CN103527738B - 一种实现升降旋转动作的机械机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现升降旋转动作的机械机构，包括基座、螺杆、螺套、螺套挡圈、螺套回转架和扭转弹簧，螺杆和扭转弹簧的一端均安装在基座上；该机械机构具有平动和转动两个功能，其中平动功能实现螺套的平移升降，转动功能实现螺套的旋转，两个功能的动作分先后发生。本发明具有结构紧凑，刚度和精度高，容易实现模块化，纯机械耦合，可靠性极高等特点。适应高温、低温、高电磁、粉尘、腐蚀性气体环境，是取代多动力源的相关设备、执行单一重复动作的一种解决方案。

Description

一种实现升降旋转动作的机械机构

技术领域

本发明属于传动设备设计制造领域，具体涉及一种单一动力源，并能完成上升—正向旋转—反向旋转—下降动作的髙机械耦合机械机构。

背景技术

随着科技日益进步，以前需要人力的各种行业，不断向自动化的生产方式转变。

通过调研发现，目前实现上升—正向旋转—反向旋转—下降动作的机械装置，存在精度不高，电气、液压及气动的传动方案过于复杂，可靠性不高，价格高昂等问题。

发明内容

为了解决上面提到的问题，本发明设计出一种单动力髙机械耦合机械机构，以执行上升—正向旋转—反向旋转—下降的机械动作，制造方便，调试容易，可用于各个领域。

本发明的实现升降旋转动作的机械机构，包括基座、螺杆、螺套、螺套挡圈、螺套回转架和扭转弹簧；该机械机构具有平动和转动两个功能，其中平动功能实现螺套的平移升降功能，转动功能实现螺套的旋转功能，两个功能的动作分先后发生；其中基座、螺杆、螺套、螺套挡圈、螺套回转架之间由4个运动副构成运动关系，第一个是连接于基座与螺杆之间的转动副，第二个是连接于螺杆与螺套之间的螺旋副，第三个是连接于螺套与螺套回转架之间的移动副，第四个是连接于螺杆与螺套回转架之间的转动副；螺杆通过转动副安装在基座上，螺杆与螺套通过螺旋配合安装，螺套挡圈与螺杆同轴且刚性安装在螺杆螺纹尽头端面上，螺套回转架通过转动副安装在螺杆上，螺套回转架通过移动副与螺套相连接，扭转弹簧与螺杆同轴配合安装，一端固定在基座上，另一端与螺套回转架固定；如先后在螺杆上施加以螺杆中心线为轴的不同方向的转矩，可使螺套完成上升—正向旋转—反向旋转—下降的动作。

本发明同时公开一种机械装置，是在上述的实现升降旋转动作的机械机构基础上，进一步增加负载托架、螺杆轮、凹球轮、凸球轮、花键轴、压缩弹簧、弹簧挡轮形成的；负载托架固定安装在螺套上，螺杆轮与螺杆固定安装，螺杆轮与凹球轮通过齿轮副连接，凹球轮与花键轴通过转动副连接，凸球轮的花键与花键轴的花键通过移动副配合连接，凸球轮与凹球轮通过摩擦副连接，花键轴通过转动副安装在基座上，弹簧挡轮固定安装在花键轴上，压缩弹簧与花键轴同轴安装，位于弹簧挡轮和凸球轮之间；如先后在弹簧挡轮上施加以球轮轴中心线为轴的不同方向的转矩，通过花键轴的花键传递给凸球轮，凸球轮传给凹球轮，凹球轮传给螺杆轮，使负载托架完成上升—正向旋转—反向旋转—下降的动作；结构不变时负载托架的最大上升力及最大下压力都是恒定值，此恒定值是由凸球轮所能传递给凹球轮的最大转矩决定的，从而保证了负载托架在运动到上下极限位置时，凸球轮和凹球轮的转矩耦合关系被打开，消除了动力转矩对整体结构造成冲击的可能性；在转矩耦合关系被打开时，无论凸球轮与凹球轮处于何种相对位置，凸球轮回复时凸球轮的凸球都能嵌进凹球轮的球坑以建立新的耦合关系；通过多个机械装置中弹簧挡轮的啮合，可使多个机械装置机械耦合，以完成多个机械装置间的动力传递。

