专利名称：枢转接头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种枢转接头，特别是一种球窝接头。
背景技术：
在杆上包括球状物的枢转接头是已知的。在这样的枢转接头中球状物位于一球窝内，杆从球窝处伸出。这些枢转接头具有精度不高的缺点，主要由于其球状部分不是精确的球形。另一个缺点是，部件磨损后不能便宜地更换。这样的接头磨损后，其定位精度下降，这会导致枢转接头发生不希望的运动。
通过研磨加工可以非常精确地制造精密的球体(也就是滚珠轴承)。
发明内容
本发明提供一种枢转接头，包括第一结构，其包括保持在座中的球体；第二结构，其相对于第一结构可动，并且通过轴承与上述球体相接触，该接触限定了枢转接头的位置，其特征在于上述轴承的形状被加工成在其中容纳上述球体，当轴承发生磨损时，该枢转接头可以大致保持在其限定的位置。
根据本发明的枢转接头的优点是减少了在枢转接头平面内不希望的运动，这样，接头具有最小的纵向运动，并且经过一段时间后由该枢转接头连接的结构的全长基本保持不变。这意味着该枢转接头不容易受到磨损的影响，并且能够更长时间地保持在公差范围内，增加接头的寿命或替换接头部件的时间。
在一个优选实施例中，第二结构被偏压与球体在轴承处相接触。可以由例如弹簧、磁力、压差(例如真空)或弹性带来提供这样的偏压。
使用偏压结构有助于确保球体至少部分地容纳在第二结构中位于轴承上的正确位置。这将导致在轴承上的磨损发生在需要的位置，以便将枢转接头大致保持在其限定位置。
球体最好是精确的球体，例如象球轴承那样的研磨球体。球体，即使在被保持在座中时，也是独立的，也就是说，没有通过螺钉，螺栓或者其他影响球体圆形度进而影响精度的方式固定在其位置处。这样一个独立的球体可以作为一个精确的轴承，此外提供接头的定位点。该球体通过例如夹紧、粘贴、焊接被保持在座中，其他不破坏球体形状的方法都是适合的。
在一个优选实施例中，提供一个相对于上述第一和第二结构可动的第三结构，该第三结构通过另一个轴承与球体相接触，该接触限定了枢转接头的位置，在轴承面发生磨损时，枢转接头基本保持在其限定位置。
轴承可以包括空气轴承、滚柱轴承或平面轴承。这样，轴承可以由第一(和第三)结构的一个表面提供。选择性地，一个单独的轴承，例如包括在一个座圈中的多个球轴承，提供上述结构之间的接触。
附图简要说明现在将以示例的方式参照附图描述本发明的实施例，其中附
图1是根据本发明的枢转接头的等轴视图；附图2a和2b是枢转接头的一部分的视图；附图3是枢转接头的另一部分的俯视图；
附图4a，4b和4c示出了本发明的另一种枢转接头的等比例图；附图4d示出了经过附图4a中枢转接头的A-A平面的横截面；附图5是利用本发明的枢转接头的坐标测量仪的等比例图。
具体实施例方式
附图1是两个枢转接头的等比例图。第一结构由一个用于球体的座和一个球体构成。一个平台12具有结构化的切除部分30(座)。枢转接头的球体32通过切除部分的边缘所限定的表面被支撑在切除部分30中。在附图1中示出了两个切除部分30，其中一个带有在原位的球窝接头的其他部件，另一个不带球窝接头的其他部件。
球体32由切除部分30的两个相对的表面34，36支撑。第一弯曲表面34与球体32的一侧接触，且第二弯曲表面36与球体32的下表面在两个接触点36A，36B处接触。球体32的位置由这三个接触点34，36A，36B以及一个夹具38，42提供的第四接触点所确定。因此该球运动学上可重复地位于上述切除部分中。
在该实例中，上述夹具包括一个垫圈38和一个固定装置42，如螺钉或螺栓。垫圈38位于上台面12的切除部分30中的搁板41上，垫圈下表面的边缘与球体32接触。平台12具有一个与垫圈38的中心共线的孔40，以接收保持垫圈38顶靠球体32的固定装置42。球体32因此在围绕其表面的四个位置由第一曲面34，第二曲面36上的两个接触点36A，36B以及垫圈38严格保持在一个固定的位置。
第二结构20具有一个孔45，其部分容纳并装上相应的接头的球体32。
球体被保持在座中并作为轴承中心的精确表面，此外，该球体还为接头的两个部分之间提供连接。
