CN104019202B - 直线-旋转运动驱动机构 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关于直线‑旋转运动驱动机构，包括：一个进行直线运动的变长驱动构件，该变长驱动构件有一个连接端；一个连接于变长驱动构件的连接端的接合部件；以及一个进行旋转运动的旋转构件，该旋转构件设有一个基于阿基米德螺线的轨道，所述的接合部件被限制在轨道内滑动；其中，变长驱动构件的直线运动带动旋转构件旋转。本发明利用阿基米德螺线的原理及特性，为各种机械装置提供直线、旋转运动的转换，使得各个连接部件以易于操作的方式做选择性的外伸、内缩和旋转动作，整个机构的结构简洁、合理，转换效率高，通用性好，更适于广泛推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于转变运动形态的机械传动机构，特别是涉及直线-旋转运动驱动机构。
背景技术
在现有技术中，将运动零部件的直线运动转变为旋转运动，或将旋转运动转变为直线运动的驱动机构已有多种应用，例如门铰、花木修剪钳、提升杆件结构及轮系的转向装置，都可做为描述直线-旋转运动相互转换的应用案例。在实践中发现，现有的驱动机构多为旋转运动向直线运动的驱动机构，反向转换的应用机构较为少见且机构非常复杂，转换效率、通用性和应用普及性也有待进一步提高。
举例来说，一个将直线运动和旋转运动互相转换的典型机构是紧固螺栓。通过旋转螺栓端部可以使螺栓做直线运动。螺栓紧固件已在机械工程领域被广泛应用，但是若没有诸如螺丝刀之类的特定工具配合，螺栓的紧固与旋松并不容易。
由此可见，上述现有的用于直线与旋转运动转换的驱动机构在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种结构更为科学、合理、简易，更适于将一构件的直线运动转换为另一构件的旋转运动的新的用于直线与旋转运动转换的驱动机构，是当前本领域的研发课题之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供直线-旋转运动驱动机构，使其结构更为科学、合理、简易，更适于将一构件的直线运动转换为另一构件的旋转运动，从而克服现有的转换驱动机构的不足。
为解决上述技术问题，本发明一种直线-旋转运动驱动机构，包括：一个进行直线运动的变长驱动构件，该变长驱动构件有一个连接端；一个连接于变长驱动构件的连接端的接合部件；以及一个进行旋转运动的旋转构件，该旋转构件设有一个基于阿基米德螺线的轨道，所述的接合部件被限制在轨道内滑动；其中，变长驱动构件的直线运动带动旋转构件旋转。
作为进一步改进，所述的轨道为贯通槽。
所述的轨道为非贯通槽。
所述的变长驱动构件为液压缸活塞总成、气压缸活塞总成或电动直线运动总成。
所述的变长驱动构件包括轴杆和驱动该轴杆的齿轮传动总成，所述的齿轮传动总成为齿轮齿条总成或蜗轮蜗杆总成。
所述的变长驱动构件包括带有螺纹端的轴杆以及设有对应内螺纹的支撑件，当驱动圆杆拧进或拧出支撑件时，该驱动圆杆做直线运动。
所述的变长驱动构件包括轴杆、电机以及连接轴杆和电机的联轴器总成，所述的连轴器总成带动轴杆做直线往复运动。
所述的旋转构件包括门以及连接门与门框的回转铰，当变长驱动构件直线运动时，门绕回转铰旋转开闭。
本发明另提供了一种直线-旋转运动驱动机构，包括：做直线运动的变长驱动构件，该变长驱动构件有一个外连端；与变长驱动部件的外连端相连的接合部件；做旋转运动的旋转构件；以及固定在旋转构件上的耦合连接部件，该耦合连接部件设有一个基于阿基米德螺线的轨道，所述的接合部件可沿轨道滑动；当变长驱动部件做直线运动时，带动旋转构件旋转。
