CN1065712A - 小型直线驱动器 - Google Patents

Abstract

一种由于采用了一个可伸缩的套筒因而增强了 刚度的驱动器，套筒能从驱动组件伸出和缩回。驱动 组件能装在此可伸缩的套筒内。

Description

本发明涉及直线驱动器，更具体地说是小型的直线驱动器。

直线驱动器是众所周知的，它广泛应用于将电机等产生的转矩转化成直线运动。某些用途中要求直线驱动器应该是小尺寸的。需要小型驱动器的场合包括：在空间飞行器上的一些应用，在那里驱动器的大小和重量是至关重要的;机器人中的应用;以及在各种系统和仪器仪表上的应用。在这些类型的用途中，要求小型驱动器有高的刚度，以防止在重载下弯曲。

此外，小型驱动器应能快速动作，这样才能无延迟地运动，并有快速完成其全部运动范围的能力。最后，小型驱动器应适合于采用市场上能买到的零部件，例如高转速低扭矩的小电机，以及具有固定减速比的减速器。

常用的直线驱动器采用一个电机驱动螺杆，螺杆上装有一个螺帽。螺帽与一个套筒组件连接。套筒从一个外壳伸出，此外壳防止套筒随螺帽一起转动，但允许套筒从外壳伸出或退回。螺杆的旋转对螺帽产生一作用力，该力的作用方向与螺杆轴线平行，以迫使螺帽沿螺杆直线运动，由此伸出或退回套筒。

这类直线驱动器的一个例子可见授予Johnson的美国专利4392390号。虽然这一装置使用了一种将转矩转变成直线运动的方法，但在用于小型的情况下，也具有螺杆和螺帽机构中存在的一些缺陷。由作用在伸出的套筒上的载荷所引起的弯曲力，必须由螺杆轴来承受。螺杆轴的刚度随轴直径的减小而减小。所以这种小型化的螺杆和螺帽类型的直线驱动器的刚度较差，也就是说抗弯刚度差。此外，小型化的螺杆和螺帽类型的驱动器要求采用小轴承，小轴承既经受不住沿垂直于轴线方向作用在轴上的大的弯曲力，亦经受不住沿螺杆轴线方向的作用力。

本发明是一种适合于使物体相互分开的驱动装置。此装置有一个驱动组件，它包括一个具有第一端和第二端的旋转运动传递机构。第一端适用于与扭矩源相连，第二端适用于传出对应的扭矩。此外，驱动组件有一个用来支承旋转运动传递机构的安装座。旋转运动传递机构与一个内部截头驱动机构相连，以便将扭矩传给它。此内部截头驱动机构的至少部分外表面上制有第一螺旋形驱动螺纹。驱动装置还包括一个外部伸缩件，它至少在其一部分内表面上制有第一伸缩螺纹。外部伸缩件有一个内孔，内部截头驱动机构和驱动组件至少有一部分通过此孔装在外部伸缩件内。第一驱动螺纹通过螺纹与第一伸缩螺纹啮合，使内部截头驱动机构的转动迫使第一驱动螺纹顺着第一伸缩螺纹移动。这就迫使外部伸缩件相对于驱动组件移动，并具有一个运动范围。第一螺旋形驱动螺纹的至少一部分可相对于驱动组件定位。

在本发明的一种最佳实施例中，内部截头驱动机构有至少制在其一部分外表面上的多条螺旋形驱动螺纹。

在本发明另一种最佳实施例中，内部截头驱动机构包括：具有制成其外表面上一部分第一螺旋形驱动螺纹的第一外段;具有制在其外表面上另一部分第一螺旋形驱动螺纹的第二外段;以及将第一外段与第二外段相对固定的锁定装置。

在另一个最佳实施例中，内部截头驱动机构包括有一个基座，基座对着驱动组件的一部分而不是旋转运动传递机构。一个外套筒上有一外表面，在外表面上制有第一螺旋形驱动螺纹，外套筒可在基座上旋转。作用在外部伸缩件上的力传给内部截头驱动机构的基座上，这些力又传给驱动组件。

图1为本发明直线驱动器纵向剖面图;

图2为图1直线驱动器的分解透视图;

图3为沿图2中3-3线看去的侧面图;

