CN103115121B - 具有低摩擦特性的夹心式超声波丝杠 - Google Patents
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Abstract
具有低摩擦特性的夹心式超声波丝杠，本发明属于利用螺纹副形式的螺旋传动件领域。它是为了改善滑动丝杠由于螺母与螺杆处于滑动摩擦状态所带来的摩擦阻力大、传动效率低、低速时易爬行、定位精度差、工作寿命短等问题。它的螺母基体的外圆面上设置有用于固定用的一个或多个法兰盘；在螺母基体的外圆面上绕圆周方向开有一条或多条环槽；压电伸缩圆环由多片压电伸缩片组成；多片压电伸缩片依次叠加连接；环槽中都镶嵌有压电伸缩圆环，压电伸缩圆环的两侧端面分别与环槽内的两侧端面连接；所有压电伸缩片的驱动频率都在超声波频段内。本发明的丝杠具有低的摩擦系数，摩擦阻力可减少50%以上，传动效率可达80%以上。
Description
技术领域
本发明属于利用螺纹副形式的螺旋传动件领域。
背景技术
基于螺纹副形式的螺旋传动主要是通过螺杆与螺母间的旋合传递运动和动力，按照螺杆与螺母间的摩擦状态可分为滑动丝杠和滚珠丝杠。滑动丝杠主要由螺母和螺杆两部分组成，具有结构简单、加工方便、运转平稳等特点，主要应用于机床的进给机构、线性驱动模组以及负载平台的传动机构等场合。但是由于滑动丝杠工作时的螺母与螺杆处于滑动摩擦状态，使得丝杠传动时螺母与螺杆两者之间存在摩擦阻力大的问题，这一问题导致滑动丝杠工作时存在传动效率低(一般为30％～60％)、定位精度差、易爬行、磨损快以及工作寿命短等缺点。为了解决滑动丝杠传动螺纹间存在的滑动摩擦阻力大的问题，相应出现了一种由螺母、螺杆和滚动体三部分组成的滚珠丝杠。与滑动丝杠相比，滚珠丝杠工作时滚动体在螺母与螺杆间的螺纹滚道内滚动，使得螺母和螺杆相对运动时成滚动摩擦状态，有效降低了二者之间的摩擦阻力，因此具有传动效率高(一般在80％以上)、定位精度高、使用寿命长等优点，但由于采用滚动体及相应结构所带来的结构复杂、制造困难、成本高、安装与维护烦琐等问题也同样明显。
发明内容
为了改善滑动丝杠由于螺母与螺杆处于滑动摩擦状态所带来的摩擦阻力大、传动效率低、低速时易爬行、定位精度差、工作寿命短等问题，本发明提出了一种具有低摩擦特性的夹心式超声波丝杠。所述具有低摩擦特性的夹心式超声波丝杠，是由螺母基体、一个压电伸缩圆环、螺杆组成；
螺母基体的外圆面上设置有两个用于固定用的法兰盘，螺母基体外圆面中部上只开有一周环槽，两个法兰盘具体位置分别在环槽两侧；螺母基体的内圆面上设置有内螺纹，螺母基体的内螺纹中旋转连接有螺杆，内螺纹的螺纹升角小于内螺纹与螺杆连接螺纹副间的当量摩擦角；压电伸缩圆环由多片压电伸缩片组成；所有压电伸缩片为圆环垫片形，多片压电伸缩片依次叠加连接；环槽中镶嵌有一个压电伸缩圆环，压电伸缩圆环的两侧端面分别与环槽内的两侧端面连接；所有压电伸缩片的驱动频率都在超声波频段内；压电伸缩片的圆周方向上设置有多个扇形极化区和多个扇形绝缘隔离区，多个扇形极化区与多个扇形绝缘隔离区相互间隔连续圆周布置，所述扇形极化区与扇形绝缘隔离区的数量相等，且都为偶数，压电伸缩片的多个扇形极化区的伸缩方向与压电伸缩片的厚度方向相同；每个压电伸缩片上的相邻扇形极化区的驱动相位差180度；所述压电伸缩圆环的驱动方式为行波激振工作模式或驻波激振工作模式；行波激振工作模式为所述压电伸缩圆环中的多片压电伸缩片为两片成一组，每组中两片压电伸缩片的扇形极化区与扇形极化区相正对，且它们的驱动相位相同；相邻组之间的扇形极化区与扇形绝缘隔离区相正对；相邻组的驱动相位差90度；驻波激振工作模式为一组单独驱动，每组中两片压电伸缩片的扇形极化区与扇形极化区相正对，且它们的驱动相位相同。
本发明的丝杠具有低的摩擦系数，摩擦阻力可减少50％以上，传动效率可达80％以上。它的低摩擦力特性的获得主要利用相对摩擦副间的高频微幅振动(频率一般大于1000Hz，振幅一般小于1μm)所产生的减摩效应来实现。具体来说，通过激发滑动丝杠螺母处于超声频率内(频率一般大于13kHz)的微幅振动，基于超声振动所导致的超声减摩效应降低螺母与螺杆间的摩擦系数，进而达到降低二者之间的摩擦阻力的目的。由于本发明所提出的具有低摩擦力特性的滑动丝杠处于工作状态时其螺母处于微幅的超声振动状态，因此本发明中命名基于高频振动减摩原理的丝杆为超声波丝杠，英文名可译成UltrasonicScrewShaft，简称为USS。与传统滑动丝杠相比，超声波丝杠(USS)具有摩擦阻力小(相比于同类传统滑动丝杠，摩擦阻力可减少50％以上)、传动效率高(可达80％以上)、定位精度高等优点；与传统的滚珠丝杠相比，具有结构简单，制造成本低、安装与维护简易等优点，因此超声波丝杠(USS)在各种工业设备和精密仪器领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1中压电伸缩圆环2展开分解后的结构示意图；
