CN102537253A - 一种增力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增力装置，包括：机座(18)；设置在机座(18)上的滚珠丝杠(16)，滚珠丝杠(16)上套设有滚珠螺母(15)；与滚珠螺母(15)连接，具有斜楔结构的推力块(17)，且推力块(17)斜面的角度不大于45度；通过斜面滚动导轨副(24)设置在推力块(17)斜面上的增力块(25)；用来驱动滚珠丝杠(16)的伺服电机(11)。本装置，通过将伺服电机和滚珠丝杠副以及斜楔机构进行了有效的结合，能够实现输入很小的驱动力，得到很大的输出力，往复运动，从而解决驱动动力源及传动装置的结构复杂、能耗大的问题，结构简单，增力比的计算简单，能够在精密的成形机械中实现位移、速度和输出力的精确控制。

Description

一种增力装置

技术领域

本发明涉及动力装置技术领域，特别涉及一种增力装置。

背景技术

很多场合需要输出很大的力(几吨、几百吨到几千吨甚至上万吨)来完成一项工作，如压力机(机械压力机、液压机、螺旋压力机和平锻机，以及冲压机、矫正机、剪切机、锻造操作机)、注塑机、静压桩机和摩擦焊机等。而驱动动力源能够提供的力的大小是有限的，这时就需要一些装置来对力进行增大。现有的主动力驱动方式主要包括液压式和机械式，其中机械式还包括伺服式，相对于全液压式，不采用液压系统而全部用电机和机械结构来实现，节能环保，伺服控制技术能够对力、位移、速度等参数进行闭环控制，实现很高的控制精度，这是普通的电机调速是无法实现的。其传动特点是，伺服电机+增力机构+传动机构(螺旋传动或圆盘传动)+增力机构+施力部件。这些增力机构包括利用齿轮或皮带减速、螺旋机构、肘杆机构和曲柄连杆机构等等方式。

其中，由于曲柄连杆机构的运动规律较好，且结构简单，制造容易，增力比大，因而得到了较广泛的应用。这里就以曲柄连杆机构为例。

①增力比，如图1所示，假设杆BC的受力为F，滑块产生的压力为Q。分别以滑块和摇杆为研究对象，并由静力和静力矩平衡方程可得：Q*m/cosα＝F*l

则该机构的增力比可表示为：i＝Q/F＝l*cosα/m                    (1)

式中：i为增力比；

m为铰链D到杆CE的距离，mm；

l为铰链D到杆BC的距离，mm；

α为杆CE与滑块导轨DE间的夹角。

②数学模型，如图1所示，与各杆件长度有关的尺寸为a，b，c，d，e，f，转角分别为θ1，θ2，θ3，则由矢量方程a+b+c＝e+f在水平和垂直方向的投影可得：

$\left\{\begin{array}{c}a\cos \mathrm{\θ}1+b\cos \mathrm{\θ}2=e+c\sin \mathrm{\θ}3\\ a\sin \mathrm{\θ}1-b\sin \mathrm{\θ}2=f-c\cos \mathrm{\θ}3\end{array}\right.---\left(2\right)$

消去式(2)中的θ2，并经整理可得：

(2accosθ1-2ce)sinθ3+(2cf-2acsinθ1)cosθ3＝a2-b2+c2+e2+f2-2aecosθ1-2afsinθ1                                            (3)

令 $\left\{\begin{array}{c}K=2\mathrm{ac}\cos \mathrm{\θ}1-2\mathrm{ce}\\ L=2\mathrm{cf}-2\mathrm{ac}\sin \mathrm{\θ}1\\ M=a2-b2+c2+e2+f2-2\mathrm{ae}\cos \mathrm{\θ}1-2\mathrm{af}\sin \mathrm{\θ}1\end{array}\right.---\left(4\right)$

则式(3)可改写为：

Ksinθ3+Lcosθ3＝M                                         (5)

解式(5)可得：

θ3＝arcsin【M/(K2+L2)1/2】-arctanL/K                      (6)

在ΔCDE中，若θ3，c，d已知，则由正弦定理可知：

α＝arcsin【csinθ3/d】                                    (7)

