CN101673118A - 组合式传动可变角度微位移调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微位移调节装置，特别涉及一种组合式传动可变角度微位移调节装置。包括固定底座、蜗轮蜗杆、螺杆、顶杆、关节轴承及调节和紧固部分。通过调节蜗杆一端的手柄，蜗杆和蜗轮咬合实现一级传动。蜗轮中心开螺纹孔，通过螺纹副和螺杆实现二级传动。螺杆被平键限制旋转运动，只能沿直线方向推动顶杆。顶杆两端分别装有关节轴承，顶杆推动工作台实现角度旋转或直线位移运动。本发明还可以采用电动机进行控制。蜗杆轴通过联轴器和电动机轴联接，电动机通过驱动控制系统和计算机联接实现控制。螺杆上可置位移传感器，对螺杆位移量进行实时测量。整个控制系统可以采用开环或者闭环系统。本发明布局紧凑，运动链简单，保证了调整精度。本发明可以单套或多套组合使用，以满足对工作台不同的角度或位移调整需要。本发明尤其适合微米量级或角秒量级中等精度的位移或角度调节场合。

Description

组合式传动可变角度微位移调节装置

技术领域

本发明涉及微位移调节装置，特别涉及一种组合式传动可变角度微位移调节装置。

背景技术

精密位移调节在精密机械制造、微机电系统、光学元件调整、机器人技术等领域有着广泛的应用。在中等精度(微米量级)的微位移调节中，机械式微位移调节装置应用广泛，具有结构简单、操作控制方便等优点。常见的机械式微位移调整方法包括：(1)差动丝杆传动；(2)楔块或凸轮机构；(3)多级精密齿轮传动；(4)杠杆机构；(5)弹性机构等。上述机构满足了不同场合的使用要求，尤其是微米量级分辨率的调节，但是单一调整机构往往只能实现有限行程内的单一自由度调节，难以适应复杂机构的调节需要。

在复杂精密装置调整中，经常需要在较大的行程内实现多自由度调节，以满足机构的多维柔性运动要求(如平移工作台的联动支撑、机器人关节转动等)。柔性铰链的出现实现了小范围内高分辨率的角度调节，但是对较大行程范围内的精密调整仍然需要配合其他调节机构。因此，通常的中等精度(微米量级)多维微位移变化大多采用机械组合式微位移调节装置，这样可以满足不同调整精度和调整范围的应用需求，实现个性化和多样化的计量测试及结构位置调整。

发明内容

本发明在上述技术的基础上，提出一种组合式传动可变角度微位移调节装置。

本发明提出的组合式传动可变角度微位移调节装置，由调节部件、蜗杆2、第一向心轴承4、蜗轮5、蜗轮箱6、螺杆7、调节柄9、蜗轮轴10、第二向心轴承12、第一挡圈15、联接轴18、第一顶杆22、第二顶杆25、固定底座35和第二挡圈39组成；其中：

调节部件通过销钉3固定于蜗杆2一端，蜗杆2两侧分别位于第一向心轴承4和第二向心轴承12中，第一向心轴承4和第二向心轴承12位于蜗轮箱6的一对同轴孔内，并分别通过第一挡圈15和第二挡圈39固定；蜗杆2和蜗轮5啮合，蜗轮5通过第二螺钉11固定于蜗轮轴10的中间环形面上，蜗轮轴10一端放置于蜗轮箱6的孔中，蜗轮轴10另一端环形面翼缘由压板37限制轴向位移；压板37通过第四螺钉16固定于联接轴18上，联接轴18通过第五螺钉17分别连接蜗轮箱盖38和蜗轮箱6；

螺杆7和蜗轮轴10通过螺纹副连接，螺杆7上沿轴向开有轴向长度的平键槽，平键14位于该平键槽内，平键14通过第三螺钉13固定于联接轴18内孔中，螺杆7穿过联接轴18中空的内孔，一端通过第七螺钉34固定于第一关节轴承座33上，另一端通过第一螺钉8固定于调节柄9，螺杆7上套有第一压缩弹簧19，第一压缩弹簧19一端顶在第一关节轴承座33上，另一端固定于联接轴18内孔底面上，联接轴18通过第八螺钉36固定于固定底座35上；

