CN1011907B - 带再循环卫星滚柱的丝杆 - Google Patents

Abstract

置于螺母110内的螺杆外周的滚柱108的各端具有一空腔，空腔内有弹簧107和销钉114。当滚柱进入余隙凹槽106内时，推顶着盖板102的弹簧/销钉组合件，使滚柱朝向螺母的内部再循环。

通过滚柱再次嵌入螺杆的和螺母的螺纹之间而使滚柱复位，这种装置使螺杆运转灵活。

Description

本发明的目的是提供一种带有再循环卫星滚柱的丝杆，这种丝杆用于机械工程，以提供微米范围内的特别精密的转换运动。

在工业上经常会碰到，一个零件只需要沿着直线被移动一个非常小的距离。例如，将它作为镜头用于光学测量仪上，在该镜头里，位置的调整与光线有关。在另一个例子可以发现，轧制机里的两个各有100kg重的轧辊之间的间隙调整时要精确到10微米。

这种情况的问题是，移动的距离从人们可见的、即厘米范围变成了极微小的运动。解决这个问题的许多方法中的一种是使在固定的螺母内的螺杆旋转。因为螺杆的螺距一般是1mm，螺杆旋转一周，螺杆只在纵向移动1mm，而旋转一周的百分之一相应地只移动了10微米。现在要实现旋转百分之一周是容易的，例如，将周长1米的操纵轮连接在螺杆上或利用一种步进马达。

螺杆和螺母之间的滑动摩擦具有在运动开始时突然降低的特征。换句话说，静止的螺杆开始运动时所受到的阻力一般认为大于螺杆已经开始旋转后所受到的阻力。由于不可能立即降低开始作用在螺杆上以使它运动的力矩，因此这种现象妨碍了非常小的移动。

为了克服这个缺点，一组带有环形齿槽的滚柱环绕着螺杆置于螺杆和螺母之间，以便用稳定的滚动摩擦代替滑动摩擦。为了尽可能地降低这种滚动摩擦，所有的零件都用钢铁之类的硬质材料制成，而螺杆和螺母的螺纹沿直线一侧成90°，而环形齿槽用盖板的形式也被调整到90°。这样在各齿槽和相应的螺纹之间只有一个接触点。但是这将产生新的问题，随螺杆旋转的这些滚柱也会纵向移动，由此趋向于 脱离螺母。因此需要提供一种装置以便使滚柱再循环，也就是说使它们有规律地回到螺母的中间。

这种再循环一般可以通过在螺母的螺纹上形成的纵向凹槽和分别位于螺母进口和出口处两个凸轮的方法来实现。这样，如果在滚柱环绕着螺杆旋转而到达凹槽前面的位置时，通过对着它的两个凸轮中的一个被推离螺杆的螺纹而朝向螺母的内部，这个距离根据凸轮突出的尺寸约是一个或两个螺距大小。然后这些滚柱由滚柱隔离环横向地推动，回到相应的螺纹上又恢复它的作用。

然而，这个系统在使用上有许多缺点。当滚柱紧靠着凸轮时，会产生轻微的冲击。当该系统被频繁使用时，例如以300转/分的速度连续地往复运动时，这些冲击的结果会使整部机器振动，并产生讨厌的噪声。根据机器的设计情况，这些振动趋向扩大和产生过早的摩损，而这种摩损将危及机器的总的可靠性。并且，凸轮的摩损将产生铁屑，而这些铁屑将会进入螺杆的螺纹里，由此将破坏螺杆移动的精度。

通过凸轮来移动滚柱又将产生另一个缺点，因为它需要滚柱移动一个严格地等于螺杆的螺距的距离，否则就会出现“硬点”，也就是说，在滚柱重新与螺杆和螺母的螺纹啮合时，有一个过度的挤压量。由于凸轮和滚柱是分开制造的，这就需要精确地调整凸轮的凸出高度以及与凹槽接触的滚柱的表面。这种严格的条件，会使制造的零件因报废而产生相当大量的浪费，并必须非常小心，而精密的组合件将会使螺杆的最终费用提高。

本发明的一个目的是通过推荐一种装置来解决这些问题，该装置首先是用来防止冲击的发生。总的来说，它还应该允许在零件的尺寸上有较大的配合公差。此外，根据本发明的装置应该由标准零件或结构简单的零件所组合而成，这样，它们就能较容易地制造和装配，从而降低了最终成本。

