CN1052360A

CN1052360A - 门式自动结构和传动机构

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Publication number: CN1052360A
Application number: CN 89108927
Authority: CN
Inventors: 格尔杜恩·特·布朗; 戴维得·艾·斯特瓦特
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-11-29
Filing date: 1989-11-29
Publication date: 1991-06-19

Abstract

自动门式结构，此结构具有一对彼此分开而并行设置的轨道、跨接和垂直于轨道并相对于轨道运动的桥以及装在桥上并相对于桥运动的自动头和支撑。轨道沿工作区域的宽度或较短一侧设置，桥则沿工作区域的长度或较长一侧跨设。还公开了一种改进的齿条和小齿轮机构，此机构与自动门式结构结合使用。在齿条和小齿轮之间的压力角为零。在小齿轮中基圆与节圆相重。

Description

本发明涉及一门式自动结构和一用于门式自动装置的传动机构，特别涉及一种能提高门式自动装置速度和效率的结构。

自动装置具有很多种应用，能可靠和精确地完成如焊接、密封、胶接、水力喷射、激光切割和材料操作一类重复劳动。

自动装置必须设置在需制造和操作产品的区域内。这一区域称作“工作区域”。主要有两种在工作区域内设置自动装置的方法。第一种方法是将自动装置设置在转动的支座上，此支座与一轨道联合操作。通过控制自动装置在支座和轨道上的运动使其在此工作区域内运动到任一位置。这种自动装置的缺点是其工作的区域或“范围”很有限。

第二种设置的方法，也就是本申请所涉及的一种方法是采用一种门式结构。门式自动结构通常采用“标准桥型”结构而装在工作区域或范围以内。标准桥型门式结构具有一对装在落地式支撑件上且彼此分开而平行的梁或轨道，这些支撑将轨道从地上或车间地面上悬置起来。一桥横跨在轨道之间并可相对于轨道运动。自动装置具有可相对于桥运动的支承架和装在支撑架上的自动头。自动头完成所需作业。

如上所述自动装置在工作区域或范围内操作。这一工作区域通常为一具有长、宽和高的长方形空间。自动装置由于配备有轨道、桥和自动头，可到达这一区域内的任一位置。轨道使桥可沿弯纵向轴线运动。因此，自动装置可沿工作区域的长度到达任一位置。自动装置可相对于桥运动，因此可沿工作区域宽度到达任一位置。此外，自动装置的支撑和自动头可上下运动，因而自动装置可在工作区域内到达任一高度。

为便于对比，将工作区域的长度称作X，宽度称作Y，高度称作Z，其中，X大于Y。通常在门式结构中将轨道（或单个悬置轨道）置于长向的两侧（或一侧）（即X轴）而使桥沿Y向跨置。这方面可见美国457，441、1，694，084、1，975，094、3，884，363、4，561，551和4，571，149号专利以及英国2，120，202A和2，176，168A号专利申请书。实际上，美国3，116，586和4，642，017号专利就指出高架吊车的轨道应沿车间地面或工场的长度设置。

吊车通常采用这种结构的原因是为了使作为最重移动部分的桥的重量尽可能小。这就要使桥的跨度尺寸较小（Y向）。这种设计的结果就会降低必须从一个位置加速运动到另一位置的质量。如在通常设计的门式结构中采用自动装置，桥就将沿X轴方向作较大距离的运动，而自动装置就将沿Y轴方向作较短距离的运动。

本发明悬梁门式自动结构具有一对彼此分开而并行设置的轨道、跨置在轨道上并可相对于轨道运动的桥和装在桥上并可相对于桥运动的自动装置。在本发明中轨道沿工作区域宽度设置而桥沿工作区域的长度跨设。唯独这种结构可缩短“工作循环时间”，也就是从起始的停车状态运动一定距离所需的实际时间。缩短工作循环时间是由于：桥所需运动的距离减小了，从而使重量较大的构件（桥）的运动距离较短而装在桥上重量较轻的自动装置的运动距离较长。虽然与普通的结构相比，较宽的桥作加速运动较为困难，但由于所需进行的距离较短，桥的加速程度降低了，其结果是：桥在所需各点之间运动时可降低加速力所引起的应力。

