CN102554675A - 调速滑块 - Google Patents

Abstract

一种调速滑块，既是轴向运行速度可调的滑块，也是改变芯(丝)杆运行状态的机构；由外套筒、滚珠套筒、丝杠、滚珠及循环管道、铰刀、同步齿轮、滑动齿轮、动力齿轮、调速齿轮组成；滚珠套筒内部套接滚珠丝杠，外部套接外套筒、安装动力齿轮，铰刀、滚珠管设在滚珠套筒筒壁内；铰刀齿轮内切啮合于同步齿轮，同步齿轮内切啮合于滑动齿轮，滑动齿轮外切啮合调速齿轮；滚珠套筒匀速转动，带动铰刀旋转，铰刀拨推滚珠加速循环；通过调速齿轮输入较小的信号，引导出较大的机构运动变化。

Description

调速滑块

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用于调节芯轴轴向运行状态的装置。

背景技术：

目前，常见的滚珠丝杠，因滚珠在套筒和丝杆之间自然滚动循环，故套筒(或丝杆)的轴向行速与两者间的相对转速成固定比例；若在转速比不变的情况下，要求滑块变速行驶，则现有的滚珠丝杠很难做到；再者，若要求滚珠丝杠副(整体)作轴向转动时，现有的滚珠丝杠同样难以做到。

发明内容：

本发明涉及的滑块机构，在现有滚珠丝杠的基础上增加调速机构，通过调节套筒和丝杆之间的嵌合体的运行速度，能有效解决上述问题。

本调速滑块，是以现有的滚珠丝杠为基础，通过增加调速铰刀或滑动条等机构，形成了能干预滚珠编组(或滑动条)行速的机制，既能使滑块(套筒或丝杆)的轴向行速可调，又能使滑块机构具备轴向转动。

本调速滑块，主要分为滚珠型调速滑块和滑条型调速滑块两类。先以滚珠型为例，假设套筒轴向位置不动、套筒主动旋转、约束丝杆的轴向转动自由度、套筒和丝杆之间的嵌合体为滚珠编组进行阐述。本滑块机构，主要由外套筒、滚珠套筒、丝杠、滚珠及循环管道、铰刀、同步齿轮、定向齿轮、滚珠套筒动力齿轮、调速动力齿轮组成(图1)。

外套筒安装在机架上，滚珠套筒安装在外套筒中；滚珠套筒内孔中套接丝杆(先假设丝杆不产生轴向转动)，滚珠套筒外壁安装动力齿轮；滑动齿轮、同步齿轮与滚珠套筒同轴，安装在机架上，位于(相对套筒的)一端；同步齿轮外切于滑动齿轮，内切于铰刀齿轮；滑动齿轮和调速齿轮(安装在机架上)外切啮合。调速齿轮驱动滑动齿轮旋转，滑动齿轮驱动同步齿轮变速旋转，同步齿轮驱动铰刀齿轮同步变速旋转，铰刀在铰刀齿轮的带动下旋转并形成对滚珠编组循环的干预(拨动)。

滚珠套筒筒壁上设置铰刀安装孔、滚珠循环管道等；铰刀机构主要由铰刀齿轮、铰刀轴、铰刀片组成，铰刀轴和铰刀安装在铰刀孔内，铰刀片安装在绞刀轴(铰刀孔的内端)上，绞刀轴的外端悬挑出滚珠套筒端面，铰刀齿轮设置其上。

铰刀孔相对滚珠套筒中心线呈圆环形均匀分布，铰刀孔轴线与滚珠套筒中心线平行；铰刀孔与滚珠循环管道相交，位于(径向)外侧，形成两管道的交汇口；滚珠循环管道相对滚珠套筒呈螺旋状，其螺旋体内表面与滚珠套筒筒孔相交，形成开口。