图3是图2中压电伸缩片2-1结构示意图；
图4是具体实施方式三中压电伸缩圆环2展开分解后的结构示意图；
图5是图4中压电伸缩片2-1结构示意图；
图6是具体实施方式四和具体实施方式五中压电伸缩圆环2展开分解后的结构示意图；
图7是图6中压电伸缩片2-1结构示意图；
图8是具体实施方式六的结构示意图；
图9是具体实施方式六和具体实施方式七中压电伸缩圆环2展开分解后的结构示意图；
图10是图9中压电伸缩片2-1结构示意图；
图11是具体实施方式八的结构示意图；
图12是具体实施方式八的结构示意图；
图13是具体实施方式九的结构示意图；
图14是具体实施方式九的结构示意图；
图15是具体实施方式十的结构示意图；
图16是具体实施方式十中压电伸缩圆环2展开分解后的结构示意图；
图17是图16中压电伸缩片2-1结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1～图14进行说明，本具体实施方式是由螺母基体1、一个或多个压电伸缩圆环2、螺杆1-3组成；
螺母基体1的外圆面上设置有用于固定用的一个或多个法兰盘3；螺母基体1的内圆面上设置有内螺纹1-2，螺母基体1的内螺纹1-2中旋转连接有螺杆1-3，内螺纹1-2的螺纹升角小于内螺纹1-2与螺杆1-3连接螺纹副间的当量摩擦角；在螺母基体1的外圆面上绕圆周方向开有一条或多条环槽1-1；压电伸缩圆环2由多片压电伸缩片2-1组成；所有压电伸缩片2-1为圆环垫片形，多片压电伸缩片2-1依次叠加连接；每个环槽1-1中都镶嵌有一个压电伸缩圆环2，压电伸缩圆环2的两侧端面分别与环槽1-1内的两侧端面连接；所有压电伸缩片2-1的驱动频率都在超声波频段内。
所述螺母基体1的内螺纹1-2和螺杆1-3的外螺纹可为梯形螺纹、三角形螺纹、矩形螺纹、锯齿形螺纹、管螺纹或非标螺纹。所述压电伸缩片2-1的驱动频率与自由梁状态的螺母基体1的共振频率相吻合或相近，以此激发自由梁状态的螺母基体1处于超声振动状态；压电伸缩片2-1的驱动电信号波形可为正弦波形交流电信号、方波形交流电信号、三角波形交流电信号或锯齿形交流电信号。
具体实施方式二：参见图1～图3进行说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述螺母基体1的外圆面上只设置有一个用于固定用的法兰盘3；所述法兰盘3具体设置在螺母基体1的左侧端头部，压电伸缩片2-1的圆周方向上设置有多个扇形极化区2-2和多个扇形绝缘隔离区2-3，多个扇形极化区2-2与多个扇形绝缘隔离区2-3相互间隔连续圆周布置，所述扇形极化区2-2与扇形绝缘隔离区2-3的数量相等并大于等于4，且都为偶数，压电伸缩片2的多个扇形极化区2-2的伸缩方向与压电伸缩片2的厚度方向相同，每个压电伸缩片2-1上的相邻扇形极化区2-2的驱动相位差180度；所述压电伸缩圆环2的驱动方式为行波激振工作模式或驻波激振工作模式；行波激振工作模式为所述压电伸缩圆环2中的多片压电伸缩片2-1为两片成一组，每组中两片压电伸缩片2-1的扇形极化区2-2与扇形极化区2-2相正对，且它们的驱动相位相同；相邻组之间的扇形极化区2-2与扇形绝缘隔离区2-3相正对；相邻组的驱动相位差90度；驻波激振工作模式为一组单独驱动，每组中两片压电伸缩片2-1的扇形极化区2-2与扇形极化区2-2相正对，且它们的驱动相位相同。