CN109210157B - 一种精密同轴有限转角钢丝绳传动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种精密同轴有限转角钢丝绳传动机构，属于精密传动领域，用以实现同轴定传动比传动。本发明包括过渡轮、过渡轮轴承、同轴轮外轴承、同轴轮内轴承、小轮、支架、大轮和钢丝绳；大轮为空心阶梯轴结构，阶梯轴两端为轴承安装面，中段为钢丝绳缠绕面；大轮中段圆柱面壁面上具有开口；小轮为圆柱阶梯轴结构，两端圆柱面为轴承安装面，中段为钢丝绳缠绕面；小轮通过轴承安装面与同轴轮内轴承配合，并同轴安装在大轮内侧；过渡轮通过过渡轮轴承固定在支架上，且过渡轮的中心轴线与小轮的中心轴线平行。本发明具有传动精度高、噪声低、传动平稳、无需润滑、易于安装和维护的特点，适用于光机系统及其他有限转角、定传动比传动的精密传动领域。

Description

一种精密同轴有限转角钢丝绳传动机构
技术领域
本发明涉及传动技术领域，具体为一种精密同轴有限转角钢丝绳传动机构。
背景技术
精密传动机构在航空航天、机器人、机械制造设备领域的应用广泛。目前常见的精密传动方式主要是精密齿轮传动。一方面，由于齿轮传动存在间隙、磨损等缺陷，齿轮传动空回严重制约传动精度和动态性能；另一方面长距离、大传动比的齿轮传动通常由多级传动实现，导致传动机构笨重，这些都限制了精密齿轮传动的应用范围。
钢丝绳传动精度高、噪声低、传动平稳、无需润滑、易于安装和维护，结构简单、紧凑、运动平稳，为机电产品的小型化和轻量化提供了途径。钢丝绳精密传动机构的形式多种多样，比较典型的结构形式有“Rot-Lok”型、多转向轮型等。钢丝绳传动已经被用于机器人和光电精密传动装置中，例如申请号为200610147223.6，名称为“用于机械臂的钢丝绳传动机构”公开了一种用于机械臂的钢丝绳传动机构。该传动机构通过应用钢丝绳传动机构，实现了将电机齿轮减速器等安装远离机械臂关节处，从而减轻了机械臂内部负载消耗，提高了对外输出效率。申请号为201410848341.4，名称为“一种基于钢丝绳传动的微创手术机器人用主操作手”的专利公开了一种基于钢丝绳传动的微创手术机器人用传动机构，在整体机构中前三关节采用了钢丝绳传动。申请号为201420529248.2，名称为“一种在三坐标测量机上使用的传动机构”的专利，公开了一种在三坐标测量机上使用的钢丝绳传动机构。在这些应用中，钢丝绳传动机构都提高了整体结构的传动刚性和安装紧凑性。
尽管目前精密钢丝绳传动在一些领域得到了应用，但在多数应用中，钢丝绳传动机构都用于异轴传动，同轴钢丝绳传动机构还很少见，而同轴传动的应用需求广泛，如反射镜稳定设备中使用的同轴2:1传动机构等，因此开发基于钢丝绳传动的同轴传动机构具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有精密传动机构存在的缺点，利用钢丝绳传动的特点，提供一种结构紧凑、适用于高精度精密传动的、基于钢丝绳传动的同轴有限转角传动机构。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
所述一种精密同轴有限转角钢丝绳传动机构，其特征在于：包括过渡轮(1)、过渡轮轴承(2)、同轴轮外轴承(5)、同轴轮内轴承(7)、小轮(3)、支架(4)、大轮(6)和钢丝绳(8)；
所述大轮(6)为空心阶梯轴结构，阶梯轴两端圆柱面为轴承安装面，中段圆柱面为钢丝绳缠绕面；所述大轮(6)段圆柱面壁面上具有开口；大轮(6)通过轴承安装面与同轴轮外轴承(5)配合固定在支架(4)上；
所述小轮(3)为圆柱阶梯轴结构，阶梯轴两端圆柱面为轴承安装面，中段圆柱面为钢丝绳缠绕面；小轮(3)通过轴承安装面与同轴轮内轴承(7)配合，并同轴安装在大轮(6)内侧；
过渡轮(1)通过过渡轮轴承(2)固定在支架(4)上，且过渡轮(1)的中心轴线与小轮(3)的中心轴线平行；
所述钢丝绳(8)的布置方式为：从大轮(6)的中段圆柱面开始，钢丝绳(8)绕过大轮(6)，然后绕过过渡轮(1)，再通过大轮(6)中部开口进入大轮(6)内部，绕过小轮(3)后，再绕回过渡轮(1)，最后绕回大轮(6)形成封闭环路；
在设定的转角范围内，所述钢丝绳(8)在与大轮(6)分离处始终与大轮(6)相切。
