專利名稱：舵葉軸固定式二自由度球形液壓馬達的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種舵葉軸固定式二自由度球形液壓馬達，屬于液壓動力驅動及伺服 控制技術領域。
背景技術：
多自由度球面運動機構廣泛應用于機器人、并聯機床、運動仿真轉臺、穩定平臺、 天線跟蹤轉臺、攝像云臺等，實現方式有串聯機構、并聯機構、萬向節機構和球形齒輪機構 等，其共同的特點是由多個分立的單自由度運動合成得到多自由度的球面運動。現有液壓馬達都是單自由度的旋轉運動，若構成多自由度球面運動必須通過傳動 機構鏈進行復合，多個動力驅動機構分散布置，傳動鏈長，有些機構存在奇異問題和運動解 算復雜的問題。
發明內容
本發明的目的是為了解決上述問題，提出一種具有球形轉子的、液壓直接驅動的、 實現方位和俯仰兩個自由度球面運動的、結構簡潔緊湊的舵葉軸固定式二自由度球形液壓 馬達。本發明的舵葉軸固定式二自由度球形液壓馬達，包括定子、定子蓋、球形轉子、舵 葉、方位滑軌、俯仰滑軌和角度傳感器；球形轉子主體為兩個同心的不同直徑的部分球體，下端為小直徑球體，小直徑球 體為大半球體，上端為大直徑球體，大直徑球體為小半球體，大直徑球體凸出端部為圓環 面，大直徑球體頂部設有轉子伸出軸，轉子伸出軸的軸線通過球形轉子球心并垂直于圓環 面；舵葉的內外球面與球形轉子同心，舵葉連接舵葉軸，舵葉軸的軸線通過球形轉子 球心；舵葉的內球面與球形轉子的小直徑球體的球面形成動密封面；定子為中空的部分內球面，內球面與球形轉子同心地安裝在球形轉子和舵葉的外 圍，球形轉子的大直徑球體外球面和定子內球面形成動密封面，舵葉外球面和定子內球面 形成動密封面；定子內球面的外圍為中空圓筒，圓筒內部設有調節馬達，內球面上設有孔， 舵葉軸穿過孔連接調節馬達，調節馬達用于驅動舵葉軸轉動來調節舵葉的轉角；定子還設 有滑軌旋轉軸A和滑軌旋轉軸B，滑軌旋轉軸A和滑軌旋轉軸B的軸線經過定子內球面的球 心并且互相垂直；定子上面的開口方固定安裝有定子蓋，定子蓋的內球面與球形轉子的大直徑球體 同心并且形成動密封面，定子蓋上設有內孔，轉子伸出軸穿過定子蓋內孔；方位滑軌和俯仰滑軌為圓弧形長條，方位滑軌和俯仰滑軌內外球面與球形轉子同 心，方位滑軌和俯仰滑軌中部均設有滑槽，方位滑軌的兩端安裝在定子的滑軌旋轉軸A上， 俯仰滑軌與方向滑軌正交，兩端安裝在定子的滑軌旋轉軸B上，方位滑軌和俯仰滑軌能夠 分別繞滑軌旋轉軸A和滑軌旋轉軸B旋轉；方位滑軌、俯仰滑軌的一端各安裝一個角度傳感器；轉子伸出軸滑動配合地穿過兩個滑槽，轉子伸出軸能夠在兩個滑槽中滑動；舵葉將定子內球面、球形轉子大直徑球體的圓環面、轉子小直徑球體的外球面所形成的密封容腔分割成兩個工作容腔A和工作容腔B，兩個工作容腔通過安裝在定子中的 舵葉軸配油，工作容腔A和工作容腔B之間的油液壓差驅動球形轉子擺動。本發明的優點在于(1)本發明由液壓直接驅動單一球形轉子，實現可調節和控制的方位和俯仰兩個 自由度運動，避免了兩個或多個獨立的單自由度驅動進行復合的傳動鏈；(2)具有結構緊湊和液壓驅動固有的優點。
