CN103641018B - 用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置 - Google Patents

Abstract

用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置，涉及一种垂直升降机械装置。针对现有的各种升降机械难以满足大口径光学元件修复设备装配时对其狭小空间的要求问题。滚珠丝杠与丝杠轴承支撑座和底部安装板转动连接，侧面支撑板与丝杠轴承支撑座和底部连接板连接，滚珠丝杠螺母与滚珠丝杠旋合，滚珠丝杠螺母和方法兰直线轴承与移动滑块连接，光轴与丝杠轴承支撑座和底部连接板连接，光轴上滑动套装有一个方法兰直线轴承，滚珠丝杠上固装有蜗轮，同步带轮轴上固套装有同步带轮，同步带轮轴通过同步带轴承座与底部连接板连接，同步带轮轴一与蜗杆连接，蜗杆与蜗轮啮合，同步带轮轴二与直流减速电机连接。本发明用于大口径光学元件修复设备装配。

Description

用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置

技术领域

本发明涉及一种垂直升降机械装置。

背景技术

随着社会科学技术的发展，升降平台在各行各业运用得十分广泛，不管是机械工程领域、土木工程领域，还是在建筑行业中，都需要对机械装备进行装配、或仪器的高度调整等等，各种升降平台都发挥着极其重要的作用。电动升降平台具有尺寸小、重量轻、移动方便、稳定性好等特点；同时，它能在较小的空间内发挥最高的提升能力。因此，它广泛应用于电力线路、照明电器、高架管道等安装维护中。升降机市场非常繁荣，各式各样的升降机产品被设计和生产出来。然而，对于一些狭小空间内需要大行程升降的极端场合，市场上的各种升降机械，或体积非常庞大，或升降行程较小，难以满足工程要求。例如，大口径光学元件表面微缺陷微机械修复设备是一种专门用于大口径KDP晶体表面微缺陷修复用的大型设备，其刀具轴运动及监控部分由于价格昂贵、质量较大、安装空间相对狭小，若单靠人力安装，很容易造成安装事故。同时，市场上的垂直升降机械装置大都需要较大的使用空间，并且升降行程也难以满足要求。针对这种情况，本发明提出设计一套用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置，以满足如大口径光学元件修复设备装配时对其狭小空间的要求，而这正是本发明的意义所在。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置，以解决现有的各种升降机械难以满足大口径光学元件修复设备装配时对其狭小空间要求的问题。

大口径光学元件表面微缺陷微机械修复设备是一种复杂的大型设备。其中，底部平台部分包含了刀具轴运动部分以及刀具监控部分，是该设备的重要组成部分。为了实现在狭小的空间里实现底部平台部分的大行程升降运动，以确保底部平台部分的顺利安装，本发明设计了一套用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置。该装置可以实现大行程的电动垂直升降运动，并且占用的空间较小；同时，整个装置可以在水平面内自由移动，并具有自锁功能。

本发明实现上述目的，采取的技术方案如下：

用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置，所述用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置包括直流减速电机、联轴器、蜗轮蜗杆传动机构、同步带传动机构、滚珠丝杠传动机构、支撑框架、移动滑块、四个同步带轴承、四个滚珠丝杠轴承、四个光轴支撑座、四个同步带轴承座、四根光轴及两个方法兰直线轴承；

所述蜗轮蜗杆传动机构包括两套蜗轮蜗杆副，所述同步带传动机构包括同步带、两根同步带轮轴和两个同步带轮；所述两根同步带轮轴包括同步带轮轴一和同步带轮轴二；所述滚珠丝杠传动机构包括两套滚珠丝杠副，每套滚珠丝杠副包括一根滚珠丝杠及一个滚珠丝杠螺母；所述支撑框架包括底部连接板、两个丝杠轴承支撑座及四个侧面支撑板；