第一顶杆22一端放置于第一关节轴承20中，第一关节轴承20放置于第一关节轴承座33内，并由第一螺母21锁紧，第一顶杆22另一端连接联接螺母23，并由第三螺母32锁紧，第二顶杆25一端放置于第二关节轴承28端面上，第二关节轴承28放置于第二关节轴承座27内，并由第四螺母30锁紧，第二顶杆25另一端通过第二螺母24固定于联接螺母23上，第二顶杆25上设有第二压缩弹簧31，第二关节轴承座27由第六螺钉26固定于工作台29。

本发明中，所述调节部件采用调节手柄1。

本发明中，所述调节部件采用电动调节，由电动机、联轴器40、电机支架42、计算机43、控制电路44、电机驱动器、位移传感器46、信号处理与控制电路47组成，其中：电动机由电机支架42固定，电动机连接联轴器40，联轴器40连接蜗杆2，计算机43依次连接控制电路44、电机驱动器和电动机，电动机连接位移传感器46，位移传感器46连接信号处理与控制电路47，信号处理与控制电路47连接计算机43。

本发明中，所述电动机可以采用步进电机41。

本发明中，所述电机驱动器可以采用步进电机驱动器45。

本发明包括蜗轮蜗杆传动机构、螺杆传动机构、关节轴承变角度调节机构以及固定底座，其主要特点是通过调节蜗杆一端的手柄，蜗杆和蜗轮咬合实现一级传动。蜗轮中心开螺纹孔，通过螺纹副和螺杆实现二级传动。螺杆被平键限制旋转运动，只能沿直线方向推动顶杆。顶杆两端分别装有关节轴承，顶杆推动工作台实现角度旋转或直线位移运动。蜗轮通过螺钉固定在蜗轮轴上。蜗轮轴套在联接轴上，并由螺钉通过压板限制其翼面的轴向位移，从而实现蜗轮的轴向定位。蜗轮轴和联接轴间隙配合，蜗轮轴可以绕螺杆轴转动。蜗杆和蜗轮的主体部分放置在蜗轮箱内，蜗轮箱和蜗轮箱盖通过螺钉固定在联接轴。

所述的螺杆传动部分通过螺杆和蜗轮轴内螺纹间的转动来实现。螺杆上沿轴向开有全轴向长度的平键槽，由固定在联接轴上的平键限制其旋转运动，因此螺杆只可以沿轴向直线进给或退出。螺杆一端装有固定调节柄，另一端通过紧固螺钉和关节轴承座联接。螺杆径向定位由蜗轮轴内螺纹和联接轴内孔共同确定。联接轴一端翼面固定在蜗轮箱盖上，另一端固定在固定底座上。固定底座为整个调节机构的固定基体。

所述的可变角度调节顶杆分为两部分，两端两节关节轴承，中间通过联接螺母刚性联接。

所述的顶杆第一部分一端通过关节轴承放置在关节轴承座内，并由螺母紧固，关节轴承座通过螺钉固定在螺杆上，接受螺杆传递的轴向位移。顶杆另一端通过螺纹固定在联接螺母上，并由螺母锁紧。

所述的顶杆第二部分一端通过关节轴承放置在关节轴承座内，并由螺母紧固，关节轴承座通过螺钉固定在工作台上，工作台随顶杆的牵连运动而实现角度或位移的变化。

所述的顶杆两部分由联接螺母刚性联接，两端可以分别绕两个关节轴承实现转动。顶杆长度还可以通过联接螺母进行调整。为了消除顶杆轴向运动间隙，在螺杆和顶杆第二部分上套有两个压缩弹簧，保证了了机构的运动精度。顶杆主体部分位于固定底座和工作台的中空孔内。

