專利名稱：撓曲安裝運(yùn)動連接器及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以精確的再現(xiàn)性使部件或表面相互引導(dǎo)配合，更具體地說，涉及提供確定的運(yùn)動連接機(jī)器和技術(shù)及其改進(jìn)，從而一旦部件或表面沿一平面連接，使得可沿垂直于連接平面的方向相互引導(dǎo)成接觸。
在許多系統(tǒng)中，兩部分或表面必須以非常高的平面再現(xiàn)性配合，同時允許部件表面緊密接觸。這在通常是由兩個銷子分別與一個圓形孔和一個槽配合而實現(xiàn)。但是廣泛應(yīng)用這種方法的問題是在銷子和其插入的槽之間必須有一些間隙，這在實際上導(dǎo)致大約20微米級的再現(xiàn)性誤差。
早已知道運(yùn)動連接器可提供次微米級的再現(xiàn)性，因為它們使用固定在一個部件或表面上的球形表面(例如，半球形)與位于其它部件或表面中的三個朝向中心的槽配合。這在理論上和實際上提供6個接觸點(diǎn)，確定地限定了一個部件或表面相對于另一個的限定位置和方向所需的6級自由度。
幾乎沒有涉及運(yùn)動連接器的新的用途的專利。運(yùn)動連接器已廣泛地用于許多應(yīng)用中，以使兩個零件相互以6自由度精確和可再現(xiàn)地定位。我們沒有發(fā)現(xiàn)任何與機(jī)構(gòu)本身成整體的運(yùn)動連接機(jī)構(gòu)在球位于槽中以初步建立一個物體相對于另一個體的位置關(guān)系之后具有沿各運(yùn)動支腿的軸線調(diào)節(jié)位置的能力的現(xiàn)有技術(shù)(特別是在連接器和光學(xué)安裝領(lǐng)域)。本發(fā)明具有這種調(diào)節(jié)能力，因而完全區(qū)別于任何現(xiàn)有技術(shù)。
一個早期的現(xiàn)有技術(shù)的例子是849，514(Tabor和Lewis)，它示出一種用于型箱的三腿支承。在該專利中，下部結(jié)構(gòu)的三個支承表面接受上部結(jié)構(gòu)的球形件并保持它們對齊。然而，在實際的方法中上部結(jié)構(gòu)的球形件“座入”到下部結(jié)構(gòu)的接受面上屬于裝置的完全分開的部分(彈簧加載中心柱)。所有接下來的使用運(yùn)動學(xué)以將一個物體放到另一個物體的發(fā)明在連接器自身沒有能力沿一條軸線運(yùn)動以將球(或槽)及其連接的結(jié)構(gòu)拉入槽(或球)中這一點(diǎn)上是相似的。本發(fā)明的特征使其成為可能。
另一個更近一點(diǎn)的現(xiàn)有技術(shù)的例子是轉(zhuǎn)讓給聯(lián)邦產(chǎn)品公司的美國專利US4,574,625，它示出一種用于將一種測量探針安裝到一支承件上的運(yùn)動連接器，它使用磁體預(yù)加載并將連接器支承在一起。這樣具有很高的剛性，但讓連接器釋放探針必須沖擊探針。這樣防止損害探針。然而，該專利不允許探針在連接器中的軟性接合，也不允許一個物體在運(yùn)動接合后沿一方向繼續(xù)移動。