作为进一步改进，所述的轨道为贯通槽。
所述的轨道为非贯通槽。
所述的变长驱动构件为直线运动装置液压缸活塞总成、气压缸活塞总成或电动直线运动总成。
所述的变长驱动构件包括轴杆和驱动该轴杆的齿轮传动总成，所述的齿轮传动总成为齿轮齿条总成或蜗轮蜗杆总成。
所述的变长驱动构件包括带有螺纹端的轴杆以及设有对应内螺纹的支撑件，当驱动圆杆拧进或拧出支撑件时，该驱动圆杆做直线运动。
所述的变长驱动构件包括轴杆、电机以及连接轴杆和电机的联轴器总成，所述的连轴器总成带动轴杆做直线往复运动。
所述的耦合连接部件为盘状。
所述的耦合连接部件为矩形板状。
所述的旋转构件包括门以及连接门与门框的回转铰，当变长驱动构件直线运动时，门绕回转铰旋转开闭。
最后，本发明还提供了一种直线-旋转运动驱动机构，包括：一个做直线运动的变长驱动部件，该变长驱动部件有一个连接端；至少一个从变长驱动部件的连接端伸出的接合部件；以及至少一个做旋转运动的旋转部件，旋转部件设有至少一个基于阿基米德螺线的轨道，各接合部件沿对应的轨道滑动；其中，变长驱动部件的直线运动带动旋转部件的旋转。
作为进一步改进，所述的接合部件为一对，每个接合部件都有两个相对的端口，以形成4个从变长驱动部件的连接端伸出的可插入部；所述的旋转部件为一对，每个旋转部件各有两个轨道，每个轨道都基于阿基米德螺线，每个可插入部各沿一条轨道滑行。
采用这样的设计后，本发明利用阿基米德螺线的原理及特性，为各种机械装置提供直线、旋转运动的转换，使得各个连接部件以易于操作的方式做选择性的外伸、内缩和旋转动作，整个机构的结构简洁、合理，转换效率高，通用性好，更适于广泛推广使用。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是阿基米德螺线的平面坐标示意图。
图2是基于阿基米德螺线原理的导向轨道示意图。
图3是应用本发明驱动机构的简易起吊装置的结构示意图。
图4是应用本发明驱动机构的门开启装置的结构示意图。
图5是本发明一对旋转部件分别设置在直线运动部件的两侧以产生恒动扭矩的结构示意图。
图6是图5中旋转构件的正面示意图。
图7是图5中接合部件运动至轨道终点的状态示意图。
图8是本发明具有双侧旋转部件及双阿基米德螺线的分解结构示意图。
具体实施方式
本发明直线旋转驱动机构包括一个做直线运动的变长驱动构件和一个做旋转运动的旋转构件。此变长驱动构件具有一个连接端和一个从连接端外伸的接合部件。旋转构件上开有一个阿基米德螺线形状的轨道。该轨道与接合部件适配。接合部件在轨道上滑动从而使得变长驱动构件的直线运动带动旋转构件转动。轨道形状可以表现为贯通形式、非贯通形式或者其他引导形式。除了直接在旋转构件上开设轨道，驱动机构还可包括一连接部件，例如与旋转构件固定连接的碟型或矩形支撑板架，并在该连接部件上开设阿基米德螺线形状的轨道，通过接合部件在轨道上的滑动使直线运动转换为另一部件的旋转运动。
变长驱动构件可以直接选自液压油缸总成、气压缸总成或电力驱动的直线运动机构等已知的线性运动组件。变长驱动构件的其他的表现形式，也可以采用齿轮/轴类组合形式，轮系的齿轮/齿条结构，涡轮/蜗杆结构，甚至可以采用手动手柄操控齿轮传动装置，齿轮传动装置可以是齿轮/齿条总成或蜗杆传动齿轮总成。另外，它还可以是一个有螺纹端的螺纹杆件和一个有内螺纹的支撑部件相配合组成。当螺纹端在支撑部件螺纹孔内旋出、旋入时该螺纹杆进行的是直线运动。其他选项的案例还有，直线旋转驱动机构还可以由杆件、电机和用于连接该杆件和电机的连接构件组成。根据需要使杆件做直线往复运动。变长驱动构件可借助于任何机械设备的直线运动来驱动该部件的直线运动。