两根滚珠丝杠相对于底部连接板的几何中心线对称且竖直设置，每根滚珠丝杠的上下两端各配合装有一个滚珠丝杠轴承，位于上端的滚珠丝杠轴承与丝杠轴承支撑座转动连接，位于下端的滚珠丝杠轴承与底部连接板转动连接，每个丝杠轴承支撑座与两个侧面支撑板的上端面连接，该两个侧面支撑板与底部连接板上端面连接；滚珠丝杠螺母与滚珠丝杠旋合，滚珠丝杠螺母的下端面与移动滑块的上端面连接，四根光轴竖直设置，每根光轴的上下两端各固定装有一个光轴支撑座，位于上端的光轴支撑座与丝杠轴承支撑座连接，位于下端的光轴支撑座与底部连接板连接；每根光轴上滑动套装有一个方法兰直线轴承，方法兰直线轴承的下端面与移动滑块的上端面连接；每根滚珠丝杠的下端固定套装有蜗轮蜗杆副的蜗轮，所述蜗轮设置在底部连接板的下方，两根同步带轮轴平行设置在底部连接板的下方，两根同步带轮轴上各固套装有一个同步带轮，两个同步带轮与同步带配合实现同步转动，每根同步带轮轴的两端分别配合装有一个同步带轴承，同步带轴承安装在同步带轴承座内，同步带轴承座与底部连接板的下端面连接，同步带轮轴一的一端与蜗轮蜗杆副的蜗杆连接，所述蜗杆与蜗轮啮合；同步带轮轴二一端通过联轴器与直流减速电机的伸出轴连接，直流减速电机与底部连接板的下端面连接。

本发明的有益效果是：

1、该装置采用双滚珠丝杠的结构形式，使得整个装置在较小的占用空间下获得较大的升降行程，其行程可达330mm；同时，双滚珠丝杠结构能够使得装置受力均匀，提高了负载升降运动的平稳性，其负载能力最大可达50kg。

2、同步带传动机构实现了两根滚珠丝杠的同步运动，机构简单可靠，整体结构尺寸长×宽×高为550mm×360mm×475mm，使得整个装置结构非常紧凑。

3、蜗轮蜗杆传动机构具有大减速比，能将小扭矩转化成很大的扭矩，从而降低了对直流减速电机的要求；同时，蜗轮蜗杆传动机构能够实现自锁功能，即使掉电，也能保证负载部分能够保持静止。

4、该装置能够实现直流减速电机带动的自动升降运动以及手轮带动的手动升降运动两大特点，使得底部平台在安装过程中更加灵活、方便。

5、该装置的大部分零件(包括电机安装座、底部连接板、移动滑块、侧面支撑板、丝杠轴承支撑座、光轴支撑座、同步带轴承座、同步带轮)均采用高强度的铝合金材料制成，整个装置不仅重量较轻，而且结构安全可靠。

综上，本发明能满足大口径光学元件修复设备装配时对其狭小空间的要求。

附图说明

图1是本发明的用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置的主视图，图2是图1的俯视图，图3是图1的仰视图，图4是图1的左视图，图5是本发明的原理图，图6是图1的A处局部放大图，图7是3的B处局部放大图，图8是图3的C处局部放大图，图9是图4的D处局部放大图。

图中，电机安装座1、直流减速电机3、蜗轮4、万向轮5、下张紧轮机构10、同步带11、同步带轮轴一15、同步带轮轴二16、底部连接板23、移动滑块24、侧面支撑板25、丝杠轴承支撑座27、光轴支撑座28、蜗杆30、同步带轴承座32、同步带轴承33、联轴器36、同步带轮38、手轮39、光轴40、滚珠丝杠41、滚珠丝杠螺母42、方法兰直线轴承44、滚珠丝杠轴承50、底部平台51、滚珠丝杠副101、蜗轮蜗杆副102。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图9说明，本实施方式的用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置，用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置，其特征在于：所述用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置包括直流减速电机2、联轴器36、蜗轮蜗杆传动机构、同步带传动机构、滚珠丝杠传动机构、支撑框架、移动滑块24、四个同步带轴承33、四个滚珠丝杠轴承50、四个光轴支撑座28、四个同步带轴承座32、四根光轴40及两个方法兰直线轴承44；

所述蜗轮蜗杆传动机构包括两套蜗轮蜗杆副102，所述同步带传动机构包括同步带11、两根同步带轮轴和两个同步带轮38；所述两根同步带轮轴包括同步带轮轴一15和同步带轮轴二16；所述滚珠丝杠传动机构包括两套滚珠丝杠副101，每套滚珠丝杠副101包括一根滚珠丝杠41及一个滚珠丝杠螺母42；所述支撑框架包括底部连接板23、两个丝杠轴承支撑座27及四个侧面支撑板25；