這種球和槽運(yùn)動連接器已用于兩個機(jī)械件必須以高精度和可再現(xiàn)性連接的無數(shù)應(yīng)用中。例如，在共同申請人A.H.Slocum的“精密機(jī)器設(shè)計”(Prentice Hall，EnglewoodCliffs.NJ，1992)和“三槽運(yùn)動連接器的設(shè)計”(“精密機(jī)器”，Vol.14，No.2，April 1992，pp67-76)中所描述的。這些連接器確定配合部件在等于所限制的自由度的多個點(diǎn)處接觸。為了在三維空間中約束兩個配合部件或表面，例如需要6個接觸點(diǎn)以限定三個線性運(yùn)動自由度和三個轉(zhuǎn)動自由度。分別位于一個槽中的三個球?qū)⑼瓿蛇@種任務(wù)，因為，對于每個球或槽存在兩個接觸點(diǎn)。然而，應(yīng)注意這種設(shè)計不允許部件或表面相互朝向?qū)Ψ揭苿硬⒃谒鼈冎g獲得所需的緊密接觸，例如，在真空腔的密封應(yīng)用中使平板與腔配合，或使模版框架與焊劑分配機(jī)器配合等。因此，需要一種新的方法，它允許運(yùn)動連接器建立，例如，三個自由度X，Y，和偏動，同時允許三個自由度不受限制，即Z，縱傾和側(cè)滾；或三個自由度的變化。因此，本發(fā)明就是為了解決該問題。
的確，本發(fā)明提供了高度平面位置再現(xiàn)性，同時通過使用在垂直于連接平面的方向具有導(dǎo)向的確定的運(yùn)動連接器允許垂直于再現(xiàn)平面的運(yùn)動。這一點(diǎn)通過在一個機(jī)器部件或表面上有一組三個球形件，并且各球形件在兩點(diǎn)與另一個機(jī)器部件或表面中的槽配合而實現(xiàn)，其中槽或球形件或其結(jié)合連接到撓曲軸承以允許相鄰部件或表面沿垂直于連接平面的方向運(yùn)動。該設(shè)計的關(guān)鍵是導(dǎo)向撓曲件的位置，以使得連接器的力以這樣的方式作用在撓曲件上，從而只有純線性運(yùn)動而沒有附加的錯誤運(yùn)動。在本發(fā)明的一個相似的實施例中，運(yùn)動連接器的槽固定，而球形件位于一限定運(yùn)動范圍的壓配合模組套筒中，從而也允許垂直于連接平面的運(yùn)動，同時允許更大的運(yùn)動范圍和更高的傳輸載荷。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種運(yùn)動連接裝置和方法，用于確定地和可再現(xiàn)地使兩個零件，物體，部件或表面(以下稱為“表面”)一個相對于另一個在一個平面中定位，但保持一定的距離，然后通過施加線性導(dǎo)向夾緊力允許表面相互接觸同時保持相互之間的精確的相對平面位置。
本發(fā)明的再一個目的是提供精確的線性夾緊或運(yùn)動，沒有橫向或傾斜誤差，從而首先使兩個表面相互在其間的一個平面定位，然后允許表面緊密接觸。
本發(fā)明的再一個目的是允許兩個表面沿一中間平面相互精確定位，然后緊密接觸并夾緊，同時即使夾緊力可能導(dǎo)致零件相互偏移也能保持在精確的位置。
本發(fā)明的再一個目的是使用撓曲或滾動或滑動軸承件以允許一組這種精確運(yùn)動連接件線性運(yùn)動，這種連接件允許一表面相對于另一表面定位，然后允許表面緊密接觸，而不在兩個表面之間產(chǎn)生誤運(yùn)動。
本發(fā)明的其它目的將在下面描述并更完全地敘述于所附的權(quán)利要求中。
總之，本發(fā)明提供了用于精確和可重復(fù)地使一對表面相互相鄰并相對于一分開該對表面的中間連接平面定位的運(yùn)動連接裝置，該裝置具有分別由相鄰表面支承的相配合的球和槽，用于精確地和可重復(fù)地以預(yù)定的相對位置沿所述穿過球和槽之間的足夠的接觸點(diǎn)的平面使該對表面運(yùn)動連接，以將表面限定在所述平面中的X和Y方向，并且表面在Z方向相互分離；一個表面純粹在Z方向線性和受引導(dǎo)移動，提供了一個撓曲件，滾動和滑動支承件適于根據(jù)在Z方向的支承控制線性運(yùn)動使得表面夾緊為相互緊密接觸，同時保持表面的X，Y定位沒有在表面之間的位置的和附加的錯誤運(yùn)動。
