CN108325456B - 五自由度混联震荡摇匀装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五自由度混联震荡摇匀装置，包括滚珠丝杠驱动装置、齿轮齿条驱动装置、震荡台、固定在震荡台上的四部步进电机、动平台和实验对象。滚珠丝杠驱动装置和齿轮齿条驱动装置分别单独控制，实现震荡台的横向或纵向平移震荡，选定震荡台上的四部步进电机不同的组合方式进行工作，实现动平台竖向平移震荡和绕水平面横向或纵向转动震荡。根据实验对象的特性，本发明能够满足空间中不同维数和不同方式的震荡需求，具有稳定性好、环境适应能力强、操作简单等优点。

Description

五自由度混联震荡摇匀装置

技术领域

本发明属于化学实验设备技术领域，特别涉及一种五自由度混联震荡摇匀装置。

背景技术

化学实验或血液采集检测中，一般需要对试剂进行震荡摇匀，使得反应物充分接触或溶解，加速化学反应的进程。目前，现已有的震荡摇匀装置多为空间中的一维震荡，能够满足空间中三个方向的平移震荡和水平面内横向或纵向转动的震荡摇匀装置少之又少，然而对于不同特性的试剂来说，一维震荡很难满足反应需求。

针对震荡摇匀装置存在的问题，现有专利文献也提出了一些解决方案。申请号为201621075224.X的中国专利公开一种液体化学试剂的震荡摇匀装置，包括底座、旋转开关、旋转轴、旋转盘、震荡弹簧、试剂托盘、震荡开关和容器试管腔，利用旋转轴带动旋转盘，旋转盘与容器试管腔之间通过震荡弹簧柔性连接，竖直平面内旋转震荡时震荡弹簧会吸收来自旋转盘的能量，不能充分实现容器试管腔的旋转震荡。申请号为201711097753.9的中国专利公开一种采血试管摇匀装置，包括底座、震荡装置、支撑板一、摇晃装置、支撑板二、试管槽和固定夹，震荡装置带动支撑板一的震荡，固定在支撑板一上的摇晃装置带动支撑板二摇晃，试管槽固定在支撑板二上，从而实现试管槽的震荡与摇晃，平面的摇晃主要适合易溶物的反应；针对特性为难溶物试剂，此套装置不适合震荡强度大、维数多的震荡需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种五自由度混联震荡摇匀装置，能够用于化学实验、血液采集检测等需要将试剂进行震荡摇匀的场合，能够实现空间中三个方向的平移震荡和水平面上横向和纵向的回转震荡，能提高震荡摇匀操作的效率和安全性,还具有环境适应能力强等优点，可克服现有技术的缺陷。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。

一种五自由度混联震荡摇匀装置，包括滚珠丝杠驱动装置、齿轮齿条驱动装置、震荡台和实验对象。其中，所述的滚珠丝杠驱动装置包括伺服电机、联轴器、丝杆、螺母座、滑块、直线滑轨、微型轴承和支撑座；所述的齿轮齿条驱动装置包括竖向步进电机Ⅰ、竖向步进电机Ⅱ、主动齿轮、齿条、平面轴承和U型槽。滚珠丝杠驱动装置前后布置两套，齿轮齿条驱动装置左右布置两套，齿轮齿条驱动装置位于滚珠丝杠驱动装置的中上部，左右两齿条下端面通过螺钉安装固定在螺母座上，齿条上端面开有U型槽，平面轴承过盈配合在U型槽内；所述震荡台位于平面轴承的上部且与平面轴承接触。

所述的震荡台包括定平台、步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ、步进电机Ⅲ、步进电机Ⅳ、支链传动装置、曲柄、弹性挡圈、销轴、连杆、上耳座、十字轴、下耳座、动平台、横向凹槽、纵向凹槽和倒凹槽；所述的竖向步进电机Ⅰ和竖向步进电机Ⅱ固定安装在定平台上，左右两主动齿轮分别安装在竖向步进电机Ⅰ和竖向步进电机Ⅱ的输出轴上且分别与左右两齿条啮合。工作时，竖向步进电机Ⅰ的输出轴在水平面上顺时针转动，竖向步进电机Ⅱ的输出轴逆时针转动，通过左右两主动齿轮与齿条的啮合传动，震荡台向后方移动；竖向步进电机Ⅰ的输出轴逆时针转动，竖向步进电机Ⅱ的输出轴水平面上顺时针转动，通过左右两主动齿轮与齿条的啮合传动，震荡台向前方移动；所述的水平面上顺、逆时针定为从上向下所观测方向。竖向步进电机Ⅰ和竖向步进电机Ⅱ转向相反，且同时变换各自的转动方向，则可实现震荡台的横向震荡。