进一步的优选方案，所述一种精密同轴有限转角钢丝绳传动机构，其特征在于：钢丝绳在小轮与过渡轮之间有两种布置方式：当采用交叉布置时，能够使大轮与小轮实现反向定比同轴传动；当采用非交叉布置时，能够使大轮与小轮实现同向定比同轴传动。
进一步的优选方案，所述一种精密同轴有限转角钢丝绳传动机构，其特征在于：根据要求的大轮实际可转动角度β，传动机构的各轮半径、小轮与过渡轮中心距及大轮开口角度满足以下关系，其中小轮、大轮和过渡轮中段绕绳部分的圆柱半径分别为a、b、c，大轮绕绳部分圆柱内外半径之差为t，小轮与过渡轮的中心距为d，大轮开口角度为θ：
当主、从动轮同向传动时：
若a≥c>0，则
Figure BDA0001820765440000031
若a<c<b，则
Figure BDA0001820765440000033
Figure BDA0001820765440000034
若c>b，则
Figure BDA0001820765440000036
当主、从动轮反向传动且
Figure BDA0001820765440000037
时：
若b≥c，则
Figure BDA0001820765440000038
Figure BDA0001820765440000039
若b<c，则
Figure BDA00018207654400000310
Figure BDA00018207654400000311
有益效果
本发明涉及的一种精密同轴有限转角钢丝绳传动机构与现有技术相比具有以下收益效果：
1.本发明采用主动轮与从动轮同轴安装的方式，实现了小角度、定传动比、同轴钢丝绳传动。
2.传动机构主动轮与从动轮通过轴承同轴安装，易于保证二者的同轴度，进而保证传动精度。
3.传动机构采用钢丝绳传动，通过适当选取主动轮、从动轮的直径，可以实现任意传动比的传动，且能够保证机构整体布局紧凑，有效减小传动机构所占体积。
4.传动机构各轮支承结构对称，轴长有限，易于保证机构刚性。
5.在2和4的前提下，通过本发明，易于实现高精度传动。
附图说明
图1是本发明一种精密同轴有限转角钢丝绳传动机构整体结构示意图。
图2是本发明一种精密同轴有限转角钢丝绳传动机构二维装配示意图。
图3是本发明一种精密同轴有限转角钢丝绳传动机构大轮结构示意图，其中左图(a)为大轮三维示意图，右图(b)为大轮二维剖视图，大轮开口角度用θ表示。
图4是本发明一种精密同轴有限转角钢丝绳传动机构小轮及过渡轮结构示意图。
图5是本发明一种精密同轴有限转角钢丝绳传动机构中的主要零件：主动轮、从动轮以及过渡轮，通过钢丝绳连接后的整体示意图。其中左图(a)为主、从动轮同向传动时的安装布置示意图，右图(b)为主、从动轮反向传动时的安装布置示意图。
图6是本发明一种精密同轴有限转角钢丝绳传动机构的钢丝绳布置示意图，其中左图(a)为主动轮、从动轮同向传动的钢丝绳布置示意，右图(b)为主动轮、从动轮反向传动的钢丝绳布置示意。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行作进一步说明：本实例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但发明的保护范围不限于下述的实例。
本发明是一种有限转角同轴钢丝绳传动机构，它包括支架4、大轮6、小轮3、过渡轮1以及过渡轮轴承2、同轴轮外轴承5、同轴轮内轴承7和钢丝绳8，其中，所有支承轴承均成对安装，如图1所示。
所述的支架4固定，大轮6和过渡轮1分别通过同轴轮外轴承5和过渡轮轴承2安装在支架4上，小轮3通过同轴轮内轴承7与大轮6同轴安装。所述的大轮6与小轮3同轴，过渡轮1轴线与大轮6、小轮3的轴线平行。
对照图3，大轮6为一空心阶梯轴，阶梯轴两端圆柱面为轴承安装面，中段圆柱面为钢丝绳缠绕面；大轮6中段圆柱面壁面上具有开口。
对照图4，小轮和过渡轮均为圆柱阶梯轴，阶梯轴两端圆柱面为轴承安装面，中部圆柱面为钢丝绳缠绕面。
对照图5和图6，该实施例中钢丝绳8的布置方式为：钢丝绳8起始于大轮6上，然后绕过过渡轮1、通过大轮6中部开口进入大轮6内部后，绕过小轮3，再绕回过渡轮1，最后绕回大轮6，形成封闭环路。
大轮6和小轮3均可作为主动轴或被动轴。当以大轮6为主动轴、小轮3为被动轴时，所述传动机构为同轴增速机构。反之，为同轴减速机构。具体的传动路线为：驱动力驱动主动轴(大轮6或小轮3)，通过钢丝绳，带动过渡轮1，然后通过钢丝绳将驱动力传递至被动轴(小轮3或大轮6)上，使被动轴转动。