因而，本發(fā)明涉及使用一種運(yùn)動連接器精確地和可再現(xiàn)地使一個零件表面相對于另一個零件表面定位，表面間由一小的距離分開，然后，通過應(yīng)用預(yù)加載力以純線性運(yùn)動壓縮一組運(yùn)動連接件(例如，槽或與槽配合的球)，以允許零件表面相互緊密接觸，同時在兩個零件表面之間仍精確地保持其它5個位置自由度。
下面描述最佳實施例。
如上所述，本發(fā)明的目的是通過運(yùn)動連接器在兩個相鄰配合表面建立相對位置，同時由例如撓曲軸承或線性軸承線性引導(dǎo)依序運(yùn)動連接件而實現(xiàn)的。適當(dāng)設(shè)計的具有內(nèi)在的或附加的彈簧件的撓曲，滾動件或滑動件軸承允許所需的純線性運(yùn)動并在其它不需要運(yùn)動的5個自由度保持高的剛性。然后施加一外部預(yù)加載力壓縮彈簧件并給彈簧件預(yù)加載直到配合部件的兩個表面相互接觸，在該點(diǎn)上預(yù)加載力傳到表面的交界面，同時兩個表面之間的相對位置仍非常精確地保持著。


圖1示出一撓曲安裝槽1，它與一球形件22配合，三對這種配合組件用于形成一種獨(dú)特的運(yùn)動連接器，限定兩個零件相互的相對位置關(guān)系。然而，在這種情況下，首先需要在表面之間建立平面位置(X，Y)和側(cè)滑(繞垂直軸線Z轉(zhuǎn)動)，然后使它們緊密接觸而形成一密封或面型接觸。例如，如圖5中所示，一蓋31具有三個這種球形運(yùn)動連接件20d，20e和20f，它們與基底30上的撓曲安裝槽1a，1b和1c配合。在蓋31通過球形件20d，20e和20f與槽件1a，1b和1c接觸而相對于基底30定位之后，可用圖中示意地用C表示的眾所周知的夾緊裝置向下拉蓋31以使蓋與基底30中的密封件99接觸。然后可在腔內(nèi)抽真空。精確控制蓋相對于基底的位置的原因是蓋上可設(shè)有精密儀器和傳感器，它們在蓋打開再重新關(guān)閉后必須可重復(fù)地回到原來的位置。
應(yīng)注意在圖1中，從邊沿看撓曲件為三角形件5a，6a，7a，8a和5b，6b，7b，8b。也可應(yīng)用其它形狀，例如沙漏形和簡單的扁平形，但已發(fā)現(xiàn)這里示出的三角形在撓曲方向上提供大量運(yùn)動，同時在橫向提供很高的軸向剛度。
圖6示出具有同樣需要的另一種應(yīng)用，其中安裝在框架130中的模版131需要相對于一平板132(例如用于支承一線路板)精確定位，然后相對于平板(或線路板)預(yù)加載而使其緊密接觸。這通過在框架130中安裝三個球形接觸點(diǎn)101a，101b和101c(如圖3中所示的冠錐體22b)而實現(xiàn)。平板132中有三個撓曲安裝V形槽120d，120e和120f。這些V形槽傾斜設(shè)置從而典型地沿著一條線形成V形，所述線平分連接所有三個V形槽所形成的假想三角形的角。然后，當(dāng)框架130放到平板132上時，冠狀錐體101a，101b和101c分別與槽120d，120e和120f配合。在這種狀態(tài)下，框架和平板的表面并不接觸，但卻精確地且可重復(fù)地限定了它們的相對位置。通過例如一肘節(jié)夾具或活塞或其它本技術(shù)領(lǐng)域常用的裝置施加一夾緊力C將使得撓曲安裝槽120d，120e和120f以純粹垂直的方式側(cè)滑，從而使模版131將與線路板133的表面緊密接觸，同時仍保持精確的對齊。這對模版到部件(stencil-to-part)方式的轉(zhuǎn)印操作是非常關(guān)鍵的。