图4为驱动螺杆的剖面图，其中局部断开并为看得清楚而加以放大;

图5为本发明另一种实施例的纵剖面图;

图6为表示螺纹套筒局部伸出后的图5所示驱动器的纵剖面图;

图7为图5所示驱动器的分解透视图;以及

图8为表示局部断开并为看清楚而加以放大后的图5所示驱动器的驱动螺杆的纵剖面图。

本发明的驱动装置表示在图1至8中，其总体用数字10表示。

参阅图1，驱动装置10有一个驱动组件12和一个内部截头驱动机构或驱动螺杆14，螺杆至少部分装在一个外部伸缩件或螺纹套筒16内。驱动组件12通过驱动轴18与驱动螺杆14连接。驱动螺杆14本身又通过螺旋形驱动螺纹20与螺纹套筒16连接，构成驱动螺杆14表面的驱动螺纹20与构成螺纹套筒16内表面的螺纹22啮合。

由图1和2可清楚地看出，驱动组件12包括一个马达-减速器-编码器组合件24，其中的减速器26可以是一个行星齿轮系统或直齿轮系统。这类减速器是众所周知的，在现有技术中是常用的。马达28与减速器26以一种适合于传扭的方式连接（图中未表示）。马达28是整流式（电刷式）直流电机或杯状电机（cup  type  motor），亦可以采用无刷电机。马达28的转速范围为6000-12000转/分，并产生较小的扭矩。减速器26将马达28输出的高转速低扭矩转换成大扭矩低转速，由驱动轴18输出。

反馈编码器30与马达28之间有恰当的连接，以产生马达速度和轴位置的信息，供驱动器的控制器（图上未表示）使用。反馈编码器30可以是光学的或机械式的，这些都是现有技术中已知的。

台阶状圆筒形驱动组件外壳内装有此马达-减速器-编码器组合件24。马达-减速器-编码器组合件24与驱动组件外壳32滑动配合，以防驱动组件外壳32弯曲或扭曲。设在驱动组件外壳32里端的大孔34，用来装入马达-减速器-编码器组合件24。在驱动组件外壳32的外端有一较小的孔36和一个凸缘38，驱动轴18从孔36伸出，凸缘38则用于防止马达-减速器-编码器组合件24从孔36通过。

台阶状空心圆柱体端罩40上有第一外圆周面42和第二大外圆周面44。端罩40的内径46足够大，所以端罩40的开口端可套在编码器30上。此外，第一外圆周面42的外径足够小，它可以插在驱动组件外壳32的大孔34中。因此端罩40不仅封闭了驱动组件外壳32，而且把编码器30固定在驱动组件外壳32中。用一对互相对置的螺钉将端罩40固定就位，这两个螺钉位于驱动组件外壳32的两侧，它们拧入驱动组件外壳32上的螺纹孔52和54以及在端罩40上的螺纹孔56和58。螺钉48和50除了作为将端罩40固定在驱动组件外壳32内的工具外，当用于与一个外部安装装置（图中未表示）连接时，它们还作为驱动器10的耳轴或双支点。

多针接插件60装在端罩40端壁62上的一个槽中。多针接插件60与多芯电缆64连接，电缆从马达-减速器-编码器组合件24处延伸出来。多针接插件60适用于与一个互补的接插件（图中未表示）配套，从而在电路上与驱动器的控制器（图上未表示）连通。能在驱动器10和外部控制器之间交流的典型的电信号可包括电源正电压、电源负电压、电机轴转速以及电机轴位置信号等。这些信号可以是模拟信号，或是数字编码信号。在现有技术中，这种技术是众所周知的。

由图1、2、3和4可以看出，驱动螺杆14有一个毂66、一个后螺套68、一个前螺套70以及一个螺纹移相器72。毂66上有一个轴向孔74，它与驱动轴18的扁平部分76相配。驱动轴18上的扁平部分76与毂66的扁平部分77互相接合，构成了毂66与驱动轴18之间的传扭连接。第一轴向锁定孔78贯通驱动轴18，对应的第二轴向锁定孔80径向穿过毂66。当毂66正确定位在驱动轴18上时，第一轴向锁定孔78和第二轴向锁定孔80在轴向对齐。轴向锁销82是圆柱形实心不锈钢销，它穿过第一轴向锁定孔78装入驱动轴18中，并延伸到毂66上的第二轴向锁定孔80中，因此防止了毂66在驱动轴18上作轴向移动。

