专利名称：可同时实现轴向和侧向支承和定位的支承定位机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种支承和定位装置，具体涉及一种可同时实现轴向和侧向 支承和定位的支承定位机构，该机构用于姿态需要变化的物体的支承，尤其 适用于天文望远镜或其它精密仪器的反射面的支承。
背景技术：
传统上，姿态需要变化的物体，比如天文望远镜反射镜面或反射面板，
多采用杠杆平衡重机构和翘翘板(whiffle-tree )机构来实现支承。 一副杠杆 平衡重机构只能提供一个方向的力的支承，所以，被支承物体的侧向支承和 轴向支承各需要一套杠杆平衡重机构来实现；而翘翘板机构一般用来作轴向 支承和定位机构(也较少地用作侧向支承机构)，并往往同时采用杠杆平衡 重才几构4乍侧向支承4几构。
这两种经典机构的突出优点是均为被动支承机构，当被支承的物体在设 计的俯仰转动方向上发生姿态转动变化时，可始终保持良好的支承和平衡状 态。前者杠杆平衡重机构采用平衡重锤和被支承物之间进行杠杆平衡从而实 现随遇平衡，而后者翘翘板机构采用的是被支承物体本身不同部分之间进行 杠杆平衡从而实现随遇平衡。前者利用杠杆放大原理，可使得平衡重锤的重 量设计得远远小于被支承物体的重量。而翘翘板机构的特出优点是具有良好 的级联扩展功能，可实现多点支承，从而实现良好的均衡的支承性能，因此， 可根据技术要求设计具有适当支承点数的翘翘板支承机构，并且不需要因引
入额外的平衡重锤而增加系统的重量。
但是，这两种常用机构的缺点是都不能实现被支承物体的完全定位，而 需要引入其它的才几构辅助消除被支承物体的其它自由度以实现全部约束，并 且在原理上，也不允许物体在两个方向内同时存在俯仰转动的姿态变化。
发明内容
为了克服上述传统支承机构的缺点，本发明提供一种可同时实现轴向和 侧向支承和定位的支承定位机构，该机构允许被支承物体的姿态任意变化， 并可进行级联扩展从而实现多点支承和定位。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 一种可同时实现轴向和侧 向支承和定位的支承定位机构，其特征在于，在机架上的三个点上，分别通 过垂直于机架所在平面的、具有一个旋转自由度的柱铰，连接出三个共面的 支承臂，各支承臂均平行于机架所在平面；
各支承臂的末端分别通过具有三个旋转自由度的球铰与被支承物体联 接；或
各支承臂的末端再反对称地各通过一个柱铰联接一根横梁的中点，每根 所述横梁的两端各通过球铰与被支承物体联接；或
各支承臂的末端各通过球铰级联一个随动的三点支承和定位单元(下文 称之为级联单元)，该三点支承和定位单元上的三个点上，分别通过垂直于 该三点支承和定位单元所在平面的、具有一个旋转自由度的柱铰，连接出三 个共面的支承臂，各支承臂均平行于该三点支承和定位单元所在平面；各支 承臂的末端分别通过具有三个旋转自由度的球铰与被支承物体联接；或
各支承臂的末端分别设置相同的或不同的级联扩展机构，再通过各级联扩展机构与被支承物体联接。
所述的"级联扩展机构"可以是，
a、 以上所述的将某根支承臂末端与被支承物体相连的球铰支承点由一个改为两个的级联扩展机构；也可以是，
b、 以上所述的将某根支承臂末端与被支承物体相连的球铰支承点由一个改为三个的级联单元。
以上方案的优化方案有
1、 机架上分别设置具有一个旋转自由度的柱铰的三个点，呈等边三角形分布；
2、 所述三个共面的支承臂，呈旋转对称地伸出；
3、 所述三个共面的支承臂的末端，构成等边三角形。
为了更清楚地说明本发明的上述方案，以下通过结构分解的方式进行进 一步的说明。
本发明的支承和定位机构，先提出 一种随动式三点支承的被动式支承和 定位机构作为基本单元，然后在其基础上提出级联扩展的规则和方法，从而 形成多点的支承和定位机构。如图1和图2所示，首先在机架上选取呈等边三 角形分布的三点(也可以不必为等边三角形)，从这三点上旋转对称地(也 可以不必旋转对称地)伸出三个共面的支承臂(角度V的大小根据具体机构 设计确定)，并均平行于机架所在平面，其末端也构成等边三角形(也可以 不必为等边三角形)，并联接于被支承物体。支承臂的一端与被支承物联接 处为具有三个旋转自由度的球铰，另一端与机架联接处是垂直于机架所在平 面的具有一个旋转自由度的柱铰。这种支承和定位机构可以同时实现对被支承物体的轴向和侧向支承及定位，其中，法向支承功能由支承臂的抗弯能力 提供，侧向支承功能由其抗拉压能力实现。机架和被支承物体因重力变化和
