CN100416135C - 步进机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进机构，其包括从动元件和驱动装置，驱动装置驱动所述从动元件。所述从动元件形成有多个等间距的第一曲线表面以及多个等间距的受力表面对。每个表面对中的两个表面彼此相对。所述驱动装置包括用于旋转凸轮装置的驱动源。凸轮装置带有与凸轮装置一起旋转的转动销和停止装置。当步进机构处于停止位置时所述停止装置与其中一个第一曲线表面相接触，从而防止从动元件的移动。当凸轮装置在任一方向上旋转一周时，所述转动销暂时与受力表面对中的一个表面相接触，从而将从动元件移动一步。

Description

步进机构

技术领域

本发明涉及步进机构以及一种装备有这种步进机构的换盘装置。

背景技术

当设计应用在各种产品中的步进机构时，设计者经常会遇到使用少量的部件难以获得可靠步进运动的困难。当机构设计者想在几个位置上精确地停止部件并且将部件保持在该位置时，即使在外部冲击或运动对本机械系统产生干扰时也如此，他们就必须实现步进机构。

通常，一种步进机构必须具备几个重要的特征，诸如精确的停止位置控制、在停止位置上对部件的锁定、在各步(停止位置)之间精确的间距、易于控制，在仍旧可以保持对停止位置的精确控制以及产生较少噪音的同时允许定位感应器的公差等。但是，为了获得精确的步进运动以及实现对停止位置的精确控制，传统的步进机构通常具有一种复杂的结构，这种结构有大量的零件，从而降低了可靠性并增加了制造成本。

发明内容

因此希望提供一种使用少量的零件就能获得精确步进运动的步进机构。

根据本发明，提供了一种包括有从动元件和驱动装置的步进机构，其中驱动装置对从动元件进行驱动。所述从动元件形成有多个等间距的第一曲线表面和多个等间距的受力表面对。每个表面对的两个表面彼此相对。所述驱动装置包括用来旋转凸轮装置的驱动源。所述凸轮装置带有转动销和停止装置，二者与凸轮装置一同旋转。当所述步进机构处于一个停止位置时，所述停止装置与第一曲线表面的其中一个相接触，从而防止所述从动元件移动。所述转动销暂时与受力表面对中的一个表面相接触，从而在凸轮装置以任一方向旋转一周时将从动元件移动一步。

通过使用本发明的解决方案，转动销和停止装置由驱动装置所驱动，该驱动装置例如是电机和驱动轴。所述转动销通过形成在从动元件上的受力表面用来驱动从动元件。所述停止装置接触形成在从动元件上的其中一个凹入曲线表面，从而在所述步进机构的停止位置处将从动元件保持在到位。当需要移动从动元件时，驱动轴旋转停止装置从而将停止装置从从动元件上分开以为从动元件留出空间；同样与驱动轴一起旋转的转动销推动处于从动元件上的一个受力表面，从而以希望的方向移动从动元件。当驱动轴旋转一周时，从动元件移动一步，并且驱动轴的旋转方向是基于从动元件的希望移动方向而决定的。

根据本发明的一个方面，每个第一凹入弯曲表面是一个凹入的圆柱形表面，因此这种凹入圆柱形表面能够在小齿轮凸轮(opinion cam)的特定旋转范围内与停止装置相接触。结果，即使小齿轮凸轮过调(overshot)或欠调(undershot)，本发明的所述步进机构也可以将凸轮架(rack cam)保持到位，并且所述步进机构的操作性能得以改善。

根据本发明的另一方面，停止装置一部分的圆周表面和第一曲线表面是相同半径的圆柱形表面，因此当处于停止位置时，第一曲线表面与停止装置表面接触，并且凸轮架锁定位置的稳定性可以被进一步改善。

仍旧是根据本发明的再一方面，所述转动销可以被用作停止装置。其结果是，所述步进机构的结构可以被进一步地简化。

通过使用本发明的步进机构，可以获得可靠的步进运动，并且所有诸如位置锁定功能，位置保持功能，精确位置控制功能的所希望功能都可以用极少数量的元件来实现，并且不需要非常精确的传感器。

