CN108916335B - 纳米级差速摩擦传动作动器 - Google Patents

Abstract

一种纳米级差速摩擦传动作动器，由中央输入转子1，工作滚动体2，分珠笼3，固定外环4，输出轴5等组成。工作滚动体2与分珠笼3之间的工作滚动体轴承6是过盈滚动配合，所以不论中央输入转子1正转或反转，输出轴5都没有机械回差。本作动器的单级减速比可达10,000，因此当从中央输入转子1输入一个θ转角(假定θ＝0.1°)后，输出轴5经过差速传动机构减速后，相应只转动了θ/10,000，即不到0.04”。假定输出轴5直径50毫米，此0.04”转角折合为线长度不到5纳米。作动器结构简单、成本低、无回差、精度高、制造无难点，既可作旋转运动输出、又可做直线运动输出，可广泛用于超精密测量和超精密加工场合。

Description

纳米级差速摩擦传动作动器

技术领域

本发明涉及一种全新类型的差速摩擦传动作动器，尤其是纳米级、超精密的旋转-直线作动器。本作动器可广泛用于各种超精密传动场合。

背景技术

超精密传动是超精密测量和超精密加工的基础。作为高新技术重要内容的超精密传动技术，已广泛应用于航空、航天，信息产业、超精密测试设备、高性能装备制造等领域。当前应用于超精密传动的机构有：直线电机、滚珠丝杠、静压丝杠、磁悬浮丝杠、MENS、磁致伸缩、电致伸缩、扭轮摩擦传动等。通过对定位精度、制造成本、环境要求、控制线性度、兼顾超高分辨率和大工作行程等的综合性能指标，进行全面评估后认为：摩擦传动在当前的纳米级超精密传动中，具有突出的优势(见《西安工业学院学报》2012年第22卷第1 期pp62-66，“超精密驱动机构比较”-田军委等)。

2017年1月25日伍少昊等，在《差速滚动摩擦减速器》(中国发明专利申请号201710055605.4)中，提出了减速器单级超大减速比的技术方案。本发明的目的就是要在保持该《差速滚动摩擦减速器》单级减速比达10,000∶1的基础上，彻底消除该减速器的机械回差、并尽可能降低其弹性变形回差，使凭借于该《差速滚动摩擦减速器》专利技术的本《纳米级差速摩擦传动作动器》，适用于各种超精密传动场合。

发明内容

本《纳米级差速摩擦传动作动器》发明的目的，是通过两方面的技术措施来实现的：1，将现有技术《差速滚动摩擦减速器》(中国发明专利申请号201710055605.4)中，工作滚动体2与分珠笼3之间的滑动摩擦运动付，改变为带有过盈配合的滚动摩擦运动付，从而彻底消除机械回差。2，优化作动器结构：缩短传动链、增大传动链中相关零件的结构刚度，以尽力降低作动器的弹性变形回差。

附图说明

下面先对各附图作简要的说明。

图1：本发明《纳米级差速摩擦传动作动器》的基本结构和工作原理、也是作动器直接输出旋转运动时的第一种实施方案。

图2：本发明《纳米级差速摩擦传动作动器》中，中央输入转子1滚道结构细节的局部放大图。

图3：本发明《纳米级差速摩擦传动作动器》的第二种实施方案-摩擦直线输出方式一。

图4：本发明《纳米级差速摩擦传动作动器》的第三种实施方案-摩擦直线输出方式二。

图5：本发明《纳米级差速摩擦传动作动器》的第四种实施方案-钢带直线输出方式。

图6：本图用以说明中央输入转子1，分别与错时工作的微步驱动电机10、和快速驱动电机18的联结。

具体实施方式

下面先以图1为例，对本发明《纳米级差速摩擦传动作动器》的结构和工作原理进一步详细说明。

图1是本发明的基本结构原理和第一种实施方案的示意图。位于作动器核心部位的是中央输入转子1。中央输入转子1向左方伸出的轴颈，用于联结微步驱动电机10。中央输入转子1的左、右两侧各有一条滚道。滚道中间做出凹陷槽，其细部如图2所示。如果滚道的工作圆弧半径为R，则凹陷槽的半径略大ΔR。中央输入转子1的滚道凹陷槽结构，是为保证中央输入转子1左、右两条滚道，分别与两组工作滚动体2接触时，相对位置的确定性。