所述的蜗轮蜗杆调节还可以通过电动机进行控制。蜗杆轴通过联轴器和电动机轴联接，电动机通过驱动控制系统和计算机连接实现控制。螺杆上可置位移传感器，对螺杆位移量进行实时测量。整个控制系统可以通过开环或者闭环方式实现控制。

本发明的技术效果如下。

1.蜗轮蜗杆和螺杆可以实现二级传动。

调节手柄带动蜗杆旋转，蜗轮和蜗杆啮合传动。由于蜗轮固定在蜗轮轴上，其轴向位移被蜗轮轴固定，蜗轮只能绕轴线旋转。蜗轮轴内螺纹和螺杆咬合，而螺杆被平键限制了旋转运动，因此螺杆只能沿轴向进退。由于蜗轮蜗杆可以实现大减速比传动，配合刻线手轮，可以实现螺杆轴向微小位移进给。

2.顶杆实现可变长度和可变角度运动。

顶杆由两部分组成，通过调节联接螺母可以调节顶杆长度，顶杆由螺母锁紧。顶杆两端联接关节轴承，中间部分刚性联接。顶杆可以绕两端的关节轴承转动，带动工作台实现位移或角度调整。

3.轴向运动的消隙处理。

分别在螺杆和第二部分顶杆上套有两根压缩弹簧，通过实施一定的预紧力可以实现整套机构轴向运动的消隙，保证机构多级传动的运动精度。

4.手动调节和电动调节的实现。

蜗杆既可以通过刻线手柄实现精密调节，也可以通过电动机调节。电动调节通过程序控制蜗杆旋转，实现螺杆进给位移量的调整。电动调节可以做成闭环或开环传递。闭环控制时，通过位移传感器实现对位移进给量的闭环反馈，实时调整螺杆的位移进给量，可以精确的实现系统的运动精度控制。

5.单套、两套或多套装置的使用。

本发明既可以单独使用，也可以两套或多套联合使用。单套使用可以实现对工作台位移或角度的调整。两套或多套联合使用，通过各套之间不同位移量或角度调整量的配合，则可以实现工作台的多维位移或角度调整的需要。

本发明的技术优点。

相对在先技术，本发明采用蜗轮蜗杆大传动比传动，且采用螺杆内嵌在蜗轮轴内的直接耦合设计，相当于直接将蜗轮蜗杆的减速比作用到螺杆的轴向位移上，实现了螺杆位移传递的微米量级细分。顶杆通过两端高精度关节轴承支撑，可以将螺杆的轴向位移转变为小角度调节。蜗轮蜗杆既可以采用手动调节，也可以由电动机进行自动调节。自动调节通过程序控制电动机进给量，如果配合位移传感器的闭环反馈，可以进一步提高调整精度。传动装置采用了刚柔相济的布置方式，刚性联接配合有锁紧装置，柔性转动采用了消隙处理，结构紧凑，运动链简单，减少了传动误差，保证了调整精度。本发明可以单套或多套组合使用，以满足对工作台不同的角度或位移调整需要。本发明尤其适合微米量级或角秒量级中等精度的位移或角度调节场合。