旋转构件可以包括门和连接门及门框的铰接构件。因此，门可在铰接构件处旋转，变长部件的直线运动对门进行选择性的开关。广义上讲，旋转构件可以是一个铰接的悬臂、杆系、盘形零件、轮系、轴类或其它任何可以进行旋转运动的零部件。
请参阅图1所示，阿基米德螺线的极坐标数学表达式为ρ＝αθ，其中ρ为从原点O起始的半径或径向矢量，α为常数，θ为弧度角，ρ、θ各为极坐标变量。给定任何一个常数α，径向矢量长度和角度之间的变化都遵循这一常数比例关系。也就是说，上述表达式中的任意动点的角度旋转变化与其径向长度变化将满足相应的比例关系。如无特别说明，本文采用的阿基米德螺线依从公式ρ＝αθ，适用于任何曲线或曲线的一部分。
图2所示为符合上述公式的阿基米德螺线。做直线运动的构件沿曲线2运动，将在各实施例中加以详细的描述。在此例中，要使部件移动从任意弧线起点3a到终点3e范围的一定直线距离。起点半径ρ1和终点半径ρ5的长度差即为所做的直线运动长度。过渡结点3b、3c、3d及其对应的径向长度ρ2ρ3、ρ4可以将弧线均分为等额变量。连接点3a、3b、3c、3d、3e就会得到阿基米德螺线曲线2的近似形状。增加过渡节点数量将得出更精确的曲线2。
更进一步，曲线2也可以用简单的圆弧曲线加以局部近似替代。参照图2，将轴心原点0c偏离原来的原点O,曲线2可以具有简单的圆弧曲线的特点。从偏移点0c到曲线上各相应点3a、3b、3c、3d、3e的半径r1、r2、r3、r4、r5近似相等。因此，可以知道阿基米德螺线的局部弧段可以用一条近似圆弧曲线替换。因此一条相对平滑简单的常规曲线也可以被用在直线旋转驱动装置上将机械构件的直线运动转换为旋转运动。
图2展示的圆弧近似导向曲线2可用来实现前述的阿基米德螺线特性，在一些机械应用上方便而有效地将直线运动转换为旋转运动。
图3所示为安装有直线旋转驱动机构10的简易起吊模型，它可以将直线运动转换为旋转运动。如图所示，直线旋转驱动机构10包括变长驱动构件12，这里的构件12例如是用于产生直线运动的双作用液压总成。直线旋转驱动机构10还包括旋转构件14，旋转构件14与摆臂16刚性连接，用于将构件12的直线运动转换为摆臂16的提升摆动。
变长驱动构件12包括活塞18。管线22和23控制活塞18两端压力，进而带动变长驱动构件12做伸缩往复运动。如图所示，变长驱动构件12受缸筒25的约束，限制活塞18进行直线运动。变长驱动构件12具有连接端20，连接端通过第一接合部件24和第二接合部件26与旋转构件14衔接。
旋转构件14在变长驱动构件12和活塞18的直线运动带动下旋转。旋转构件14与变长驱动构件12和摆臂16有效接合，使得变长驱动构件12的直线运动转换为摆臂16的旋转运动。如图所示，旋转构件14与变长驱动构件12在转动轴线30处相铰接。当变长驱动构件12与活塞18进行直线运动时，旋转构件就环绕着轴线30做旋转运动。
如图所示，旋转构件14是围绕轴线30做旋转运动的圆形结构。旋转构件14具有两个阿基米德螺线形槽或轨道40、42，分别连接并受动于变长驱动构件12的第一接合部件24、第二接合部件26。
正如之前在图2中所描述的，轨道40和42是根据阿基米德螺线或其近似弧线制成的。因此，当变长驱动构件12中的活塞18做直线运动时，轨道40和42将合力通过接合部件24、26将直线运动转换为旋转构件14和与旋转构件14刚性连接的摆臂16的旋转运动。
在运行时，变长驱动构件12由油路管线22和23控制动作。压力油在液压缸25内推动活塞18以直线运动形式向外伸出。活塞18直线运动时，位于对应轨道40和42内的接合部件24和26将接合力传给旋转构件14。接合部件24和26沿轨道40、42滑动。