每组工作滚动体2的数量，必须是3个或3个以上，而且各个工作滚动体2，应当对于中央输入转子1的旋转轴均匀分布。每个工作滚动体2两端伸出轴颈，工作滚动体2的轴颈，与分珠笼3相应的内孔之间，有工作滚动体轴承6。此工作滚动体轴承6采取过盈配合，以完全消除工作滚动体2与分珠笼3之间的机械运动回差。两组工作滚动体2，除了内侧分别与中央输入转子1的滚道接触以外，左边一组工作滚动体2的外侧与固定外环4的内锥面接触。而右边一组工作滚动体2的外侧，则与输出轴5的内锥面C接触。输出轴5在其内锥面之外，加工出具有摩擦传动功能的外圆柱面S、和能承受轴向压力的垂直端面T。预紧端盖8用螺钉19拧紧在作动器壳体9上，并通过预紧力滚珠7压向输出轴5的垂直端面T。拧紧螺钉19可使输出轴5、两组工作滚动体2、中央输入转子1以及固定外环4，被互相紧紧地压在一起，产生差速滚动摩擦减速器正常工作所需的预紧力。输出轴5的外圆柱面S、作动器壳体9的内孔和预紧力滚珠7之间，也采用径向过盈的滚动配合。因此输出轴5相当于被过盈的径向-止推滚动轴承约束。

当从微步驱动电机10，对中央输入转子1输入一个旋转角度θ时，图1所示本发明《纳米级差速摩擦传动作动器》的输出轴5，即能直接输出极精密的旋转角度θ/10,000。假定θ＝0.1°，则θ/10,000小于0.04”。由于《纳米级差速摩擦传动作动器》内部所有工作零件的配合，都是过盈的滚动配合。因此如果微步驱动电机10作反向旋转，输出轴5也能立即响应，不会产生任何机械回差。因此图1就是作动器输出旋转运动的第一种实施方案。

图3是本发明《纳米级差速摩擦传动作动器》的第二种实施方案。本作动器的输出轴5，能无回差地响应微步驱动电机10的输入，直接输出极精密的旋转角度，已如上述。本第二种实施方案，就是要把输出轴5的极精密的旋转运动，无损耗地转换为极精密的直线运动。将旋转运动转换为直线运动的方法很多，例如各种精密丝杠和齿轮齿条等传动零件。但众所周知，加工精密丝杠和齿轮齿条的机床设备自身精度，都难以达到微米量级(1微米＝1000纳米)。可见《纳米级差速摩擦传动作动器》中，应避免采用精密丝杠和齿轮齿条等常规的传动元件。因为一旦有这类常规的传动元件进入传动链中，此作动器基本上就与纳米级超精密传动无缘。所以在本作动器第二种实施方案中，仍须采用摩擦传动。由图3可见，输出轴5与压紧力滚轮11共同夹紧摩擦杆20，输出轴5依靠摩擦力驱动摩擦杆20，可产生高精密度的直线位移运动。假定输出轴5的直径为 50mm，0.04”的转角可精密地推动摩擦杆20移动不到5纳米。

图4是本发明《纳米级差速摩擦传动作动器》的第三种实施方案。与上述第二种实施方案类似，在本作动器第三种实施方案中也采用摩擦传动。由图4可见，输出轴5与循环滚珠滑块16共同夹紧线轨17。输出轴5依靠摩擦力驱动线轨 17，也可产生高精密度的纳米级直线位移运动。

图5是本发明《纳米级差速摩擦传动作动器》的第四种实施方案。在本作动器第四种实施方案中采用了钢带传动。由图5可见，输出轴5与张紧滚轮15，共同张紧两条钢带14。此两条钢带14分别按顺时针方向及反时针方向，缠绕在输出轴5及张紧滚轮15上。两条钢带14末端，用紧固件13，分别紧固在输出轴 5和张紧滚轮15上；保证钢带14不会相对于输出轴5产生滑动。当输出轴5旋转时拉动钢带14，可产生精密的直线位移运动。钢带传动的精度虽稍逊于摩擦传动，但能轻易地超过丝杠传动和齿轮齿条传动。而且由于挠性的钢带14，在工作行程中始终缠绕在输出轴5和张紧滚轮15上，不像摩擦杆20或线轨17那样，需要沿运动方向前后伸出。因此在大行程的直线位移设备中，钢带传动更能缩小结构的尺寸空间。

钢带传动的简化形式是钢丝或钢丝绳传动(由于寓意明显，未另外绘出示意图)。因为钢丝或钢丝绳可以在输出轴5和张紧滚轮15上多圈缠绕，其结构尺寸更加紧凑，适合微米级别的应用场合。