本发明的步进机构仅包括两个主要零件。因此所述步进机构在结构上非常简单，因此减少了制造成本。

附图说明

下面将结合附图对本发明进行详细地描述，其中：

图1是透视图，示出用在本发明步进机构中的小齿轮凸轮；

图2是用在本发明步进机构中的凸轮架的底部透视图；

图3是用在本发明步进机构中的凸轮架的顶部透视图；

图4是本发明小齿轮凸轮和凸轮架组件的顶部透视图；

图5是小齿轮凸轮和凸轮架组件的底部透视图；

图6示出处于其中一个锁定位置中的组件；

图7示出当小齿轮凸轮已经逆时针旋转45度时的状态；

图8示出当小齿轮凸轮已经逆时针旋转90度时的状态；

图9示出当小齿轮凸轮已经逆时针旋转135度时的状态；

图10示出当小齿轮凸轮已经逆时针旋转180度时的状态；

图11示出当小齿轮凸轮已经逆时针旋转360度时的状态；

图12是示出用于计算凸轮轨迹线一个示例的局部示意图；以及

图13示范性示出在换盘系统中应用本发明步进机构的一个示例。

具体实施方式

现在参考图1，示出用在本发明步进机构中的小齿轮凸轮1。如图1中所示，所述小齿轮凸轮1包括齿轮或滑轮10，其围绕自身轴线20被驱动旋转；固定设置在所述齿轮上的凸轮11，其具有引导和锁定的阳凸轮表面12；以及设置在凸轮11上的转动销13。所述转动销13与轴线20径向间隔开并平行于轴线20。当齿轮10旋转时，凸轮11和转动销13随着齿轮旋转。在本实施例中所示的转动销13具有圆形的横截面。但是，所述横截面可以根据本发明机构的具体要求采用不同的适当形状。在图1中，所述小齿轮凸轮以透视图(图1)、侧视图(图1b)以及俯视图(图1c)示出。

图2和图3示出用在本发明步进机构中的凸轮架2，其中图2是所述凸轮架的底部透视图而图3是所述凸轮架的顶部透视图。正如图2和图3中所示，凸轮架2包括部分A和部分B，以及形成在两部分之间的台阶部S。凸轮架表面C被形成在凸轮架的部分A里，而引导锁定阴凸轮表面D形成在台阶部S上。

所述引导锁定阴凸轮表面D是一成型弯曲表面，它包括多个顺序连接的第一曲线表面21，并且所述第一曲线表面具有恒定的间距。凸轮11上的引导锁定阳凸轮表面12具有锁定表面部分14，它与其中一个第一曲线表面21相接触，并且当锁定表面部分14与其中一个第一曲线表面21相接触时凸轮架2保持到位。

正如图2和图3中所示，凸轮架表面C是一封闭的成型弯曲表面并且是通过在凸轮架2的部分A中切割一个梳状贯通槽而形成。正如图6中所示，贯通槽的尺寸和形状应当确保：当步进机构处于工作状态时，在凸轮11上的转动销13可以沿该槽无干扰地平稳移动。所述凸轮架表面C包括多个第二曲线表面22和多个U形的弯曲表面23，第二曲线表面22分别对应于引导锁定阴凸轮表面D的第一曲线表面21。类似于第一曲线表面21，所述第二曲线表面22是顺序连接并且具有恒定的间距。U形弯曲表面23的间距23等于引导锁定阴凸轮表面D的第一曲线表面的间距，从而在小齿轮凸轮1旋转一周时凸轮架2移动一步。正如图2和图3中所示，两个相邻的U形弯曲表面23是通过一圆柱形表面相连的，最左侧的U形弯曲表面与最左侧的第二曲线表面22通过两个相切的圆柱表面相连，并且相似的是最右侧的U形弯曲表面与最右侧的第二曲线表面22通过两个相切的圆柱表面相连。U形弯曲表面23的两个平坦侧表面25被用作一对受力表面。正如下面所述的那样，当小齿轮凸轮1旋转时，所述转动销推动两个平坦侧表面中的一个，从而使所述凸轮架水平移动。

如图4和图5所示，在步进机构的组装状态下，小齿轮凸轮1上的转动销13延伸进入所述贯通槽并且与凸轮架表面C相接触，并且根据凸轮架和小齿轮凸轮之间的相对位置，凸轮上的锁定表面部分14与处于凸轮架上的第一曲线表面21相接触或分离。优选地，在凸轮架上的每个第一曲线表面21是圆柱形表面，从而在小齿轮凸轮的特定旋转范围内确保所述凸轮架被保持到位。更优选地是，第一曲线表面21和凸轮上的锁定表面部分14都是相同半径的圆柱形表面，从而改善了凸轮架锁定位置的稳定性。

图6示出处于其中一个锁定位置中的组件，其中转动销13直接地定位在轴线20之上并且与最右边的第二曲线表面22相接触，同时凸轮上的锁定表面部分14与在凸轮架上最右边的第一曲线表面21相接触。

本发明步进机构的操作将通过结合图6到图11在下面进行描述。

在本发明步进机构的操作过程中，作为从动元件的凸轮架2的运动受到限制从而使凸轮架2只能双向移动，也就是在图6中箭头25所示的向右或向左的方向上移动，并且作为驱动装置的小齿轮凸轮1只能绕它的轴线20旋转。