当接合部件24和26在阿基米德螺线轨道40、42中同向运动时，共同将来自于直线运动的力传导给旋转构件14，从而使旋转构件14围绕轴线30转动，进而使与其刚性连接的摆臂16旋转。活塞18在液压缸25内做直线收缩时会反向作用于旋转构件14及与其固联的摆臂16，迫使其作逆向旋转。
请参阅图4所示，该实施例的直线旋转驱动机构210，利用阿基米德螺线制成的贯通槽240将直线运动转换为门或窗的旋转运动。如图所示，驱动机构210包括第一部件、或称变长驱动构件212，带有轨道或槽240的连接部件214，以及与连接部件214和变长驱动构件212运动接合的第二部件216。
变长驱动构件212可以采用一个齿轮轮系总成或连轴器总成220。总成220为变长驱动构件212提供直线驱动力。总成220可以采用蜗轮/蜗杆总成，包括具有马达222和圆杆218的电动直线驱动器。总成220将马达222和驱动圆杆218连接起来，使驱动圆杆218做有选择的往复直线运动。
如图所示，驱动圆杆218具有螺纹端。总成220设有与驱动圆杆218相匹配的内螺纹。驱动圆杆218在总成220里可以以直线运动方式进出螺纹孔。当驱动圆杆218的螺纹端在总成220的孔内旋进旋出时，驱动圆杆218的运动为直线运动。
如图所示，连接部件214可以是一个板结构或非圆结构的支撑板架。连接部件214与第二部件216例如是门或窗刚性连接。连接部件214上进一步开有阿基米德螺线形的轨道或导向槽240。如图所示，导向槽240与圆杆218的接合部件224相匹配。当接合部件224沿导向槽240滑动时，来自圆杆218的直线运动可以使连接部件214和与其固联的第二部件216旋转。
图示可知，作为门或窗的第二部件216进一步连接于铰接合页226以及框体228，从而使第二部件216在连接部件214带动下旋转。
操作时，可以采用遥控器或手动控制电机222使驱动圆杆218做直线运动。当驱动圆杆218直线运动时，接合部件224在阿基米德导向槽240中滑动。接合部件224沿阿基米德导向槽240的直线运动带动连接部件214转动。因此，与盘214相连的部件216也开始相对框架228做相应的旋转。
就单一的旋转构件而言，单条阿基米德螺线的扭转半径是随着旋转角的变化而改变，这会直接影响旋转构件的扭矩变化。这种变化的扭矩对直线旋转驱动机构的动态应用将会产生负面影响。因此，在直线运动向旋转运动的转换过程中，保持直线旋转驱动机构的恒转矩状态是非常必要的。
参考图5-7所示，这是在直线旋转运动转换过程中直线旋转驱动机构310提供恒扭矩的实施例图。驱动机构310包括第一部件，或称变长驱动构件312、旋转构件314和315以及旋转运动的执行部件316。
变长驱动构件312可以采用油缸/活塞总成或气缸/活塞总成。如图所示，油缸/活塞总成320包括油缸和活塞318。活塞318具有连接端322，包括多个配置于旋转构件314和315的接合部件324和326。旋转构件314和315将第一部件312的直线运动转换为第二部件316的旋转运动。
图4展示的是直线/旋转驱动机构310。如图所示，变长驱动构件312可以采用油缸/活塞总成320。活塞318用于直线往复运动。变长驱动构件312包括多个设置在连接端322处的接合部件324和326，用于与旋转构件314、315配合将活塞318的直线运动转换为旋转构件314和315的旋转运动。