所述的实验对象可固定在动平台的纵向凹槽或横向凹槽内。

所述的滚珠丝杠驱动装置，其中伺服电机安装在支撑座的一端，与支撑座通过螺钉安装固定，伺服电机的输出轴与丝杆之间通过联轴器安装固定，并传递转矩；丝杆两端通过微型轴承安装在支撑架上；螺母座为左右两个，内部有螺母、滚珠和滚道，通过内部的螺母套在丝杆上；所述的直线滑轨为两个，对称布置在支撑座的上端面，滑块下端面与直线滑轨安装配合，滑块上端面与螺母座的下端安装固定。伺服电机正反转时，将转矩通过丝杆传给螺母座内的滚珠，滚珠在滚道里滚动，带动螺母左右滑动，使螺母座和滑块分别在丝杆和直线滑轨上左右滑动。

所述的滚珠丝杠驱动装置前后布置两套，两丝杆上的螺母座的上端面与齿条安装配合；平面轴承过盈配合在齿条上的U型槽内，平面轴承上的滚子与定平台上的倒凹槽接触，并进行定平台的纵向定位。工作时，两伺服电机同步正反转，带动丝杆上的螺母座左右滑动；通过安装固定在螺母座上的左右两齿条、U型槽、平面轴承和倒凹槽的传动实现震荡台的纵向震荡。

所述的步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ、步进电机Ⅲ和步进电机Ⅳ对称安装在定平台上，定平台为中空结构；支链传动装置包括曲柄、弹性挡圈、销轴、连杆、上耳座、十字轴和下耳座；步进电机Ⅰ的输出轴与曲柄相连，轴向用平键进行轴向定位，径向用弹性挡圈进行径向定位，曲柄与连杆通过销轴连接，曲柄和连杆分别与销轴组成转动副；安装固定在连杆底端的上耳座和安装固定在动平台上的下耳座通过十字轴连接，上耳座和下耳座两侧面分别通过滚针轴承和十字轴配合，支撑动平台的转动；所述的步进电机Ⅱ、步进电机Ⅲ和步进电机Ⅳ的输出轴和动平台之间的连接方式分别与步进电机Ⅰ与动平台之间的连接方式相同。

工作时，步进电机Ⅰ和步进电机Ⅳ的输出轴在所在的竖向平面逆时针同步转动，步进电机Ⅱ和步进电机Ⅲ的输出轴在所在的竖向平面顺时针同步转动，通过支链传动装置的传动，实现动平台的上升；步进电机Ⅰ和步进电机Ⅳ的输出轴在所在的竖向平面顺时针同步转动，步进电机Ⅱ和步进电机Ⅲ的输出轴在所在的竖向平面逆时针同步转动，通过支链传动装置的传动，实现动平台的下降。步进电机Ⅱ和步进电机Ⅲ的输出轴静止，步进电机Ⅰ和步进电机Ⅳ输出轴在竖向平面转向相同，同步顺、逆时针交替转动，通过支链传动装置的传动，步进电机Ⅰ和步进电机Ⅳ一端有往复驱动力，动平台则绕步进电机Ⅱ和步进电机Ⅲ一端的十字轴纵向轴线转动；步进电机Ⅲ和步进电机Ⅳ的输出轴静止，步进电机Ⅰ和步进电机Ⅱ输出轴在竖向平面转向相反，同步顺、逆时针交替转动，通过支链传动装置的传动，步进电机Ⅰ和步进电机Ⅱ一端有往复驱动力，动平台则绕步进电机Ⅲ和步进电机Ⅳ一端的十字轴横向轴线转动。所述的竖向平面顺、逆时针定为从前向后所观测方向。

所述的步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ、步进电机Ⅲ和步进电机Ⅳ,竖向步进电机Ⅰ、竖向步进电机Ⅱ和伺服电机通过步进电机驱动板控制各个电机正反转的交替。