本发明涉及的实现升降旋转动作的机械机构与机械装置，有如下特点：（1）结构紧凑，易于制造，容易实现模块化生产；（2）刚度好，精度高；（3）只需一个动力源，无需加入任何电气、液压及气动传动手段，可靠性高；（4）机械装置可扩展；（5）适应高温、低温、高电磁、粉尘、腐蚀性气体环境，成本低；（6）体现机械设计高耦合性的发展方向。

附图说明

图1（a）为本发明实现升降旋转动作的机械机构结构示意图；

图1（b）为本发明实现升降旋转动作的机械机构结构示意图；

图2（a）为本发明实现升降旋转动作的机械装置结构示意图；

图2（b）为本发明实现升降旋转动作的机械装置中凹凸轮耦合示意图；

图3（a）为本发明实现升降旋转动作的机械装置的应用实例结构示意图；

图3（b）为本发明实现升降旋转动作的机械装置的应用实例结构示意图；

图中：11-基座、12-螺杆、13-螺套、14-螺套挡圈、15-螺套回转架、16-扭转弹簧、17-负载托架、18-螺杆轮、19-凹球轮、20-凸球轮、21-花键轴、22-压缩弹簧、23-弹簧挡轮、24-一体式基座、25-左弹簧柱塞、26-左螺套挡圈、27-左螺杆、28-左螺套、29-左螺杆轮、30-左负载托架、31-左凹球轮、32-左凸球轮、33-逻辑弹簧柱塞、34-逻辑摆销轴、35-逻辑摆、36-右凹球轮、37-右凸球轮、38-右螺杆轮、39-右负载托架、40-右螺套、41-右螺杆、42-右螺套挡圈、43-右弹簧柱塞、44-右螺套回转架、45-右扭转弹簧、46-右压缩弹簧、47-右花键轴、48-右弹簧挡轮、49-左弹簧挡轮、50-左压缩弹簧、51-左花键轴、52-左螺套回转架、53-左扭转弹簧

具体实施方式

本发明提出了一种实现升降旋转动作的机械机构，结合附图1（a）、1（b）、2（a）、2（b）、3（a）、3（b）及实施例详细说明如下：

如图1（a）、1（b）所示，是本发明的一种实现升降旋转动作的机械机构，其包括基座11、螺杆12、螺套13、螺套挡圈14、螺套回转架15、扭转弹簧16。机构由4个运动副构成运动关系，第一个是连接于基座11与螺杆12之间的转动副，第二个是连接于螺杆12与螺套13之间的螺旋副，第三个是连接于螺套13与螺套回转架15之间的移动副，第四个是连接于螺杆12与螺套回转架15之间的转动副。螺杆12通过转动副安装在基座11上，螺杆12与螺套13通过螺旋配合安装，螺套挡圈14与螺杆12同轴且刚性安装在螺杆12螺纹尽头端面上，螺套回转架15通过转动副安装在螺杆12上，螺套回转架15通过移动副与螺套13连接，扭转弹簧16与螺杆12同轴配合安装，扭转弹簧16的一端固定在基座11上，另一端与螺套回转架15固定，其自身的预紧力使螺套回转架15保持一个平衡位置，该预紧力施加在螺套回转架15上的转矩，大于螺杆12与螺套13、螺套13与螺套回转架15之间运动副施加在螺套回转架15上的最大反向转矩。

如图1（a）所示，当在螺杆12上施加一个以螺杆12中心线为轴、大于扭转弹簧16预紧力所形成的转矩且与该转矩反向的转矩时，螺套13以螺套回转架15为导向上升运动，在接触到螺套挡圈14时螺套13不能继续上升，螺杆12上的驱动转矩克服扭转弹簧16产生的转矩，螺套13正向旋转0~360°，如图1（b）所示；当在螺杆12上施加反向转矩时，扭转弹簧16带动螺套回转架15及螺套13反向旋转到平衡位置，螺套13以螺套回转架15为导向进行下降运动，螺套完成了上升—正向旋转—反向旋转—下降的动作。