滚珠沿管道循环，在螺旋体内表面的开口处凸出，与丝杆上的螺纹槽咬合，成为套筒和丝杆之间的嵌合体，扭动丝杆转动。滚珠在交汇口与铰刀片接触，被刀片拨动，形成相对自然循环(指现有技术滚珠丝杠里的滚珠的循环状态)的加速或减速；滚珠编组循环速度的变化，引发与之咬合的丝杆轴向行速的变化，达到调速之目的。

因滚珠嵌套在套筒和丝杆之间滚动，若铰刀拨动的速度与滚珠自然循环的速度不等，则形成套筒通过滚珠施予丝杆旋转力的状态，即使丝杆具备了旋转能力。因此，在套筒自然旋转(以动力齿轮驱动)不变的状态下，调速齿轮通过传导使铰刀调节滚珠(非自然循环速度)的运行速度，可使丝杆(解除丝杆的旋转约束)转动，即丝杆具备了轴向伸缩和轴向旋转两个运动；此时，套筒和铰刀机构就成了丝杆的驱动装置。相应的，若此时继续约束丝杆的旋转自由度，则套筒和铰刀机构就成了相对丝杆的滑块。

调速齿轮、动力齿轮是调速滑块的动力源，通过变化二者的转速比，可实现对丝杆轴向行速调整的目的。

若将调速滑块连同其机架看做一个位置固定的机构，然后给该机构增加旋转动力，则丝杆会产生轴向和径向两个维度的调速。

本调速滑块，通过调速齿轮的静止、正转、反转、加速、减速运动来调整丝杠的运动参数，能以较小的信号输入，导出较大的机构运动变化。

在套筒和铰刀机构作为滑块时，再在该滑块外套装外套筒，使外套筒能沿机架直线滑行，则外套筒就成了可直线移动的平台。

外套筒

外套筒(图2)，是一筒状体，在机架上滑行，滚珠套筒安装其孔中；两者之间设轴承连接，可以相对转动。

滚珠套筒

滚珠套筒，是一刚性圆筒体，安装在外套筒内；其筒壁内设有滚珠循环通道、铰刀孔，滚珠循环通道与内壁相交；外壁(端头处)安装动力齿轮。

为降低滚珠与丝杠之间的摩擦，增加铰刀调速的灵敏度，对铰刀范围之外的滚珠可设置在离开丝杠的滚珠循环通道内(图3、4)。

丝杠，与现有技术相同。

循环管道及滚珠编组

循环管道，是供滚珠循环运动的螺旋状刚性通道，螺旋两端连接在一起，形成闭合回路；螺旋管道内圆(圆环的内侧面)设开口，使滚珠体部分露出，嵌于丝杆的滚珠槽中。

铰刀轴、铰刀

铰刀轴，是安装在滚珠套筒筒壁内的刚性圆轴，设轴承与滚珠套筒上的孔壁连接，能相对滚珠套筒转动。各铰刀轴以滚珠套筒的轴心为圆心呈圆形均等分布设置。

隐藏在滚珠套筒壁内的铰刀轴部分，设有刚性铰刀；在露出套筒外的铰刀轴端头安装铰刀齿轮，各齿轮规格相同。

铰刀叶片呈螺旋状盘旋在铰刀轴上，叶片表面与滚珠表面相适应；为避免刀片与滚珠正面相顶而卡死铰刀，铰刀的螺距要以滚珠的直径为准设置，使编组中的滚珠刚好卡在两重刀片之间；若采用多道螺旋丝头(即螺旋形刀片)的铰刀，则相邻两道螺旋刀片外缘之间的间隙(图7)应刚好容纳一个滚珠，以避免卡死刀头，也为避免造成滚珠之间的前后挤压。

铰刀转动拨动滚珠滚动。在拨动方向与滚珠自然滚动同向时，若铰刀的推拨速度大于滚珠自然滚动的速度，则加快了滚珠编组的循环速度，丝杠的轴向运动加速；若铰刀的推拨速度小于滚珠自然滚动的速度，则减缓了滚珠编组的循环速度，丝杠的轴向运动减缓。在拨动方向与滚珠自然滚动反向时，则使丝杆的轴向运动减缓、停止或反向。铰刀在调节丝杠轴向运动加速、减速的同时，也会改变丝杠与滚珠套筒之间的转速比。

