CN102537254A - 循道式滑块 - Google Patents

Abstract

一种循道式滑块，在现有滚珠丝杆机构基础上增加了调速滚道和滚道驱动轴，能在丝杠或套筒匀速运转的情况下，改变二者之间的轴向运动速度和相对转速；主要由外套筒、滚珠套筒、滚道、滚道驱动轴、丝杠、滚珠循环连接管、同步齿轮、滑动齿轮、动力齿轮、调速齿轮组成；滚道驱动轴压在循环滚道上，以其表面摩擦和剪切力驱动循环滚道旋转盘旋回转，使循环滚道形成规整螺旋圈包罗和支撑滚珠；循环滚道在驱动轴的挤压和旋转驱动下沿着螺旋筒的旋转轨道盘旋旋转，在滚珠套筒端面露出，然后再以同向或反向盘旋的形式折返，在驱动轴的外侧盘旋到达另一端，然后重新沿螺旋筒盘旋旋转，形成连续的闭合环；因滚道对滚珠套筒的盘旋转动速度可调，使滚珠的循环不在必然引起套筒的轴向运动。

Description

循道式滑块

本发明涉及一种机械机构，是一种轴向运行速度可调的滑块或运输装置的输送机构。

背景技术：

随着工业技术的进步，当今的材料技术和工艺水平都有了很大提高，足以支持对传统的滚珠丝杠副的改良，拓展其功能及应用范围，创造出新的机械机构。

发明内容：

本发明涉及的滑块机构，是在现有的滚珠丝杠副基础上增加了循环滚道和滚道驱动机构，能在丝杆(或套筒)匀速运转的情况下，改变二者之间的相对运动状态。

本发明所谓的滑块，是指在丝杆固定的情况下，滚珠丝杠副(改良后的)中其他构件(或机构)相对丝杆运动，称之为滑块。

本发明的理论模型，是在滚珠丝杠副(简称传统丝杠)正常运转的基础上再给机架一个旋转速度，使丝杆(或套筒)在原有的轴向运动基础上再增加一个旋转动作，使丝杆(或套筒)的动作表现为旋转式行进。在现有的滚珠丝杠副上增加循环滚道后，使滚珠在丝杆滚道和循环滚道之间滚动，即用滚道的循环替代传统丝杠之套筒的旋转，而本发明之套筒的旋转则相当于机架的旋转；通过调节循环滚道相对套筒的循环速度，干预了滚珠相对套筒的循环速度和滚珠相对丝杆的循环速度，打破了传统丝杆副(滑块)行程与(丝杆)转角之间的固定关系，进而调节丝杆与套筒之间的相对运动状态。通过调速，可实现滑块(或丝杆)的匀速进退、变速进退、旋转进退等功能，还能拓展为无滚珠嵌体的滑块。以下以套筒在固定位上主动旋转(相对丝杆)为例进行阐述。

本滑块机构，主要由外套筒机构、滚珠套筒机构、循环滚道机构、滚道驱动机构、丝杆组成(图1)。

滚珠套筒机构，主要由滚珠套筒(简称套筒)、套筒齿轮(简称动力齿轮)、套筒机架等组成；循环滚道机构主要由循环滚道(简称滚道)、滚动杆(简称轴滚)、辅助循环滚珠(简称辅助滚珠)组成；滚道驱动机构主要由驱动杆、调速齿轮机构、驱动机构机架等组成。

套筒在动力齿轮的带动下承载着循环滚道机构、滚道驱动机构及丝杆等转动，对循环滚道形成扭转力和轴向推力；

在滚道驱动机构的驱动下，滚道沿套筒内的循环滚道孔循环，并通过滚珠传力对丝杆形成扭转力(周向力)和轴向推力；调整循环滚道相对于套筒的循环速度，即实现丝杆相对套筒运动状态(转速、直线移动速度)的变化，达到调速目的。

外套筒套在滚珠套筒机构之外，是将本滑块机构套装起来的外设机构，主要由外套筒(圆筒或设有圆孔的立体)和平衡构件组成，套筒沿机架滑动。在套筒机构作为滑块使用时(尤其在套筒相对于丝杆有旋转的情况)，外套筒相对机架只做线性运动，使滑块表现为只有轴向滑移的滑块或移动平台；外套筒是滚珠套筒的机架；平衡构件是约束外套筒的转动和横向自由度的支架(可沿机架做轴向滑动)。

本滑块之关键构件之间的依存关系为：外套筒内套装滚珠套筒，滚珠套筒内套装丝杆，循环滚道在套筒内循环，其内圈螺旋体与丝杆贴近(或接触)；循环滚道在套筒内壁形成螺旋状滚道，替代传统滚珠丝杠副套筒的滚道；滚珠嵌合在丝杆和循环滚道之间，是滚动的中间传力体。套筒与丝杆之间的传力顺序(图7)是滚珠套筒——滚道——滚珠——丝杆。

滚珠套筒机构

滚珠套筒机构主要由动力齿轮组、套筒组成，动力齿轮组用以驱动套筒旋转。滚珠套筒机构安装在外套筒或机架上(不设外套筒的情况下)。

套筒

套筒是刚性圆筒(图2)，筒壁上设滚道孔(分为滚道孔、循环孔)、辅助滚珠滚道(简称辅助滚道)、滚动轴孔、驱动轴孔等；套筒外安装动力齿轮组的从动轮，循环滚道机构、驱动机构的驱动轴(含驱动齿)均安装在筒壁内，丝杆设在套筒孔中；套筒安装在机架或外套筒上，可相对旋转(在将套筒机构作为滑块使用时，假定丝杆固定，套筒套接在丝杆上)。左图，表示滚道分成两层(圈)，内层与套筒内壁相交，外圈设在套筒壁中；右图，滚道在滚道孔中穿行循环，形成内外两层螺旋体。