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：参见图1、图4、图5进行说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述螺母基体1的外圆面上只设置有一个用于固定用的法兰盘3；所述法兰盘3具体设置在螺母基体1的左侧端头部，压电伸缩片2-1的圆周方向上设置有两个扇形极化区2-2和两个扇形绝缘隔离区2-3，两个扇形极化区2-2与两个扇形绝缘隔离区2-3分别相互间隔连续圆周布置，压电伸缩片2的两个扇形极化区2-2的伸缩方向与压电伸缩片2的厚度方向相同，每个压电伸缩片2-1上的相邻扇形极化区2-2的驱动相位差180度；所述压电伸缩圆环2的驱动方式为行波激振工作模式或驻波激振工作模式；行波激振工作模式为所述压电伸缩圆环2中的多片压电伸缩片2-1为两片成一组，每组中两片压电伸缩片2-1的扇形极化区2-2与扇形极化区2-2相正对，且它们的驱动相位相同；相邻组之间的扇形极化区2-2与扇形绝缘隔离区2-3相正对；相邻组的驱动相位差90度；驻波激振工作模式为一组单独驱动，每组中两片压电伸缩片2-1的扇形极化区2-2与扇形极化区2-2相正对，且它们的驱动相位相同。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：参见图1、图6、图7进行说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述螺母基体1的外圆面上只设置有一个用于固定用的法兰盘3；所述法兰盘3具体设置在螺母基体1的左侧端头部，压电伸缩片2-1的伸缩方向与压电伸缩片2的厚度方向相同，所有压电伸缩片2-1可单独或成组驱动，在成组驱动时其驱动相位相同。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：参见图1、图6、图7进行说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述螺母基体1的外圆面上只设置有一个用于固定用的法兰盘3；所述法兰盘3具体设置在螺母基体1的左侧端头部，压电伸缩片2-1的一个端面相对另一个端面的正反扭转轴线与压电伸缩片2-1自身的轴线重合；所有压电伸缩片2-1可单独或成组驱动，在成组驱动时其驱动相位相同。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：参见图8、图9、图10进行说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述螺母基体1的外圆面上只设置有一个用于固定用的法兰盘3；所述法兰盘3具体设置在螺母基体1的中间部位；所述环槽1-1分布在法兰盘3的两侧，且法兰盘3两侧环槽1-1的个数相等；压电伸缩片2-1的伸缩方向与压电伸缩片2-1的厚度方向相同；所有压电伸缩片2-1可单独或成组驱动，在成组驱动时其驱动相位相同。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：参见图8、图9、图10进行说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述螺母基体1的外圆面上只设置有一个用于固定用的法兰盘3；所述法兰盘3具体设置在螺母基体1的中间部位；所述环槽1-1分布在法兰盘3的两侧，且法兰盘3两侧环槽1-1的个数相等；压电伸缩片2-1的一个端面相对另一个端面的正反扭转轴线与压电伸缩片2-1自身的轴线重合；所有压电伸缩片2-1可单独或成组驱动，在成组驱动时其驱动相位相同，在成组驱动时法兰盘3同侧的压电伸缩片2-1的驱动相位相同。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：参见图11、图12进行说明，本实施方式是在具体实施方式五的基础上它的螺母基体1的外圆面上增加有多条应力变形结构4，多条应力变形结构4设置在螺母基体1绕圆周方向上，所述应力变形结构4为一条深槽4-1或一列小孔4-2；所述多条应力变形结构4设置在所有环槽1-1与螺母基体1的右侧端的端面之间，多条应力变形结构4均沿螺母基体1的外圆面螺旋线设置。其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式九：参见图13、图14进行说明，本实施方式是在具体实施方式六的基础上它的螺母基体1的外圆面上增加有多条应力变形结构4；多条应力变形结构4设置在螺母基体1绕圆周方向上，所述应力变形结构4为一条深槽4-1或一列小孔4-2；其中一半数量的多条应力变形结构4设置在所有环槽1-1与螺母基体1的右侧端面之间，其中另一半数量的多条应力变形结构4设置在所有环槽1-1与螺母基体1的左侧端面之间；多条应力变形结构4均沿螺母基体1的外圆面螺旋线设置。其它组成和连接关系与具体实施方式六相同。