前螺套70具有截头筒状，在它的外缘处有一尾端挡边84。在尾端的挡边84上，切出第一键槽86和第二键槽88，两个键槽相隔180°。类似地，后螺套68也有一个尾端挡边，其上制有两个成180°分开的键槽，即第一尾端键槽92和第二尾端键槽（图上未表示）。毂66上相应地制有矩形的第一毂键94，它从毂上沿轴向伸出。第二毂键（图上未表示）也是矩形的且同样是从毂66上轴向伸出的，它与第一毂键94错开180°。后螺套68同心地套在毂66上，使第一毂键94和第二毂键（图上未表示）分别插在第一尾端键槽92和第二尾端键槽中，从而保证后螺套68随毂66一起转动。前螺套70同心地装在毂66上，使尾端挡边84与毂66外端96接触。

如图3所示，盘状螺纹移相器72上在中心孔102的两侧有第一和第二径向曲槽98，100。移相器72有一个外端面104和一个内端面106。内端面106上有一低凹区108，它包围着径向曲槽98和99。螺纹移相器72内端面106上面的凸起部分110，构成了第一螺纹移相器键112和第二螺纹移相器键114。螺纹移相器72的凸起部分110支承在圆柱形毂的延伸段116上，使毂延伸段116装在螺纹移相器72的中心孔102中。螺纹移相器72与前螺套70是同心的，使得第一螺纹移相器键112和第二螺纹移相器键114分别插入前螺套70的第一键槽86和第二键槽88中，从而使前螺套70和螺纹移相器72之间互相锁定，不能相对转动。第一螺纹移相器锁紧螺钉118和第二螺纹移相器锁紧螺钉（图上未表示）分别穿过第二径向曲槽100和第一径向曲槽98，并分别拧入第一螺纹孔120和第二螺纹孔122。螺纹移相器72可以在毂延伸段116上转动，并可用第一螺纹移相器锁紧螺钉118和第二螺纹移相器锁紧螺钉穿过第一径向曲槽98和第二径向曲槽100，拧入其它螺纹孔124、126、128、130、132和134中任一个，以锁定就位。

由图1、2和4可以清楚看出，螺纹套筒16有一空心筒部分136和一个带枢轴孔的叉架138。带枢轴孔的叉架138用销钉（图上未表示）装在螺纹套筒16的外端，所以很容易拆卸。叉架138分成内部140和外部142，它们用固紧螺钉144互相紧固在一起。第一伸缩螺纹146构成了套筒内表面的一部分，这部分大体从空心筒部分136的中点延伸到带枢轴孔的叉架138。螺纹套筒16上从第一伸缩螺纹146到背对叉架138的那一端，制成光滑内表面148。

本发明驱动器的另一种实施例表示在图5至8上，其总体用10′表示。由于此种实施例10′与上面已介绍的实施例之间是类似的，所以相同的部分不再介绍，因为在前一个实施例中已对它们作了详细的介绍。

本发明的驱动器10′包括：驱动组件12′，内部截头驱动机构或驱动螺杆14′，以及外部伸缩件或螺纹套筒16′。驱动组件12′有一个内端和一个外端，外端通过驱动轴18′与驱动螺杆连接。通过在螺纹套筒16′上的伸缩螺纹22′与在驱动螺杆14′上的螺旋形驱动螺纹20′的啮合，使螺纹套筒16′与驱动螺杆14′互相连接。

驱动组件12′包括一个减速器26′、一个马达28′和一个编码器30′。马达-减速器-编码器组合件24′装在驱动组件外壳32′内。为限制马达-减速器-编码器组合件24′的轴向移动，其外端带有凸缘38′，而内端带有端罩40′、螺钉48′和50′。多芯电缆64′是沟通马达-减速器-编码器组合件24′与装在端罩40′上的多针接插件60′的电路。