滚道孔是以套筒中线为旋转轴心的螺旋状孔，分为内外两层(内层为滚珠滚道孔，简称滚道孔，两层螺旋体盘旋方向相反。

轴滚安装在滚动轴(即轴滚)孔内，轴滚用以径向挤压滚道。

另外，螺旋体在长期运行和受热后会膨胀伸长，会影响内螺旋体对丝杆的缠裹能力，若使外螺旋体的半径加大，可解决。

齿轮组

齿轮组是驱动套筒旋转的动力机构(图3)，主要由安装在机架上的动力轴和主动齿轮及安装在套筒上的从动齿轮组成，主动齿轮以机架为支撑驱动从动齿轮，进而带动套筒旋转。

循环滚道机构

循环滚道机构是设在套筒壁钟的机构，主要由滚道、辅助滚珠、轴滚组成；滚道沿滚道孔和循环孔穿行循环，辅助滚在滚道两侧随之滚动循环。

滚道

滚道是可横向弯曲的刚质(是指其横向不可压缩、纵向低伸缩量)弹性(是指可产生横向弹性弯曲和纵向弹性扭转)条状体，滚道在滚道孔和循环孔形成内外相套的两个螺旋体，两螺旋体首尾相接，形成闭合环；滚道的横截面(图4、图9)以矩形为基础形状，然后在其四面上设置各种构造；其底口设有凹陷的滚珠滚道的槽沟(圆形缺口)；辅助滚道缺口设于两侧(也可省略)；上部设驱动齿(条)和滚压肋，截面呈“凸”(或“凹”)字形。

滚道齿条的上顶面不高出肋的表面；滚道齿条与滚道驱动轴上的轮齿相啮合，齿条带动滚道旋转循环；滚道肋与驱动轴的轴面(肋之外的区域)接触，传递驱动轴对滚道的径向挤压(方向指向轴心或向外发散)力。

因滚道的内圈螺旋体和外圈螺旋体的直径不同，在基准螺旋体(螺旋体未安装之前的形状，主指径向尺寸)分别进入滚道孔和循环孔时，会被扩张或压缩，因此产生向内收缩或向外扩展的弹性恢复力。

靠滚珠滚动循环传力的传统滚珠丝杠副，滚珠受到的套筒驱动力的方向与套筒滚道呈一定夹角(与之相对应，滚珠的循环还受到丝杆在轴向和周向两个方向的阻力影响)，涉及到滚珠的变形对滚珠滚动循环的影响，故其滚道升角不能太大，受到限制，而维持滚珠循环的周向力会使滚珠产生不必要的变形；采用循环滚道后，滚珠受滚道同向的驱动力，其循环消耗大大减小，滚道升角不再是制约滚珠循环的因素；同时，滚道对滚珠的周向分力的功能发生了变化，形成对丝杆的扭转力。

滚道螺旋体(及其对应的丝杆滚珠槽)的升角对滚珠传递径向力和周向力的效果有直接影响；升角小，滚珠受套筒的轴向推力大而周向推力小，利于滚珠沿丝杆基圆作周向滚动，也对传递轴向力有利；升角大，滚珠受套筒轴向的推力小而周向推力大，利于滚珠沿丝杆基圆的滚动，对传递周向力有利；通过调整螺旋体升角，可控制滚珠循环、套筒旋转、丝杆旋转行进三者的对应关系，以获得具选择性的个性化的滑块。

滚珠嵌合在滚道螺旋体和丝杆之间传力，若取消滚道螺旋体和丝杆之间的滚珠，本机构也成立。

因驱动齿轮驱动外圈螺旋体时能对内圈螺旋体产生牵拉，丝杆被内圈螺旋体缠裹紧，使两者间产生摩擦力，在两者表面摩擦系数较大的前提下，即便取消丝杆上的螺旋槽，滚道的(摩擦力)轴向分力和周向分力也能驱动丝杆做旋转运动和轴向运动，形成无滚道嵌体的滑块机构。

滚道滚道螺旋体的径向尺寸，以轴滚的支撑(径向力)和滚道孔的螺旋形状为基础，若将轴滚的支撑位置设成阶梯式或设成阶梯式轴滚(图14)，则滚道螺旋体就会变成由小(半径)到大的渐变螺旋体(孔道也需随之改变)，即由渐变螺旋体形成的表面呈渐开(或渐缩)得锥状或陀螺体形状。另外，若在套筒端部顺滚道条盘旋扩张的线路加设倾斜(相对套筒轴心线)的轴滚，使滚道条贴紧轴滚，滚道条则会扭转着盘旋扩张(辅助滚道随之相应扭转)，则滚道条底面也相对套筒轴倾斜(图12)；若用循环滚珠替代倾斜轴滚的支撑，则两侧的滚珠控制滚道的扭转和展开，上顶的滚珠向外顶撑滚道。

辅助滚珠

辅助滚珠是沿辅助滚道循环的滚珠，其循环方式、循环孔的设置方式同现有的滚珠丝杠；滚珠在辅助滚道和循环滚道之间(交汇口)滚动，传递轴向力(在滚道设有供辅助滚珠运行的辅助滚道时，也可传递径向力)，同时也减小滚道摩擦力和保持螺旋体螺距不变。

轴滚

轴滚是安装在滚轴孔里的柱状刚形体，以套筒为支点向滚道施加径向力，限定内圈滚道的最大直径和外圈滚道的最小直径。

根据滚道所选用的(基)准螺旋体的不同(指半径)和驱动轴设置位置的不同，轴滚的设置应作相性变化或省略不设；若准螺旋体的直径为大于外圈螺旋体直径，则滚道螺旋体具胀大的势能。