附图2a，2b和3示出了具有平面轴承的第二结构的布置。在附图2a中孔45是具有两个轴承面46A，46B的椭圆形。当上述轴承面发生磨损时，它们会进一步向下位于球体面上，从而减少了轴承面和球体之间的响声。这种布置尤其适用于作用在轴承面上的力平行于轴承面的垂直轴线的情况(例如，若球窝接头用于千斤顶中)。
附图3示出了轴承面的一种变换的布置。每个孔45加工成具有三个间隔120°的轴承面43A，B，C。只有这三个轴承面与球体32相接触。这些轴承面与球体32具有小的接触面积，以增加表面之间的滑动。
上述轴承面是倾斜的，最好是以很小的角度倾斜，以便允许球体坐在上述表面上(见附图2b)。与轴承面的平面的垂线呈15°至45°的角度是合适的。因此，适于接收上述球体的孔的每个表面形成了一个锥体。上述表面可以形成一个单独的锥体或者是不同的、非同心的锥体，此时每个锥体的接触半径大于球体半径。
小于15°的角度会导致球体卡在孔中，这必然会影响接头的灵活性。大于45°的角度需要更大的负荷使球体被容纳在孔中。优选的角度是15°至30°，最好是15°至20°，因为这样的小角度既可以保证上述轴承面与球体之间的滑动作用，又可以使球体很容易地容纳在孔中。如果上述轴承面被一个弹簧共同作用，那么小角度是有利的，因为与使用较大角度的情况相比其可以使用较软的弹簧。
在附图2中，两个轴承面在二维弯曲。首先经过第二结构的厚度方向部分接收球体(附图2b)，其次沿第二结构的纵向(附图2a)，在此，轴承面的宽度在需要容纳球体的位置处是最大的(在这种情况下，是椭圆孔的中心)，所需位置的任一侧逐渐变细。这种锥形促使球体容纳在所需位置处。
在附图3中，三个轴承面在平面上经过第二结构的厚度方向并且弯曲经过第二结构的平面，以便形成锥体的一部分，该锥体的表面由轴承面确定，也就是说，它们是锥形的。球体坐在这三个小接触面上。
虽然上述例子示出第二结构14，20环绕球体32，但是这不是必需的。因此第二结构可以在其结构中具有间隙地大致环绕球体(任一间隙的限制尺寸是球体直径和第二结构支撑表面的位置的函数)。
容纳在两个结构之间的单独的支撑是作为利用两个结构之一的轴承面的变换形式。在该例子中，最好除了被成形为接收球体的轴承面之外，另一个轴承面和第二结构的连通面也这样成形。这种成形有助于将枢转接头保持在其位置。如果轴承是一个空气轴承，那么两个结构之间的距离将基本保持在固定值，这样相互结合的第一和第二结构的表面需要具有配合的形式。因此，在一个实施例中，球体可以在座和第二结构之间浮动，并且可以相对两者自由地转动。
无论所用的轴承类型如何，最好第一和第二结构彼此相应地被制造。
对于高精度的接头，需要利用偏压使第二结构与球体相接触。对于精度较低的情况，可以通过仔细地选择轴承面的角度免去偏压结构。
将轴承面挤靠到球体32上的一种方式是通过偏压第二结构14，20。这可以通过提供一个板来实现，该板的一端被夹紧到第二结构14，20且另一端被压靠在球体32上。因此该板产生类似于板簧的作用。上述夹紧最好通过例如螺钉可拆除地固定，使球体32能够移走以便进行维修或者更换。所述板可以包括适于提供偏压作用的各种形状和结构，例如垫圈。这样的板可以与垫圈38结合或者作为其替代品使用。
利用偏压结构，可以确保球体和第二(也包括第三)结构的所有的接触点都是同样的刚性和加载，这样所有的接触处具有同样的磨损率。
附图4a和4b分别示出了枢转接头100和101的等轴视图。所述的第一结构是一个用于球体的座106和一个球体114。
第二和第三结构由两个支柱102，104构成，它们在靠近其端部处分别具有一个孔122，124，所述孔部分地接收并装入球体114。两个支柱102，104在球体114上彼此径向相对。第二和第三结构的远端也具有枢转接头。这些远端的枢转接头可以是单支柱式或者是双支柱式的接头，双支柱可以是两个相同的支柱，或者是一个是这样的支柱另一个是与之相符的不同的支柱。
在支柱中的孔122，124被加工成倒圆的三角形(见附图4c)，以便于提供三个轴承面126A，B，C，它们位于三角结构的每个边上，与球体相接触。轴承面是倾斜的，因此不垂直于支柱的纵轴线128。这允许球体114(部分)容纳在孔122，124中。