圖1是本發明的舵葉軸固定式二自由度球形液壓馬達結構示意圖；圖2是本發明的球形轉子結構示意圖；圖3是本發明的舵葉結構示意圖；圖4是本發明的球形轉子和舵葉安裝的結構示意圖；圖5是本發明的定子和定子蓋的爆炸圖；圖6是本發明的油腔結構示意圖；圖中1-定子2-球形轉子 3-轉子伸出軸 4-舵葉5-舵葉軸6-方位滑軌 7-俯仰滑軌8-定子蓋9-滑槽10-上滑塊 11-下滑塊12-滑軌旋轉軸A13-滑軌旋轉軸B 14-螺母15-工作油腔A 16-工作油腔B17-孔18-圓柱面 19-圓環面20-大直徑球體21-小直徑球體 22-內孔23-角度傳感器
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。本發明的舵葉軸固定式二自由度球形液壓馬達，如圖1所示，包括定子1、定子蓋 8、球形轉子2、舵葉4、方位滑軌6、俯仰滑軌7和角度傳感器23。如圖2所示，球形轉子2主體為兩個同心的不同直徑的部分球體。小直徑球體21 為大半球體，大直徑球體20為小半球體，大直徑球體20凸出端部為圓環面19。大直徑球體 20頂部設有轉子伸出軸3，轉子伸出軸3的軸線通過球形轉子2球心并垂直于圓環面19。
舵葉4如圖3、圖4所示，舵葉4主體是兩端帶有翹起的部分中空球體，舵葉4的內 外球面與球形轉子2同心，舵葉4連接舵葉軸5，舵葉軸5的軸線通過球形轉子2球心。舵 葉4的內球面與球形轉子2的小直徑球體21的球面形成動密封面。舵葉4兩端翹起部分 形成圓柱面18，圓柱面18的軸線通過球形轉子2球心，并且與球形轉子2大直徑球體20上 的圓環面19形成動密封。 如圖4所示，上部分為球形轉子2，下部分為舵葉4，舵葉4的翹起部分外圍為圓柱 面18，圓柱面18和球形轉子大直徑球體20的圓環面19線接觸，并且繞著舵葉軸5軸線轉 動。由于圓柱面18的軸線是球形轉子2的擺動軸，當圓柱面18的軸線位置不同時，球形轉子2就會隨著上下擺動，球形轉子2根據圓柱面18的軸線位置不同而上下擺動，以達到調節球形轉子2方位的目的。定子1如圖5、圖6所示，定子1上端為中空的部分內球面，內球面與球形轉子2同 心地安裝在球形轉子2和舵葉4的外圍，球形轉子2的大直徑球體20外球面和定子1內球 面形成動密封面，內球面上設有孔17，舵葉軸5穿過孔17安裝在定子1上，舵葉4外球面和 定子1內球面形成動密封面。定子1內球面的外圍為中空圓筒，圓筒內部設有調節馬達，定 子1設有滑軌旋轉軸A12和滑軌旋轉軸B13，滑軌旋轉軸A12和滑軌旋轉軸B13的軸線經過 定子1內球面的球心并且互相垂直，定子1內安裝有調節馬達用于驅動舵葉軸5轉動來調 節舵葉4的轉角。定子1上在開口方固定安裝有定子蓋8，定子蓋8的內球面與球形轉子2 的大直徑球體20同心并且形成動密封面，定子蓋8上設有內孔22，轉子伸出軸3穿過定子 蓋8內孔22。內孔22的大小恰好可以限制轉子伸出軸3達到方位滑軌6和俯仰滑軌7上 的滑槽9的盡頭。如圖6所示，舵葉4將定子1內球面、球形轉子2大直徑球體20的圓環面19、轉子 2小直徑球體21的外球面所形成的密封容腔分割成兩個工作容腔A15和工作容腔B16，兩 個工作容腔通過安裝在定子1中的舵葉軸5配油，工作容腔A15和工作容腔B16之間的油 液壓差驅動球形轉子2擺動。圓柱面18的軸線為球形轉子2的擺動軸線。