若在外圈螺旋的圆面(内圆面或外圆面)上设定位轴滚(图10)，则外螺旋体上的辅助滚珠可以省略(在驱动轴设在外螺旋体上时，是部分省略)。定位轴滚是设有与螺旋体升角相同的螺旋槽沟的圆柱体，滚道体嵌入螺旋槽沟中，螺旋体的循环旋转带动定位轴转动，形成连续嵌合，两者滚动接触并控制滚道螺旋体的螺距。槽沟的深度大于(设在内圆面时是小于)螺旋体外缘，在螺旋体伸张时起调节作用。此外，在驱动轴设在外圈螺旋体上时，有一定数量的轴滚与驱动轴形成对挤，而该范围的滚道是经循环孔(此时，该孔仅设在驱动轴覆盖的范围)穿过，经这两种约束，以及滚道固有的恢复基准螺旋体特性(若基准螺旋体的半径等于滚道外圈螺旋体，在滚道穿出内圈螺旋体后会自动回复到基准形态，即螺旋体半径恢复到由轴滚确定的外圈螺旋体的半径)，即使不设定位轴滚，也能产生等于外圈螺旋体半径的螺旋体，此时，只需设轴向的挡卡即可(图15)。

另外，因轴滚的主要作用是向滚道施加径向力，以保持滚道螺旋体的半径不变，所以，若将滚道孔与轴滚交汇形成的螺旋状交汇口连通，设成供滚珠循环的通道(另设为一个单独的循环体系)，以循环滚珠替代(图8)轴滚(与驱动轴形成对挤的轴滚除外)，可同样可保障滚道的正常运行。另外，若以轴滚替代上述各滚珠，则循环滚道的折转要考虑到轴滚的圆柱形特性。

滚道驱动机构

滚道驱动机构向滚道施加驱动力的机构，主要由驱动齿、驱动轴、驱动轴端部齿轮(简称端齿轮)、同步齿轮、滑动齿轮、调速齿轮等组成。驱动齿和驱动轴安装在套筒上的驱动轴轴孔内，相对套筒壁和滚道旋转，与滚道形成啮合(驱动齿与滚道上的齿条啮合传力)驱动或摩擦(在不设驱动齿时，靠驱动轴和滚道的接触摩擦传力)驱动(图11)，使滚道产生循环运动；端齿轮、同步齿轮、滑动齿轮、调速齿轮等组成调速装置，将调速动力源的动力经调速和空间位置的变换，输送到驱动轴上。

设在滚道外圈螺旋体圆面(驱动齿与滚道螺旋体形成的柱面上的齿条啮合(图6))上的驱动齿，能对内圈滚道螺旋体形成牵拉(图5)，收紧内圈螺旋体，使其半径变小，进而加大对滚珠的挤压力度(滚珠的变形增大)，使滚珠的循环阻力增大。可利用此特点调节丝杆(或滑块)的轴向移动速度和转速。

端齿轮安装在驱动轴(露出套筒)的端部，与同步齿轮内切啮合；同步齿轮是设有内外齿的圆环形齿轮，安装在机架上，其内齿轮同时内切(啮合)套筒上的端齿轮，使各端齿轮同速同步旋转，其外轮齿内切(啮合)于滑动齿轮，获取驱动力；滑动齿轮与同步齿轮轴线平行(图13)，安装在机架上，其内齿同时内切(啮合)同步齿轮和动力源齿轮；动力源及其齿轮安装在机架上，与滑动齿轮内切或外切。

驱动机构各齿轮的传动比例固定，调整动力源转速，可使驱动轴转速得到固定比例的缩小或放大，进而调整滚道的循环速度；调整滚道的循环速度，又使滚珠相对套筒和丝杆的自然滚动状态发生变化，进而形成循环速度的变化，从而实现调速目的。

外套筒机构

外套筒机构是设置在滚珠套筒机构之外的套筒机构，主要由套筒和稳定构件组成；外套筒靠稳定构件支撑，沿机架滑行，并作为滚珠套筒机构的机架。

附图说明：

本附图说明中，多处意在解释滚道螺旋体与其他构件之间的关系，故其剖面多是沿着螺旋体盘旋的轨迹剖切的，但为简化说明，将沿径向的剖切面称为横截面。

图1：本图是滑块机构的立体示意图，显示调速滑块的组成主件。

在滚珠套筒右端的剖视部位，是剖去套筒壁的外圆区域，剩下内圆区域，透视出滚道和驱动轴；同时显示出，滚道分内外两层，两层螺旋体的盘旋方向相反，两螺旋体在套筒端部过渡联通，形成闭合环；内螺旋体沿套筒孔壁上的滚道孔向右盘旋，达到套筒端部后螺旋体半径逐渐变大，过渡到外螺旋体半径，然后外螺旋体由右向左盘旋，回到套筒左端，再由外螺旋体过渡回内螺旋体。

本图的驱动轴(驱动齿)设在两层螺旋体之间，表示驱动内螺旋体或外螺旋体都可实现滑块调速。

1代表滚螺旋筒；2代表滚道；3代表驱动轴；5代表滚道与丝杆之间的滚珠；6代表同步齿轮；7代表滑动齿轮；8代表安装滑动齿轮的滚珠编组(轴承)；9代表调速齿轮；10代表动力齿轮(即套筒齿轮)。

调速齿轮9驱动滑动齿轮7(由滚珠8约束其三维自由度，同步齿轮也可采用此法)转动，滑动齿轮7驱动同步齿轮6，同步齿轮6同时驱动3个端齿轮5同速同步转动；端齿轮5带动驱动轴3(驱动齿设于其上)转动，驱动齿与外圈滚道2.2上的齿条啮合传力，使外圈滚道螺旋体2.2转动，外螺旋体沿循环孔由右向左盘旋运动；外圈滚道螺旋体2.2通过端部过渡段(滚道)牵拉内圈螺旋体2.1，使内圈螺旋体2.1不断由左向右盘旋运动，然后在端部折返回外螺旋体，由此形成内外螺旋体之间的循环。