本发明还可提供一种适用于门式自动结构的传动机构，此机构可以采用改进的齿条和小齿轮系统将驱动电动机的旋转运动转变成桥和自动头的直线运动。改进的齿条和小齿轮由与齿条配合动作的小齿轮和具有一系列彼此分开而单独设置的销的齿条构成。这些销装在精密的滚柱轴承内而在与小齿轮啮合时可自由转动。所设计的齿条和小齿轮可在零度压力角下进行传动，这是由于节圆的直径等于小齿轮基圆的直径。

对本发明的其他细节、目的和优点可通过以下对本发明的最佳实施例所作说明了解得更为清楚。

所附各图表明了本发明的最佳实施例：

图1为已知标准桥型门式结构的等角视图;

图2为本发明门式自动结构的等角视图;

图3为桥和自动装置的立面正视图;

图4为装在桥上的自动装置的立面右侧视图;

图5为本发明小齿轮的立面右侧视图;

图6为小齿轮的顶视图;

图7为本发明齿条的等角视图，局部地作了剖示;

图8为与齿条啮合的小齿轮的等角视图，局部地作了剖示;

图9为标准啮合齿轮系统的立面侧视详图;

图10为本发明齿条和小齿轮立面侧视详图。

图1所示为已知标准桥型门式结构20。此门式结构20悬置在车间地面22上。此门式结构20具有四个立式支柱23～26。支柱23和26排成一行，支柱24和25排成第二行，第二行平行于第一行。支柱23和26的上端23a和26a通过第一轨道30彼此连接，支柱24和25的上端24a和25a通过第二轨道40彼此连接。横梁50和52进一步将门式结构20连成一整体结构。

门式结构20还具有桥60。此桥跨置在第一行支柱23和26以及第二行支柱24和25之间的平行空间上。桥60通过其两侧的由电动机和轮3构成的动力系统可在轨道30和40上运动。因此，桥60可从接近横梁50的位置70向接近横梁52的位置72作纵向运动，并可反向运动。

自动装置80装在桥60上。自动装置80不仅可相对于桥60上下运动，还可从桥60的一侧向另一侧运动，这将在下面作进一步的说明。这种运动也是通过其自备的动力系统完成的。自动装置80具有固定的纵向支撑82，此支撑与桥60啮合并在自动头84上下运动时起支撑作用。自动头84可完成焊接、胶接、激光切割或材料标准一类工作。自动头84的各种应用对于本专业人员都是很熟悉的，故不再作详细说明。

门式结构20可在长X、宽Y和高Z三度空间的工作区域90内进行操作。自动头84可到达工作区域90内的任一位置。这是因为桥60沿X轴运动，而自动头84沿Y和Z轴运动。在已知技术中通常以X向尺寸为最长尺寸。在通常的设计中，桥60一般都跨在X：Y两个尺寸中较短的Y尺寸上。这是为了尽量减轻门式结构20中最重部分桥60的重量。

图2所示为本发明门式自动结构100的最佳实施例。为便于比较，将门式结构100置于与图1所示已知结构相同尺寸的工作区域内。也就是，门式结构100的工作区域的尺寸为X、Y和Z的长方形空间，其中尺寸X大于尺寸Y。

如图所示，门式结构100改变了已知门式结构20的布置。门式结构100具有四个立柱101，102，103和104。立柱101和102排成第一行，而立柱103和104排成并行于第一行的第二行。立柱的上端101a和102a彼此用第一轨道112连接，而立柱上端103a和104a彼此用第二轨道114连接。横梁116和118进一步将门式结构100连成一整体结构。

桥120跨置在工作区域的X尺寸上而沿Y轴运动。自动装置130还是装在桥120上，并不仅可沿X轴运动，还可沿Z轴上下运动。自动装置130与现有技术相同，具有纵向支撑132和自动头134。自动装置130用本专业人员熟悉的方法装在桥120上。桥120和自动装置依次通过以下即将论述的动力系统进行运动。