使用时，根据实验对象所需要震荡力的维数，选定滚珠丝杠驱动装置或齿轮齿条驱动装置或步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ、步进电机Ⅲ和步进电机Ⅳ启动工作，震荡台实现横向或纵向或竖向三个平移的震荡；选定步进电机Ⅱ和步进电机Ⅲ的输出轴静止，步进电机Ⅰ和步进电机Ⅳ输出轴在竖向平面转向相同，同步顺、逆时针交替转动，通过支链传动装置的传动，步进电机Ⅰ和步进电机Ⅳ一端有往复驱动力，动平台可实现绕步进电机Ⅱ和步进电机Ⅲ一端的十字轴纵向轴线转动；选定步进电机Ⅲ和步进电机Ⅳ的输出轴静止，步进电机Ⅰ和步进电机Ⅱ输出轴在竖向平面转向相反，同步顺、逆时针交替转动，通过支链传动装置的传动，步进电机Ⅰ和步进电机Ⅱ一端有往复驱动力，动平台可实现绕步进电机Ⅲ和步进电机Ⅳ一端的十字轴横向轴线转动，震荡台实现了水平面内横向或纵向的转动震荡。

本发明的有益效果是，与现有的技术相比，本发明能够根据试剂特性的要求，选择不同的震荡方式和震荡维数，能够实现空间中三个方向的平移震荡和水平面内横向和纵向的回转震荡。本发明的横向和纵向的平移震荡是通过串联的方式；竖向、水平面内横向或纵向的转动震荡是基于并联机构拓扑结构设计理论设计得出，能提高震荡摇匀操作的效率和安全性，环境适应能力强，可克服现有技术的缺陷。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的齿条安装方式示意图；

图3为本发明的震荡台的结构示意图；

图4为本发明的滚珠丝杠驱动装置结构示意图；

图5为本发明的定平台与动平台连接方式示意图；

图6为本发明的倒凹槽的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。

如图1、图2和图4所示，一种五自由度混联震荡摇匀装置，包括滚珠丝杠驱动装置1、齿轮齿条驱动装置2、震荡台3和实验对象4。其中，所述的滚珠丝杠驱动装置1包括伺服电机11、联轴器12、丝杆13、螺母座14、滑块15、直线滑轨16、微型轴承17和支撑座18；所述的齿轮齿条驱动装置2包括竖向步进电机Ⅰ20、竖向步进电机Ⅱ21、主动齿轮22、齿条23、平面轴承24和U型槽 25；所述的滚珠丝杠驱动装置1前后布置两套，齿轮齿条驱动装置2左右布置两套，齿轮齿条驱动装置2位于滚珠丝杠驱动装置1的中上部，左右两齿条23下端面通过螺钉安装固定在螺母座14上，齿条23上端面开有U型槽25，平面轴承24过盈配合在U型槽25内；所述震荡台3位于平面轴承24的上部且与平面轴承24接触。

如图1、图3和图5所示，所述的震荡台3包括定平台30、步进电机Ⅰ31、步进电机Ⅱ32、步进电机Ⅲ33、步进电机Ⅳ34、支链传动装置316、曲柄35、弹性挡圈36、销轴37、连杆38、上耳座39、十字轴310、下耳座311、动平台312、横向凹槽313、纵向凹槽314和倒凹槽315。所述竖向步进电机Ⅰ20和竖向步进电机Ⅱ21固定安装在定平台30上，左右两主动齿轮22分别安装在竖向步进电机Ⅰ20和竖向步进电机Ⅱ21的输出轴上且分别与左右两齿条23啮合。工作时，竖向步进电机Ⅰ20的输出轴在水平面上顺时针转动，竖向步进电机Ⅱ21的输出轴逆时针转动，通过左右两主动齿轮22与齿条23的啮合传动，震荡台3向后方移动；竖向步进电机Ⅰ20的输出轴逆时针转动，竖向步进电机Ⅱ21的输出轴水平面上顺时针转动，通过左右两主动齿轮22与齿条23的啮合传动，震荡台3 向前方移动；所述的水平面上顺、逆时针定为从上向下所观测方向。竖向步进电机Ⅰ20和竖向步进电机Ⅱ21转向相反，且同时变换各自的转动方向，则可实现震荡台3的横向震荡。

如图3所示，所述的实验对象4可固定在动平台的纵向凹槽314或横向凹槽313内。

如图4所示，所述的滚珠丝杠驱动装置1，其中伺服电机11安装在支撑座 18的一端，与支撑座18通过螺钉安装固定，伺服电机11的输出轴与丝杆13之间通过联轴器12安装固定，并传递转矩；丝杆13两端通过微型轴承17安装在支撑架18上；螺母座14为左右两个，内部有螺母、滚珠和滚道，通过内部的螺母套在丝杆13上；所述的直线滑轨16为两个，对称布置在支撑座18的上端面，滑块15下端面与直线滑轨16安装配合，滑块15上端面与螺母座14的下端安装固定。伺服电机11正反转时，将转矩通过丝杆13传给螺母座14内的滚珠，滚珠在滚道里滚动，带动螺母左右滑动，使螺母座14和滑块15分别在丝杆13和直线滑轨16上左右滑动。