图7示出处于第一停止位置上的组件，凸轮11上的锁定表面14与凸轮架上最右侧的第一曲线表面21相接触，因此凸轮架2被保持到位并且被防止移动。从图7中可以看出，所述凸轮架不会由它自身或其它任何外力所移动，除非通过小齿轮的旋转来移动它。

凸轮架向右或向左的运动可以通过旋转所述小齿轮凸轮来获得。图6至图11示出了凸轮架向右移动一步的过程。

图7示出了小齿轮凸轮1已经逆时针旋转45度的状态。正如图7中所示，凸轮上的锁定表面部分仍旧与凸轮架上的最右侧第一曲线表面21处于部分接触。其结果是，所述凸轮架依旧被保持在位，因此可防止移动。这也就解释了即使小齿轮发生了过调或失调，本发明的步进机构也能够将凸轮架保持到位。

图8示出了小齿轮凸轮已经逆时针旋转90度的状态。正如图8中所示，凸轮上的锁定表面部分和凸轮架上的最右侧第一曲线表面处于临界接触状态，并且因为锁定表面部分和最右侧第一曲线表面之间的接触，凸轮架仍旧被保持在位。

图9示出了小齿轮凸轮已经逆时针旋转135度的状态。正如图9中所示，锁定表面部分14从最右侧的第一曲线表面21分开从而允许凸轮架2的水平移动。并且在转动销13的作用下所述凸轮架向右移动特定的距离。所述转动销13通过U形弯曲表面的平坦侧表面25推动并移动凸轮架。

图10示出了小齿轮凸轮已经逆时针旋转180度的状态。正如图10中所示，转动销13位于轴线20正下方并且凸轮架2已经向右移动半步。

图11示出了小齿轮凸轮已经逆时针旋转360度的状态。正如图11中所示，所述转动销13现在位于轴线20正上方并且凸轮架2向右移动一个步进。凸轮11上的锁定表面部分14现在与第二个第一曲线表面21相接触并且将凸轮架保持到位。因此，所述凸轮架目前被保持在第二停止位置中。由此可以看出当小齿轮凸轮转动360度时，所述凸轮架水平移动一步。

本发明的步进机构的一个优选实施例已经结合附图在上面作出了详细的描述。但是，本领域技术人员应该认识到本发明并不受限于特定的实施例，在不背离本发明精神和范围的前提下，可以进行各种修改。

在优选实施例中，凸轮架表面C的所述第二曲线表面22是弯曲表面，从而在小齿轮凸轮特定旋转范围内与转动销13相接触。然而，转动销与第二曲线表面的接触并不是必需的，因此只要没有干扰转动销的运动，第二曲线表面可以被任何类型的表面所代替。另外，当第二曲线表面22是与转动销相接触的凹入圆柱形表面时，所述转动销在功能上也可以作为停止装置，在它与第二曲线表面相接触时，防止凸轮架移动。并且在这种情况下，所述凸轮和相应的引导锁定阴凸轮表面D甚至可以被省略掉。并且当转动销被用作停止装置时，转动销圆周表面一部分优选地是与所述凹入圆柱形表面具有相同半径的圆柱形表面，从而在停止位置上时，所述转动销的圆柱形表面与其中一个凹入圆柱形表面表面接触，因此，步进机构的操作性能可以被改进。在优选实施例中，所述受力表面对是由U形弯曲表面的两个相对平坦侧表面形成的，显然，受力表面对可用其它方式形成。

在优选实施例中，如图所示，凸轮架停止位置的数量是5个，但是根据步进机构的实际应用可以具有或多或少的停止位置。

为了进一步地减少磨损和噪音，回转轴承可被安装在转动销上，从而在转动销接触并且推动U形弯曲表面的平坦表面时，所述轴承转动以减少磨损和噪音。

在优选实施例中，所述凸轮架作为一个元件构成，并线性移动。但是作为本实施例的另外一种方案，所述凸轮架可以被构造成绕一轴线旋转的元件，因此可以形成一种旋转类型的步进机构。

凸轮可以是不同的形状，只要在处于停止位置时，凸轮表面的一部分与处于凸轮架上的第一曲线表面相接触从而将凸轮架保持到位，与此同时凸轮表面的其它部分不与所述凸轮架的线性运动相干涉即可。另外，对于给定的所述凸轮形状来说，凸轮的形状可以几种方法进行计算。图12示出一个例子，它是用三维CAD系统所绘制的。凸轮表面12的曲线是由下面的公式所给出的座标(x，y)所限定的。用于计算轨迹线的程序如下：

a＝4.500004

b＝8.499998

c＝180-59.56473

E＝(B*cos(C|deg|)+(A-A*cos(u|deg|)))