如图2（a）所示，是应用了上述实现升降旋转动作的机械机构的机械装置，该装置包括基座11、螺杆12、螺套13、螺套挡圈14、螺套回转架15、扭转弹簧16、负载托架17、螺杆轮18、凹球轮19、凸球轮20、花键轴21、压缩弹簧22、弹簧挡轮23。螺杆12通过转动副安装在基座11上，螺杆12与螺套13通过螺旋配合安装，螺套挡圈14与螺杆12同轴且刚性安装在螺杆12螺纹尽头端面上，螺套回转架15通过转动副安装在螺杆12上，螺套回转架15又通过移动副与螺套13相连接，扭转弹簧16与螺杆12同轴配合安装，扭转弹簧16的一端固定在基座11上，另一端与螺套回转架15固定，其自身的预紧力使螺套回转架15保持一个平衡位置，该预紧力施加在螺套回转架15上的转矩，大于螺杆12与螺套13、螺套13与螺套回转架15之间运动副施加在螺套回转架15上的最大反向转矩，负载托架17固定安装在螺套13上，螺杆轮18与螺杆12固定安装，花键轴21通过转动副与基座11连接安装，螺杆轮18与凹球轮19通过齿轮副连接，凹球轮19与花键轴21通过转动副连接，凸球轮20的花键与花键轴21的花键配合，为移动副连接，凸球轮20与凹球轮19通过摩擦副连接，弹簧挡轮23固定安装在花键轴21上，压缩弹簧22与花键轴21同轴安装，并位于弹簧挡轮23和凸球轮20之间。

如图2（a）所示，当在弹簧挡轮23上施加以花键轴21的中心线为轴的某一方向转矩，此转矩将通过花键轴21传递给凸球轮20，凸球轮20传给凹球轮19，凹球轮19传给螺杆轮18，此时施加在螺杆轮18上的转矩大于扭转弹簧16的预紧力在螺套回转架15上所产生的转矩且与其方向相反，螺套13以螺套回转架15为导向上升运动，在接触到螺套挡圈14时螺套13不能继续上升，螺杆12上的驱动转矩克服扭转弹簧16产生的转矩，螺套13正向旋转0~360°；当在螺杆12上施加反向转矩时，扭转弹簧16带动螺套回转架15及螺套13反向旋转到平衡位置，螺套13以螺套回转架15为导向进行下降运动，螺套完成了上升—正向旋转—反向旋转—下降的动作。

如图2（b）所示，凸球轮20与凹球轮19的配合为凸球轮20的凸球嵌进凹球轮19的球坑里，凸球轮20在压缩弹簧22的压力下给凹球轮19传递转矩，该转矩有一个上限值，超过上限值凸球轮20的凸球就越过球坑最高点进入另一球坑，即负载托架17的上升力及下压力都有上限；当结构不变时负载托架17的最大上升力及最大下压力都是恒定值，保证了负载托架17在运动到上下极限位置时，凸球轮20和凹球轮19的转矩耦合关系被打开，消除了动力转矩对整体结构造成冲击的可能性；在凸球轮20和凹球轮19的转矩耦合关系被打开后，无论凸球轮20与凹球轮19处于何种相对位置，凸球轮20在压缩弹簧22作用下下落时，凸球轮20的凸球都能嵌进凹球轮19的球坑以建立新的耦合关系。

如图3（a）、3（b）所示，是上述机械装置的应用实例，包括一体式基座24、左弹簧柱塞25、左螺套挡圈26、左螺杆27、左螺套28、左螺杆轮29、左负载托架30、左凹球轮31、左凸球轮32、逻辑弹簧柱塞33、逻辑摆销轴34、逻辑摆35、右凹球轮36、右凸球轮37、右螺杆轮38、右负载托架39、右螺套40、右螺杆41、右螺套挡圈42、右弹簧柱塞43、右螺套回转架44、右扭转弹簧45、右压缩弹簧46、右花键轴47、右弹簧挡轮48、左弹簧挡轮49、左压缩弹簧50、左花键轴51、左螺套回转架52及左扭转弹簧53。