如图2、图4和图6所示，所述的滚珠丝杠驱动装置1前后布置两套，两丝杆13上的螺母座14的上端面与齿条安装配合；平面轴承24过盈配合在齿条23 上的U型槽25内，平面轴承24上的滚子与定平台30上的倒凹槽315接触，并进行定平台的纵向定位。工作时，两伺服电机同步正反转，带动丝杆13上的螺母座14左右滑动；通过安装固定在螺母座14上的左右两齿条23、U型槽25、平面轴承24和倒凹槽315的传动可实现震荡台3的纵向震荡。

如图3、图5和图6所示，所述的步进电机Ⅰ31、步进电机Ⅱ32、步进电机Ⅲ33和步进电机Ⅳ34对称安装在定平台30上，定平台30为中空结构；支链传动装置316包括曲柄35、弹性挡圈36、销轴37、连杆38、上耳座39、十字轴 310和下耳座311；步进电机Ⅰ31的输出轴与曲柄35相连，轴向用平键进行轴向定位，径向用弹性挡圈36进行径向定位，曲柄35与连杆38通过销轴37连接，曲柄35和连杆38分别与销轴37组成转动副；安装固定在连杆38底端的上耳座 39和安装固定在动平台312上的下耳座311通过十字轴310连接，上耳座39和下耳座311两侧面分别通过滚针轴承和十字轴310配合，支撑动平台312的转动；所述的步进电机Ⅱ32、步进电机Ⅲ33和步进电机Ⅳ34的输出轴和动平台312之间的连接方式分别与步进电机Ⅰ31与动平台312之间的连接方式相同。

如图3所示，工作时，步进电机Ⅰ31和步进电机Ⅳ34的输出轴在所在的竖向平面逆时针同步转动，步进电机Ⅱ32和步进电机Ⅲ33的输出轴在所在的竖向平面顺时针同步转动，通过支链传动装置316的传动，实现动平台312的上升；步进电机Ⅰ31和步进电机Ⅳ34的输出轴在所在的竖向平面顺时针同步转动，步进电机Ⅱ32和步进电机Ⅲ33的输出轴在所在的竖向平面逆时针同步转动，通过支链传动装置316的传动，实现动平台的下降。步进电机Ⅱ32和步进电机Ⅲ33 的输出轴静止，步进电机Ⅰ31和步进电机Ⅳ34输出轴在竖向平面转向相同，同步顺、逆时针交替转动，通过支链传动装置316的传动，步进电机Ⅰ31和步进电机Ⅳ34一端有往复驱动力，动平台312则绕步进电机Ⅱ32和步进电机Ⅲ33一端的十字轴310纵向轴线转动；步进电机Ⅲ33和步进电机Ⅳ34的输出轴静止，步进电机Ⅰ31和步进电机Ⅱ32输出轴在竖向平面转向相反，同步顺、逆时针交替转动，通过支链传动装置316的传动，步进电机Ⅰ31和步进电机Ⅱ32一端有往复驱动力，动平台312则绕步进电机Ⅲ33和步进电机Ⅳ34一端的十字轴310 横向轴线转动。所述的竖向平面顺、逆时针定为从前向后所观测方向。

图2和图3所示，所述的步进电机Ⅰ31、步进电机Ⅱ32、步进电机Ⅲ33和步进电机Ⅳ34,竖向步进电机Ⅰ20、竖向步进电机Ⅱ21和伺服电机11通过步进电机驱动板控制各个电机正反转的交替。