在驱动机构运转的同时，动力齿轮10启动，带动套筒1旋转，套筒1又带动驱动轴3旋转，使同步齿轮6相对端齿轮5的转速相对减小或增大，进而调整了滚道2.1的循环速度，然后又经滚道驱动滚珠循环运动，改变丝杆(或滑块)的运动状态；同时，若设(因滚道2不是自由运动的)，滚道2相对套筒1静止，则本滑块机构又回归到传统的滚珠丝杠的状态，即此时滚珠的受力状况与传统的滚珠丝杠相同；由此可知，在滚道2发生循环运动和动力齿轮10同时驱动的情况下，滚珠的受力状况是传统滚珠丝杠和滚道循环两种因素的叠加。图2：表示本滑块各构件(或机构)之间的关系的截面图，是基本原理图，用以说明套筒、滚道、滚珠、丝杆之间的构造关系、传力关系。表示滚道孔分为内外两层，内层与丝杆贴近，外层隐蔽在套筒管壁内；驱动轴与外层滚道相切传力(啮合或摩擦)，牵拉内圈滚道旋转，进而带动滚珠滚道循环；滚珠沿内圈滚道和丝杆上的螺旋槽沟滚动，成为嵌合在二者之间的传力构件，推动丝杆(或滑块)做轴向移动或旋转。

1代表套筒。

2代表循环滚道，其中2.1代表内圈滚道，2.2代表外圈滚道，内外圈滚道在套筒两端连接，形成闭合环。

3代表驱动轴和驱动齿，用以驱动滚道循环。

5代表在滚道和丝杆之间循环的滚珠。

2-1、2-4代表套筒截面内圈区域的筒壁，该部位(剖切出的阴影部位)的筒壁被外层滚道孔(即循环孔2-2)分隔，形成环状体(滚动循环孔之外的部分与外围区域相连)；该部位的内孔区域被滚道孔分割，形成与内圈螺旋体相同升角的套筒壁螺旋体。

2-2代表滚动循环孔，是设在套筒壁内的螺旋状孔，用以确定滚道沿螺旋状通道返回内圈的循环轨道。

2-3代表透视的套筒壁内部区域，通过透视表达该区域各构件(或机构)之间的结构关系；表示外圈滚道2.2在循环滚道孔中2-2穿行，内圈滚道在和滚道孔2-5中穿行，形成内外两个螺旋圈(盘旋方向相反)，内螺旋圈的滚道(槽沟)与滚珠相切，带动滚珠滚动，外螺旋圈与驱动轴相切，由驱动轴驱动滚道做旋转式循环运动，使滚道由套筒的一端(自内圈转入外圈的一端)通过盘旋运动的方式运行至套筒另一端(由外圈转入内圈)，形成闭合循环。

2-5代表滚道孔。

2-6代表丝杆的横截面，阴影代表基圆及两滚道之间的剩余(圆柱体)部分。

2-7代表丝杆上的滚珠滚道。

图3：表示滚道驱动机构的齿轮组及各齿轮之间的位置关系和传力顺序。

本图中，滑动齿轮是内齿轮，同步齿轮是设有内齿和外齿的齿轮，调速齿轮和端齿轮均为外齿齿轮。

滑动齿轮3-2用定位滚珠(表示滚珠编组或轴承)3-1.3安装在机架3-1上，相对机架3-1做旋转运动；调速齿轮3-3固定安装在机架3-1上，内切(啮合)于调速齿轮3-2，并驱动其转动；同步齿轮3-4用定位滚珠3-1.4安装在机架3-1上，同时内切于滑动齿轮3-2；滑动齿轮3-2的转动啮合驱动同步齿轮3-4旋转；端齿轮3-5安装在套筒上，并内切于同步齿轮3-4。

3-1.1代表丝杆孔；3-1.2代表机架上安装调速齿轮轴3-1.1的轴孔；3-1.3代表安装调速齿轮3-3的定位滚珠编组；3-1.4代表安装同步齿轮3-4的定位滚珠编组；3-1.5代表调速齿轮3-3与机架3-1之间的间隙；3-2.1代表滑动齿轮的轮齿；3-3.1代表调速齿轮轴；3-3.2、3-3.3代表调速齿轮轮齿；3-4.1代表同步齿轮3-4的外齿；3-4.2代表同步齿轮3-4的内齿；3-5.1代表端齿轮的轮齿；3-5.2代表端齿轮轴。

图中，滑动齿轮3-2的轮齿3-2.1与调速齿轮3-3的轮齿3-3.3啮合；同步齿轮3-4的外齿3-4.1与滑动齿轮3-2的内齿3-2.1啮合；端齿轮3-5的外齿3-5.1与同步齿轮3-4的内齿3-4.2啮合。

若基准螺旋体是以小于内螺旋体的半径为基准半径制作，则在进入工作状态后螺旋体会产生向内收缩力(弹性势能)和指向轴心的弹性变形势能，因此，可省略向内挤压滚道的轴滚；若基准螺旋体是以大于外螺旋体的半径为基准半径制作，则在进入工作状态后螺旋体会产生向外张开的膨胀力，此时，可省略向外挤压滚道的轴滚(与驱动轴形成对挤的轴滚除外)。

图4：表示滚道截面图。滚道截面下部设滚珠的循环槽，两侧设辅助滚珠槽。

图5：表示滚道在套筒端部由内圈向外圈过渡。

滚道上的齿条2.2-1与驱动齿轮轮齿5-1啮合传力，使滚道由内圈螺旋体2.1过渡到外螺旋体2.2；轴滚4环绕滚道内圈螺旋体2.1外围，形成径向挤压，保证内螺旋体的形状和对丝杆的挤压力度；轴滚4在驱动齿轮5-1的内侧向外挤压滚道，两者间形成对挤。