两根滚珠丝杠41相对于底部安装板23的几何中心线对称且竖直设置，每根滚珠丝杠41的上下两端各配合装有一个滚珠丝杠轴承50(深沟球轴承)，位于上端的滚珠丝杠轴承50与丝杠轴承支撑座27转动连接(丝杠轴承支撑座27上加工有沉头孔，所述滚珠丝杠轴承50与丝杠轴承支撑座27上的沉头孔相配合)，位于下端的滚珠丝杠轴承50与底部安装板23转动连接(底部安装板23上加工有沉头孔，所述滚珠丝杠轴承50与底部安装板23上的沉头孔相配合)，每个丝杠轴承支撑座27与两个侧面支撑板25的上端面连接(通过内六角圆柱头螺钉连接)，该两个侧面支撑板25与底部连接板23上端面连接(通过圆柱头螺钉连接)；滚珠丝杠螺母42与滚珠丝杠41旋合，滚珠丝杠螺母42的下端面与移动滑块24的上端面连接(通过十字槽盘头螺钉连接)，四根光轴40竖直设置(光轴40起到导向作用，最好是，相对于每根滚珠丝杠41的轴线对称设置有两根光轴40)，每根光轴40的上下两端各固定装有一个光轴支撑座28，位于上端的光轴支撑座28与丝杠轴承支撑座27连接(通过十字槽盘头螺钉连接)，位于下端的光轴支撑座28与底部连接板23连接(通过十字槽盘头螺钉连接)；每根光轴40上滑动套装有一个方法兰直线轴承44(方法兰直线轴承44能在光轴40上自由滑动)，方法兰直线轴承44的下端面与移动滑块24的上端面连接(通过内六角圆柱头螺钉连接)；每根滚珠丝杠41的下端固定套装有蜗轮蜗杆副102的蜗轮4(通过内六角平端紧定螺钉和六角螺母固定)，所述蜗轮4设置在底部连接板23的下方，两根同步带轮轴平行设置在底部连接板23的下方，两根同步带轮轴上各固套装有一个同步带轮38(通过内六角紧定螺钉固定)，两个同步带轮38与同步带11配合实现同步转动，每根同步带轮轴的两端分别配合装有一个同步带轴承33(深沟球轴承)，同步带轴承33安装在同步带轴承座32内(同步带轴承33与同步带轴承座32的沉头孔相配合)，同步带轴承座32与底部连接板23的下端面连接(通过内六角圆柱头螺钉连接)，同步带轮轴一15的一端与蜗轮蜗杆副102的蜗杆30连接(通过内六角平端紧定螺钉和六角螺母固定)，所述蜗杆30与蜗轮4啮合；同步带轮轴二16一端通过联轴器36与直流减速电机3的伸出轴连接，直流减速电机3与底部连接板23的下端面连接。

使用时，底部平台51设置在移动滑块24的上端面。

具体实施方式二：结合图1说明，本实施方式所述用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置还包括万向轮组件；所述万向轮组件包括四个万向轮5；四个万向轮5呈矩形设置，每个万向轮5与底部连接板23的下端面连接(通过十字槽盘头螺钉连接)。从而实现了整个装置在水平面内的自由移动。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3说明，本实施方式所述同步带轮轴二16的另一端与手轮39连接(采用螺纹连接)。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明，本实施方式所述直流减速电机3与电机安装座1连接(通过十字槽沉头螺钉)，电机安装座1通过与底部连接板23的下端面连接(内六角圆柱头螺钉)。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式所述用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置的长×宽×高＝550mm×360mm×475mm。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1说明，本实施方式所述电机安装座1、底部连接板23、移动滑块24、侧面支撑板25、丝杠轴承支撑座27、光轴支撑座28、同步带轴承座32、同步带轮38均由高强度的铝合金材料制成(可减轻整个装置的重量)。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图1说明，本实施方式所述用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置还包括下张紧轮机构10，所述下张紧轮机构10的上端与底部连接板23的下端面固接，所述同步带11由下张紧轮机构10实现张紧。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