驱动螺杆14′包括后螺套68′、前螺套70′、螺纹移相器72′、马达安装座160、轴承座162、内轴承164、外轴承166、轴承垫片168、夹紧螺帽170以及螺纹转子172。如图7所示，马达安装座160上有安装法兰174、马达安装座第一固定孔176和第二固定孔178。这两个孔设置在安装法兰174直径上的对称位置。马达安装座160用马达安装座第一螺钉180和第二螺钉182固定在驱动组件外壳32′的法兰38′上，这两个螺钉分别穿过马达安装座第一固定孔176和第二固定孔178，以分别与驱动组件外壳第一孔184和第二孔186中对应的螺纹（图中未表示）相啮合。马达安装座160为台阶状圆柱形，它有一个与安装法兰174相连的大圆柱段188、一个与大圆柱段188相连的中间尺寸的中圆柱段190以及一个与中圆柱段190相连的小圆柱段192。马达安装座160上朝向安装法兰174的一端有一个大内径孔194，而背对安装法兰174的那一端有一个小内径的孔196。马达安装座160的大内径孔194的尺寸，应大到足以装入减速器26′的端部198，它的小内径孔196的直径要比轴18′的直径大。当正确定位在法兰38′上时，轴18′被装在马达安装座160小圆柱段192之中。

轴承座162有一个空心圆筒形部分，其内端有一轴承座凸缘200，外端有一个螺纹部分。第一矩形键204从轴承座上向外凸出，第二矩形键（图上未表示）与第一矩形键204相隔180°。后螺套68′上有一个尾端挡边90′，以及有一个构成后螺套外表面的螺旋形驱动螺纹20′。后螺套68′套在轴承座162外圆周，并使第一矩形键204和第二矩形键插入尾端挡边90′上相应的第一矩形槽和第二矩形槽（图上未表示）中。轴承座162上的键204与后螺套68′的键槽92′插接在一起，以保证后螺套68′随轴承座162一起旋转。轴承座162套在马达安装座160的小圆柱段192和中圆柱段190上。轴承座支承在内轴承164和外轴承166上。内轴承164和外轴承166本身又支承在马达安装座160的小圆柱段192上。内轴承164和外轴承166通过中圆柱段190的外端面206、轴承座162的凸缘200、夹紧螺帽170以及螺纹转子172轴向定位。垫片168装在内轴承164和外轴承166之间，用来给轴承施加预紧力。通过旋转螺纹转子172使其螺纹208与轴承座162螺纹段202相啮合，首先产生一个作用在内轴承164和外轴承166上的适当的预紧力。夹紧螺帽170拧在马达安装座160最小的圆柱段192上的外螺纹210上，用以获得所要求的作用在内轴承164和外轴承166上的预紧力。正确的预紧力加上以后，将螺纹转子172焊在轴承座162上，以免它们两者之间产生任何相对运动。驱动轴18′上的花键211插入螺纹转子172圆柱部分相应的键槽（图中未表示）中。花键和键槽的插接，使螺纹转子172与驱动轴18′传扭连接而不能相对转动。

前螺套70′上有凸缘84′、第一键槽86′和第二键槽88′。前螺套70′套在轴承座162外圆周上。具有第一螺纹移相器键112′和第二螺纹移相器键（图上未表示）的螺纹移相器72′，装在毂延伸段116′上，以使矩形键插在前螺套70′的矩形键槽86′和88′中。位于螺纹转子172上的8个螺纹孔和径向曲槽98′和100′，使螺纹移相器72′可按需要定位在相对于后螺套68′的任意角相位上。

螺纹套筒16′包括一个空心筒部分136′、带枢轴孔的叉架138′、其上制有螺纹22′的外段142′、以及制成光滑圆柱形内表面的内段140′。

制造螺纹套筒16的最佳材料是高强度钢，以免产生凹陷并有高抗弯能力。制造后螺套68和前螺套70的最佳材料是带填料的塑料，例如Delrin  AF，这是一种高强度材料，易于模制，而且有自润滑作用。由于现有的小型电机和小型减速器的组合，不允许驱动轴18有足够高的转速，所以驱动速度受到限制。为克服这个问题，本发明在后螺套68和前螺套70上采用大螺距或大螺旋角的螺纹。此外，后螺套68和前螺套70均采用多头螺纹，以增加螺纹承载总面积。由图4可见，当螺纹移相器72调到使前螺套70偏离后螺套68以消除螺纹间隙时，在任何一个时刻将只有后螺套68或前螺套70中之一来承受全部载荷。因此，本发明采用梯形截面的螺纹，以增强后螺套68和前螺套70。