这些目的利用本发明提供的带再循环卫星滚柱的丝杆可以获得，本发明的丝杆包括一螺母，一通过一组环绕着它的外周排列的滚柱而位于螺母中间的螺杆，一供滚柱再循环的余隙空间和一由螺纹连接在螺母两端的盖板，该盖板有一供螺杆通过的通孔，但能将滚柱保持在螺母内，其特征在于，滚柱的各端具有弹性装置，它能使滚柱回到螺母中间去。

根据一个较好的实施例，弹性装置包括一位于滚柱轴上的空腔，和一个将销钉推出空腔的弹簧，所述的销钉顶压着带螺纹的盖板。

最好用聚四氟乙烯或尼龙或其它的塑料来制造带螺纹的盖板。

根据本发明的第二实施例，弹性装置支承着一个具有带螺纹的盖板、一组放置在钢珠轨道里的钢珠和一固定垫圈的滚珠痤圈。

根据第三实施例滚珠座圈里的固定垫圈与滚柱隔离环形成一体。

根据第四实施例，滚柱通过两块厚的垫圈（一块在上，一块在下）被放置在互相关联的位置上，这些垫圈各有一个滚柱的光滑端位于其中的环槽，并越过滚珠座圈作用到对应的盖板。

根据另一特点，供滚柱再循环的一个以上的余隙凹槽沿着螺杆形成。

作为一种改变，滚柱只有一半带齿槽，另一半保持光滑，这些滚柱方向相反地交替地置于螺杆的外周。

本发明通过下面的、结合附图表示的、并不是用来限制本发明的、示范的实施例被详细地描述。

图1是带有再循环滚柱的丝杆的纵剖面图，在图中，螺杆用立体图表示，而滚柱只剖了下面一部分;

图2到图4是安装滚柱的不同方式的详细剖面图;

图5是余隙凹槽的另一实施例的横剖面图;

图6是滚柱的一种改变的纵剖面图。

参看图1，该装置包括螺母110，螺杆101，一组带有圆形空腔的、安装在螺杆和螺母之间的滚柱108，以及两块分别位于上面的和下面的、留有供螺杆通过的通孔的、但使滚柱保持在螺母内的盖板102。各盖板由螺钉103固定。如图1的A侧所示，滚柱108的齿槽同时与螺母110上的螺纹及螺杆101上的螺纹啮合。这些齿槽是用传统的方式制成的，这样，它们与每个有关螺纹的接触是点接触，以便降低滚动摩擦。这些滚柱是通过隔离环114被依次排列的，滚柱的底部能在盖板102上自由旋转。由于只有滚动摩擦存在，螺杆101就能如愿地慢慢地旋转。

螺母110通常与机器的框架相连，而螺杆被用来移动其位置需要调整的零件。这种结构也可被反过来使用。假若那样，由轴承支承的螺杆将与马达的轴相连，从而螺杆旋转，使螺母沿螺杆移动。

显而易见。当螺杆旋转时，滚柱同时沿着螺杆和螺母滚动，由此产生沿螺母向两块盖板中的一块的方向的移动。为了使滚柱在到达端部位置时能再循环，在螺母的螺纹处有一纵向延伸的余隙凹槽106，如图1的B侧所示。

在滚柱传送运动时，推顶相应盖板102的销钉104压缩一相邻的弹簧107。当该滚柱位于余隙凹槽时，它就不再抵住螺母的一侧，并在弹簧的作用下，变得与螺杆的螺纹分离，从而可以自由运动。这时，受压缩的弹簧将伸展，把滚柱推回到螺母的中间。由于回到中间位置，上面一个弹簧107和下面的一个弹簧107互相平衡，从而滚柱被稳定。

由其它滚柱推动的隔离环114将推动该自由运动的滚柱回到螺母和螺杆的螺纹之间的位置上。接着发生的滚柱的向上或向下的移动，根据具体情况由螺纹传给余隙凹槽。尽管凸轮的存在将防止在一个或其它的方向的这种运动，但会产生“硬点”，现在借助于弹簧107能变得非常平稳。