圓柱面18的軸 線的方向取決于舵葉4的轉角，舵葉4的轉角取決于舵葉4繞舵葉軸5的軸線轉動的相對 位置，舵葉4的轉角通過調節馬達驅動舵葉軸5轉動而改變。如圖1所示，方位滑軌6和俯仰滑軌7為圓弧形長條，方位滑軌6和俯仰滑軌7內 外球面與球形轉子2同心，方位滑軌6和俯仰滑軌7中部均設有滑槽9，方位滑軌6的兩端 安裝在定子1的滑軌旋轉軸A12上，俯仰滑軌7與方向滑軌6正交，兩端安裝在定子1的滑 軌旋轉軸B13上，方位滑軌6和俯仰滑軌7能夠分別繞滑軌旋轉軸A12和滑軌旋轉軸B13旋 轉，兩個滑軌一端各安裝一個角度傳感器23，通過測量方位滑軌6和俯仰滑軌7相對于定子 1的旋轉角度，由測量角度得到球形轉子2旋轉的方位角和俯仰角。轉子伸出軸3穿過俯仰 滑軌7與方向滑軌6中的滑槽9，上滑塊10的內表面為部分球面，與方位滑軌6外球面滑動 配合，下滑塊11的外表面為部分球面，與俯仰滑軌7內球面滑動配合，上滑塊10和下滑塊 11中部分別開有一個孔，通過孔將上滑塊10和下滑塊11穿過轉子伸出軸3，上滑塊10通 過螺母14壓在方向滑軌6的外側、下滑塊11通過另一個螺母14壓在俯仰滑軌7的內側， 方位滑軌6和俯仰滑軌7之間設有間隙，可以通過上滑塊10和下滑塊11兩側螺母14的預 緊調節，實現球形轉子2的球心定位并支撐在方位滑軌6和俯仰滑軌7上，保持球形轉子2 與定子1的同心。所述的舵葉軸固定式二自由度球形液壓馬達的工作過程為1、舵葉4的轉動。通過安裝在定子1的調節馬達驅動舵葉軸5轉動，從而帶動舵 葉4產生確定的轉角，舵葉4的轉角確定了圓柱面18軸線的方位。2、球形轉子2繞圓柱面18的軸線擺動。定子1內球面、球形轉子2小直徑球體21 的外球面、大直徑球體20的圓環面19形成密封容腔，舵葉4將該密閉容腔分成兩個工作容 腔A15和工作容腔B16。當工作油腔A15通入高壓油液、工作油腔B16接通低壓回油時，驅 動球形轉子2繞圓柱面18的軸線擺動。當工作油腔B16通入高壓油液、工作油腔A15接通 低壓回油時，球形轉子2的擺動方向相反。
通過舵葉4轉角的調節，和球形轉子2繞圓柱面18的擺動，實現球形轉子2在方位和俯仰方向上的兩個自由度的擺動。
權利要求
舵葉軸固定式二自由度球形液壓馬達，其特征在于，該馬達包括定子、定子蓋、球形轉子、舵葉、方位滑軌、俯仰滑軌和角度傳感器；球形轉子主體為兩個同心的不同直徑的部分球體，下端為小直徑球體，小直徑球體為大半球體，上端為大直徑球體，大直徑球體為小半球體，大直徑球體凸出端部為圓環面，大直徑球體頂部設有轉子伸出軸，轉子伸出軸的軸線通過球形轉子球心并垂直于圓環面；舵葉的內外球面與球形轉子同心，舵葉連接舵葉軸，舵葉軸的軸線通過球形轉子球心；舵葉的內球面與球形轉子的小直徑球體的球面形成動密封面；定子為中空的部分內球面，內球面與球形轉子同心地安裝在球形轉子和舵葉的外圍，球形轉子的大直徑球體外球面和定子內球面形成動密封面，舵葉外球面和定子內球面形成動密封面；定子內球面的外圍為中空圓筒，圓筒內部設有調節馬達，內球面上設有孔，舵葉軸穿過孔連接調節馬達，調節馬達用于驅動舵葉軸轉動來調節舵葉的轉角；定子還設有滑軌旋轉軸A和滑軌旋轉軸B，滑軌旋轉軸A和滑軌旋轉軸B的軸線經過定子內球面的球心并且互相垂直；定子上面的開口方固定安裝有定子蓋，定