热效应造成的变形和应力可由球4吏和柱铰的自由转动来消除；也允许纟皮支承 物自身的变形，其变形也将由球铰和柱铰的自由转动而释放，从而不会传递 至机架。故而，称该才几构为随动式三点支承的^皮动式支承和定位机构。
作为支承和定位机构，不能对被支承物体产生过定位，也不能欠约束， 而必须是静定的。运用Grubler公式对上述基本单元随动式三点支承和定位机 构进行自由度计算
<formula>formula see original document page 7</formula>
式中，尸为自由度数，"为机构中构件数，g为运动副数，乂为第/个运动副 的自由度凄t。
参见图l,对于随动式三点支承和定位才几构，w=5, g=6，三个球铰 /s=3x3=9，三个柱铰/e=3xl=3，故有
F3R=6x(5-6-l)+9+3=0,即机构是静定的。
以此随动式三点支承和定位机构为基本单元，按一定规则进行级联扩展， 即可形成多点多级的支承和定位机构。经级联扩展得到的多点支承和定位机 构仍然继承其基本单元随动式三点支承和定位机构的所有特点和优点，并因 采用了多个支承点，故而可为被支承物体提供更为均衡的支承和定位。
原则上讲,通过对基本单元进行对称扩展和级联,可实现任意支承点数(点 数>3)的随动式支承和定位机构。扩展级联的规则简单，仅分两种情况即可: 1 、将某根支承臂末端与被支承物体相连的球铰支承点由一个改为两个。
参见图3，方法是，将一根横梁在其中点通过柱铰联接于原支承臂的末端， 横梁两端再反对称地各通过一个柱铰伸出一对支承臂，支承臂的末端通过球 铰与被支承物体相连，这样就相当于添加了一个支承点，而机构还是保持静 定的。
2 、将某根支承臂末端与被支承物体相连的球铰支承点由 一个改为三个。 参见图4，方法是，在支承臂末端通过球铰级联一个随动的三点支承和定位 单元(即为级联单元)即可，这样就相当于添加了两个支承点，而机构也还 是保持静定的。
将以上两种情况进行适当地联接和循环实施，即可扩展出任意点数的随动 式支承和定位机构。下面按上述规则举6点，9点，12点，18点四个例子进行 说明。
1、 扩展为随动式六点支承和定位机构
参见图3，在基本单元随动式三点支承和定位机构的基础上，参照上述 扩展级联规则l，将三根支承臂的末端球铰，均改为通过横梁反对称地设置 为两个球铰。按Grubler公式检验其自由度
F6Pt=6x(14-18-l)+6x3+12=0，即机构也是静定的。
2、 级联扩展的随动式九点支承和定位机构
参见图4，在基本单元的基础上，参照上述扩展级联规则2，在三根支承 臂末端通过球铰各联接一个级联单元，形成级联扩展的随动式九点支承和定 位机构。按Grubler公式检验其自由度
F9Pt=6x(17-24-l)+12x3+12=0，即机构也是静定的。
这时，为简单起见，也可将级联单元视为一个球铰来计算，也有
F9pt=F3Pt=6x(5-6-1 )+9+3=0。
1、 级联扩展的随动式十二点支承和定位机构
参见图5，在上述级联扩展的随动式九点支承机构的基础上，将三个级 联单元中的一个，按扩展级联规则l，改为反对称的两个级联单元，从而形 成级联扩展的随动式十二点支承和定位机构。按Grubler公式检验其自由度
F12Pr6x(24-34-1)+16x3+18=0，即机构也是静定的。
将级联单元视为一个球铰来计算，也有
F12Pt=6x(8-10-l)+4x3+6=0。
这一机构特别实用于被支承物体外形为扇环形或类似矩形的其它形状。
2、 级联扩展的随动式十八点支承和定位机构
参见图6，在上述级联扩展的随动式六点支承机构的基础上，将六个支承 点的球铰，均按扩展级联规则2，改为的六个级联单元，从而形成级联扩展 的随动式十八点支承和定位机构。按Grubler公式检验其自由度