滚珠进入铰刀形成的(两螺旋刀片的间隙)槽之后，不光沿滚珠滚动的循环速度变化，而且滚珠的滚动状态也发生沿铰刀螺旋滚动的变化，形成了以刀片驱动的转动。因此，在运行荷载较小的情况下，滚珠沿槽沟滑动的摩擦力较小，铰刀片也可设置成以轴心为中心的发散状，使滚珠在滚动中伴随着滑动的复合方式调节丝杆(或套筒)的运行状态。

同步齿轮

同步齿轮，是一环状刚性齿轮，在内圆、外圆面上设轮齿，内齿与绞刀齿轮啮合相切，外齿与滑动齿轮啮合相切；丝杠在其中心穿过。

同步齿轮，啮合滚珠套筒上呈环形分布的绞刀齿轮，使各绞刀齿轮同步运转，使螺旋状滚珠编组均匀受力运转，保证铰刀能准确切入到两颗滚珠的间隙，避免滚珠卡死铰刀。

同步齿轮安装在两块夹板内(图5)，夹板安装在外套筒上，夹紧环形齿轮，目的在于约束其三维运动的自由度，只保留其转动自由度；齿轮的两个环状端面上设圆环形滚珠槽，槽内设滚珠编组，滚珠半嵌在同步齿轮的滚珠槽内；夹板上设与齿轮端面相同的环形滚珠槽，是滚珠嵌入其中，固定齿轮的平面位置；两块夹板共同夹住同步齿轮，又控制了齿轮的轴向自由度；自此，同步齿轮只有轴向转动一个自由度，达到了定位目的。同步齿轮、滑动齿轮也可采用图6的方式安装定位。

滑动齿轮

滑动齿轮，其形状、构造及其安装方式与同步齿轮相似。滑动齿轮内切啮合同步齿轮，外切啮合调速齿轮。

利用滑动齿轮的大环优点，调节调速齿轮和同步齿轮之间的转速比，同时增加运转惯性，使铰刀获得稳定的转速。

动力齿轮

动力齿轮，是环形齿轮，套接安装在滚珠套筒一端，将动力源的动力传递给滚珠套筒。

调速齿轮

调速齿轮，安装在外套筒上，与滑动齿轮外切啮合。

调速齿轮通过各种运动方式，调整滑动齿轮的转速，滑动齿轮再调整同步齿轮转速，同步齿轮再带动铰刀齿轮转速调整，进而干预螺旋滚珠编组的循环，最后通过滚珠编组的循环滚动带动丝杠变速运动。

若在调速齿轮与动力齿轮之间增设关联机构，并锁定其转速比，则可确定丝杠轴向运动速度和旋转速度；不同转速比，丝杠获得的运动参数不同。

在上述滚珠式的调速滑块中，铰刀的扰动会使滚珠之间产生挤压并产生相对滚珠槽沟的滑动，不利于滑块的平稳运行；若在此基础上增加一套滑条机构(图8)，则能克服上述不足，并可扩展该滑块的功能。

滑条，是替代嵌合在套筒和丝杆之间的滚珠的嵌合体，滑动条替代滚珠后，由滑条传递套筒与丝杆之间的驱动力(图8.1、图8.2)。将原来的滚珠(即现有技术的滚珠循环机构)设在滑条与套筒上的槽沟之间，成为辅助滑条运行的机构，减小滑条与滑条槽沟(套筒上的槽沟)之间的摩擦。

滑条机构主要由滑条、转向锥(轴)、调节轮、转向齿轮等组成；滑条沿原来的滚珠槽(套筒上的槽沟，简称滑槽，下同)循环滑动，与丝杆上的螺旋槽咬合，形成传递套筒推动丝杆轴向运动和转动的驱动力的传导体。

