要求1所述的一种可转动式半球连接机构的安装方法，其特征在于，包括：
技术总结
一种可转动式半球连接机构，包括上半球壳、下半球壳、上半球连接板、下半球连接板、交叉滚子轴承、轴承外挡圈、轴承内挡圈组成；本发明所有结构均集中于球壳底面，内部空间占有率较低，为半球连接机构的拓展应用提供结构基础；上半球壳设计有第一环形凸台以及下半球壳设计有第二环形凸台分别与上半球连接板的第一环形凹槽和下半球连接板的第二环形凹槽嵌连，可以实现较大的力传递，同时保证位姿传递精度；上半球壳与下半球壳其外表面分别设计第一直槽口和第二直槽口，便于球壳安装、内部散热和观测内部结构；通过交叉滚子轴承，并将其安装于下半球连接板中的凸轴上，能够在传递较大力的同时，保证运动的顺滑性。
技术研发人员：刘育强,刘华伟,谭春林,陈钢,徐新博,李彤
受保护的技术使用者：北京空间飞行器总体设计部
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5