由图5和6可易于理解本发明驱动器10、10′的工作情况。启动驱动组件12、12′，将驱动轴18、18′的转动传递给毂，并进而传给后螺套68、68′和前螺套70、70′。由图6可见，当连续转动后螺套68、68′和前螺套70、70′时，驱动器10、10′有效地使螺纹套筒16、16′沿纵向离开螺纹移相器72、72′向外伸出，此时，借助与带枢轴孔的负载叉架138、138′以及与连接到螺钉48、48′和50、50′的枢轴安装座的连接，螺纹套筒16、16′和驱动组件外壳32、32′都不会转动。为使螺纹套筒16、16′从外伸位置返回到回缩位置，驱动组件12、12′是一种能使驱动轴18、18′反转的类型，驱动轴18、18′再接着使后螺套68、68′和前螺套70、70′反转。后螺套68、68′和前螺套70、70′旋转换向后，使螺纹套筒16、16′沿后螺套68、68′和前螺套70、70′的纵向作反向运动。

本发明是一种能制造得非常小但却能经受得住大弯曲力的小型驱动装置。此外，本发明采用市场上买得到的驱动部件，如马达、减速器，以获得一种快速动作的驱动器。

尽管参照最佳实施例对本发明作了介绍，但本领域的普通技术人员应会识别那些在不离开本发明的精神和范围下，在形式和细节上可能作出的改变。

Claims (8)

1、一种适合于有选择地改变物体相对位置的驱动器，它包括：

一个驱动组件，驱动组件包括一个旋转运动传递机构，它具有适合于输入旋转运动的第一端和输出旋转运动的第二端，以及一个用于支承上述旋转运动传递机构的安装座；

一个内部截头驱动机构，它有制在至少其部分外表面上的第一螺旋形驱动螺纹，此内部截头驱动机构与上述旋转运动传递机构的第二端连接；

一个外部伸缩件，至少在其部分内表面上制有第一伸缩螺纹，此外部伸缩件有一个内孔，内部驱动机构和驱动组件的至少一部分通过此内孔装在外部伸缩件内，第一驱动螺纹与第一伸缩螺纹啮合，使得内部截头驱动机构的旋转迫使第一驱动螺纹顺着第一伸缩螺纹移动，从而迫使外部伸缩件相对于驱动组件移动，此第一螺旋形驱动螺纹的至少一部分可相对于驱动组件定位。

2、按照权利要求1所述之驱动器，其特征为：内部截头驱动机构上有多条螺旋形驱动螺纹，它们构成了此内部截头驱动机构的至少部分外表面。

3、按照权利要求1所述之驱动器，其特征为：内部截头驱动机构包括：第一外段，它有一个其上制有部分第一螺旋形驱动螺纹的外表面;第二外段，它有一个其上制有另一部分第一螺旋形驱动螺纹的外表面;以及有一个锁定装置，用来固定第一外段与第二外段的相对位置。

4、按照权利要求1所述之驱动器，其特征为：第一螺旋形驱动螺纹具有梯形的螺纹轮廓。

5、按照权利要求1所述之驱动器，其特征为：内部截头驱动机构包括一个基座，它靠着驱动组件的一部分而不是上述旋转运动传递机构，第一螺旋形驱动螺纹制在一个外套筒的外表面上，该外套筒能在基座上旋转，由此将作用在外部伸缩件上的力传给内部截头驱动机构的基座，并接着再传给驱动组件。

6、按照权利要求1所述驱动器，其特征为：旋转运动传递机构是一个行星齿轮减速器。

7、按照权利要求1所述之驱动器，其特征为：驱动组件包括一个电机，它与上述旋转运动传递机构的第一端连接。

8、按照权利要求1所述之驱动器，其特征为：驱动组件装在一个外壳中，外部伸缩件的内表面形状与此外壳是相配的，所以外部伸缩件的内表面可以有选择地沿着并相对此驱动组件外壳定位。

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