子蓋的內球面與球形轉子的大直徑球體同心并且形成動密封面，定子蓋上設有內孔，轉子伸出軸穿過定子蓋內孔；方位滑軌和俯仰滑軌為圓弧形長條，方位滑軌和俯仰滑軌內外球面與球形轉子同心，方位滑軌和俯仰滑軌中部均設有滑槽，方位滑軌的兩端安裝在定子的滑軌旋轉軸A上，俯仰滑軌與方向滑軌正交，兩端安裝在定子的滑軌旋轉軸B上，方位滑軌和俯仰滑軌能夠分別繞滑軌旋轉軸A和滑軌旋轉軸B旋轉；方位滑軌、俯仰滑軌的一端各安裝一個角度傳感器；轉子伸出軸滑動配合地穿過兩個滑槽，轉子伸出軸能夠在兩個滑槽中滑動；舵葉將定子內球面、球形轉子大直徑球體的圓環面、轉子小直徑球體的外球面所形成的密封容腔分割成兩個工作容腔A和工作容腔B，兩個工作容腔通過安裝在定子中的舵葉軸配油，工作容腔A和工作容腔B之間的油液壓差驅動球形轉子擺動。
2.根據權利要求1所述的舵葉軸固定式二自由度球形液壓馬達，其特征在于，所述的 方向滑軌外側設有上滑塊，上滑塊的內表面為部分球面，與方位滑軌外球面滑動配合；所述 的俯仰滑軌內側設有下滑塊，下滑塊的外表面為部分球面，與俯仰滑軌內球面滑動配合，上 滑塊和下滑塊中部分別開有一個孔，通過該孔將上滑塊和下滑塊穿過轉子伸出軸，上滑塊 通過螺母壓在方向滑軌的外側、下滑塊通過另一個螺母壓在俯仰滑軌的內側，方位滑軌和 俯仰滑軌之間設有間隙，通過上滑塊和下滑塊兩側螺母的預緊調節，實現球形轉子的球心 定位并支撐在方位滑軌和俯仰滑軌上，保持球形轉子與定子的同心。
3.根據權利要求1所述的舵葉軸固定式二自由度球形液壓馬達，其特征在于，所述的 舵葉，其兩端翹起部分形成圓柱面，圓柱面的軸線通過球形轉子球心，并且與球形轉子大直 徑球體上的圓環面形成動密封。
4.根據權利要求1所述的舵葉軸固定式二自由度球形液壓馬達，其特征在于，所述的 工作容腔A和工作容腔B通過安裝在定子中的舵葉軸配油。
5.根據權利要求1所述的舵葉軸固定式二自由度球形液壓馬達，其特征在于，所述定 子蓋上的內孔，其大小使得轉子伸出軸達到方位滑軌和俯仰滑軌上的滑槽的盡頭。
6.根據權利要求1所述的舵葉軸固定式二自由度球形液壓馬達，其特征在于，所述的 角度傳感器測量方位滑軌和俯仰滑軌相對于定子的旋轉角度，通過測量角度得到球形轉子擺動的方位角和俯仰角。
全文摘要
本發明公開了一種舵葉軸固定式二自由度球形液壓馬達，包括定子、定子蓋、球形轉子、舵葉、方位滑軌、俯仰滑軌和角度傳感器。球形轉子一端有轉子伸出軸，另一端同心地安裝舵葉，舵葉有舵葉軸，定子安裝在球形轉子、舵葉、舵葉軸外圍，定子蓋安裝在定子開口方，方位滑軌和俯仰滑軌兩端安裝在定子上，轉子伸出軸穿過定子蓋的內孔、方位滑軌的滑槽和俯仰滑軌的滑槽，方位滑軌和俯仰滑軌能夠繞各自的旋轉軸旋轉，角度傳感器分別固定在方位滑軌和俯仰滑軌上。本發明由液壓直接驅動單一球形轉子，實現可調節和控制的方位和俯仰兩個自由度運動，避免了兩個或多個獨立的單自由度驅動進行復合的傳動鏈，具有結構簡潔緊湊和液壓驅動固有的優點。
文檔編號F03C2/00GK101871420SQ20101019426
公開日2010年10月27日 申請日期2010年5月28日 優先權日2010年5月28日
發明者方守龍, 楊國有, 王亮, 胡永楊, 胡翔宇 申請人:北京航空航天大學