滑条形成的螺旋体，在套筒两端脱离丝杆向外引出，经设置在套筒上的导向锥导向，分别自两端伸向套筒中间，连接后形成闭合环。

滑条式的齿轮传导与滚珠式滑块类似，导向锥上的从动齿轮与滑动齿轮啮合，滑动齿轮与调速齿轮啮合；调整调速齿轮转速，经过逐级传导，可带动导向锥旋转，进而滑条循；滑条循的循环运动，带动被其缠绕的丝杆转动，同时产生轴向运动；动力齿轮带动套筒转动，使丝杆的转动成为复合转动，进而实现调整丝杆运行状态的目的。当动力齿轮驱动的(丝杆)转动与滑条驱动的转动方向同向时，丝杆旋转速度加大；当方向相反且速度相等时，丝杆不旋转；当反向速度较大时，丝杆反向旋转。

若调节滑条缠裹丝杆的力度，使两者间贴紧，则两者间会产生较大摩擦力；因此，丝杆可省略螺旋槽，变成光面直杆。

滑条式的滑块机构也同滚珠式，在约束了丝杆的自由度之后，套筒机构(除丝杆之外的滑块机构)则以丝杆为轴运行。

附图说明：

图1：本图是滑块机构的立体示意图，显示滚珠式调速滑块的各组成主件。在滚珠套筒左端是沿滚珠管绕行中心环形剖切的剖面，露出铰刀轴、铰刀、滚珠编组、滚珠管。本图画出了三个铰刀，可根据需要设置若干个。

1代表滚珠套筒；2代表铰刀轴；3代表螺旋滚珠编组(指若干滚珠形成一组)，滚珠沿滚珠管滚动，整体呈连续螺旋状，螺旋状滚珠编组的内圆面与丝杆接触，外圆面与滚珠套筒上的滚珠管接触；4代表铰刀，刀片在铰刀轴的带动下拨动滚珠上部，强迫滚珠发生滚动和沿螺旋刀体的旋转；5代表铰刀齿轮；6代表同步齿轮，它与铰刀齿轮啮合，使各铰刀同步同速转动；同步齿轮是设有内外齿的齿轮，外齿与滑动齿轮啮合；同步齿轮的安装定位与下述的滑动齿轮相同；7代表滑动齿轮，是设有内外齿的齿轮，外齿与调速齿轮啮合；7.1代表推力轴承，同时确定同步齿轮(或滑动齿轮)位置的轴承或滚珠编组，表示滑动齿轮的三维自由度被滚珠编组约束；8代表调速齿轮。

图2：上图是调速滑块立体图，下图是轴向剖面图；表示在滚珠套筒管壁上设有铰刀安装孔，铰刀隐蔽在孔中；滚珠套筒内壁设螺旋状滚珠编组的循环管道；动力齿轮安装在滚珠套筒一端；外套筒套接在滚珠套筒外壁。

9代表外套筒；10代表动力齿轮；11代表外套筒安装轴承；12代表螺旋状滚珠管；13代表铰刀安装孔。

图3：表示滚珠套筒横向截面图，表示珠套管在铰刀处开口，使滚珠与丝杠接触；滚珠在铰刀范围外的管段脱离丝杠表面，减小循环阻力和避免滚珠滑行摩擦。

12.1代表铰刀孔与滚珠管的交叉部位，是相互贯通的，铰刀通过此开口推拨滚珠；1.1代表滚珠套筒上隐蔽部分的滚管循环段；箭头表示滚珠套筒和铰刀的转动方向，铰刀的转动方向受滚珠套筒和调速齿轮两方面的影响。

图4：表示沿滚珠管走向剖切出的滚珠管、铰刀、滚珠套筒之间的关系图，是表示断续设置滚珠管与套筒内壁的开口，即沿沿螺旋方向呈点式分布；采用此方式，可以减小铰刀拨动时滚珠与丝杆之间的滑动摩擦。