理论分析

本装置采用双滚珠丝杠副101的形式，如图5所示。整个负载包含着两个部分质量：一是移动滑块24的质量m₁，二是底部平台51的质量m₂。设负载的总重量为G₁，单个滚珠丝杠副101所承受的负载为G₂，即有

G₂＝G₁/2＝(m₁+m₂)g/2    (1)

然后，通过滚珠丝杠41的扭矩估算公式得到该负载下所需要的扭矩，该扭矩是蜗轮蜗杆和直流减速电机3选型的根据。扭矩估算公式为

G₂P＝2πM    (2)式中

P——滚珠丝杠41的螺距；

M——滚珠丝杠41的扭矩。

在本装置中，蜗轮蜗杆副102的传动比I＝Z₂/Z₁。其中，蜗杆30的头数Z₁＝1，蜗轮4的齿数Z₂＝30，得到传动比I＝30。考虑蜗轮蜗杆副102的传动效率η₁很低，一般为30％～40％，取η₁＝0.3。再考虑滚珠丝杠副101的传动效率η₂，一般为90％～98％，取η₂＝0.9。设直流减速电机3的输出扭矩为M₀，可以得到直流减速电机3的输出扭矩与滚珠丝杠41的扭矩之间的关系为

M＝η₁η₂M₀I    (3)

由公式(1)(2)(3)可以得到，电机输出扭矩为

$M_0=\frac{(m_1+m_2)gP}{4{\mathrm{\π\η}}_1{\mathrm{\η}}_{2}I}---\left(4\right)$

通过计算得到直流减速电机3的输出扭矩，对直流减速电机3进行选型。由于没有考虑同步带传动机构的传动效率，因而选择比理论输出扭矩稍大的直流减速电机3。通过上述理论分析，为设计大行程升降装置提供了理论依据。

工作原理

滚珠丝杠41是整个装置的核心部件，通过滚珠丝杠41的转动来实现滚珠丝杠螺母42的垂直上下运动，从而带动移动滑块24以及负载部分的垂直升降运动。该装置包含两套滚珠丝杠副101，以保证负载部分受力均匀、平稳运动。两套滚珠丝杠副101的结构完全相同。

工作原理及操作方法

该装置是用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置，是一种可以用于辅助装配的装置，该装置整体结构尺寸长×宽×高为550mm×360mm×475mm，结构非常紧凑。该装置能通过两种方式实现动力的输入：一种是直流减速电机的自动输入扭矩，另一种是通过手轮来手动输入扭矩。装置的传动系统包含有三个传动机构，即蜗轮蜗杆传动机构、同步带传动机构以及滚珠丝杠传动机构。

当直流减速电机通电后，直流减速电机的输出扭矩通过联轴器传递给同步带轮轴一，通过同步带轮和同步带的啮合运动，使得两个同步带轮轴同步转动，两个蜗杆也同时转动。通过蜗轮蜗杆的啮合运动，两个蜗轮同步转动，两根滚珠丝杠也同时转动。再通过滚珠丝杠和滚珠丝杠螺母间的螺旋运动，最终实现了移动滑块在垂直方向上的移动。两套相同的蜗轮蜗杆副和滚珠丝杠传动机构可以很好地减小装置空间、增大升降行程、改善受力环境、提高运动平稳性，同步带传动机构保证了两套滚珠丝杠副能够同步运动。该垂直升降装置具有较大的行程，其升降行程达330mm，远大于常规升降台的行程；该升降装置负载可达50kg，具有较大的负载能力。

在直流减速电机通电前，首先应将张紧轮调节到合适的位置，使得同步带有一定的预紧力，防止同步带运动过程中出现跳齿现象。检查电机控制部分线路是否连接正确，输入电压是否正确等。待检查无误后，将直流减速电机上电，使直流减速电机反作向转动，将移动滑块下降到最低点。将底部平台水平放置在移动滑块上，移动该装置到达指定安装位置，使直流减速电机作正向转动，将移动滑块上升至安装位置附近。然后手动调节手轮，使移动滑块缓慢上升，同时稍微调整整个装置的水平位置，使得底部平台完全到达正确安装位置，并对其进行安装。

电机控制部分也固定在底部连接板上，电机控制部分可以实现直流减速电机的电流通断以及正反转运动。

Claims (7)