图6：表示驱动齿轮驱动外螺旋体，形成对内螺旋体的牵拉。

驱动齿轮6-1驱动套筒端部(滚道穿出)的滚道(齿条)6-2，形成牵拉；在滚道一存在伸涨的情况下，位于中间部位的滚道不设驱动(驱动轴是圆柱体，不设齿)，使其不受轮齿啮合的对应关系的限制，使外螺旋体的半径自然胀大，缓冲伸胀的多余量。

若驱动轴在套筒两端滚道(或每道滚道)设齿，对新进入和将要脱离外螺旋体的滚道设啮合齿驱动，则内圈螺旋体滚道(总长度)脱出的长度和新进入的长度相等，总量不变，是动态平衡，但不能将多余的滚道伸长量积蓄到外螺旋体上(参图7)。

图7：是滑块机构的截面图；是用挡卡替代定位轴滚的示意；表示在外螺旋体之外的区域设置滚道的伸涨空间，使涨出的多余部分向外膨出，积蓄在外螺旋体范围，使内螺旋体不因滚道的伸涨而造成半径增大。

7-1代表内圈螺旋体的挤压轴滚；7-2代表外螺旋体；7-3代表在外螺旋体之外扩出的空间，供滚道螺旋圈膨出用；7-4代表滚道外圈螺旋体卡挡(若设镂空区时，设置卡挡)，虚线表示设置该当卡是有前提条件的；若将外圈螺旋体之外区域(轴滚和驱动轴对挤的区域除外)镂空，该区域螺旋体则失去轴向控制，同时，也使剩余的套筒内壁处于悬空(挑)状态(不利于平稳运行)，设置卡当既能分隔各螺旋圈，并又能通过卡当联通和支撑镂空区两面的筒壁。

图8：是滑块横截面图(右图)和沿轴向的剖面(左图，表示是中间的某一区段)。

左图，表示滚道分成两层(圈)，内圈螺旋体与套筒内壁相交，外圈设在套筒壁中；滚道与驱动轴、滚道轴接触，驱动轴驱动滚道旋转，滚道轴挤压滚道。

4.2代表外圈滚道轴(轴滚)；4.1代表内圈滚道轴；2.1代表内螺旋体滚道；2.2代表滚道外螺旋体；8-2代表套筒内壁。

右图，滚道在滚道孔中穿行循环，形成内外两层螺旋体；内螺旋体2.1内包裹滚珠5，内螺旋体外围用轴滚4.1挤压(或支撑)；在套筒端部内螺旋体过渡到外螺旋体，外螺旋体内部以轴滚4.2向外挤压，外螺旋体外部设驱动轴3与滚道外面啮合(或摩擦)，驱动滚道循环，驱动轴和滚道轴形成对挤，保证驱动轴的有效啮合(或摩擦)。

滚道孔是以套筒中线为旋转轴心的螺旋状孔，分为内外两层(内层为滚珠滚道孔，简称滚道孔；外层为滚道循环孔，简称循环孔)，两道孔的盘旋方向相反，两孔在套筒两端交汇，内外联通，形成闭合的通道；循环孔设在套筒筒壁内(靠近外壁部位)，滚道孔设在套筒内壁上，滚道孔与套筒孔交叉，形成开口；滚道孔的两侧壁设辅助滚道，两者形成交叉开口；滚动轴孔和驱动轴孔均设在筒壁上，两孔的轴心均与套筒中心轴平行，呈圆形分布，形成内外两层，轴孔与滚道孔相交。

图9：使滚道条的横截面图，表示滚道横截上部设齿条和肋，下部设滚珠槽；左图，齿条9-2设在两侧，肋9-1设在中间；右图，齿条9-2设在中间，肋9-1设在两侧。

图10：是设有定位槽的轴滚的示意图，该轴滚用于外螺旋体之外的镂空区域；定位槽10-1呈螺旋形，升角与螺旋体升角相同，见上图；定位槽10-1的槽深大于外螺旋体的外径，留有一定膨出余量10-2；13-2表示定位轴滚的基本柱体(参图13)。

滚珠嵌合在滚道螺旋体和丝杆之间传力，通过滚动循环将周向扭力转换成轴向推力，使滑块(或丝杆)产生轴向移动。若取消滚道螺旋体和丝杆之间的滚珠，使滚道(凸出套筒内壁)直接嵌入丝杆的螺旋槽中并贴紧，则会因滚道的循环和转动(动力齿轮驱动)，使二者产生摩擦力或剪切力，进而滚道能驱动丝杆产生轴向移动和旋转；若同时启动动力齿轮驱动套筒反向(与丝杆反向)旋转，则可使丝杆的旋转速度形成两者叠加(滚道带动的旋转和套筒的扭转)，使丝杆的旋转或加速、或减速、或停止、或反向。

图11：是驱动轴示意图，表示轴上设有与滚道齿条啮合传力的驱动齿11-1，该驱动齿呈螺旋形与滚动体的升角吻合；驱动轴的轴面部分11-2与滚道条的肋相贴紧挤压。

图12：是调速齿轮轴的安装示意图，是图3之外的另一种安装方案。

8-1、8-2分别以机架为支撑承载滑动齿轮7和同步齿轮6；同步齿轮6的外齿内切啮合于滑动齿轮7；内齿与端齿轮5啮合；调速齿轮9的轮齿9-1与滑动齿轮7内切啮合。

图13：是滑块的横截面图(端部)，意在阐明以循环滚珠替代轴滚。本图的基准螺旋体，是以外螺旋体半径为基准制作的，具沿径向向外膨出的弹性势能。

13-1、13-9代表循环滚珠，13-1沿外螺旋体滚动循环，向外(沿径向)挤压滚道，13-9沿内螺旋体滚动循环，向内挤压滚道；13-7、13-10代表滚珠13-1的循环出入口；13-6、13-8代表滚珠13-9的循环出入口；13-5代表滚珠13-9沿内螺旋体滚道的滚道；13-11端部滚珠13-1沿外螺旋体滚动的滚道；13-2代表设有螺旋凹槽的轴滚(参图10)；13-3代表外螺旋体之外的镂空区域，该区域供滚动条向外膨出用空间；13-4代表滚道由内螺旋体向外螺旋体过渡段，为透视其背后的构造，略去了(未画出)该段的循环滚珠及循环通道。