闭合滚珠管循环段与开口段分离设置的另一种形式，开口设在套筒架的端顶。本图与图3构造意图相同，即开口段的滚珠管可设若干个，而循环段的滚珠管同样只设一个。

图5：表示用夹板安装同步齿轮、滑动齿轮的示意图，是沿齿轮轴向的剖面。

7.1代表安装环形齿轮的滚珠编组或轴承；14代表夹板孔，其孔径大于或等于齿轮孔，方便丝杠穿过；15.1代表左夹板；15.2代表右夹板。

图6：表示用连体套筒确定轴承位置。

6-1表示齿轮，与套筒固连；6-2代表齿轮的连体套筒；6-3代表套筒内孔；6-4代表轴承，表示常规的滚珠轴承。

图7：表示滚珠套筒、丝杆、(多丝头)铰刀、铰刀孔、滚珠及滚道之间的关系，

7-1代表与滚珠相吻合的(多丝头铰刀)两片铰刀之间的滚珠槽；7-2代表铰刀体；7-3代表滚珠；7-4代表套筒与丝杆的分界面；7-5代表丝杆体的实心体部分(虚线范围)；7-6代表套筒体。

图8、图8.1、图8.2：表示滑条式的滑块机构，图8.1、图8.2是图8的辅助剖视图；表示通过导向锥的导向(弯折作用)，滑条的引出有多种方法，本法是其中之一。

8-1代表滑条齿轮(类似于铰刀齿轮)；8-2代表滑动齿轮；8-3代表动力齿轮；8-4代表滑条齿轮轴；8-5代表导向锥，安装在套筒上，后端与从动齿轮相连，将滑条由套筒内表面引出后经此导向；8-6代表滑条齿轮的从动轮，它与导向锥上的齿轮啮合；8-7代表导向锥齿轮，它带动导向锥转动；8-8代表滑条调节轮，两个轮相对运动，增加滑条穿过的路径长度，起绷紧滑条之目的；8-9代表滑条；8-10代表另一端的导向锥；8-11代表套筒；8-12代表沿套筒内壁循环的滑条，他露出套筒内壁表面一定高度；8-13代表辅助滑条运行的滚珠编组，其循环方式同现有技术的滚珠丝杠相同；8-14代表滚珠等回转循环孔；8-15代表套筒内孔；图8.2中的箭头代表滑条的受力分析。

具体实施方式：

1、选定滚珠若干，分别用于螺旋循环滚珠编组、同步齿轮、滑动齿轮；

2、选一条刚性圆柱体，作为丝杠棒芯(丝杆)；

3、选一条刚性圆筒，作为滚珠套筒；

4、设定滚珠循环管盘旋方向和梯度，以滚珠直径为槽宽，用机床分别制作丝杠和滚珠套筒，两构件上的滚珠循环管相吻合，套筒和丝杠径向尺寸吻合，槽宽与滚珠吻合；

5、在滚珠套筒上打一直径等同滚珠直径的小孔，两端分别连接滚珠套筒上的滚珠循环管；小孔与滚珠套筒轴心平行，位于滚珠螺旋管外侧；

6、选一条与滚珠直径吻合的金属管弯制U型弯头，弯头的一端对接小孔，另一端对接滚珠循环管，形成闭合的滚珠循环管道；若小孔和滚珠循环管相距较大，则弯头的中间部位还要做大于丝杠圆周的弯曲，以留出丝杠运行的空间位置；

7、在滚珠套筒端头均等设置铰刀位(躲开小孔)，钻出铰刀孔；铰刀孔要与滚珠循环管交叉，以便铰刀能够拨到滚珠；

8、按铰刀孔直径制作铰刀(刀、轴连体)，铰刀螺旋方向与滚珠螺旋管道的旋转方向同向(在没有调速齿轮作用的情况下，铰刀轴的自转方向与滚珠套筒反向)；并同时在铰刀轴上制作轴承位；

