CN104898271A - 基于拉压弹簧组的力促动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于拉压弹簧组的力促动器，属于精密机械装置技术领域。解决了现有技术中机械式力促动器的力输出精度不高的问题。本发明的力促进器包括壳体、电机、固定座、固定机构、滚珠丝杠、螺母、测力元件、输出轴、第一弹簧保持架、第二弹簧保持架、导向轴组、压簧组、调节机构组和拉簧组，导向轴组由N个导向轴组成，压簧组由N个压簧组成，压簧与导向轴一一对应，压簧套装在导向轴上，压簧的两端分别与第一弹簧保持架和第二弹簧保持架接触；调节机构组由N个调节机构组成，拉簧组由N个拉簧组成，拉簧与调节机构一一对应，拉簧的一端固定在第二弹簧支撑架上，另一端固定在调节机构上，N≥3。该力促进器具有较高的输出精度。

Description

基于拉压弹簧组的力促动器

技术领域

本发明属于精密机械装置技术领域，具体涉及一种基于拉压弹簧组的力促动器，适用于主动光学对镜面支撑力控制的需求。

背景技术

力促动器在很多领域有着广泛的应用，特别是在光学领域。主动光学利用力促动器对光学镜面输出不同的支撑力使镜面面型保持较好状态，保证光学系统的成像质量。目前的力促动器主要是机械式和气压式两类，其中机械式力促动器成本低，控制简单，已成为应用的主流。如中国专利双向线性精密力促进器(公开号101276051A)公开了一种机械式力促动器，利用两组压缩弹簧将滚珠丝杠产生的位移转化为输出力。再如文献大口径望远镜主镜能动支撑驱动器的个体设计和性能测试(光学仪器，第30卷，第1期。2008年，页数：1-5)中公开的一种机械式力促动器，将拉压弹簧组中拉簧安装在压簧内部，将位移转化为输出力。机械式力促动器虽应用广泛，但如图4a所示，由于滚珠丝杠的滚珠和滚道之间存在间隙，导致螺母正/反向运动时存在空回误差，影响滚珠丝杠的传动精度，很难做到高精度的力输出要求。现有技术中，一般通过采用双螺母预紧或单螺母变位预紧的方法消除间隙，但不论采用何种方式都会导致螺母结构复杂，成本上升，且会增加力促动器的轴向尺寸。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中机械式力促动器的力输出精度不高的问题，提供一种基于拉压弹簧组的力促动器。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下。

基于拉压弹簧组的力促动器，包括壳体、电机、固定座、固定机构、滚珠丝杠、螺母、测力元件和输出轴，还包括第一弹簧保持架、第二弹簧保持架、导向轴组、压簧组、调节机构组和拉簧组；

所述第一弹簧保持架固定在螺母上；

所述导向轴组由三个以上的导向轴组成，导向轴贯穿第一弹簧保持架和第二弹簧保持架，且一端固定在固定座上；

所述压簧组由三个以上的压簧组成，压簧与导向轴一一对应，压簧套装在对应的导向轴上，且压缩在第一弹簧保持架和第二弹簧保持架之间；

所述调节机构组由三个以上的调节机构组成，调节机构固定在固定座上；

所述拉簧组由三个以上的拉簧组成，拉簧与调节机构一一对应，拉簧的一端固定在第二弹簧保持架上，另一端固定在对应的调节机构上，拉簧在调节机构的作用下改变伸长量。

进一步的，所述第二弹簧保持架上设有多个通孔，每个通孔上固定有一个拉簧挂柱，拉簧挂柱与拉簧一一对应，拉簧的一端挂在拉簧挂柱上。

进一步的，所述调节机构由拉簧螺柱和预紧螺母组成，所述拉簧螺柱贯穿固定座上，预紧螺母与拉簧螺柱螺纹连接，拉簧的另一端挂在拉簧螺柱上。

进一步的，所述压簧的初始压缩量大于螺母的最大位移。

进一步的，所有压簧以螺母的移动方向为中心轴沿圆周均匀分布。

进一步的，所有拉簧以螺母的移动方向为中心轴沿圆周均匀分布。

进一步的，所述固定座为轴承座，所述固定机构由轴承和连轴器组成，轴承固定在轴承座上，且一端与滚珠丝杠固定连接，另一端通过连轴器与电机连接。

进一步的，所述拉簧贯穿第一弹簧保持架。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于拉压弹簧组的力促动器使用了拉簧组和压簧组，可以保证力促动器的输出刚度始终唯一，线性度好，克服零点滞后现象；另外由于力促动器的螺母始终受到压簧的压力作用即相当于螺母始终受到单向的预紧力作用，可以消除螺母和滚珠丝杠的空回间隙，提高传动精度。因此采用该拉压弹簧组可以提高力促动器的输出精度。