再看到圖1，球形座22可以許多已知的方式制造。這里，件22具有一可與部件中的一個精確的孔壓入配合的桿21。球形座20可是一個真的球形，或者為了提高承載能力而可具有一部分球形的冠狀錐形以使赫茲應(yīng)力最小。這些類型的赫茲應(yīng)力計算在上面Slocum的對比文件中討論。為了使得連接器精確地將部件定位，球形件22將在帶側(cè)邊3a和3b的V形槽中與槽件1接觸。這里所示的槽件1具有撓曲件以提供支承部件重量的彈力，但允許部件在預(yù)載荷力的作用下下降。這通過使用雙撓曲件而實現(xiàn)，但對于撓曲支承設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)人員來說可使用其它撓曲設(shè)計。撓曲件具有安裝表面9a和9b，分別具有銷孔對10d和10f和10a和10c。這些孔用于將撓曲件釘?shù)狡浒惭b表面上(例如，使用螺旋銷釘)，從而當(dāng)螺栓插入孔10e和10b中并擰緊時，使其扭轉(zhuǎn)的力矩不會傳到可能會被扭曲的撓曲件。
如圖1所示，安裝塊9a和9b上分別設(shè)置成組的撓曲梁件6a和7a和6b和7b。這些撓曲梁件分別連接到外浮塊4a和4b。由于這種四桿平行連接結(jié)構(gòu)，外塊4a和4b可沿Z方向移動，僅受到分別來自撓曲梁件6a和7a和6b和7b的懸臂彎曲約束力的限制。塊4a和4b分別通過撓曲梁件5a和8a和5b和8b連接到V形槽2。該復(fù)合撓曲支承結(jié)構(gòu)允許一由臺子支承的撓曲件的相對較大的純線性運(yùn)動。在這里的新穎用途是支承一運(yùn)動連接器槽，以將球形件22精確引導(dǎo)和定位到位以與槽2接觸，并且允許連接的系統(tǒng)沒有錯誤運(yùn)動地直線運(yùn)動。
在該實施例中，V形槽2的側(cè)邊3b和3a這樣設(shè)置，即使得配合元件的接觸點(diǎn)與安裝孔9a和9b對齊。在該對稱加載結(jié)構(gòu)中，需要但不要求更大的定位再現(xiàn)性，因為它趨于在撓曲件上施加較小的扭矩，這是由于橫向(X方向)力由所有的撓曲梁件均勻分擔(dān)。
為了獲得所需的純垂直運(yùn)動，還可設(shè)計許多不同類型的撓曲支承件，如圖2a-2f所示。撓曲支承設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)人員還可設(shè)計其它的類型，以最小的附加錯誤運(yùn)動獲得精確的運(yùn)動，如在所述Slocum的參考書精密機(jī)器設(shè)計中所討論的。
圖3示出三種不同類型的基本上為球形的件，可用于與槽配合。圖3a示出一種球形件22a，其基底21a可為一圓柱形，可壓入它所要連接的體上的孔中。球形端部20a可典型地具有例如約25mm的半徑，其加載能力適用于2.4kN的Rc62鋼槽中的Rc62鋼件。
為了更大的承載能力，在基底21b為壓入其所要連接的體上的孔中的圓柱體時，可使用圖3b所示的冠狀球形件22b。冠狀錐體20b的半徑例如為約25mm和250mm，其加載能力適用于16.5kN的Rc62鋼槽中的Rc62鋼件。
如果需要更大的承載能力，圖3c示出一種冠狀件22c，而基底21c為壓入其所要連接的體上的孔中的圓柱體。雙冠狀表面20c的半徑例如為250mm，其加載能力適用于241kN的Rc62鋼槽中的Rc62鋼件。