左螺杆27与右螺杆41的高度不同且左螺杆27较低，左弹簧挡轮49及右弹簧挡轮48除了作为左压缩弹簧50和右压缩弹簧46的挡轮外，还通过齿轮副连接来传递转矩；左螺杆27及右螺杆41分别通过转动副安装在一体式基座24上，左螺杆27与左螺套28、右螺杆41与右螺套40分别通过螺旋副配合安装，左螺套挡圈26与左螺杆27同轴且刚性安装在左螺杆27螺纹尽头端面上，右螺套挡圈42与右螺杆41同轴且刚性安装在右螺杆41螺纹尽头端面上，左螺套回转架52通过转动副安装在左螺杆27上，右螺套回转架44通过转动副安装在右螺杆41上，左螺套回转架52通过移动副与左螺套28相连接，右螺套回转架44通过移动副与右螺套40相连接，左扭转弹簧53与左螺杆27同轴配合安装，左扭转弹簧53的一端固定在一体式基座24上，另一端与左螺套回转架52固定，其自身的预紧力使左螺套回转架52保持一个平衡位置，该预紧力施加在左螺套回转架52上的转矩，大于左螺杆27与左螺套28、左螺套28与左螺套回转架52之间运动副施加在左螺套回转架52上的最大反向转矩，右扭转弹簧45的配合情况与左扭转弹簧53的相同，左负载托架30及右负载托架39分别固定安装在左螺套28及右螺套40上，左螺杆轮29及右螺杆轮38分别与左螺杆27及右螺杆41固定安装，左花键轴51及右花键轴47分别通过转动副与一体式基座24连接安装，左螺杆轮29与左凹球轮31通过齿轮副连接，右螺杆轮38与右凹球轮36通过齿轮副连接，左凹球轮31与左花键轴51通过转动副连接，右凹球轮36与右花键轴47通过转动副连接，左凸球轮32的花键与左花键轴51的花键配合，为移动副连接，右凸球轮37的花键与右花键轴47的花键配合，为移动副连接，左凸球轮32及左凹球轮31、右凸球轮37及右凹球轮36分别通过摩擦副连接，左弹簧挡轮49、右弹簧挡轮48分别固定安装在左花键轴51、右花键轴47上，左压缩弹簧50与左花键轴51同轴安装，并位于左弹簧挡轮49和左凸球轮32之间，右压缩弹簧46与右花键轴47同轴安装，并位于右弹簧挡轮48和右凸球轮37之间，左弹簧柱塞25及右弹簧柱塞43都安装在一体式基座24上，逻辑摆销轴34固定在一体式基座24上，逻辑摆35通过转动副与逻辑摆销轴34连接，左花键轴51的花键面有两个上下布置的球坑，逻辑弹簧柱塞33安装在左凸球轮32上并嵌进左花键轴51的下球坑，由此产生的沿左花键轴51轴线上的有效作用力大于左压缩弹簧50的预压力，逻辑摆35的一端与左凸球轮32的圆环面接触，另一端与右凸球轮37的盘面有一定距离。