桥120装在固定在轨道112和114顶面上的直线支承轨道136和137上。直线支承轨道136和137承接装在稳定器138和139底部的导向机构（图中末示出），稳定器138和139固定在桥120的两端。直线支承导向机构为一采用四条圆面接触构件的多点接触限制结构，一种直线支承轨道和导向机构系统以“HSR-TA”商标由THK工业公司出售。

桥120通过装在桥120两端的电动机140和141沿Y轴或轨道112和114运动。电动机140和141依次与传动箱142和143连接。齿轮减速箱142和143用以将电动机140和141的轴的高速转动转弯为由减速箱142和143输出的速度较低的强力转动。供电装置144与电动机141和减速箱143连接，用以装入电动机的供电导线管。另一供电装置（图中未示出）与电动机140和减速箱142连接。

各齿轮减速箱的输出轴（图中未示出）与各相应小齿轮连接。对小齿轮将在以下按图5和图6作详细说明。小齿轮相应与齿条150和152（图中未示出）啮合，齿条150和152装在相应轨道114和112的内侧壁上。齿条150和152也将在以下参考图7和8作详细说明。齿条150和152以及小齿轮将由电动机驱动的减速箱的旋转运动转弯为桥120沿Y轴的直线运动。因此，由电动机驱动的减速箱142和143转动与齿条150和152啮合的小齿轮，从而使桥120运动。这样就可使桥120沿固定在轨道112和114顶面上的直线型支承轨道136和137运动。

为平衡桥120相应两侧的运动设有平衡机构。平衡机构可使桥120的两端以相同速度运动，从而减轻桥120的歪斜程度。

如图3所示通过由电动机160、减速箱162、小齿轮164和齿条166构成的动力系统可使自动装置130沿X轴运动。电动机160装在平台170上并与齿轮减速箱162连接。与沿Y轴的运动相同，平台170装在直线支承导向机构（图中未示出）上，此导向机构与装在桥120上的第一直线支承轨道171和第二直线支承轨道172接合。小齿轮164与减速箱162的轴连接，并与装在桥120侧壁的齿条166啮合。齿条166沿桥的整个长度设置。

因此，电动机160和减速箱162转动小齿轮164，小齿轮164又与齿条166啮合，从而使自动装置130沿X轴运动。齿条条及装在自动装置130上的平台170运动。平台170通过直线支承导向机构沿直线型支承轨道171和172运动。

如图3和图4所示，自动装置130沿Z轴的运动与桥120沿Y轴的运动是相似的。电动机180与齿轮减速箱181连接，减速箱181又带动与齿条183啮合的小齿轮182转动。齿条183和小齿轮182与产生沿其他轴的运动所用者相似，这将在以下按图5～8进行说明，供电装置195用以装入向电动机180供电的导线管。

齿条183装在自动装置130的纵向支撑132上。在装有由电动机驱动的传动箱181的平台184上设有直线支承导向机构（图中未示出）。这些直线支承导向机构与直线支承轨道配接动作，后者可使自动装置130沿Z轴运动。因此，由电动机驱动的减速箱181转动与齿条183啮合的小齿轮182，齿条183再使平台沿直线支承轨道187作Z轴方向的运动。从而使自动装置130沿Z轴方向的直线型支承轨道187运动。

应该注意到，自动头134可到达由尺寸为X、Y和Z的空间限定的工作区域内任一位置。这是因为桥120可沿Y轴运动，而自动头134可沿X和Z轴运动。

桥120较桥60为重。但，在本发明的最佳实施例中桥120所需运动的距离较现有技术门式结构20的桥60为小。自动装置130作为门式结构100中最轻的部分则沿X向较长的尺寸运动。因此，自动装置130可较快地作较长尺寸（X）的运动。同样，由于桥120的运动的距离较短，桥120作高度加速运动的程度也可减轻，从而可使桥120在所需各位置之间在较低的由加速力造成的应力状态下运动。