又B点的坐标为(-acosθ1，asinθ1)，D点的坐标为(-e，f)，则线段BD的长度LBD为：

LBD＝【(acosθ1-e)2+(asinθ1-f)2】1/2                      (8)

在ΔBCD中，根据余弦定理便可求得β，其值为：

β＝arccos【b2+c2-L2BD/2bc】                               (9)

因此由图1可知：

$\left\{\begin{array}{c}m=c\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ}3)\\ l=c\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(10\right)$

将上式代入式(1)可得：

i＝sinβcosα/sin(α+θ3)                                  (11)

因此，当已知曲柄的转角θ1时，即可求得如图1所示的曲柄增力机构的增力比。

从上面数学模型的建立过程来看，曲柄增力机构增力比的求解过程相当繁琐，往往需要几十组基础数据才能确定最优的杆系长度和最大的增力比。在以往曲柄增力机构的设计中，多采用试凑法：即先根据经验粗定各杆长度，再按比例画出机构运动简图，并量出α角为不同值时的l、m值或β、θ3值，然后代入式(1)或式(11)算出相应的增力比i值。如i值不能满足设计要求，则需调整各杆的长度值重新作图计算。由此可见，设计过程相当繁琐，效率低，而且由于量出的l，m，α，β，θ3值本身固有的误差，计算出的i值也不太准确。而采用数值模拟方法则简单方便得多，而且计算结果更为准确可靠。----摘自《曲柄增力机构的模拟设计》，罗善明，《机械科学与技术》，2002年5月。

另外，从结构角度来看增力过程结构件比较多。从动力驱动输入到力的执行部件，其结构件都有：驱动电机-铰链(A)-曲柄(1)-铰链(B)-连杆(2)-铰链(C)-摇杆(3)-铰链(D)-连杆(4)-铰链(E)-滑块(5)，共有11个部件。结构复杂，影响传动效率，制造相对困难。

类似的，在肘杆机构中也存在这样的问题。

另外，在伺服电机驱动的成形装备中，广泛采用螺旋机构将旋转运动转换为直线运动。鉴于伺服传动的要求，目前多采用滚珠丝杠。但滚珠丝杆承载能力毕竟有限，而且价格昂贵，开发低成本重载高效精密螺旋副成了伺服成形装备亟待解决的问题之一。出路之一是开发重载滚动丝杠，但是其承载能力还是无法满足几百吨到上千吨的大型成形设备上；其次是开发新型高效重载精密滑动螺旋副。而新型滑动螺旋传动副的开发有3个方面的关键技术要突破：一是开发新的耐磨减摩材料和制备技术，除金属材料外，还可考虑非金属材料、复合材料等；二是改进螺母结构，使载荷分布更加均匀；三是改善润滑条件，采用特殊制造工艺，在螺旋副中形成高效润滑流道。----摘自《交流伺服压力机及其关键技术》，孙友松，周先辉，黎勉，魏良模，黄开胜，何宏肃，《锻压技术》，2008年8月。

因此，如何提供一种增力装置，结构简单，增力比的计算简单，能够在精密的成形机械中实现位移、速度和输出力的精确控制，成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种增力装置，结构简单，增力比的计算简单，能够在精密的成形机械中实现位移、速度和输出力的精确控制。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种增力装置，包括：