如图3（a）所示，当左负载托架30及右负载托架39在低位，左弹簧挡轮49及右弹簧挡轮48其中一个受到外界施加的以左花键轴51或右花键轴47的中心线为轴的驱动转矩，此转矩在左弹簧挡轮49及右弹簧挡轮48之间相互传递，接着分别通过左花键轴51及右花键轴47传递给左凸球轮32及右凸球轮37，再分别传给左凹球轮31及右凹球轮36，然后分别传给左螺杆轮29及右螺杆轮38；此时施加在左螺杆轮29上的转矩，大于左扭转弹簧53的预紧力在左螺套回转架52上所产生的转矩且方向相反，施加在右螺杆轮38上的转矩，大于右扭转弹簧45的预紧力在右螺套回转架44上所产生的转矩且方向相反；左螺套28及右螺套40分别以左螺套回转架52及右螺套回转架44为导向上升；当左螺套28先接触到左螺套挡圈26时左螺套28不能继续上升，左螺杆27上的转矩克服左扭转弹簧53产生的转矩，左螺套28正向旋转0~360°到设定的极限位置停止，左弹簧柱塞25的柱塞嵌进左螺套28上面的定位孔使左螺套28固定住，由于驱动转矩在沿左花键轴51轴线上产生的力大于左压缩弹簧50压力与逻辑弹簧柱塞33有效作用力之和，左凸球轮32被抬起，使逻辑弹簧柱塞33的柱塞从左花键轴51花键上的下坑脱离进入上坑固定，左凸球轮32与左凹球轮31的转矩耦合关系打开，同时使逻辑摆35与左凸球轮32的圆环面接触的一端抬起，另一端下降并与右凸球轮37的盘面接触；右螺套40继续上升，直到接触到右螺套挡圈42时不能继续上升，右螺杆41上的转矩克服右扭转弹簧45产生的转矩，右螺套40正向旋转0~360°到设定的极限位置停止，右弹簧柱塞43的柱塞嵌进右螺套40上面的定位孔使右螺套40固定住，如图3（b）所示，由于驱动转矩在沿右花键轴47轴线上产生的力大于右压缩弹簧46压力，右凸球轮37被抬起，触发外界的机构去除驱动转矩，同时使逻辑摆35与右凸球轮37的盘面接触的一端抬起，另一端压迫左凸球轮32下降，让逻辑弹簧柱塞33的柱塞从左花键轴51花键上的上坑脱离回到下坑固定，使左凸球轮32与左凹球轮31的转矩耦合关系恢复；右凸球轮37在右压缩弹簧46作用下下落，右凸球轮37的凸球嵌进右凹球轮36的球坑，建立新的耦合关系。

当受到大小一样但方向相反的驱动转矩时，驱动转矩的传递路径及方式与上升——正向旋转的一样，逻辑触发的顺序及形式与上升——正向旋转的一样，完成反向旋转——下降的动作；由此该机构完成了上升——正向旋转——反向旋转——下降全部动作。

在实际应用中，基于本发明所述的一种实现升降旋转动作的机械机构，可用于要求具备这些动作的各种工作场合，以执行单一重复动作。

Claims (3)

1.一种实现升降旋转动作的机械机构，其包括基座、螺杆、螺套、螺套挡圈、螺套回转架和扭转弹簧；该机械机构具有平动和转动两个功能，其中平动功能实现螺套的平移升降功能，转动功能实现螺套的旋转功能，两个功能的动作分先后发生；其特征在于，基座、螺杆、螺套、螺套挡圈、螺套回转架之间由4个运动副构成运动关系，第一个是连接于基座与螺杆之间的转动副，第二个是连接于螺杆与螺套之间的螺旋副，第三个是连接于螺套与螺套回转架之间的移动副，第四个是连接于螺杆与螺套回转架之间的转动副；螺杆通过转动副安装在基座上，螺杆与螺套通过螺旋配合安装，螺套挡圈与螺杆同轴且刚性安装在螺杆螺纹尽头端面上，螺套回转架通过转动副安装在螺杆上，螺套回转架又通过移动副与螺套相连接，扭转弹簧与螺杆同轴配合安装，一端固定在基座上，另一端与螺套回转架固定。

2.一种应用权利要求1所述的实现升降旋转动作的机械机构的机械装置，所述机械装置还包括负载托架、螺杆轮、凹球轮、凸球轮、花键轴、压缩弹簧、弹簧挡轮及运动副；其特征在于，负载托架固定安装在螺套上，螺杆轮与螺杆固定安装，螺杆轮与凹球轮通过齿轮副连接，凹球轮与花键轴通过转动副连接，凸球轮的花键与花键轴的花键通过移动副配合连接，凸球轮与凹球轮通过摩擦副连接，花键轴通过转动副安装在基座上，弹簧挡轮固定安装在花键轴上，压缩弹簧与花键轴同轴安装，并位于弹簧挡轮和凸球轮之间。

3.一种应用多个权利要求2所述机械装置的机械系统，其特征在于采用弹簧挡轮啮合进行机械耦合以完成机械传动。