以下将按图5～8对各轴向运动动力系统中的改进齿条和小齿轮进行说明。图5和6所示为一代表性小齿轮200，小齿轮200装在上述各传动箱的轴上。小齿轮200为一专门设计的改进型渐开线齿轮，用以使各齿恰当地与齿条的柱形销（下面将加以说明）啮合。更重要的是小齿轮以零度压力角与齿条的销啮合。小齿轮200具有若干齿201，小齿轮节圆的标号为205。齿顶高（从小齿轮节圆到外径的距离）的标号为204，齿根高（从节圆到齿根的距离）的标号为202。在节圆以上的齿体外形为一渐开线，此渐开线通过切去其尖端206得到了改进。节圆以下的齿体外形呈稍加改进的圆形。

图7所示齿条300具有侧壁302和304以及形成U形槽301的底部306。在U形槽301内装有可转动的销310。这些销310大体上呈圆柱形，其尺寸和相隔距离与小齿轮200的尺寸和形状相匹配。销310装在槽的侧壁302和304内而使销310的底边和底部306的顶面之间形成一空间。销310装在精密滚柱轴承320内，因而可以转动。销的中心线321与齿条300的节线311相交。

齿条的另一特点是具有装在侧壁304外边的面板330。此面板330可用螺栓334和336进行安装。卸下螺栓334、336和面板330，即可接触到销310和轴承320，以便修理或更换换。应该注意的是侧壁302也可装有可卸下的面板。

图8所示为与齿条300啮合的小齿轮200。小齿轮200的节圆205在小齿轮200与齿条300（图10）啮合时与齿条300的节线311相切。这将在以下参考图10进一步说明。在节圆以下的齿面由两个中间脱开的准确的倒圆构成，使此齿面与销之间形成根部间隙。对小齿轮200应选用相当大的外径，使齿条各销310和小齿轮200各齿之间确保搭接啮合关系。

图10所示为小齿轮200上与齿条300中销310啮合的若干齿体201。节圆直径或节径等于基圆直径。换言之，用以产生齿体201渐开线表面的基圆与节圆205直径相等。因此，各齿的表面在节圆上与小齿轮的半径相切。结果是力F_M沿着小齿轮的节径和齿条的节线起传动作用而压力角则为零度。

为了解本发明齿条和小齿轮的优点，有必要了解一些齿条和小齿轮的基本特点。图9所示为小齿轮500与另一小齿轮502啮合的局部视图。小齿轮500的齿504和小齿轮502的齿506具有标准的20°渐开线齿形，由驱动小齿轮500的电动机或其他驱动装置所提供的驱动力F_M用矢量F_M表示。此驱动力F_M具有两个分量F_T和F_S，F_T为切向作用力，F_S为分离作用力。F_T为沿运动方向的作用力，要求尽可能大。F_S为垂直于运动方向的分离作用力，因此要求尽可能小。

图中还示出了摩擦力μF_M。此摩擦力μF_M具有一与运动方向相反的切向摩擦分力μF_T和一起分离作用的摩擦分力μF_S。

在如图9所示普通的齿条与小齿轮配接的情况下，会产生很明显的分离作用力（F_S）。这种分离作用力会减小切向作用力（F_T），从而降低齿条和小齿轮的效率。这可用以下计算表明：