机座；

设置在所述机座上的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠上套设有滚珠螺母；

与所述滚珠螺母连接，具有斜楔结构的推力块，且所述推力块斜面的角度不大于45度；

通过斜面滚动导轨副设置在所述推力块斜面上的增力块；

用来驱动所述滚珠丝杠的伺服电机。

优选的，所述滚珠丝杠通过丝杠支撑件和丝杠支撑座安装在所述机座上。

优选的，所述伺服电机通过联轴器连接于所述滚珠丝杠。

优选的，还包括固定在所述机座上，连接于所述推力块的限位装置。

优选的，所述限位装置包括：

连接于所述推力块的限位杆；

套设在所述限位杆上的限位套；

安装在所述机座上，用来固定所述限位杆和所述限位套的限位座。

优选的，所述斜面滚动导轨副包括：

连接在所述推力块上的固定导轨板；

连接在所述增力块上的移动板；

通过连接键和连接螺钉与所述移动板连接在一起的移动小板；

设置在所述移动板和所述固定导轨板之间的第一滚针；

设置在所述移动小板和所述固定导轨板之间的第二滚针。

优选的，所述第一滚针和所述第二滚针的数量均为相对设置的2列。

优选的，还包括：

设置在所述机座和所述推力块两侧的推力块下导轨副和推力块上导轨副；

设置在所述机座和所述增力块两侧的增力块右导轨副和增力块左导轨副。

优选的，所述推力块下导轨副、所述推力块上导轨副、所述增力块右导轨副和所述增力块左导轨副均为滚动导轨副。

优选的，所述推力块的具体数量为2个，分别为第一推力块和第二推力块，所述第一推力块的一端连接于所述伺服电机，另一端具有斜楔结构，所述第二推力块的一端通过第一斜面滚动导轨副设置在所述第一推力块的斜面上，另一端也具有斜楔结构，所述增力块通过第二斜面滚动导轨副设置在所述第二推力块的斜面上。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的增力装置，通过将伺服电机和滚珠丝杠副以及斜楔机构进行了有效的结合，结构简单，增力比的计算简单，能够在精密的成形机械中实现位移、速度和输出力的精确控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中曲柄连杆增力机构的结构形式及运动分析简图；

图2为本发明实施例提供的增力装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的增力装置推力块和增力块的受力分析图；

图4为本发明实施例提供的增力装置的推力块的受力分析图；

图5为本发明实施例提供的增力装置的增力块的受力分析图；

图6为本发明实施例提供的增力装置的斜面滚动导轨副的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的增力装置的斜面滚动导轨副的侧视图；

图8为图2沿B-B的截面图；

图9为图2沿A-A的截面图；

图10为本发明实施例提供的增力装置的滚动导轨副和静压导轨组合使用的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的增力装置的静压导轨的结构示意图；

图12为本发明实施例提供的具有两个串联斜楔结构推力块的增力装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种增力装置，结构简单，增力比的计算简单，能够在精密的成形机械中实现位移、速度和输出力的精确控制。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2，本发明实施例提供的增力装置，包括：

机座18，用来固定安装在地面或者相应的台面和机台上；

设置在机座18上的滚珠丝杠16，滚珠丝杠16上套设有滚珠螺母15；

与滚珠螺母15连接，具有斜楔结构的推力块17，且推力块17斜面的角度不大于45度。滚珠丝杠16旋转，并使其上的滚珠螺母15进行直线运动，滚珠螺母15再推动推力块17，从而将滚珠丝杠16的回转运动转变为直线运动；

通过斜面滚动导轨副24设置在推力块17斜面上的增力块25，推力块17通过斜面滚动导轨副24再推动增力块25作直线运动；

用来驱动滚珠丝杠16的伺服电机11，与传统的液压系统驱动相比，伺服电机11具有复合性、高效性、高精度、高柔性、低噪声、节能环保等优点。

从动力驱动输入到力的执行部件，其结构件都有：伺服电机11-联轴器12-滚珠丝杠16-滚珠螺母15-推力块17-斜面滚动导轨副24-增力块25，共有7个部件，结构简单。

现在来分析一下推力块17和增力块25的受力情况，如图3、图4和图5所示，由推力块17的受力分析，F₀’＝F₀/Sinα                (12)

由增力块15的受力分析，可知F₁＝F₀’*Cosα              (13)

由式(12)和式(13)：F₁＝F₀*Cosα/Sinα＝Ctgα*F₀        (14)

增力比：i＝F₁/F₀＝Ctgα                               (15)

当0°≤α≤45°，F₁≥F₀；例如：α＝2°，i＝28.6；α＝5°，i＝11.4；α＝10°，i＝5.67，即可实现力的增大；

当45°≤α≤90°，F₁≤F₀；

当α→0°时，F₁→∞；

当α→90°时，F₁→0。

由此可知，斜楔机构的增力比的计算很简单，只与斜面的角度有关，一旦机构的角度确定，其增力比为常数。

又由滚珠丝杠副的力传递公式可知：F₀＝2×10³πM/h       (16)