因而，給定適當(dāng)?shù)膿锨鷱椈蓮?qiáng)度，即使最重的載荷也能承載，包括那些在模壓工業(yè)中的載荷。為了說明撓曲系統(tǒng)不可行的情況，圖4示出一種設(shè)計，其中球形件86(例如圖3c所示的高承載能力件)為移動件，而槽85為固定在零件84中的固定件。這里，球形件86設(shè)置在軸90的端部并位于帶有由裝有許多滾珠件(例如在88)的圓柱形保持套筒81形成的模組軸承87的精密孔89中。當(dāng)圓柱體90首次裝載該模組套筒87并壓入零件83中的孔89中時，可在壁上出現(xiàn)一些劃痕作為孔中的滾珠冷成型槽，但這不會損害功能并且實際上用于保持單元適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)動定向，特別是在使用如圖3c所示的雙冠狀件的情況下。圓柱體90具有一凸緣91，它與一卡環(huán)82接觸，卡環(huán)用以保持單元不會在例如線圈，墊圈組或氣體型彈簧單元的預(yù)加載彈簧81的作用下被推出孔。當(dāng)零件83和85在首先由運(yùn)動連接器在XY平面中精確定位后，其連接表面在連接器的夾緊力的作用下緊密地面接觸時，它用作壓縮的彈簧件。
模組軸承87用作滾動件軸承為圓柱體90提供導(dǎo)向，圓柱體的圓端86與槽件85配合。此外，在重要的是低成本而精確度并非關(guān)鍵的某些應(yīng)用中，可使用滑動接觸軸承(例如，在封閉孔中滑動的精確定位的圓柱體)。封閉圓柱體83可壓入一個例如圖5中的蓋31的零件中。將帶接觸表面85a和85b的V形塊85壓入一配合結(jié)構(gòu)中，例如上述圖5中所示的真空腔基底30中。在交界表面85d和85c形成壓配合接觸，以提供一穩(wěn)定和剛性的連接?，F(xiàn)在，當(dāng)蓋31下放到腔30上時，V形槽是剛性的，而冠狀錐體垂直退讓。決定哪個件應(yīng)作為退讓件典型地取決于成本，設(shè)計以及使用者的制造能力。
本發(fā)明的其它應(yīng)用包括用在需要精確對位和適度的力保留的系統(tǒng)中，但必須具有在高載荷下釋放的能力。這種應(yīng)用包括擋雪板連接，其中運(yùn)動連接器限定靴子的位置，而彈簧或杠桿型夾緊器撓曲件可由彈簧支承，使得當(dāng)腿受到過壓時，彈簧被壓縮并釋放連接器。
本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可對本發(fā)明作各種變型，而不脫離由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.用于精確和可重復(fù)地使一對表面相互相鄰并相對于一分開該對表面的中間連接平面定位的運(yùn)動連接裝置，該裝置具有分別由相鄰表面支承的相配合的球和槽，用于精確地和可重復(fù)地以預(yù)定的相對位置沿所述穿過球和槽之間足夠的接觸點(diǎn)的平面使該對表面運(yùn)動連接，以將表面限定在所述平面中的X和Y方向，并且表面在Z方向相互分離；一個表面純粹在Z方向線性和受引導(dǎo)移動，提供了一個撓曲件，滾動和滑動支承件適于根據(jù)在Z方向的支承控制線性運(yùn)動使得表面夾緊為相互緊密接觸，同時保持表面的X，Y定位沒有在表面之間的位置的和附加的錯誤運(yùn)動。
2.如權(quán)利要求1所述的運(yùn)動連接裝置，其特征在于，設(shè)有可壓縮的彈簧裝置，以在表面的夾緊過程中強(qiáng)制形成所述的緊密接觸。
3.如權(quán)利要求2所述的運(yùn)動連接裝置，其特征在于，彈簧裝置預(yù)加載。
4.如權(quán)利要求1所述的運(yùn)動連接裝置，其特征在于，三個基本上球形的球件設(shè)在一個表面上，而槽件設(shè)在另一個表面上，各球件在一槽件中的兩點(diǎn)配合。
5.如權(quán)利要求4所述的運(yùn)動連接裝置，其特征在于，支承件連接到球和槽件之一。