螺旋体在长期运行和受热后会膨胀伸长，会影响内螺旋体对丝杆的缠裹能力，故应将该增长量消除在外圈螺旋体范围，即将外层滚道循环孔(即外螺旋体)的半径加大，使外圈螺旋体向外膨出，储放增长量。

图14：是阶梯式轴滚和滚道相挤压的示意图，表示滚道滚道由轴滚左侧的常规段过渡到右侧的小直径段(14-2)，其螺旋体的半径变大。

14-1代表轴滚由常规到小直径段之间的变径回转面，是锥面。

图15：是沿滑块轴向的端部局部剖面图，表示在端部设倾斜轴滚，使滚道沿轴滚循环，滚道螺旋体半径逐渐变大，形成渐开的扩口。

15-1代表将要发生扭转的滚动体；15-2代表套筒端部扩口；15-3代表已经发生扭转的滚动体；15-4代表随滚道扭转的辅助滚道及其滚珠；15-5代表倾斜的轴滚；15-6代表回归到正常状态的辅助滚道及滚珠。

具体实施方式：

假设：套筒孔为直孔、滚轴与套筒同长、驱动轴上设驱动齿、外螺旋体每道螺旋上均对应驱动齿、滚道螺旋体以拟订的外螺旋体半径制作、选用图5的构造方案；

一、套筒制作

将套筒分成4层，逐层相套，组成套筒，由内到外分为芯管(内螺旋管)、轴管、外螺旋管、外皮套筒、端头盖。

1、制作芯管：

按拟定的套筒长度选一钢管作内管，按拟定的滚道内螺旋体的孔径(等于丝杠外圆直径)、螺距、升角、宽度(截面尺寸)将内管车成螺旋体；按滚道的截面高度确定芯管壁厚，根据壁厚算出芯管外径，车出外柱面。

在芯管螺旋体侧面(截面的两侧壁)车出辅助滚道，在两端开出循环孔。

2、制作轴管(用以安装轴滚)：

a、按芯管外径、拟定的轴滚直径及适宜的间距，算出轴滚数量，取整数，分布均匀；

b、根据芯管外径，算出轴管内径尺寸；

c、按内螺旋体轴滚直径和数量、轴管内径，算出轴滚轴心位置并标记；

d、拟定的外螺旋体内径，算出轴管外径；

e、根据外螺旋体轴滚直径、轴管外径，算出外螺旋体轴滚轴心位置并标记。外螺旋体轴滚轴心位与内圈轴滚位有关联，内圈螺旋体由内圈轴滚(某个固定点)开始向外螺旋体过渡；设以椭圆线(段)为过渡段的轨迹，两端分别与内圈轴滚、外圈轴滚相切；然后确定外轴滚轴心位；

f、用钢管车出轴管毛坯，使其内径小于轴管内径，外径大于轴滚外径；

g、根据轴滚轴心位置、直径，钻(铣)出各道轴滚孔，同时做出轴承位(孔)；

h、根据轴管内径、外径，精车出轴管；轴管孔(内壁)周围均布轴滚孔，两孔相通；轴管外壁与外轴滚孔相切，两孔相通；

3、外螺旋管制作：

a、以轴管外径为外螺旋管内径，以外螺旋管内径加滚道高度(截面高度)为外径制作外螺旋管毛坯；

b、根据外螺旋体间距、滚道截面宽度车出外螺旋管的螺旋体；该螺旋体的盘旋方向与芯管螺旋体的方向相反；

c、在外螺旋管螺旋体的侧面车出辅助滚道，在两端开出循环孔；根据内螺旋体辅助滚道长度、外螺旋体辅助滚道长度、两端过渡段长度、辅助滚珠直径等因素，算出滚珠数量，舍小数，取整数；

根据滚道所选用的(基)准螺旋体的不同(指半径)和驱动轴设置位置的不同，轴滚的设置应作相性变化或省略不设；若准螺旋体的直径为大于外圈螺旋体直径，则滚道螺旋体具胀大的势能，若将驱动轴设在内圈螺旋体外圆面上，则外圈螺旋体内圆(圆柱面)面上的轴滚可以省略；若准螺旋体的直径为小于内圈螺旋体直径，则滚道螺旋体具收缩势能，若将驱动轴设在内圈螺旋体外圆面上，则外圈螺旋体外圆(圆柱面)面上的轴滚可以省略。将驱动轴设在外圈螺旋体外圆面(或内圆面)上情况与前述原理相同。

4、外皮套筒制作：

a、以外螺旋管外径为内径和拟定的套筒外径制作外皮套筒毛坯；

b、找出外螺旋管内孔边际画出内圆，按此内圆和驱动轴半径，找出驱动轴圆心位置；同时，按驱动轴和滚道轴对挤的原则，确定该孔对应外螺旋体轴滚孔的位置(角度)。

c、钻出驱动轴孔，并在外螺旋体与该孔相交的交点车(铣)出驱动齿孔(大于齿顶圆)位、轴承位；

d、按外套筒内径、外径，精车出外皮套筒。

5、端头盖制作：

滚道过渡段的孔、相应轴滚、辅助滚珠等设在端头盖上；滚道螺旋体在该区段发生扭转，朝反方向盘旋，该段的轴滚也随滚道的扭转而相对套筒轴线倾斜；根据工艺条件具体情况，可沿轴向再分成若干片(或若干环)制作，然后拼装；过渡段不设驱动，两面设轴滚。