Fim=6x(38-54-l)+24x3+30=0,即机构也是静定的。
将级联单元视为一个球铰来计算，也有
Fi8P鴻p产6x(14-18國l)+6x3+12:0。
本发明的有益效果是本发明提供的随动式支承和定位机构可以同时实现 对被支承物体的轴向和侧向进行支承和定位的功能，允许被支承物体的姿态 任意变化；机架、支承机构本身及被支承物体因重力变化和热效应造成的变 形和应力可由球铰和柱铰的自由转动消除；也允许被支承物自身的变形，其 变形也将由球铰和柱铰的自由转动而释放，从而不会传递至机架。该随动式 支承和定位机构可按一定规则进行级联扩展，形成任意支承点数的多点多级
的随动式支承和定位机构，便于根据技术要求确定的支承点数进行设计，从 而为被支承物体提供更为均衡的支承和定位。扩展级联的规则简单。该支承 机构原理清晰明了、结构对称紧凑、易于扩展级联和实施工艺简单等优点。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图l为随动式三点支承和定位机构示意图2为随动式三点支承和定位机构側视图3为扩展的随动式六点支承和定位机构示意图4为级联扩展的随动式九点支承和定位^/L构示意图5为级联扩展的随动式十二点支承和定位机构示意图6为级联扩展的随动式十八点支承和定位机构示意图7为随动式十二点支承和定位机构实施例仰^f见图8为随动式十二点支承和定位机构实施例轴测图9为随动式十二点支承和定位机构实施例侧视图局部一；
图10为随动式十二点支承和定位机构实施例侧视图局部二。
图中1.机架，2.转轴轴衬，3.支承臂转轴，4.支承臂，5.级联单元基体，
6.螺母，7.螺母，8.关节轴承，9.螺母，IO.支承臂转轴，ll.转轴轴衬，12.
支承臂，13.螺母，14.关节轴承，15.镜面，16.横梁，17.转轴轴衬，18.支
承臂转轴，19.螺母，20.支承臂轴套，22.支承臂转轴，23.转轴轴衬，24.支承臂。
具体实施例方式
实施例l，可同时实现轴向和侧向支承和定位的支承定位机构，在图7和
图10中，由下往上，在机架1的三个顶点处各通过一个转轴轴衬2和支承臂转 轴3构成柱铰，在支承臂转轴3上固连安装支承臂4。在这三根支承臂4中，有 两根按图9方式安装，即，在支承臂4末端通过螺母9和关节轴承8及螺母6安 装级联单元基体5。在此，由关节轴承8作为球铰。在级联单元基体5的三个 角点上各通过螺母7和支承臂转轴10及转轴轴衬11安装支承臂12,在支承臂 12末端通过螺母13和关节轴承14联接并支承镜面15。对第三根支承臂4，按 图10方式安装，即，在支承臂4末端通过螺母21和支承臂转轴18及转轴轴衬 17安装横梁16。在横梁16的两端各通过螺母19和支承臂转轴22及转轴轴衬23 联接支承臂24。从此往后，安装方式同图9一样，即，在支承臂24的末端通 过螺母9和关节轴承8及螺母6安装级联单元基体5。在级联单元基体5的三个 角点上各通过螺母7和支承臂转轴10及转轴轴衬11安装支承臂12,在支承臂 12末端通过螺母13和关节轴承14联接并支承镜面15。
权利要求
1、一种可同时实现轴向和侧向支承和定位的支承定位机构，其特征在于，在机架上的三个点上，分别通过垂直于机架所在平面的、具有一个旋转自由度的柱铰，连接出三个共面的支承臂，各支承臂均平行于机架所在平面；各支承臂的末端分别通过具有三个旋转自由度的球铰与被支承物体联接；或各支承臂的末端再反对称地各通过一个柱铰联接一根横梁的中点，每根所述横梁的两端各通过球铰与被支承物体联接；或各支承臂的末端各通过球铰级联一个随动的三点支承和定位单元，该三点支承和定位单元上的三个点上，分别通过垂直于该三点支承和定位单元所在平面的、具有一个旋转自由度的柱铰，连接出三个共面的支承臂，各支承臂均平行于该三点支承和定位单元所在平面；各支承臂的末端分别通过具有三个旋转自由度的球铰与被支承物体联接；或各支承臂的末端分别设置相同的或不同的级联扩展机构，再通过各级联扩展机构与被支承物体联接。
2 根据权利要求l所述的可同时实现轴向和侧向支承和定位的支承定位机构，其特征在于，所述机架上分别设置柱铰的三个点，呈等边三角形分布.