1.一种用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置，其特征在于：所述用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置包括直流减速电机(2)、联轴器(36)、蜗轮蜗杆传动机构、同步带传动机构、滚珠丝杠传动机构、支撑框架、移动滑块(24)、四个同步带轴承(33)、四个滚珠丝杠轴承(50)、四个光轴支撑座(28)、四个同步带轴承座(32)、四根光轴(40)及两个方法兰直线轴承(44)；

所述蜗轮蜗杆传动机构包括两套蜗轮蜗杆副(102)，所述同步带传动机构包括同步带(11)、两根同步带轮轴和两个同步带轮(38)；所述两根同步带轮轴包括同步带轮轴一(15)和同步带轮轴二(16)；所述滚珠丝杠传动机构包括两套滚珠丝杠副(101)，每套滚珠丝杠副(101)包括一根滚珠丝杠(41)及一个滚珠丝杠螺母(42)；所述支撑框架包括底部连接板(23)、两个丝杠轴承支撑座(27)及四个侧面支撑板(25)；

两根滚珠丝杠(41)相对于底部连接板(23)的几何中心线对称且竖直设置，每根滚珠丝杠(41)的上下两端各配合装有一个滚珠丝杠轴承(50)，位于上端的滚珠丝杠轴承(50)与丝杠轴承支撑座(27)转动连接，位于下端的滚珠丝杠轴承(50)与底部连接板(23)转动连接，每个丝杠轴承支撑座(27)与两个侧面支撑板(25)的上端面连接，该两个侧面支撑板(25)与底部连接板(23)上端面连接；滚珠丝杠螺母(42)与滚珠丝杠(41)旋合，滚珠丝杠螺母(42)的下端面与移动滑块(24)的上端面连接，四根光轴(40)竖直设置，每根光轴(40)的上下两端各固定装有一个光轴支撑座(28)，位于上端的光轴支撑座(28)与丝杠轴承支撑座(27)连接，位于下端的光轴支撑座(28)与底部连接板(23)连接；每根光轴(40)上滑动套装有一个方法兰直线轴承(44)，方法兰直线轴承(44)的下端面与移动滑块(24)的上端面连接；每根滚珠丝杠(41)的下端固定套装有蜗轮蜗杆副(102)的蜗轮(4)，所述蜗轮(4)设置在底部连接板(23)的下方，两根同步带轮轴平行设置在底部连接板(23)的下方，两根同步带轮轴上各固套装有一个同步带轮(38)，两个同步带轮(38)与同步带(11)配合实现同步转动，每根同步带轮轴的两端分别配合装有一个同步带轴承(33)，同步带轴承(33)安装在同步带轴承座(32)内，同步带轴承座(32)与底部连接板(23)的下端面连接，同步带轮轴一(15)的一端与蜗轮蜗杆副(102)的蜗杆(30)连接，所述蜗杆(30)与蜗轮(4)啮合；同步带轮轴二(16)一端通过联轴器(36)与直流减速电机(3)的伸出轴连接，直流减速电机(3)与底部连接板(23)的下端面连接。

2.根据权利要求1所述用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置，其特征在于：所述用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置还包括万向轮组件；所述万向轮组件包括四个万向轮(5)；四个万向轮(5)呈矩形设置，每个万向轮(5)与底部连接板(23)的下端面连接。

3.根据权利要求1或2所述用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置，其特征在于：所述同步带轮轴二(16)的另一端与手轮(39)连接。

4.根据权利要求1所述用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置，其特征在于：所述直流减速电机(3)与电机安装座(1)连接，电机安装座(1)与底部连接板(23)的下端面连接。

5.根据权利要求1所述用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置，其特征在于：所述用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置的长×宽×高＝550mm×360mm×475mm。

6.根据权利要求4所述用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置，其特征在于：所述电机安装座(1)、底部连接板(23)、移动滑块(24)、侧面支撑板(25)、丝杠轴承支撑座(27)、光轴支撑座(28)、同步带轴承座(32)、同步带轮(38)均由高强度的铝合金材料制成。

7.根据权利要求1所述用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置，其特征在于：所述用于狭小空间的双滚珠丝杠大行程垂直升降机械装置还包括下张紧轮机构(10)，所述下张紧轮机构(10)的上端与底部连接板(23)的下端面固接，所述同步带(11)由下张紧轮机构(10)实现张紧。