如图所示，旋转构件314上开有双槽或双轨道340、342，旋转构件315包括双槽或双轨道344、346。轨道340、342、344和346均为图2定义的相似阿基米德螺线。接合部件324和326各具有自活塞318向反向延伸的两个末端，各末端分别插入与之相对应的阿基米德螺线槽340、342、344和346中。
如图6和7所示，阿基米德螺线槽340和342以旋转构件314的中心对称排列。两槽340、342平衡扭力变化为恒扭矩。因此，驱动臂或活塞杆318在一定长度范围内直线运动时，同时驱动阿基米德槽340、342并保持该驱动过程恒扭矩。
如图5所示，安装在接合部件324、326相对侧面带有阿基米德槽的旋转构件314、315可以相对反向旋转。旋转构件314、315并不需要一致的阿基米德螺线。各独立的旋转构件的阿基米德螺线在ρ＝αθ中可以有不同的常数。只要这两个独立旋转构件对于不同的角度具有相同的直线运动长度就可以相配转动。尤其是在一个单盘上做出180°左右的阿基米德槽340、342，采用两个旋转构件314、315配合即可使相对角度变化倍增为360°左右。
在操作过程中，变长驱动构件312被动地接收缸体内的液动或气动压力，压力带动活塞318。活塞318被限定进行直线往复运动。从而带动接合部件324和326进行直线运动。同时，接合部件324和326又各自限定沿着阿基米德螺线槽340、342、344、346滑动从而带动旋转构件314、315旋转。
请继续参阅图8，这是一个可以将第一部件或称变长驱动构件412的直线运动转换成一个或多个第二部件或称旋转构件414、415的旋转运动的液力驱动直线旋转驱动机构410的实施例。直线旋转驱动机构410可以用液体压力或气体压力提供驱动力。因此，可以认定直线旋转驱动机构410中的变长驱动构件412可以是一个液动缸/活塞总成，也可以是一个气动缸/活塞总成。
变长驱动构件412包括一个油缸436，一个与油缸436连接的活塞418，以及套筒434。变长驱动构件412在联接端还设有一个加长杆420。加长杆420与活塞418刚性连接，并在套筒434中做往复直线运动。变长驱动构件412还包括一组横向穿销或称接合部件424、426，从加长杆420向外横向延伸并与旋转构件414、415相互作用。
套筒434上开有多个透槽432a、432b或孔。这些在套筒434上的透槽432a、432b与接合部件424和426的位置相对应。在操作过程中，透槽432a和432b使接合部件424、426完成直线运动，也使接合部件424、426与旋转构件414、415有效的接合。
接合部件424、426的末端相应配有滚轮448，保证接合部件424、426在做直线运动时其末端与旋转构件414和415的接触为滚动滑动。
如图所示，两旋转构件415、414沿轴线430铰接于变长驱动构件412的两侧。旋转构件414、415为普通盘形结构，每个部件又分别开有双轨道。旋转构件414包括双轨道440、442，旋转构件415包括双轨道444、446。轨道限制各自的接合部件424和426。每个轨道440、442、444、446都为阿基米德螺线形状以便旋转运动进行时提供扭矩平衡保证恒定的驱动扭矩。如图所示，阿基米德轨道440、442的开设方向与轨道444、446相反，以便旋转构件414和415传递到连接部件上的扭矩平衡。
在操作过程中，变长驱动构件412有选择的接收缸体436中的液压或气压。压力作用于活塞418，使活塞418在套管434中做直线往复运动。同时与活塞418刚性连接的加长杆420在套管434中进行直线运动。因此，接合部件424和426与旋转构件414和415相接合并被限制沿着各自的阿基米德螺线轨道440、442、444、446滑动。旋转构件414和415围绕着轴线430旋转以转换直线运动为旋转运动。