3 根据权利要求l所述的可同时实现轴向和侧向支承和定位的支承定位机构，其特征在于，所述三个共面的支承臂，呈旋转对称地伸出；
4、根据权利要求l所述的可同时实现轴向和侧向支承和定位的支承定位 机构，其特征在于，所述三个共面的支承臂的末端，构成等边三角形。的支承定位机构，其特征在于，所述的支承定位机构是将以下所述的a、 b两 种结构的级联扩展机构进行联接和循环，扩展出任意点数的随动式支承和定 位机构a、 将某根支承臂末端与被支承物体相连的球铰支承点由一个改为两个；b、 将某根支承臂末端与被支承物体相连的球铰支承点由一个改为三个。机构，其特征在于，所述的支承定位机构为随动式十二点支承和定位机构， 具体结构如下在机架(1)的三个顶点处各通过一个转轴轴衬(2)和支承 臂转轴(3)构成柱铰，在支承臂转轴(3)上固连安装支承臂(4);在这三 根支承臂(4)中，有两根支承臂(4)末端通过螺母(9)和作为球铰的关 节轴承(8)及螺母(6)安装级联单元基体(5);在级联单元基体(5)的 三个角点上各通过螺母(7)和支承臂转轴(10)及转轴轴衬(11)安装支 承臂(12),在支承臂(12)末端通过螺母(13 )和关节轴承(14)联接并 支承被支承物体(15 );第三根支承臂(4)的末端通过螺母(21)和支承臂 转轴(18)及转轴轴衬(17)安装横梁(16);在横梁(16)的两端各通过 螺母(19)和支承臂转轴(22)及转轴轴衬(23)联接支承臂(24);往后 的安装方式是在支承臂(24)的末端通过螺母(9)和关节轴承(8)及螺 母(6)安装级联单元基体(5);在级联单元基体(5)的三个角点上各通过 螺母(7)和支承臂转轴(10)及转轴轴衬(11)安装支承臂(12),在支承 臂(12)末端通过螺母(13 )和关节轴承(14)联接并支承#:支承物体(15 )。
全文摘要
可同时实现轴向和侧向支承和定位的支承定位机构，特征是机架上三个点上分别通过垂直于机架所在平面的、具有一个旋转自由度的柱铰连接出三个共面的支承臂，各支承臂平行于机架所在平面；各支承臂的末端分别通过具有三个旋转自由度的球铰与被支承物体联接；或是将某根支承臂末端与被支承物体相连的球铰支承点由一个改为两个；或是将某根支承臂末端与被支承物体相连的球铰支承点由一个改为三个；然后与被支承物体联接。本发明可同时实现对被支承物体轴向和侧向的支承和定位，允许被支承物体姿态任意变化；重力变化和热效应造成的变形和应力及被支承物自身的变形可以消除。通过级联扩展可形成任意支承点数的多点多级的随动式支承和定位机构。
文档编号G02B7/182GK101339287SQ20081002283
公开日2009年1月7日 申请日期2008年7月24日 优先权日2008年7月24日
发明者杨德华 申请人:中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所