附图说明

图1为本发明基于拉压弹簧组的力促动器的结构示意图；

图2为本发明基于拉压弹簧组的力促动器的三维结构图；

图3为本发明基于拉压弹簧组的力促动器的力输出原理图；

图4中，a为现有技术的机械式力促进器螺母与滚珠丝杠产生间隙的原理图，b为本发明的力促动器螺母与滚珠丝杠的间隙消除的原理图。

图中：1、壳体、2、电机，3、固定座，4、固定机构、4-1轴承，4-2、连轴器，5、滚珠丝杠，6、螺母、7、测力元件、8、输出轴、9、第一弹簧保持架、10、第二弹簧保持架，11、导向轴，12、压簧，13、调节机构，13-1、拉簧螺柱，13-2、预紧螺母，14、拉簧，15、拉簧挂柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1-2所示，本发明的基于拉压弹簧组的力促动器包括：壳体1、电机2、固定座3、固定机构4、滚珠丝杠5、螺母6、测力元件7、输出轴8、第一弹簧保持架9、第二弹簧保持架10、导向轴组、压簧组、调节机构组和拉簧组。

其中，固定座3固定在壳体1的内壁上。固定机构4固定在固定座3上，且固定机构4的一端与滚珠丝杠5固定连接，另一端与电机2固定连接。一般电机2为步进电机，固定座3为轴承座，固定机构4由轴承4-1和连轴器4-2组成，轴承4-1固定在轴承坐上，轴承4-1的一端与滚珠丝杠5固定连接，另一端通过连轴器4-2与步进电机固定连接。螺母6与滚珠丝杠5螺纹连接。第一弹簧保持架9固定在螺母6上，随螺母5移动。导向轴组为螺母6导向，导向轴组由三个以上的导向轴11组成，导向轴11贯穿第二弹簧保持架10和第一弹簧保持架9，一端固定在固定座3上，另一端伸出第二弹簧保持架10外，压簧组由三个以上的压簧12组成，且压簧12与导向轴11一一对应，压簧12套装在对应的导向轴11上，且两端分别与第一弹簧保持架9和第二弹簧保持架10接触，即压簧12通过第一弹簧保持架9和第二弹簧保持架10压缩在两者之间。为使受力均衡，所有压簧12一般以螺母6的移动方向为中心轴沿圆周均匀分布。调节机构组由三个以上的调节机构13组成，拉簧组由三个以上的拉簧14组成，且拉簧14与调节机构13一一对应，拉簧14一端固定在第二弹簧保持架10上，另一端固定在调节机构13上，调节机构13能够调节拉簧14的伸长量。一般第二弹簧保持架10的边缘设有多个通孔，且每个通孔上固定有一个拉簧挂拄15；每个调节机构13由一个拉簧螺柱13-1和一个预紧螺母13-2组成，拉簧螺柱13-1固定在固定座3上，预紧螺母13-2与拉簧螺柱13-1螺纹连接；每个拉簧14的一端挂在一个拉簧挂拄15上，另一端挂在一个拉簧螺柱13-1上，预紧螺母13-2旋转带动拉簧螺柱13-1移动，拉簧14在拉簧螺柱13-1的作用下改变拉伸长度。为使受力均衡，所有拉簧14一般以螺母的移动方向为中心轴沿圆周均匀分布。拉簧14的拉力方向和压簧12的压力方向均平行于螺母6的位移方向，且压簧12的初始压缩量大于工作时螺母6的最大位移。输出轴8固定在壳体1的外壁上。测力元件7作为力促动器闭环控制的反馈元件，一端固定在第二弹簧保持架10上，另一端与输出轴8的一端固定连接。

本实施方式中，拉簧14贯穿第一弹簧保持架9的通孔，且不与第一弹簧保持架9接触。

上述力促动器，在工作前，通过调节调节机构13，改变拉簧14的伸长量，通过滚珠丝杠5带动螺母6移动，改变压簧12的压缩量，使第二弹簧保持架10受力平衡，测力元件7输出力为零；在工作时，电机1驱动滚珠丝杠5转动，带动螺母6沿轴向直线运动，第一弹簧保持架9随螺母6沿轴向直线运动，使压簧12的压缩量发生变化，产生作用力，并通过安装在第二弹簧保持架10上的测力元件7输出。

图3给出了拉簧组和压簧组将螺母6的位移转化为输出力的原理。可以看出，在初始阶段，拉簧14被拉伸距离L2，压簧12被压缩距离L1，第二弹簧保持架10受到的压簧12的推力和拉簧14的拉力，受力平衡，测力元件7输出力为零。当螺母6沿滚珠丝杠5向上运动时，带动第一弹簧保持架9向上运动，压簧12在初始压缩的基础上被继续压缩，压缩量变大，拉簧14没有变化，第二弹簧保持架10上受到的压簧12的推力将大于拉簧14给予的拉力，从而推动第二弹簧保持架10向上运动，第二弹簧保持架10向上运动又将压缩测力元件7，测力元件7另一端将通过输出轴8输出推力，当第二弹簧保持架10受到的压簧12向上的推力，拉簧14向下的拉力和测力元件7的向下推力平衡时，停止运动，此时有受力方程：