式中，M-伺服电机转矩，Nm，h-滚珠丝杠螺距，mm。

由(14)和(16)，F₁＝2×10³π*M*Ctgα/h＝K*M(K为常数)    (17)

由式(17)可知，机构的输出力F₁与伺服电机的转矩M成正比，与滚珠丝杠的螺距h和斜面的角度α成反比，结构一旦定型，Ctgα/h为一个常数，增力块的输出力只与伺服电机的转矩有关。相对的作用为：伺服电机的驱动力可以减小tgα(省力、节能)；滚珠丝杠的承载能力被增大Ctgα倍(大输出力成为可能)。

综上所述，本发明实施例提供的增力装置，通过将伺服电机和滚珠丝杠副以及斜楔机构进行了有效的结合，能够实现输入很小的驱动力，得到很大的输出力，往复运动，与传统结构相比，结构简单，传动效率高，传动刚度好，更容易实现，增力比的计算简单，从而解决驱动动力源及传动装置的结构复杂、能耗大的问题，机构所输出的力、速度与驱动输入量(转矩、转速)呈线性关系，能够在精密的成形机械中实现位移、速度和输出力的精确控制。

如图2所示，滚珠丝杠16通过丝杠支撑件13和丝杠支撑座14安装在机座18上。其中，丝杠支撑件13套装在滚珠丝杠16上，丝杠支撑座14与机座18相对的部分分别开设有螺纹孔，通过螺钉将丝杠支撑座14安装在机座18上。

如图2所示，伺服电机11通过联轴器12连接于滚珠丝杠16。联轴器12将伺服电机11和滚珠丝杠16的两根轴联接起来，使之共同旋转以传递扭矩，在高速重载的动力传动中，还具有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用

滚珠螺母的位移为L₀＝n*h，式中，n-伺服电机会转图数；h-滚珠丝杠螺距；机构的位移L₁＝tgα*L₀＝n*h*tgα＝K*n(K为常数)。由此可见，h*tgα＝K为一个常数，机构的位移只与伺服电机的回转图数有关。

本增力装置是有限行程增力，也就是说，当推力块17移动L₀距离的过程中，增力块25在距离L₁的行程范围之内实现增力，其关系为L₁/L₀＝tgα。本发明实施例提供的增力装置，还包括固定在机座18上，连接于推力块17的限位装置。

具体的，限位装置包括：连接于推力块17的限位杆19；套设在限位杆19上的限位套21；安装在机座18上，用来固定限位杆19和限位套21的限位座20。

请参照图2，在推力块17的右端固定限位杆19，限位杆19穿过限位座20后再套上限位套21并固定，当推力块17向左移动时，限位杆19上的限位套21被挡在限位座20的右端，推力块17停止向左移动；当当推力块17向右移动时，推力块17的右端被挡在限位座20的左端，推力块17停止向右移动；那么，这两个限位形成了推力块17的行程L₀的左右限位，使得推力块在行程L₀的范围内移动，实现增力块25在行程L₁范围内的增力。

如图6和图7所示，斜面滚动导轨副24包括：连接在推力块17上的固定导轨板37；连接在增力块25上的移动板31；通过连接键33和连接螺钉34与移动板31连接在一起的移动小板36；设置在移动板31和固定导轨板37之间的第一滚针32；设置在移动小板36和固定导轨板37之间的第二滚针35。以减小摩擦阻力。当推力块17通过斜面推动增力块25的时候，移动板31和固定导轨板37之间的滚针32进行滚动并受力，当推力块17通过斜面带增力块25往回移动时，移动小板36和固定导轨板37之间的滚针35进行滚动并受力，从而实现了往复运动，从而使得在频繁往复运动的精密大重型成形机械上的应用成为可能。

为了进一步优化上述的技术方案，第一滚针32和第二滚针35的数量均为相对设置的2列。当然，还可以根据具体使用情况，设置更多的滚针或者改变其位置。

根据受力分析可知，推力块17移动并通过斜面推动增力块25时，推力块17的上下面和增力块25的左右面以及斜面均受不同的力，自然产生一定的摩擦阻力，从而影响传动效率，为了减小其摩擦阻力，在上述接触面上布置导轨副，以减小摩擦阻力，提高传动效率。请参照图8和图9，本发明实施例提供的增力装置，还包括：