传动机构的传动比由大轮6、小轮3以及钢丝绳8的直径确定，可按下述公式计算：
Figure BDA0001820765440000051
本文所述传动机构满足以上条件后，为能正常工作，传动机构的各轮半径、大/小轮与过渡轮中心距及大轮开口角度还应满足以下关系。
在此，不妨令小轮、大轮和过渡轮中段绕绳部分的圆柱半径分别为a、b、c，大轮绕绳部分圆柱内外半径之差为t，大/小轮与过渡轮的中心距为d，大轮开口角度为θ，大轮实际可转动角度为β。
根据附图，显然有a<b-t,b+c<d，在此前提下，大轮开口角度为θ与大轮实际可转动角度为β还存在以下关系:
1)、主、从动轮同向传动
a)当a≥c>0时：
Figure BDA0001820765440000061
Figure BDA0001820765440000062
b)当a<c<b时
Figure BDA0001820765440000063
Figure BDA0001820765440000064
c)当c>b时
Figure BDA0001820765440000065
Figure BDA0001820765440000066
2)、主、从动轮反向传动且
Figure BDA0001820765440000067
a)当b≥c时：
Figure BDA0001820765440000069
b)当b<c时
Figure BDA00018207654400000610
Figure BDA00018207654400000611
c)为保持传动机构紧凑灵巧，过渡轮的直径不宜过大，故不讨论
Figure BDA00018207654400000612
的情况。
以上公式推导过程中未计入钢丝绳直径，也未考虑结构倒角等因素，故按以上公式所得θ与β范围为进行初始设计的参考值。

Claims (2)

1.一种精密同轴有限转角钢丝绳传动机构，其特征在于：包括过渡轮(1)、过渡轮轴承(2)、同轴轮外轴承(5)、同轴轮内轴承(7)、小轮(3)、支架(4)、大轮(6)和钢丝绳(8)；
所述大轮(6)为空心阶梯轴结构，阶梯轴两端圆柱面为轴承安装面，中段圆柱面为钢丝绳缠绕面；所述大轮(6)段圆柱面壁面上具有开口；大轮(6)通过轴承安装面与同轴轮外轴承(5)配合固定在支架(4)上；
所述小轮(3)为圆柱阶梯轴结构，阶梯轴两端圆柱面为轴承安装面，中段圆柱面为钢丝绳缠绕面；小轮(3)通过轴承安装面与同轴轮内轴承(7)配合，并同轴安装在大轮(6)内侧；
过渡轮(1)通过过渡轮轴承(2)固定在支架(4)上，且过渡轮(1)的中心轴线与小轮(3)的中心轴线平行；
所述钢丝绳(8)的布置方式为：从大轮(6)的中段圆柱面开始，钢丝绳(8)绕过大轮(6)，然后绕过过渡轮(1)，再通过大轮(6)中部开口进入大轮(6)内部，绕过小轮(3)后，再绕回过渡轮(1)，最后绕回大轮(6)形成封闭环路；
在设定的转角范围内，所述钢丝绳(8)在与大轮(6)分离处始终与大轮(6)相切；
根据要求的大轮实际可转动角度β，传动机构的各轮半径、小轮与过渡轮中心距及大轮开口角度满足以下关系，其中小轮、大轮和过渡轮中段绕绳部分的圆柱半径分别为a、b、c，大轮绕绳部分圆柱内外半径之差为t，小轮与过渡轮的中心距为d，大轮开口角度为θ：
当主、从动轮同向传动时：
若a≥c>0，则
Figure FDA0002263123400000011
Figure FDA0002263123400000012
若a<c<b，则
Figure FDA0002263123400000021
Figure FDA0002263123400000022
若c>b，则
Figure FDA0002263123400000024
当主、从动轮反向传动且
Figure FDA0002263123400000025
时：
若b≥c，则
Figure FDA0002263123400000026
若b<c，则
Figure FDA0002263123400000028
Figure FDA0002263123400000029
2.根据权利要求1所述一种精密同轴有限转角钢丝绳传动机构，其特征在于：钢丝绳在小轮与过渡轮之间有两种布置方式：当采用交叉布置时，能够使大轮与小轮实现反向定比同轴传动；当采用非交叉布置时，能够使大轮与小轮实现同向定比同轴传动。
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