$\left\{\begin{array}{c}K1(L1+L-\mathrm{\ΔL})=k2(L2+\mathrm{\ΔL})+k3\mathrm{\ΔL}\\ K3\mathrm{\ΔL}=F\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，K1为压簧的弹性常数，K2为拉簧的弹性常数，K3为测力元件的弹性常数，L为螺母的运动距离，ΔL为第二弹簧保持架的运动量，F为输出力。

通过计算可知：

$F=\left(\frac{K3.K1}{K1+K2+K3}\right)\·L---\left(2\right)$

当螺母6沿滚珠丝杠5向下运动时，带动第一弹簧保持架9向下运动，压簧12的压缩量变小，拉簧14没有变化，第二弹簧保持架10上受到的压簧12的推力将小于拉簧14给予的拉力，从而拉动第二弹簧保持架10向下运动，第二弹簧保持架10向下运动又将拉伸测力元件7，测力元件7另一端将通过输出轴8输出拉力，当第二弹簧保持架10受到的压簧12向上的推力和测力元件7的向上的拉力，与拉簧14向下的拉力平衡时，停止运动，通过分析同样可得式(2)。

从式(2)可以看出，不论力促动器输出拉力还是压力，力促动器的输出力F与螺母6的位移L都成正比，力促动器输出常数为当螺母6的最大运动距离小于压簧12的初始压缩长度时，压簧12在工作阶段始终处于压缩状态，拉簧14始终处于拉伸状态。由于压簧12和拉簧14的受力状态唯一，力促动器的输出力不存在过零滞后问题，保证力促动器的力输出刚度始终为线性度好。

图4b给出了本发明拉簧组和压簧组消除螺母6和滚珠丝杠5间隙的原理。可以看出，本发明压簧12始终保持压缩状态，从而始终给予螺母6一个单向预紧压力，使螺母6和滚珠丝杠5一直处于错位预紧状态，不论螺母6正转还是反转，滚珠和滚道间隙始终很小，从而保证滚珠丝杠5的传动误差很小，保证了力促进器的输出精度。

Claims (8)

1.基于拉压弹簧组的力促动器，包括壳体(1)、电机(2)、固定座(3)、固定机构(4)、滚珠丝杠(5)、螺母(6)、测力元件(7)和输出轴(8)，其特征在于，还包括第一弹簧保持架(9)、第二弹簧保持架(10)、导向轴组、压簧组、调节机构组和拉簧组；

所述第一弹簧保持架(9)固定在螺母(6)上；

所述导向轴组由三个以上的导向轴(11)组成，导向轴(11)贯穿第一弹簧保持架(9)和第二弹簧保持架(10)，且一端固定在固定座(3)上；

所述压簧组由三个以上的压簧(12)组成，压簧(12)与导向轴(11)一一对应，压簧(12)套装在对应的导向轴(11)上，并压缩在第一弹簧保持架(9)和第二弹簧保持架(10)之间；

所述调节机构组由三个以上的调节机构(13)组成，调节机构(13)固定在固定座(3)上；

所述拉簧组由三个以上的拉簧(14)组成，拉簧(14)与调节机构(13)一一对应，拉簧(14)的一端固定在第二弹簧保持架(10)上，另一端固定在对应的调节机构(13)上，拉簧(14)在调节机构(13)的作用下改变伸长量。

2.根据权利要求1所述的基于拉压弹簧组的力促动器，其特征在于，所述第二弹簧保持架(10)上设有多个通孔，每个通孔上固定有一个拉簧挂柱(15)，拉簧挂柱(15)与拉簧(14)一一对应，拉簧(14)的一端挂在拉簧挂柱(15)上。

3.根据权利要求1所述的基于拉压弹簧组的力促动器，其特征在于，所述调节机构(13)由拉簧螺柱(13-1)和预紧螺母(13-2)组成，所述拉簧螺柱(13-1)贯穿固定座(3)上，预紧螺母(13-2)与拉簧螺柱(13-1)螺纹连接，拉簧(14)的另一端挂在拉簧螺柱(13-1)上。

4.根据权利要求1所述的基于拉压弹簧组的力促动器，其特征在于，所述压簧(12)的初始压缩量大于螺母(6)的最大位移。

5.根据权利要求1所述的基于拉压弹簧组的力促动器，其特征在于，所述所有压簧(12)以螺母(6)的移动方向为中心轴沿圆周均匀分布。

6.根据权利要求1所述的基于拉压弹簧组的力促动器，其特征在于，所述所有拉簧(14)以螺母(6)的移动方向为中心轴沿圆周均匀分布。

7.根据权利要求1所述的基于拉压弹簧组的力促动器，其特征在于，所述固定座(3)为轴承座，所述固定机构(4)由轴承(4-1)和连轴器(4-2)组成，轴承(4-1)固定在轴承座上，且一端与滚珠丝杠(5)固定连接，另一端通过连轴器(4-2)与电机(2)连接。

8.根据权利要求1所述的基于拉压弹簧组的力促动器，其特征在于，所述拉簧(14)贯穿第一弹簧保持架(9)。