9、安装铰刀；铰刀轴露初滚珠套筒；

10、制作绞刀齿轮，齿轮的最大半径小于铰刀轴心距丝杠表面的距离，留出丝杠运转空间；

11、制作同步齿轮，其内圆半径等于铰刀轴旋转半径+绞刀齿轮半径；

同步齿轮(环)内外径之间设环形滚珠编组，要留有足够间距，然后确定外圆；

分别制作同步齿轮的内、外齿；

12、根据同步齿轮尺寸，制作环形夹板，后部安装使用；

13、按设定的转速比，用同样方法制作滑动齿轮和夹板；

14、根据滑动齿轮的齿数和预定的转速比制作调速齿轮；

15、制作动力齿轮，使其内径与滚珠套筒外径吻合；

16、制作外套筒；

17、制作外套筒平衡支撑件(支撑到机架上)；制作夹板与外套筒之间的连接件，使夹板能固定在外套筒上；

18、安装：

将外套筒安装在滚珠套筒上→安装铰刀在滚珠套筒壁上的铰刀空内→丝杠安装在滚珠套筒内→用U型弯头连接滚珠套筒一端的螺旋滚珠孔和小孔→装入滚珠并往里推挤滚珠(滚珠碰到铰刀后，铰刀会自行旋转)，直到滚珠从小孔循环露出→在另一弯头里装入适量滚珠，然后对接剩余端的螺旋滚珠孔和小孔，形成闭合回路；

将动力齿轮安装在滚珠套筒一端→安装绞刀齿轮→安装同步齿轮，夹板固定在外套筒上→安装滑动齿轮，夹板固定在外套筒上→安装调速齿轮，齿轮轴支撑在外套筒上；

在外套筒上安装动力齿轮、调速齿轮的动力源。

19、试用。

Claims (2)

1.一种调速滑块机构，由外套筒、滚珠套筒、丝杠、滚珠及循环管道、铰刀、同步齿轮、滑动齿轮、动力齿轮、调速齿轮组成，其特征在于：滚珠套筒内部套接滚珠丝杠，外部套接外套筒，端头部位安装动力齿轮；外套筒与滚珠套筒可相对转动；铰刀、滚珠及循环管道设在滚珠套筒筒壁内，铰刀轴的另一端伸出套筒之外，端部安装铰刀齿轮；铰刀齿轮内切啮合于同步齿轮，同步齿轮内切啮合于滑动齿轮，滑动齿轮外切啮合调速齿轮；同步齿轮、滑动齿轮、调速齿轮、外动力源等均以外套筒为固定支架，外套筒以滚珠套筒为承载支撑，以外部机架为平衡支撑；调速齿轮、动力齿轮连接动力源，驱动机构运动；滚珠及循环管道沿套筒内壁呈螺旋状设置，铰刀轴与套筒的中心轴平行，设于滚珠螺旋体之外；滚珠套筒在动力齿轮的带动下匀速转动，带动铰刀轴以滚珠套筒的中心为轴心旋转，铰刀轴带动小齿轮与同步齿轮啮合旋转，同步齿轮进而又带动铰刀被动自转；调速齿轮通过滑动齿轮的传导，带动同步齿轮旋转并控制其转速；铰刀齿轮在随滚珠套筒旋转的同时，又沿同步齿轮以星型旋转的形式啮合旋转，铰刀齿轮自转转速受滚珠套筒转速和同步齿轮转速差值的影响，差值越大，铰刀齿轮自转转速越大，差值为零，铰刀齿轮不转；调整调速齿轮转速，即是调整差值，使铰刀获得相应自转速度；通过调整铰刀自转速度，进而调整滚珠循环速度，继而使丝杠转速和轴向运行速度得到调整和控制。

2.如权利要求1中所述的滑块，其特征在于：用滑条替代嵌合在套筒和丝杆之间的滚珠的嵌合体，将原来的滚珠设在滑条与套筒上的槽沟之间，成为辅助滑条运行的机构，减小滑条的摩擦；滑条沿原来的滚珠槽循环滑动，使丝杆轴向运动和转动；滑条形成的螺旋体，在套筒两端脱离丝杆向外引出，经设置在套筒上的导向锥导向，分别自两端伸向套筒中间，连接后形成闭合环。

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