具体实施方式十：参见图15、图16、图17进行说明，本实施方式与具体实施方式一至七的不同点在于螺母基体1的外圆面上设置有两个用于固定用的法兰盘3；螺母基体1外圆面中部上只开有一周环槽1-1，两个法兰盘3具体位置分别在环槽1-1两侧；压电伸缩片2-1的圆周方向上设置有多个扇形极化区2-2和多个扇形绝缘隔离区2-3，多个扇形极化区2-2与多个扇形绝缘隔离区2-3相互间隔连续圆周布置，所述扇形极化区2-2与扇形绝缘隔离区2-3的数量相等，且都为偶数，压电伸缩片2的多个扇形极化区2-2的伸缩方向与压电伸缩片2的厚度方向相同；每个压电伸缩片2-1上的相邻扇形极化区2-2的驱动相位差180度；所述压电伸缩圆环2的驱动方式为行波激振工作模式或驻波激振工作模式；行波激振工作模式为所述压电伸缩圆环2中的多片压电伸缩片2-1为两片成一组，每组中两片压电伸缩片2-1的扇形极化区2-2与扇形极化区2-2相正对，且它们的驱动相位相同；相邻组之间的扇形极化区2-2与扇形绝缘隔离区2-3相正对；相邻组的驱动相位差90度；驻波激振工作模式为一组单独驱动，每组中两片压电伸缩片2-1的扇形极化区2-2与扇形极化区2-2相正对，且它们的驱动相位相同。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
工作原理：具有低摩擦特性的夹心式超声波丝杠主要是通过压电伸缩片激励螺母处于高频率(频率一般大于1000Hz)的微幅振动状态，利用高频振动所产生的减摩效应降低螺母与螺杆间的摩擦系数，进而达到降低二者之间的摩擦阻力的效果。由超声频率内(频率一般大于13kHz)的微幅振动所导致的超声减摩效应是高频振动的减摩效应中的一种，主要是指在两个运动副处于摩擦状态时，通过超声振动的施加使得其中一个或两个接触表面处于超声振动状态而导致接触面间摩擦系数减小的现象，目前这一现象已经被大量的实验研究所证实，本发明主要利用高频振动产生的减摩效应这一原理进行工作。
Claims (1)
1.具有低摩擦特性的夹心式超声波丝杠，其特征在于它是由螺母基体(1)、一个压电伸缩圆环(2)、螺杆(1-3)组成；
螺母基体(1)的外圆面上设置有两个用于固定用的法兰盘(3)，螺母基体(1)外圆面中部上只开有一周环槽(1-1)，两个法兰盘(3)具体位置分别在环槽(1-1)两侧；螺母基体(1)的内圆面上设置有内螺纹(1-2)，螺母基体(1)的内螺纹(1-2)中旋转连接有螺杆(1-3)，内螺纹(1-2)的螺纹升角小于内螺纹(1-2)与螺杆(1-3)连接螺纹副间的当量摩擦角；压电伸缩圆环(2)由多片压电伸缩片(2-1)组成；所有压电伸缩片(2-1)为圆环垫片形，多片压电伸缩片(2-1)依次叠加连接；环槽(1-1)中镶嵌有一个压电伸缩圆环(2)，压电伸缩圆环(2)的两侧端面分别与环槽(1-1)内的两侧端面连接；所有压电伸缩片(2-1)的驱动频率都在超声波频段内；其特征在于压电伸缩片(2-1)的圆周方向上设置有多个扇形极化区(2-2)和多个扇形绝缘隔离区(2-3)，多个扇形极化区(2-2)与多个扇形绝缘隔离区(2-3)相互间隔连续圆周布置，所述扇形极化区(2-2)与扇形绝缘隔离区(2-3)的数量相等，且都为偶数，压电伸缩片(2-1)的多个扇形极化区(2-2)的伸缩方向与压电伸缩片(2-1)的厚度方向相同；每个压电伸缩片(2-1)上的相邻扇形极化区(2-2)的驱动相位差180度；所述压电伸缩圆环(2)的驱动方式为行波激振工作模式或驻波激振工作模式；行波激振工作模式为所述压电伸缩圆环(2)中的多片压电伸缩片(2-1)为两片成一组，每组中两片压电伸缩片(2-1)的扇形极化区(2-2)与扇形极化区(2-2)相正对，且它们的驱动相位相同；相邻组之间的扇形极化区(2-2)与扇形绝缘隔离区(2-3)相正对；相邻组的驱动相位差90度；驻波激振工作模式为一组单独驱动，每组中两片压电伸缩片(2-1)的扇形极化区(2-2)与扇形极化区(2-2)相正对，且它们的驱动相位相同。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Cheng Tinghai Inventor after: Bao Gang Inventor before: Cheng Tinghai |
|
| COR | Change of bibliographic data |