凹槽106的宽度基本上与滚柱的直径相同，这样，在一个时间里，只有一个滚柱被释放。实验室的试验已经显示出，如果滚柱的数量较多，例如大于10，最好所形成的凹槽的宽度等于相邻的两个滚柱之间的距离，这样在原有的一个被重新送入螺纹之间的同时，又一个滚柱被释放，这是减弱轻微冲击的最好途径。

要知道，各滚柱108的长度和盖板102的厚度是无关紧要的。可用简单的加工方法在滚柱的各端开一小空腔。弹簧和一般公差的销钉能以较低的价格买到。在安装时通过用粘性的黄油涂在销钉的侧面，并把它们保持在滚柱里，使得装配能变得较为方便。这样，本发明能以较低的费用获得具有较好功能的丝杆。

在这种基本形式里，销钉104的圆端在销钉环绕着螺母110的内周移动时摩擦着带螺纹的盖板102。为了降低这些滑动摩擦的强度，这些盖板102最好用聚四氟乙烯，尼龙或塑料等制成。此外，盖板的一部分可以稍微紧密地套在螺杆101上，以便清除杂物。

图2表示了第二实施例，其中销钉104通过滚珠座圈支承着盖板102，该滚珠座圈包括若干钢珠113和一个垫圈112，这些都可从市场上买到。这个改进在螺杆连续使用和销钉不断地与盖板滑动摩擦时特别重要，因为这种滑动摩擦会产生热量，并消耗机械能。根据所要固定的钢珠的大小在一个或两个表面制出滚槽。

图3表示了本发明的第三实施例，其中，上述的垫圈成为滚柱隔离环的一个整体部分，以便构成单一的零件115。在这种结构里，上述形式的滑动摩擦，特别是销钉或隔离环与盖板之间的滑动摩擦被完全消除，而只有钢球113的转微的滚动摩擦。但是，这种构件的成本略高些。

由于较小的螺距，或者是由于将结合附图5所要说明的某种原因，滚柱只是在各再循环里轻微地移动，例如小于8mm，制造较复杂的 滚柱隔离环114可以用图4所示的上下两个经过改进的垫圈117来代替。这些厚的垫圈在它们的外周上具有接纳滚柱108的环槽118。这些滚柱是经过改变的，各滚柱的端部有光滑部分105，它们的直径比环槽118的宽度略小。

从图4中可以看清楚，其中滚柱108严格地位于相对于螺母110的中间位置上，环槽118的深度和光滑部分105的长度至少是滚柱108在两个再循环之间的最大移动量h的两倍。如前所述，滚珠座圈102还会降低摩擦力，因此将减少机械能的损失。

除了增加机构的简单性外，这种结构能使滚柱相互靠近安装，这样，被接纳在指定外周里的滚柱的数量就可以增加，结果，螺杆的最大轴向负载就可以增加。还可以看到，滚柱在螺纹之间的再嵌入有助于两个垫圈117互相重新排列。

由于余隙凹槽106的位置现在不取决于凸轮的位置，可以发现在螺杆上开一凹槽是有利的，例如，如图5所示，可使用沿螺杆纵向延伸的平面120来代替。在螺杆上做这样的切削加工是非常简单的。

第二种形状的凹槽121完全消除了任何尖角，这样，在再循环后，为滚柱108重新进入螺纹之间提供了额外的平稳性。

较重要的是，在这种装置里，滚柱的再循环不是发生在滚柱绕螺母的一个完整旋转后，换句话说，不是发生在等于一个螺距的纵向移动后，而是在螺杆上的凹槽一旦接纳滚柱的同时，其发生是较快的。给定的滚柱的再循环的频率和位置基本上取决于螺杆的外径和螺母的内径，那里有相应的螺纹。例如，图5所示装置的大小，意味着滚柱在绕螺母只转动三分之二后将被再循环。在那种情况下，滚柱被纵向移动螺距值的三分之二。这样，在螺母中供滚柱运动的空隙就减小，如图4中的距离h所示。相反，如供运动的空隙的数值是给定的，例如，6mm，那么就可在螺母上开出多头螺纹和较大的螺距。这种螺纹比 制造一个单头螺纹要快得多。