为了确保两个支柱102，104在三个轴承面处均接触球体，两个支柱被向一起偏压。附图4a示出了两个u形弹簧108，其作用在两个支柱相对的侧面上。每个弹簧108在将支柱拉向一起的支柱上的凸耳112与到球体表面的轴承面之间连接。附图4b示出了一种变换的布置，其中两个螺旋弹簧110穿过两个支柱的凸耳12相连(第二螺旋弹簧未示出)。
选择性地，上述弹簧可以位于靠近支柱上的孔的两个相对的侧面之间，或者，如果使用了较硬的弹簧，可以位于沿着支柱长度一半的位置处(这样可以利用一个弹簧实现支柱两端的偏压)。
除了利用弹簧偏压轴承面与球面接触之外，还可以利用磁引力。在此在每个支柱上的凸耳容纳或者包括一块磁铁。上述磁铁被设置成相反的磁极面向两个支柱之间的间隙，这样两个支柱被磁力吸引并绕着球体正确定位。
作为将两个支柱拉向一起的结构的变换方式，支柱可以分别被推向轴承面，且彼此通过偏压(弹簧，磁力，压差等)作用在座上。
球体114通过两个在座106a一侧的接收表面132，134(见附图4d)之间的夹紧作用和一个大致在球体的径向相对位置处的平头螺钉130被支撑在座106中。利用一个可动的接收面134可以使球体114相对于两个支柱102，104以及座106a，106b更容易定位。为了清楚起见在附图4d中仅示出了座和球体。
选择性地，球体可以被推入配合到座中一个尺寸相应的间隙中。或者，球体可以被安装在一个中央杆(未示出)上，该杆经过球体114的中心并在任一侧进入座106中，该杆在一侧伸出座(未示出)并被夹紧以确保球体114被固定在座106中。
如已经描述的双支柱式枢转接头有许多应用，其中之一是应用在坐标测量仪中。这样的仪器包括两个平台，它们通过至少三个长度可变的支柱相连。一个例子是六脚式，这在国际申请WO95/20747中更充分地被说明。
附图5示出了一个利用本发明的枢转接头的坐标测量仪。该坐标测量仪包括一个下部固定台10和一个上部可动台12。上部台和下部台通过伸缩支柱14相连，每个支柱在其相应的上下端部通过枢转接头被连接到上部台和下部台上。每个支柱具有一个电动机16以增加或者减少其长度。
由于上部台12仅由三个通过枢转接头连接到上部台和下部台上的伸缩支柱14支撑，因此该台可以绕着三个垂直轴线相对于下部台10旋转。为防止发生这种情况，提供了三个防转装置20，它们可以去除三个旋转自由度同时允许发生平移运动。该装置是被动的，即它们没有电动机或者其他执行机构。在防转装置20和上下部台12，10之间的接头也是枢转接头。上部台12包括用于多个枢转接头的座和球体(第一结构)。每个支柱14和防转装置20构成了第二结构(根据本发明这对于所有的接头并不是必需的)。
支柱14和防转装置20由优良的轴承材料，例如磷青铜制成。支柱14可以通过蚀刻然后进行机械加工或者压印孔45来准确地控制孔45的长度和形状。
如果发生晃动，轴承面将被弹离球体，碰撞坚固的障碍物(即切除部分30的边缘)并返回到它们在球体上的位置。因此球窝接头是自我保护式的。
在需要高精度的球窝接头的情况下，可以提供螺旋弹簧，例如在一个防转装置20的两个部分之间，以便于将轴承面挤靠到球体32上。这样的弹簧将有助于在发生任何摇晃之后轴承面返回到球体上。这样的弹簧还有助于保持球体相对于轴承面的位置。因此，轴承面发生磨损时，球体将维持支柱固定长度地保持其位于(准)运动学上的适当位置。
在该实施例中，球体通过切除部分被保持和支撑，当支柱(或第二结构)在支撑处与球体没有结合时，球体相对于接头保持其定位。
偏压的利用确保了球体在正确的位置处与轴承面重复接触，根据轴承面的形状在轴承面磨损时减小球体相对于第二结构的横向运动。因此，支柱14或防转装置20的活动长度随着时间流逝和仪器的磨损可以保持稳定。如果该活动长度没有被保持�。敲淳欢问奔涞氖褂煤螅瞧鹘换岚炎陨矶ㄎ辉谝瞧鞯缁付ǖ奈恢茫蛭峁怪薪⑸嵯蛟硕杂诿扛鼋油范院嵯蛟硕渴遣煌�。对支柱14来说，这将影响上部台12在x，y或z方向上的位置。对防转装置20来说，这将影响上部台12相对于下部固定台10的旋转以及两个台之间的平行度。这种枢转接头具有制造经济且便于装配的优点。