附图说明

图1是本发明组合式传动可变角度微位移调节装置总体结构剖视图。

图2是本发明中手动调节蜗轮蜗杆的局部视图。

图3是本发明螺杆和顶杆第一部分调节机构的局部视图。

图4本发明顶杆第二部分调节机构的局部视图。

图5是蜗轮箱图。其中：(a)为三维图，(b)为主视图，(c)为侧视图。

图6是蜗轮箱盖图。其中：(a)为主视图，(b)为剖视图。

图7是联接轴图。其中：(a)为主视图，(b)为剖视图。

图8是蜗轮轴图。其中：(a)为剖视图，(b)为三维图。

图9是本发明中电动调节蜗轮蜗杆的局部视图。

图10电动调节的控制系统。

图11是本发明中机构调整的运动原理图。

图中标号：1为调节手柄，2为蜗杆，3为销钉，4为第一向心轴承，5为蜗轮，6为蜗轮箱，7为螺杆，8为第一螺钉，9为调节柄，10为蜗轮轴，11为第二螺钉，12为第二向心轴承，13为第三螺钉，14为平键，15为第一挡圈，16为第四螺钉，17为第五螺钉，18为联接轴，19为第一压缩弹簧，20为第一关节轴承，21为第一螺母，22为第一顶杆，23为联接螺母，24为第二螺母，25为第二顶杆，26为第六螺钉，27为第二关节轴承座，28为第二关节轴承，29为工作台，30为第四螺母，31为第二压缩弹簧，32为第三螺母，33为第一关节轴承座，34为第七螺钉，35为固定底座，36为第八螺钉，37为压板，38为蜗轮箱盖，39为第二挡圈，40为联轴器，41为步进电机，42为电机支架，43为计算机，44为控制电路，45为步进电机驱动器，46为位移传感装置，47为信号处理与控制电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明组合式传动可变角度位移调节装置作进一步说明，但不应该以此限制本发明的保护范围。

实施例1：参阅图1、图2、图3和图4。图1是本发明组合式传动可变角度位移调节装置一实施实例的总体结构剖视图，图2是本实例中蜗轮蜗杆调整的局部视图，图3是本实例中螺杆和顶杆第一部分调节机构的局部视图，图4为本实例中顶杆第二部分调节机构的局部视图。由图可见，本发明主要包括蜗轮蜗杆传动副、螺杆传动副、顶杆传动副、紧固及消隙部分、固定底座与工作台部分等。

调节手柄1通过销钉3和蜗杆2一端固定，蜗杆两侧放置在第一向心轴承4和第二向心轴承12中，两个向心轴承放置在蜗轮箱6的一对同轴孔内，并分别由第一挡圈15和第二挡圈39固定。蜗杆2和蜗轮5啮合，蜗轮5通过第二螺钉11刚性联接在蜗轮轴10的中间环形面上。蜗轮轴10一端放置在蜗轮箱6的孔中并可以转动，蜗轮轴10的另一端的环形面翼缘由压板37限制轴向位移。压板37通过第四螺钉16固定在联接轴18上，联接轴18和蜗轮箱盖38及蜗轮箱6由第五螺钉17固定。蜗轮轴10随蜗轮5转动。螺杆7和蜗轮轴10通过螺纹副联接，实现螺纹传动。螺杆7由平键14限制旋转运动，平键14由第三螺钉13固定在联接轴18的内孔中。螺杆7穿过联接轴18中空的内孔，一端通过第七螺钉34固定在第一关节轴承座33上，另一端通过第一螺钉8固定调节柄9。螺杆7上套有第一压缩弹簧19，第一压缩弹簧19一端顶在第一关节轴承座33上，另一端顶在联接轴18的内孔底面上。联接轴18由第八螺钉36固定于固定底座35上。

第一顶杆22一端放置在第一关节轴承20中，第一关节轴承20放置在第一关节轴承座33内，并由第一螺母21锁紧。第一顶杆22另一端和联接螺母23联接，并由第三螺母32锁紧。第二顶杆25一端放置在第二关节轴承28内，并由第四螺母30锁紧，第二关节轴承28放置在第二关节轴承座27内。第二关节轴承座27由第六螺钉26固定在工作台29上。第二顶杆25另一端和联接螺母23联接，并由第二螺母24锁紧。第二顶杆25上套有第二压缩弹簧31，第二压缩弹簧31一端顶在第四螺母30上，另一端顶在联接螺母23的端面上。

根据图1、图2、图3和图4，本实施实例实现手动调节的过程为：转动手柄1，蜗杆2带动蜗轮5转动；蜗轮5和蜗轮轴10同步转动，蜗轮轴10内螺纹和螺杆7通过螺纹传动，螺杆7实现轴向进退；螺杆7将进退位移量传递给第一关节轴承座33；第一顶杆22和第二顶杆25刚性联接，共同绕第一关节轴承20和第二关节轴承28转动，转动量传递给第二关节轴承座27；第一关节轴承20和第一关节轴承座33，第二关节轴承28和第二关节轴承座27由两根压缩弹簧19和31实现轴向消隙；由于第二关节轴承座27和工作台29刚性联接，实现了对工作台29的位移或角度调节。转动联接螺母23，可以调整第一顶杆22或第二顶杆25的长度。