6.如權(quán)利要求1所述的運(yùn)動連接裝置，其特征在于，槽固定在運(yùn)動連接器的一個表面中，而其它表面的球位于一有限運(yùn)動范圍壓配合模組套筒中，以允許在垂直于連接器平面的Z方向運(yùn)動。
7.如權(quán)利要求1所述的運(yùn)動連接裝置，其特征在于，設(shè)有撓曲運(yùn)動連接槽的表面與冠狀錐體型球件，球形件和具有復(fù)合彎曲半徑的連接件之一配合。
8.如權(quán)利要求1所述的運(yùn)動連接裝置，其特征在于，一個表面用作一個用于與一基底表面配合的蓋，該蓋表面設(shè)有三個球形運(yùn)動連接件，用于與基底上的三個撓曲安裝槽配合，并且其中設(shè)有夾緊裝置，可在蓋相對于基底不接觸定位后操作使球形件與槽接觸以迫使蓋與基底密封接觸。
9.如權(quán)利要求1所述的運(yùn)動連接裝置，其特征在于，一個表面包括一用于與一平板配合的框架，框架表面設(shè)有三個球形接觸點(diǎn)，用于與平板上的三個撓曲安裝槽配合，并且其中設(shè)有夾緊裝置可在框架相對于平板不接觸定位后操作使球形點(diǎn)與槽接觸以迫使框架與平板密封接觸。
10.如權(quán)利要求9所述的運(yùn)動連接裝置，其特征在于，接觸點(diǎn)由壓入框架中的孔中并設(shè)有一球形端部的圓柱體形成。
11.如權(quán)利要求9所述的運(yùn)動連接裝置，其特征在于，槽為V形。
12.用于精確和可重復(fù)地使一對表面相互相鄰并相對于一分開該對表面的中間連接平面定位的運(yùn)動連接裝置，該裝置具有設(shè)在表面上的配合件以與位于平面的相對側(cè)上的另一個連接但沒有面接觸，和導(dǎo)向撓曲裝置，沿垂直于連接平面的方向提供引導(dǎo)，以由撓曲裝置上的連接動作迫使表面緊密接觸，該動作引起沿所述垂直方向的純線性運(yùn)動而沒有附加的位置錯誤運(yùn)動。
13.一種使具有相鄰表面的物體運(yùn)動連接的方法，包括在表面上設(shè)置相對應(yīng)的配合件；通過配合件連接在一起而使連接平面的相對側(cè)上的表面相連但沒有面接觸；以及通過施加一個撓曲導(dǎo)向連接力將配合表面夾緊成緊密接觸，該連接力只在垂直于平面的方向提供表面的純粹的相對線性運(yùn)動，而沒有附加的位置錯誤運(yùn)動。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，通過在一個表面上設(shè)置球形件與設(shè)在另一個表面上的相應(yīng)的槽形件在兩點(diǎn)配合而進(jìn)行配合連接。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，通過位于一個表面上的一個撓曲滾動和滑動軸承控制夾緊操作。
全文摘要
一種新穎的撓曲安裝運(yùn)動連接裝置和技術(shù)，其中，一對表面相互并相對于其間的一個中間平面以可再現(xiàn)的位置精度確定地運(yùn)動連接，并以導(dǎo)向順從性設(shè)有撓曲，滾動或滑動軸承件，以允許沿垂直于平面的法向線性夾緊，使得表面接觸而在表面之間沒有位置錯誤運(yùn)動。
文檔編號F16M11/00GK1163368SQ9611727
公開日1997年10月29日 申請日期1996年12月6日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月6日
發(fā)明者亞歷山大·H·斯洛科姆, 路易斯·馬勒, 丹尼爾·布朗斯坦 申請人:高級工程系統(tǒng)運(yùn)營及產(chǎn)品公司