上述保持球体的切除结构便于加工。一个自由的球体在该结构中可重复的(运动学的)定位使得球体便于被更换。这也使得在组装仪器时能够正确地几何定位部件。此外利用市售的精确球体(例如球轴承)与结构中精确的定位相结合可以生产出高精度的球轴承，其可以确保球体在第二结构的孔中良好的定位。球体可以通过夹紧、粘贴、焊接或者其他任何保持球体整个为圆形体的方法保持定位。
在该说明书中的用语枢转接头中所用的词枢转被定义为包括具有一个，两个和三个自由度的枢转接头以及具有两个或者三个自由度的万向接头。
在枢转接头中所用的球体可以由任何硬的/低摩擦材料制成或者选择性地由任何涂有一层硬的/低摩擦材料的材料制成。
虽然上述例子描述了枢转接头在坐标测量仪上的应用，但是该枢转接头不限于用在这样的仪器上，它还可以应用在其他地方。其他应用的例子包括定位仪器，例如机器人、机床、测量仪器、还包括非笛卡尔机构和其他平行运动仪器。
权利要求
1.一种枢转接头，包括第一结构(10，12)，其包括保持在座(30，106)中的球体(32，114)；第二结构(14，20，102，104)，其相对于第一结构可动，并且通过轴承(43，46，126)与上述球体相接触，该接触限定了枢转接头的位置，其特征在于上述轴承的形状被加工成在其中容纳上述球体，当轴承发生磨损时，该枢转接头可以大致保持在其限定的位置。
2.如权利要求1所述的枢转接头，其特征在于，上述第二结构(14，20，102)在轴承处被偏压(108，110)至与球体(32，114)相接触。
3.如权利要求1或2所述的枢转接头，其特征在于，上述第二结构(14，20，102)提供该轴承。
4.如前述任一权利要求所述的枢转接头，其特征在于，上述轴承(43，46，126)包括两个或三个轴承面(43A，43B，43C，46A，46B，126A，126B，126C)。
5.如权利要求5所述的枢转接头，其特征在于，每个轴承面(43A，43B，43C，46A，46B，126A，126B，126C)以约15°至45°的角度相对于轴承面的平面的垂线发生倾斜。
6.如前述任一权利要求所述的枢转接头，其特征在于，还包括一个第三结构(104)，其相对于第一和第二结构可动，该第三结构通过另一个轴承与上述球体相接触，该接触限定了枢转接头的位置，当该轴承面发生磨损时，枢转接头可以大致保持在其限定的位置。
7.如权利要求6所述的枢转接头，其特征在于，上述另一个轴承由第三结构提供。
8.如前述任一权利要求所述的枢转接头，其特征在于，上述球体通过至少在两点处与座相接触而被保持在座中。
9.如权利要求8所述的枢转接头，其特征在于，两个接触点大致被设置在球体上径向相对的两点处。
10.如前述任一权利要求所述的枢转接头，其特征在于，上述球体是精确的球体。
11.一种包括上述任一权利要求所述的枢转接头的定位仪器。
12.一种包括权利要求1-10之一所述的枢转接头的测量仪器。
13.一种包括权利要求1-10之一所述的枢转接头的平行运动仪器。
全文摘要
本发明公开了一种枢转接头，其包括一个第一结构(10，12)，一个第二结构(14，20，102，104)，第一结构具有一个保持在座(30，106)中的球体(32，114)，第二结构相对于第一结构可动，并且通过一个轴承(43，46，126)与球体相接触，该接触确定了枢转接头的位置，其中轴承被成形为接收球体，且在轴承磨损时，枢转接头基本保持在其确定位置处。第二结构被偏压(108，110)至与球体(32，114)相接触。轴承包括两个或三个轴承面(43A，43B，43C，46A，46B，126A，126B，126C)，它们以一角度相对于轴承面的平面的垂线发生倾斜。可以提供一个第三结构(104)，其相对于第一和第二结构可动。球体通过两个与座的接触点而被保持在座中，这两个接触点被提供在球体上径向相对的位置处。本发明还公开了一种包括枢转接头的定位仪器。
文档编号G01B3/00GK1738978SQ200380108738
公开日2006年2月22日 申请日期2003年12月19日 优先权日2003年1月15日
发明者大卫·罗伯茨·麦克默特里, 芬利·乔纳森·埃文斯 申请人:瑞尼斯豪公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