使用时，根据实验对象4所需要震荡力的维数，选定滚珠丝杠驱动装置1 或齿轮齿条驱动装置2或步进电机Ⅰ31、步进电机Ⅱ32、步进电机Ⅲ33和步进电机Ⅳ34启动工作，震荡台3实现横向或纵向或竖向三个平移的震荡；选定步进电机Ⅱ32和步进电机Ⅲ33的输出轴静止，步进电机Ⅰ31和步进电机Ⅳ34输出轴在竖向平面转向相同，同步顺、逆时针交替转动，通过支链传动装置的传动，步进电机Ⅰ31和步进电机Ⅳ34一端有往复驱动力，动平台312可实现绕步进电机Ⅱ32和步进电机Ⅲ33一端的十字轴310纵向轴线转动；选定步进电机Ⅲ33和步进电机Ⅳ34的输出轴静止，步进电机Ⅰ31和步进电机Ⅱ32输出轴在竖向平面转向相反，同步顺、逆时针交替转动，通过支链传动装置的传动，步进电机Ⅰ31 和步进电机Ⅱ32一端有往复驱动力，动平台312可实现绕步进电机Ⅲ33和步进电机Ⅳ34一端的十字轴310横向轴线转动，震荡台3实现了水平面内横向或纵向的转动震荡。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“垂直”、“顶”、“内”、“外”、“横”、“纵”“竖”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种五自由度混联震荡摇匀装置，包括滚珠丝杠驱动装置、齿轮齿条驱动装置、震荡台和实验对象，其特征在于：所述的滚珠丝杠驱动装置包括伺服电机、联轴器、丝杆、螺母座、滑块、直线滑轨、微型轴承和支撑座；所述的齿轮齿条驱动装置包括竖向步进电机Ⅰ、竖向步进电机Ⅱ、主动齿轮、齿条、平面轴承和U型槽；滚珠丝杠驱动装置前后布置两套，齿轮齿条驱动装置左右布置两套，齿轮齿条驱动装置位于滚珠丝杠驱动装置的中上部，左右两齿条下端面通过螺钉安装固定在螺母座上，齿条上端面开有U型槽，平面轴承过盈配合在U型槽内；所述震荡台位于平面轴承的上部且与平面轴承接触；

所述的震荡台包括定平台、步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ、步进电机Ⅲ、步进电机Ⅳ、支链传动装置、曲柄、弹性挡圈、销轴、连杆、上耳座、十字轴、下耳座、动平台、横向凹槽、纵向凹槽和倒凹槽；所述的竖向步进电机Ⅰ和竖向步进电机Ⅱ固定安装在定平台上，左右两主动齿轮分别安装在竖向步进电机Ⅰ和竖向步进电机Ⅱ的输出轴上且分别与左右两齿条啮合；

所述的滚珠丝杠驱动装置前后布置两套，两丝杆上的螺母座上端面与齿条安装配合；平面轴承过盈配合在齿条上的U型槽内，平面轴承上的滚子与定平台上的倒凹槽接触；

所述的步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ、步进电机Ⅲ和步进电机Ⅳ对称安装在定平台上，定平台为中空结构；支链传动装置包括曲柄、弹性挡圈、销轴、连杆、上耳座、十字轴和下耳座；步进电机Ⅰ的输出轴与曲柄相连，轴向用平键进行轴向定位，径向用弹性挡圈进行径向定位，曲柄与连杆通过销轴连接，曲柄和连杆分别与销轴组成转动副；安装固定在连杆底端的上耳座和安装固定在动平台上的下耳座通过十字轴连接，上耳座和下耳座两侧面分别通过滚针轴承和十字轴配合，支撑动平台的转动；所述的步进电机Ⅱ、步进电机Ⅲ和步进电机Ⅳ的输出轴和动平台之间的连接方式分别与步进电机Ⅰ与动平台之间的连接方式相同。

2.根据权利要求1所述的一种五自由度混联震荡摇匀装置，其特征在于：所述的滚珠丝杠驱动装置，其中伺服电机安装在支撑座的一端，与支撑座通过螺钉安装固定，伺服电机的输出轴与丝杆之间通过联轴器安装固定，并传递转矩；丝杆两端通过微型轴承安装在支撑架上；螺母座为左右两个，内部有螺母、滚珠和滚道，通过内部的螺母套在丝杆上；所述的直线滑轨为两个，对称布置在支撑座的上端面，滑块下端面与直线滑轨安装配合，滑块上端面与螺母座的下端安装固定。

3.根据权利要求1所述的一种五自由度混联震荡摇匀装置，其特征在于：所述的步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ、步进电机Ⅲ和步进电机Ⅳ,竖向步进电机Ⅰ、竖向步进电机Ⅱ和伺服电机通过步进电机驱动板控制各个电机正反转的交替。

4.根据权利要求1所述的一种五自由度混联震荡摇匀装置，其特征在于：所述的实验对象可固定在动平台的纵向凹槽或横向凹槽内。

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