图6用于说明中央输入转子1，分别与错时工作的微步驱动电机10、和快速驱动电机18的联结结构。由于本《纳米级差速摩擦传动作动器》首先要确保工作中极高的分辨率(几纳米)。这往往与为了提高工作效率，而要求作动器同时具有快速移动功能有矛盾。如果仅仅依靠一个电机驱动，会对该单一电机的调速范围提出不切实际的要求。本《纳米级差速摩擦传动作动器》的中央输入转子1，可以如图6那样，采用左右双轴伸的结构。中央输入转子1可以分别与错时工作的微步驱动电机10、或快速驱动电机18联结。当微步驱动电机10驱动中央输入转子1作精密驱动时，令快速驱动电机18断电；当快速驱动电机18驱动中央输入转子1作快速移动时，令微步驱动电机10断电。互相配合、互不干扰。

有益效果

可以大致估算一下本《纳米级差速摩擦传动作动器》的传动效果：假定输出轴5 与摩擦杆20接触点的回转半径是25mm。如果控制微步驱动电机10旋转0.1° (例如用脉冲细分法驱动微步驱动电机10每步转动0.1°，这是不难达到的指标)，经过减速器10,000∶1的减速比减速以后，输出轴5只旋转1X10^-5度，等于0.036”。此0.036”的转角乘以输出轴5的摩擦半径25，则对应弧长(或直线行程)4.4X10^-6mm，即不到5nm。由此可见，本《纳米级差速摩擦传动作动器》，不但本身具有结构简单、尺寸紧凑、成本低廉、加工工艺要求不高、等一系列优点。而且本《纳米级差速摩擦传动作动器》的输出(不论是旋转运动输出、或是直线运动输出)，都可以直接和工作平台或工具拖板联结，没有精密度损耗 (不像扭轮摩擦传动的螺母，必须通过复杂的中间过渡环节驱动工作平台或工具拖板，造成精密度的二次损耗)。因此本《纳米级差速摩擦传动作动器》，无疑向业界提供了一种崭新的超精密摩擦传动方式。

Claims (9)

1.一种差速滚动摩擦作动器，由中央输入转子(1)、两组工作滚动体(2)、分珠笼(3)、固定外环(4)、输出轴(5)、工作滚动体轴承(6)、预紧力滚珠(7)、预紧端盖(8)和作动器壳体(9)组成；预紧端盖(8)用螺钉(19)固定在作动器壳体(9)上；其特征在于：工作滚动体(2)的轴颈，通过工作滚动体轴承(6)，与分珠笼(3)相应的内孔间，构成有过盈的滚动轴承配合。

2.根据权利要求1所述的差速滚动摩擦作动器，其特征在于：中央输入转子(1)与工作滚动体(2)接触的工作弧面，做成中部有凹陷槽、保证工作弧面与工作滚动体(2)在两边稳定接触的结构。

3.根据权利要求1或2所述的差速滚动摩擦作动器，其特征在于：中央输入转子(1)，同时向左、右方向伸出轴颈，分别与错时工作的微步驱动电机(10)、快速驱动电机(18)联结；微动进给时微步驱动电机(10)工作，而快速驱动电机(18)断电；相反快速移动时快速驱动电机(18)工作，而微步驱动电机(10)断电，互不牵制。

4.根据权利要求1或2所述的差速滚动摩擦作动器，其特征在于：输出轴(5)可直接输出高精密度的旋转运动。

5.根据权利要求1或2所述的差速滚动摩擦作动器，其特征在于：输出轴(5)与压紧滚轮(11)共同夹紧摩擦杆(20)；输出轴(5)靠摩擦力驱动摩擦杆(20)，产生高精密度的直线位移运动。

6.根据权利要求1或2所述的差速滚动摩擦作动器，其特征在于：输出轴(5)与循环滚珠滑块(16)共同夹紧线轨(17)；输出轴(5)靠摩擦力驱动线轨(17)，产生高精密度的直线位移运动。

7.根据权利要求1或2所述的差速滚动摩擦作动器，其特征在于：输出轴(5)与张紧滚轮(15)，共同张紧两条钢带(14)；此两条钢带(14)，分别按顺时针方向及反时针方向缠绕在输出轴(5)及张紧滚轮(15)上；当输出轴(5)旋转时，拉动钢带(14)产生精密的直线位移运动。

8.根据权利要求7所述差速滚动摩擦作动器，其特征在于：两条钢带(14)两端，用紧固件(13)，分别紧固在输出轴(5)和张紧滚轮(15)上，保证钢带(14)被张紧，而且不会相对于输出轴(5)产生滑动。

9.根据权利要求7所述差速滚动摩擦作动器，其特征在于：用钢丝或钢丝绳替代钢带(14)，作为钢带传动的简化形式。

Images