要注意，所有滚柱的再循环不再发生在某一点，而是在螺母的整个圆周上，这样，装置能绕着中心轴平衡地运转。

对于大直径的螺杆来说，意味着有较多的滚柱环绕着螺杆，这时最好环绕着螺杆的周边等距地开几个余隙凹槽，以便有更多的再循环。

在某些情况下，需要对螺杆“预先加载”，或者限制螺杆和螺母之间的所有的轴向游动，或者增加装置的刚度，或者增加螺杆开始旋转时所需要的最小力矩。这种预先加载的装置如图6所示，它所表示的螺母含有均带螺纹的上部件124和下部件126，以及一校准钥109，所有的零件都被装入盒130里。校准钥109的厚度略小于或大于螺杆的螺距。当校准钥的厚度小于螺杆的螺距时，所有切入上部件124的螺纹下压滚柱108，而切入下部件126的螺纹上推同一个滚柱108。这样，滚柱向螺杆施加作用力。这种收紧作用增加了滚动摩擦，以及螺杆开始旋转时所需要的最小力矩。

在这种情况下，在螺纹之间的滚柱重新嵌入时就会出现硬点。为了将这种嵌入作用的强度降低一半，在图6里的滚柱128有一半是光滑的，而另一半是带齿的。这些滚柱128环绕着螺杆方向相反地被交替安装，即一个上部光滑的滚柱紧跟着一个下部光滑的滚柱，它们被交替地再循环。上部的余隙凹槽可以相对于下部的余隙凹槽交错排列，这种交错排列可以适应同时再循环两个滚柱的需要或其它情况。因此，这种结构可照顾到中间部位动作的对称性。

本发明提供的对带有再循环的滚柱的丝杆的改进能同样地用于小的构件和大的部件。图1所示的丝杆，其突出的特点在于，销钉直接支承聚四氟乙烯盖板，并且余隙凹槽位于螺母内，这种丝杆最好作用在一个小零件上，如电子装置里的线性电位计。这种丝杆与现在使用的最基本形式的丝杆一样。要选择的零件，诸如滚珠座圈，由垫圈 117代替的滚柱隔离环，在螺母上的或在螺杆上的余隙凹槽的位置，以及部分光滑的滚柱的使用，是根据想要的各丝杆的特殊用途，以及技术和经济上的因素决定的。

对于较重的、位置的变化不超过1毫米的零件，用来控制它的螺杆需要较粗的螺杆螺纹以及较大的螺杆螺距。在这种情况下，最好使用在滚珠座圈上周转的固定垫圈117，以及具有一个或较多的余隙凹槽121以限制滚柱纵向移动的螺杆。

为了有效的润滑以使弹簧107可靠动作，比较有益的是在各销钉的各端有一纵向小空腔。

Claims (7)

1、带再循环卫星滚柱的丝杆，包括一螺母，通过排列在它外周的一组滚柱而被安装在螺母中间的一螺杆，一供滚柱再循环的余隙空间，以及一螺纹连接在螺母各端的、留有通过螺杆的通孔的、但是将滚柱保持在螺母里的盖板，其特征在于，在滚柱的各端具有使它们回到螺母中间去的弹性装置，该弹性装置包括在滚柱的轴里纵向形成的一空腔，以及一将销钉推出空腔和顶推带螺纹的盖板的弹簧。

2、根据权利要求1所述的带再循环卫星滚柱的丝杆，其特征在于，带螺纹的盖板是由聚四氟乙烯或尼龙或塑料制成的。

3、根据权利要求1所述的带再循环卫星滚柱的丝杆，其特征在于，各滚柱的弹性装置支承一包括带螺纹的盖板、一组安装在轨道里的钢珠和一固定垫圈的滚珠座圈。

4、根据权利要求3所述的带再循环卫星滚柱的丝杆，其特征在于，滚珠座圈里的固定垫圈与滚柱隔离环形成一体。

5、根据权利要求1所述的带再循环卫星滚柱的丝杆，其特征在于，滚柱通过两块厚的垫圈（一块在上，一块在下）被放置在互相关联的位置上，这些垫圈具有接纳滚柱的光滑端的环槽，并越过滚珠座圈延伸作用于对应的盖板。

6、根据权利要求1所述的带再循环卫星滚柱的丝杆，其特征在于，沿着螺杆有一个以上的产生滚柱再循环的余隙凹槽。

7、根据权利要求1所述的带再循环卫星滚柱的丝杆，其特征在于，滚柱只有一半带有齿槽，其余的一半是光滑的，这样形成的滚柱互相方向相反地置于螺杆的外周。

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