a、根据套筒内径、外径制作环状端头盖毛坯，其内径小于套筒内径，其外径大于套筒外径；套筒每端一个，共两个；

b、在毛坯端面上画出套筒内圆，以该圆为基础画出过渡段弧线(设为椭圆段)的投影(是滚道横截面的四条棱角线)；

c、将过渡段弧线投影细分，各条线均分成若干段，算出各段中点(以中点作为该段的控制点，加工时将各点顺缓连接)的进深尺寸；

d、根据过渡段投影、各条线在各段的进深尺寸，算出过渡段长度；

e、根据过渡段长度(其上面、下面的长度不等)设定轴滚数量、分布位置；

f、根据各轴滚位置、该位置上滚道的扭转角度，确定该点位上的轴滚相对毛坯端面的倾角，找出该点轴滚的轴线，并将轴线投射到毛坯端面上；

g、根据各点位上轴滚的具体数据，钻出各轴滚孔；

h、根据过渡段投影、外侧线(上面、外侧面上的棱线)及各细分段的进深，铣出过渡段外侧面(靠近端头的侧面)、上顶面；同时，该槽口与轴滚孔相切形成开口，上顶部的轴滚透过开口挤压滚道；下部的轴滚孔则是穿过该槽口；

j、在过渡段槽口(外侧面)上，铣出辅助滚道(若省略该段滚珠，则可在轴滚上设环形槽，以轴滚上的槽壁控制滚道向两侧方向偏移；相应的，该轴滚直径则变大)；

k、根据过渡段内侧面、底面的扭转角度及其两线相交的棱线、各细分段进深、渡段槽口形状等因素，制作过渡段槽口的镶嵌(填补)块，以形成过渡段滚道孔；

l、在镶嵌(填补)块上铣出内侧的辅助滚道；

m、将镶嵌块安装在过渡段槽口上，按原先确定的(下面)轴滚位钻出轴滚孔，该孔与滚道孔相切，形成开口；

n、根据套筒内圆半径、外圆半径、端头长度尺寸精加工，形成成品。

6、修整滚道、辅助滚道、预连接；

a、将芯管螺旋体按标志安装在轴管上，按芯管螺旋体的滚道口沿径向向外扩铣(洗掉(深)轴管上两轴滚孔之间的部分)，使滚道槽沟的进深加大(加深)，使滚道完全由轴滚支撑；

b、再将外螺旋管安装在轴管上，同法铣深外螺旋体对应的轴管上的部位；

c、将外螺旋管安装在外皮套筒上，铣深螺旋体(滚道)对应的外皮套筒的部位，作为滚道涨出的空间；

d、洗深端头盖上滚道孔对应的部位；

e、将各构件按顺序预安装，然后设置连接孔(螺栓孔等)

二、滚道制作

1、选材：选横向弹性弯曲性能好、扭转弹性好、横向不可压缩(压缩率小)、温度伸长率低的方形材料做滚道条。

2、计算滚道长度：以螺旋体半径和滚道高度的1/2之和为半径，计算内外滚道的圆周长度；在以螺旋体升角计算单圈螺旋体的长度，分别以内、外螺旋体圈数乘单圈螺旋体的长度，得出内外螺旋体总长度；在以滚道中心线和椭圆线段计算过渡段滚道长度；两者之和即为滚道的理论总长度。

3、修正理论总长度：以所选滚道材料的弯曲伸长特性，对理论总长度进行修正，得出修正理论长度值；

4、按修正的理论长度值外加加工余量和对接(接头)长度，计算滚道条的进料长度；按滚道条进料长度计算滚道肋长度；若设齿条在界面(顶面)中间设置，则滚道肋为双倍滚道条进料长度；

5、按滚道肋的高度，将滚动条铣成‘凸’字形截面的条状体；中间凸出的高度等于或略小于滚道肋的高度；

6、将中间凸出的线条做成齿条；

7、根据滚动条顶面宽度、齿条宽度，算出两边肋的宽度，两肋贴紧齿条，两肋宽度相等；

8、制作肋条，并与‘凸’字形条状体焊接在一起；

9、以外螺旋体尺寸为基准，制作滚道基准螺旋体；

10、热处理基准螺旋体，使其横向弯曲性能、弹性扭转性能、两种条状体的结合性能达到最佳状态；

三、安装滚道

1、将芯管螺旋体安装在轴管内，始端流出连接余量；

2、将基准螺旋体压入芯管螺旋体的螺旋槽内；

3、将外螺旋体安装在轴管外；

4、按过渡段螺旋体形状，扭转折返滚动条，将剩余的滚动条压入外螺旋体的滚道槽内；

5、按过渡段螺旋体形状，将剩余滚动条按连接长度截出；

6、将剩余滚动条和始端流出的连接头连接在一起，对两接口进行局部热处理；

7、调整套筒两端过渡段长度，使两端过渡段滚道的长度相等；

8、安装外皮套筒；

9、安装端头盖；

10、连接固定各构件；

四、制作安装驱动轴

1、按驱动轮齿齿顶圆车出驱动轴毛坯，长度是套筒长度、端齿轮安装长度、套筒端面与端齿轮间距、以及其他构造长度之和；

2、按外螺旋体螺距、升角，车出驱动齿毛坯；

3、在驱动齿毛坯上铣出驱动齿；

4、将驱动轴安装在轴孔内，使驱动齿与齿条啮合；

5、安装两端轴承，滚道驱动轴；

五、安装辅助滚珠

1、在滚珠输入口装入滚珠，使之沿滚道循环；

2、封堵滚珠输入口，使滚珠在辅助滚道内闭合循环；

六、轴滚

1、按套筒长度、端头盖长度、轴滚直径、数量，计算轴滚长度，制作套筒中间段轴滚并制作轴承位；

2、按端头盖长度、各轴滚倾角，计算各轴滚长度并制作轴滚；

3、制作轴滚轴承；

4、安装各轴滚，封堵端头轴滚孔；

七、制作安装调速齿轮组

1、根据拟定的转速比，制作各齿轮；

2、将各齿轮安装在图3所示的机架上；

3、使同步齿轮和端齿轮啮合；

八、制作安装动力齿轮组

按说明书中所述制作安装动力齿轮组；

九、制作机架

将动力源、套筒、丝杆、平衡架安装在机架上，调试、运行。

Claims (4)