图5、图6、图7和图8为实施例中的蜗轮箱6、蜗轮箱盖38、联接轴18和蜗轮轴10。

图9为一电动调节的实施实例，图10为本实施实例的电动调节的控制系统组成。结合图1，本实施实例的电动调节是将图1中手柄1改为步进电机41、联轴器40和电机支架42，并配合位移传感器46(如光栅尺)，计算机43、控制电路44、步进电机驱动器45、信号处理与控制电路47组成，其他组成同图1，电机支架42和固定底座35的位置相对固定。

图9和图10给出的实施实例采用闭环控制系统。驱动部分由步进电机41、计算机43、信号处理和控制电路组成。计算机43通过I/O控制电路44控制步进电机驱动器45，驱动步进电机41转动，通过联轴器40带动蜗杆转动，后继传动和角度调整同手动调节。蜗轮箱上放置位移传感器46给出螺杆的实际进给量，并经过信号处理与控制电路47反馈给计算机43，与输入量进行比较得出误差值，闭环实现对螺杆进给量的实时修正，从而控制顶杆的角度调整。

上述手动调节和电动调节，可以构成一套装置、两套装置或多套装置，分别相当于对工作台的单点、两点或多点作用。根据运动学原理，工作台可以实现多维运动，满足不通方位的角度或者位移调节需要。

图11为一套调节装置的原理图，可以手动调节或电动调节，实现的调整量可以计算如下。

(1)手动调节时：

$s=\frac{p}{i_1\×i_2}$

$\mathrm{\θ}=\frac{360}{2\mathrm{\π}}\×\arctan \frac{s}{l}\×3600$

式中s为螺杆的轴向位移分辨率(μm)；

p为螺杆的导程(mm)；

i₁为手柄刻线数；

i₂为蜗轮蜗杆传动比；

θ为工作台转角分辨率(角秒)；

l为工作台力臂长(mm)

如取模数m＝2.5，蜗轮分度圆直径为d₂＝100mm，则蜗轮齿数为：

Z₂＝d₂/m＝100/2.5＝40。

考虑到自锁和实现大传动比的需要，取蜗杆头数Z₁＝1，则蜗轮蜗杆的传动比为：

$i=\frac{Z_2}{Z_1}=40$

取手柄刻线数50，螺杆导程p＝2mm，则螺杆轴向位移分辨率为：

$s=\frac{p}{i_1\×i_2}=\frac{2}{50\×40}=1\mathrm{\μm}$

设工作台力臂长度l＝100mm，则工作台转角分辨率为：

$\mathrm{\θ}=\frac{360}{2\mathrm{\π}}\×\arctan \frac{s}{l}\×3600=\frac{360}{2\mathrm{\π}}\×\arctan \frac{0.001}{100}\×3600=2.06$ (角秒)

(2)电动调节时：

$s=\frac{p}{\frac{360}{\mathrm{\δ}}\×n\×i_2}$

$\mathrm{\θ}=\frac{360}{2\mathrm{\π}}\×\arctan \frac{s}{l}\×3600$

式中δ为电机步距角(度)；

n为电机驱动细分数；

其他变量含义同手动调节。

同样取蜗轮蜗杆传动比为40，螺杆导程为2mm，工作台力臂长100mm，电机步距角为1.8°，电机驱动细分数为4，则可以得到计算结果如下：

$s=\frac{p}{\frac{360}{\mathrm{\δ}}\×n\×i_2}=\frac{2}{\frac{360}{1.8}\×4\×40}=0.0625$ 微米

$\mathrm{\θ}=\frac{360}{2\mathrm{\π}}\×\arctan \frac{s}{l}\×3600=\frac{360}{2\mathrm{\π}}\×\arctan \frac{0.0000625}{100}\×3600=0.129$ (角秒)