应用阿基米德螺线原理的直线旋转驱动机构的思路还可以进一步扩展到其他实施案例。例如，出于安全考虑，直线旋转驱动机构的可以包括一个带有阿基米德螺旋槽的摆头。应用时，阿基米德螺旋槽内滑动的滑杆的终端带有自锁钩。当受力方向向下时，自锁钩会提供一向下的力将摆头置于下方位置。由于滑杆受到弹簧的向上回弹力作用，摆头在线性力作用下向上转动。
在另一个实施例中，阿基米德直线旋转驱动机构相对转角增大的特点可以用于驱动四连杆机构。因此，一对相同的非圆形状的旋转构件或阿基米德支架将被共同地安装在第一部件或滑动部件的同一侧。当有螺纹的滑动部件被手动曲柄或马达驱动时，在相同的阿基米德槽里的带着滚轴的垂直棒将带动联动装置上下运动。联动装置最高点和最低点之间的旋转角度是单一阿基米德旋转角的两倍。此外，在螺杆拧动过程中相关的连接位置会自动的自行锁死。
本发明用于直线与旋转运动转换的驱动机构主要包括做直线运动的变长驱动构件，以及做旋转运动的旋转构件。变长驱动构件具有固定端和活动端，活动端可相对于固定端做直线运动，活动端外伸有一个以上接合部件。旋转构件为一个以上，每个旋转构件上开设有一个以上基于阿基米德螺线或阿基米德螺线近似圆弧曲线的轨道。变长驱动构件的接合部件可滑动的插入旋转构件的对应轨道中，二者配合将变长驱动构件活动端的直线运动转化为旋转构件的旋转运动。
其中，变长驱动构件可以是任何已知的线性运动组件，轨道的形式可以是贯通式、非贯通式导向槽或其它的导向结构。旋转构件可以是盘状、矩形板状或铰接的悬臂、杆系、盘形零件、轮系、轴类等任何可以进行旋转运动的零部件。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种直线-旋转运动驱动机构，其特征在于包括：
一个做直线运动的变长驱动部件，该变长驱动部件有一个连接端；
两个从所述变长驱动部件的连接端伸出的接合部件，且每个接合部件都有两个相对的端口，以形成4个从变长驱动部件的连接端伸出的可插入部；以及
两个做旋转运动的旋转部件，每个所述旋转部件上均设有两条对称排列的基于阿基米德螺线的轨道，且所述两条基于阿基米德螺线的轨道以所述旋转部件的一直径为中心线呈镜像对称排列；每个所述可插入部对应一条所述轨道滑行，且两个接合部件同侧的两个可插入部分别与一个旋转部件的两条轨道相对应；
其中，所述变长驱动部件的直线运动带动所述旋转部件旋转。
2.根据权利要求1所述的直线-旋转运动驱动机构，其特征在于所述的轨道为贯通槽。
3.根据权利要求1所述的直线-旋转运动驱动机构，其特征在于所述的轨道为非贯通槽。
4.根据权利要求1所述的直线-旋转运动驱动机构，其特征在于所述的变长驱动部件为液压缸活塞总成、气压缸活塞总成或电动直线运动总成。
5.根据权利要求1所述的直线-旋转运动驱动机构，其特征在于所述的变长驱动部件包括轴杆和驱动该轴杆的齿轮传动总成，所述的齿轮传动总成为齿轮齿条总成或蜗轮蜗杆总成。
6.根据权利要求1所述的直线-旋转运动驱动机构，其特征在于所述的变长驱动部件包括带有螺纹端的轴杆以及设有对应内螺纹的支撑件，当驱动圆杆拧进或拧出支撑件时，该驱动圆杆做直线运动。
7.根据权利要求1所述的直线-旋转运动驱动机构，其特征在于所述的变长驱动部件包括轴杆、电机以及连接轴杆和电机的联轴器总成，所述的联轴器总成带动轴杆做直线往复运动。
8.根据权利要求1所述的直线-旋转运动驱动机构，其特征在于所述的旋转部件包括门以及连接门与门框的回转铰，当变长驱动部件直线运动时，门绕回转铰旋转开闭。
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