F＝B*sin(C|deg|)

D＝SQRT(E**2+F**2)

x＝D*cos(C|deg|+u|deg|)

y＝D*sin(C|deg|+u|deg|)

图13示出本发明的步进机构应用在盘片记录和/或再现装置的换盘系统中，图13只是示例性地示出这一装置。所述换盘系统包括类似于弹夹的机架30，在其中容纳多个盘。正如图13所示，类似弹夹的机架包括盘提升/下降台，在其左右两侧上设置有一对销31，并且一对滑动件32被分别布置在装置的左、右两侧。一对台阶形狭缝33形成在滑动件上，并且销31延伸穿过相应的台阶形狭缝。本发明步进机构的凸轮架2与滑动件机械相连。结果，所述步进机构的凸轮架的运动被传递到滑动件上从而滑动所述滑动件；滑动件的运动使所述销上升或下降并因此使盘上升/下降台上升或下降，来执行换盘操作。

Claims (15)

1. 一种步进机构，其包括从动元件(2)和驱动装置，其中驱动装置驱动所述从动元件，其特征在于，

所述从动元件形成有多个等间距的第一曲线表面(21)和多个等间距的受力表面对，每个表面对中的两个表面(25)彼此相对；

所述驱动装置包括：

用于旋转凸轮装置(1)的驱动源；

凸轮装置(1)带有转动销(13)和凸轮(11)，两者都随着凸轮装置(1)旋转，所述转动销设置在所述凸轮上；

当步进机构处于停止位置时，所述凸轮(11)的锁定表面部分(14)与第一曲线表面(21)中的一个相接触，从而防止从动元件的移动；

当凸轮装置在旋转一周过程中，所述转动销暂时与受力表面对中的一个表面(25)相接触，从而将所述从动元件移动一步。

2. 根据权利要求1所述的步进机构，其中，每个第一曲线表面(21)是凹入圆柱形表面，当所述步进机构处于停止位置时该凹入圆柱形表面与所述凸轮(11)相接触。

3. 根据权利要求1所述的步进机构，其中，所述凸轮圆周表面的一部分是与所述第一曲线表面有相同半径的凸起圆柱形表面，当步进机构处于停止位置时，该凸起圆柱形表面与第一曲线表面中的一个相接触。

4.根据权利要求3所述的步进机构，其中，所述从动元件还形成有多个等间距的第二曲线表面，该表面与所述转动销相接触。

5. 根据权利要求4所述的步进机构，其中，所述第二曲线表面(22)是圆柱形表面。

6. 根据权利要求1所述的步进机构，其中，在转动销(13)上配装有回转轴承。

7. 根据权利要求1所述的步进机构，其中，所述步进机构是一种平动类型的步进机构。

8. 根据权利要求1所述的步进机构，其中，所述步进机构是一种旋转类型的步进机构。

9. 一种步进机构，其包括从动元件(2)和驱动装置，其中驱动装置驱动所述从动元件，其特征在于，

所述从动元件形成有多个等间距的第二曲线表面(22)和多个等间距的受力表面对，每个表面对中的两个表面(25)彼此相对；

所述驱动装置包括：

用于旋转凸轮装置(1)的驱动源；

凸轮装置(1)带有转动销(13)，其随着凸轮装置(1)旋转；

当凸轮装置在旋转一周过程中，所述转动销暂时与受力表面对中的一个表面(25)相接触，从而将所述从动元件移动一步，

每个第二曲线表面(22)是凹入圆柱形表面，当所述步进机构处于停止位置时该凹入圆柱形表面与所述转动销(13)相接触，以防止所述从动元件移动。

10. 根据权利要求9所述的步进机构，其中，所述转动销(13)是圆柱形销。

11. 根据权利要求10所述的步进机构，其中，回转轴承被配装在所述圆柱形销上。

12. 根据权利要求9所述的步进机构，其中，所述转动销(13)的一部分圆周表面是凸起的圆柱形表面，该表面与所述第二曲线表面有相同的半径，在步进机构处于停止位置时，在所述转动销上的凸起圆柱形表面与第二曲线表面中的一个相接触。

13. 根据权利要求9所述的步进机构，其中，所述步进机构是一种平动类型的步进机构。

14. 根据权利要求9所述的步进机构，其中，所述步进机构是一种旋转类型的步进机构。

15. 一种用于盘片记录和/或再现装置的换盘系统，所述换盘系统包括：类似于弹夹的机架，用于在其中容纳多个盘片，其特征在于，所述换盘系统包括如权利要求1至13中任一项所述的步进机构。

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