因此，电动调节能够达到更高的运动精度。考虑实际制造和装配误差等因素，本发明可以达到微米位移量和角秒量级角度调节的分辨率要求。

Claims (5)

1、一种组合式传动可变角度微位移调节装置，由调节部件、蜗杆(2)、第一向心轴承(4)、蜗轮(5)、蜗轮箱(6)、螺杆(7)、调节柄(9)、蜗轮轴(10)、第二向心轴承(12)、第一挡圈(15)、联接轴(18)、第一顶杆(22)、第二顶杆(25)、固定底座(35)和第二挡圈(39)组成；其特征在于：

调节部件通过销钉(3)固定于蜗杆(2)一端，蜗杆(2)两侧分别位于第一向心轴承(4)和第二向心轴承(12)中，第一向心轴承(4)和第二向心轴承(12)位于蜗轮箱(6)的一对同轴孔内，并分别通过第一挡圈(15)和第二挡圈(39)固定；蜗杆(2)和蜗轮(5)啮合，蜗轮(5)通过第二螺钉(11)固定于蜗轮轴(10)的中间环形面上，蜗轮轴(10)一端放置于蜗轮箱(6)的孔中，蜗轮轴(10)另一端环形面翼缘由压板(37)限制轴向位移；压板(37)通过第四螺钉(16)固定于联接轴(18)上，联接轴(18)通过第五螺钉(17)分别连接蜗轮箱盖(38)和蜗轮箱(6)；

螺杆(7)和蜗轮轴(10)通过螺纹副连接，螺杆(7)上沿轴向开有轴向长度的平键槽，平键(14)位于该平键槽内，平键(14)通过第三螺钉(13)固定于联接轴(18)内孔中，螺杆(7)穿过联接轴(18)中空的内孔，一端通过第七螺钉(34)固定于第一关节轴承座(33)上，另一端通过第一螺钉(8)固定于调节柄(9)，螺杆(7)上套有第一压缩弹簧(19)，第一压缩弹簧(19)一端顶在第一关节轴承座(33)上，另一端固定于联接轴(18)内孔底面上，联接轴(18)通过第八螺钉(36)固定于固定底座(35)上；

第一顶杆(22)一端放置于第一关节轴承(20)中，第一关节轴承(20)放置于第一关节轴承座(33)内，并由第一螺母(21)锁紧，第一顶杆(22)另一端连接联接螺母(23)，并由第三螺母(32)锁紧，第二顶杆(25)一端放置于第二关节轴承(28)端面上，第二关节轴承(28)放置于第二关节轴承座(27)内，并由第四螺母(30)锁紧，第二顶杆(25)另一端通过第二螺母(24)固定于联接螺母(23)上，第二顶杆(25)上设有第二压缩弹簧(31)，第二关节轴承座(27)由第六螺钉(26)固定于工作台(29)。

2、根据权利要求1所述的组合式传动可变角度微位移调节装置，其特征在于所述调节部件采用调节手柄(1)。

3、根据权利要求1所述的组合式传动可变角度微位移调节装置，其特征在于所述调节部件采用电动调节，由电动机、联轴器(40)、电机支架(42)、计算机(43)、控制电路(44)、电机驱动器、位移传感器(46)、信号处理与控制电路(47)组成，其中：电动机由电机支架(42)固定，电动机连接联轴器(40)，联轴器(40)连接蜗杆(2)，计算机(43)依次连接控制电路(44)、电机驱动器和电动机，电动机连接位移传感器(46)，位移传感器(46)连接信号处理与控制电路(47)，信号处理与控制电路(47)连接计算机(43)。

4、根据权利要求3所述的组合式传动可变角度微位移调节装置，其特征在于所述电动机采用步进电机(41)。

5、根据权利要求3所述的组合式传动可变角度微位移调节装置，其特征在于所述电机驱动器采用步进电机驱动器(45)。

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