设置在机座18和推力块17两侧的推力块下导轨副22和推力块上导轨副23；

设置在机座18和增力块25两侧的增力块右导轨副26和增力块左导轨副27。

进一步的，如图8和图9所示，推力块下导轨副22、推力块上导轨副23、增力块右导轨副26和增力块左导轨副27均为滚动导轨副。如果滚动导轨副的承载能力受到限制的时候，也可以采用静压导轨来代替，见图11，或滚动和静压相组合，见图10。

上面的实施例中都是一个斜面一次增力，还可以用两个斜面(串接)二次增力来替代，扩大增力比。如图12所示，推力块17的具体数量为2个，分别为第一推力块17-1和第二推力块17-2，第一推力块17-1的一端连接于伺服电机11，另一端具有斜楔结构，第二推力块17-2的一端通过第一斜面滚动导轨副设置在第一推力块17-1的斜面上，另一端也具有斜楔结构，增力块25通过第二斜面滚动导轨副设置在第二推力块17-2的斜面上。

另外，在结构布置上，还可以用两个增力装置并接的方式，来缓解单个装置的承载压力。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种增力装置，其特征在于，包括：

机座(18)；

设置在所述机座(18)上的滚珠丝杠(16)，所述滚珠丝杠(16)上套设有滚珠螺母(15)；

与所述滚珠螺母(15)连接，具有斜楔结构的推力块(17)，且所述推力块(17)斜面的角度不大于45度；

通过斜面滚动导轨副(24)设置在所述推力块(17)斜面上的增力块(25)；

用来驱动所述滚珠丝杠(16)的伺服电机(11)。

2.根据权利要求1所述的增力装置，其特征在于，所述滚珠丝杠(16)通过丝杠支撑件(13)和丝杠支撑座(14)安装在所述机座(18)上。

3.根据权利要求1所述的增力装置，其特征在于，所述伺服电机(11)通过联轴器(12)连接于所述滚珠丝杠(16)。

4.根据权利要求1所述的增力装置，其特征在于，还包括固定在所述机座(18)上，连接于所述推力块(17)的限位装置。

5.根据权利要求4所述的增力装置，其特征在于，所述限位装置包括：

连接于所述推力块(17)的限位杆(19)；

套设在所述限位杆(19)上的限位套(21)；

安装在所述机座(18)上，用来固定所述限位杆(19)和所述限位套(21)的限位座(20)。

6.根据权利要求1所述的增力装置，其特征在于，所述斜面滚动导轨副(24)包括：

连接在所述推力块(17)上的固定导轨板(37)；

连接在所述增力块(25)上的移动板(31)；

通过连接键(33)和连接螺钉(34)与所述移动板(31)连接在一起的移动小板(36)；

设置在所述移动板(31)和所述固定导轨板(37)之间的第一滚针(32)；

设置在所述移动小板(36)和所述固定导轨板(37)之间的第二滚针(35)。

7.根据权利要求6所述的增力装置，其特征在于，所述第一滚针(32)和所述第二滚针(35)的数量均为相对设置的2列。

8.根据权利要求1所述的增力装置，其特征在于，还包括：

设置在所述机座(18)和所述推力块(17)两侧的推力块下导轨副(22)和推力块上导轨副(23)；

设置在所述机座(18)和所述增力块(25)两侧的增力块右导轨副(26)和增力块左导轨副(27)。

9.根据权利要求8所述的增力装置，其特征在于，所述推力块下导轨副(22)、所述推力块上导轨副(23)、所述增力块右导轨副(26)和所述增力块左导轨副(27)均为滚动导轨副。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的增力装置，其特征在于，所述推力块(17)的具体数量为2个，分别为第一推力块(17-1)和第二推力块(17-2)，所述第一推力块(17-1)的一端连接于所述伺服电机(11)，另一端具有斜楔结构，所述第二推力块(17-2)的一端通过第一斜面滚动导轨副设置在所述第一推力块(17-1)的斜面上，另一端也具有斜楔结构，所述增力块(25)通过第二斜面滚动导轨副设置在所述第二推力块(17-2)的斜面上。

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