在20°的压力角下，矢量F_T可计算为：

F_T＝cos（压力角）×F_M

F_T＝cos（20°）×F_M

F_T＝0.9397F_M

设摩擦系数μ＝0.125，矢量μF＊_T为：

μF_T＝sin（压力角×μF_M

μF_T＝sin20°×μF_M

μF_T＝0.3420×0.125F_M

μF_T＝0.0427F_M

从F_T和μF_T这两个值可计算出切向作用力F_T中总的损失为：

切向作用力的总损失＝（1-0.9397F_M）+μF_T

切向作用力的总损失＝1-0.9397F_M+0.0427F_M

切向作用力的总损失＝F_M（0.0603+0.0427）

切向作用力的总损失＝0.1030F_M

即：切向作用力的总损失率为10.3%。

总的分离作用力可计算如下：

F_S总＝F_S+μF_S

F_S总＝sim（压力角）×F_M+cos（压力角）×μF_M

F_S总＝sin20°×F_M+cos20°×0.125F_M

F_S总＝0.3420F_M×0.1174F_M

F_S总＝0.4594F_M

即：总的分离作用力为传动力F_M的45.9%。

图10所示为本发明的齿条和小齿轮系统。如图所示，切向作用力F_T等于传动力F_M，因为在小齿轮齿体和转动销之间的压力角为零。这是因为小齿轮的节径等于改进的渐开线齿形的基圆直径。因此，总的切向作用力的损失为：

F_T＝F_M

μF_T＝sin（压力角×μF_M

μF_T＝0×F_M＝0

而F_S＝sin（压力角）×F_M

F_S＝0

μF_S＝cos（压力角）×μF_M（对于齿条300的滚柱轴承320μ＝0.001）。

μF_S＝cos0°×0.001F_M

μF_S＝0.001F_M

由于F_T＝F_M，总的切向作用力的损失为零。总的分离作用力的损失等于起分离作用的摩擦力μF_S或0.001FM。

应该重视的是，本发明齿条和小齿轮系统尽量缩小了分离作用力和总的切向作用力的损失，同时尽量加大了切向作用力。这与已知的齿条和小齿轮系统相比加大了本系统的效率。

熟悉本专业技术的人员都清楚，可以采用不同尺寸的齿条和小齿轮来取得某些自动头有效负载、应用和工作条件所要求的游隙、速度和加速度。

这种齿条和小齿轮的优点是：（1）由于损失较小而可取得较高的速度;（2）噪音低;（3）可尽量减小游隙;（4）更换和修理的次数较少;（5）由于用滚动摩擦代替了滑动摩擦，故寿命较长;（6）维护量较小;（7）不需润滑（8）尽量减少了外来颗粒干扰操作的可能。因此，齿条和小齿轮所具备的这种特点有助于提高总的设计性能。

以上对本发明的实施例进行了说明，但应该理解，本发明并不受此限制而可在以下各权利要求的范围内采用其他各种实施方案。

Claims

1、一种齿条和小齿轮机构，此机构具有：

齿条；和

小齿轮，用以在旋转运动和直线运动之间进行转换；

齿条和小齿轮中之一具有可转动的销；而

齿条和小齿轮中的另一个构件具有由一基圆生成的渐开线外形的齿，此基圆则与上述具有渐开线外形齿的构件的节圆相重，因此，在销和齿之间的压力角基本上为零度。

2、权利要求1所述机构，其中：

齿条具有两个一般为彼此平行的侧壁，在这两个侧壁之间装有可转动的销，而

小齿轮具有与齿条啮合的齿，因而将其本身的旋转运动转弯为直线运动，此小齿轮具有由一基圆生成的渐开线外形的齿，此基圆则与小齿轮的节圆重合，因此在销和小齿轮的齿之间的压力角基本上为零度。

3、权利要求1所述机构，其中：

可转动的销装在减摩轴承中。

4、权利要求3所述机构，其中：

侧壁是可卸下的，因而使可转动的销和相应的轴承便于维修，

5、权利要求1所述机构，其中：

可转动的销是圆柱形的。

6、权利要求1所述机构，此机构具有在运行时与小齿轮连接的驱动机构，用以使小齿轮在齿条上产生一驱动力，此驱动力具有一切向分力和一分离分力，此切向分力垂直于此分离分力。

7、权利要求6所述机构，其中：

切向分力基本上等于传动力，而分离分力基本上为零。

8、用于门式自动结构的传动机构，此机构具有一齿条和一传动小齿轮，此齿条具有若干彼此分开并可转动的销，用以与小齿轮的齿啮合，小齿轮具有由一基圆生成的渐开线外形的齿，此基圆与小齿轮的节圆重合，此齿条和小齿轮的特征是：在小齿轮的齿和齿条的销之间的压力角为零度。