1.本发明涉及一种机械机构，在现有滚珠丝杠副基础上增加了调速滚道和驱动轴，是一种轴向运行速度可调的滑块；其特征在于：在现有的滚珠丝杠副上增加循环滚道后，使滚珠在丝杆滚道和循环滚道之间滚动；通过调节循环滚道相对套筒的循环速度，干预滚珠相对套筒的循环速度和滚珠相对丝杆的循环速度，可实现滑块的匀速进退、变速进退、旋转进退等功能；本滑块机构主要由外套筒机构、滚珠套筒机构、循环滚道机构、滚道驱动机构、丝杆组成；滚珠套筒机构，主要由滚珠套筒、套筒齿轮、套筒机架等组成；循环滚道机构主要由循环滚道、滚动杆、辅助循环滚珠组成；滚道驱动机构主要由驱动杆、调速齿轮机构、驱动机构机架等组成；套筒在动力齿轮的带动下承载着循环滚道机构、滚道驱动机构及丝杆等转动，对循环滚道形成扭转力和轴向推力；在滚道驱动机构的驱动下，滚道沿套筒内的循环滚道孔循环，并通过滚珠传力对丝杆形成扭转力周向力和轴向推力；外套筒套在滚珠套筒机构之外，是将本滑块机构套装起来的外设机构，主要由外套筒和平衡构件组成，套筒沿机架滑动；在套筒机构作为滑块使用时，外套筒相对机架只做线性运动，使滑块表现为只有轴向滑移的滑块或移动平台；外套筒是滚珠套筒的机架；套筒是刚性圆筒，筒壁上设滚道孔、辅助滚珠滚道、滚动轴孔、驱动轴孔等；套筒外安装动力齿轮组的从动轮，循环滚道机构、驱动机构的驱动轴均安装在筒壁内，丝杆设在套筒孔中；套筒安装在机架或外套筒上，可相对旋转；轴滚安装在滚动轴孔内，轴滚用以径向挤压滚道，或使滚道贴近丝杆，或使滚道直径向外张大拉紧内圈滚道螺旋体；滚动轴孔与滚道孔螺旋体的圆面相交，形成交汇口，滚动轴透过交汇口挤压滚道；循环滚道机构是设在套筒壁钟的机构，主要由滚道、辅助滚珠、轴滚组成；滚道沿滚道孔和循环孔穿行循环，辅助滚珠安装在辅助滚道中，在滚道两侧随之滚动循环，以减小滚道的运行摩擦；并同时形成轴向支撑力，并维持滚道螺旋体的节距不变；轴滚，安装在滚动轴孔里，在交汇口与滚道接触，对滚道施加径向力，使滚道的内螺旋体贴紧丝杆，使外螺旋体向外胀大拉紧内螺旋体，同时，轴滚还与驱动轴形成对挤，使滚道与驱动轴之间不产生滑动；滚道是可横向弯曲的刚质弹性条状体，滚道在滚道孔和循环孔形成内外相套的两个螺旋体，两螺旋体首尾相接，形成闭合环；滚道的横截面以矩形为基础形状，然后在其四面上设置各种构造；其底口设有凹陷的滚珠滚道的槽沟；辅助滚道缺口设于两侧、上部设驱动齿、滚压肋；辅助滚珠沿辅助滚道循环的滚珠循环；轴滚安装在滚轴孔里，以套筒为支点向滚道施加径向力，限定内圈滚道的最大直径和外圈滚道的最小直径；滚道驱动机构主要由驱动齿、驱动轴、驱动轴端部齿轮、同步齿轮、滑动齿轮、调速齿轮等组成；驱动齿和驱动轴安装在套筒上的驱动轴轴孔内，相对套筒壁和滚道旋转与滚道形成啮合驱动或摩擦驱动，使滚道产生循环运动；端齿轮、同步齿轮、滑动齿轮、调速齿轮等组成调速装置，将调速动力源的动力经调速和空间位置的变换，输送到驱动轴上；端齿轮安装在驱动轴的端部与同步齿轮内切啮合；同步齿轮是设有内外齿的圆环形齿轮，安装在机架上，其内齿轮同时内切啮合套筒上的端齿轮，使各端齿轮同速同步旋转，其外轮齿内切啮合于滑动齿轮，获取驱动力；滑动齿轮与同步齿轮轴线平行，安装在机架上，其内齿同时内切同步齿轮和动力源齿轮；动力源及其齿轮安装在机架上，与滑动齿轮内切或外切。

2.如权利要求1所述的循道式滑块，其特征在于：设在滚道外圈螺旋体圆面上的驱动齿，能对内圈滚道螺旋体形成牵拉，收紧内圈螺旋体，使其半径变小，进而加大对滚珠的挤压力度，使滚珠的循环阻力增大，利用此特点调节丝杆的轴向移动速度和转速。

3.如权利要求1所述的循道式滑块，其特征在于：此外，在驱动轴设在外圈螺旋体上时，有一定数量的轴滚与驱动轴形成对挤，而该范围的滚道是经循环孔穿过，经这两种约束，以及滚道固有的恢复基准螺旋体特性，即使不设定位轴滚，也能产生等于外圈螺旋体半径的螺旋体，此时，只需设轴向的挡卡即可。

4.如权利要求1所述的循道式滑块，其特征在于：滚道滚道螺旋体的径向尺寸，以轴滚的支撑和滚道孔的螺旋形状为基础，若将轴滚的支撑位置设成阶梯式或设成阶梯式轴滚，则滚道螺旋体就会变成由小到大的渐变螺旋体。

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