CN109281999A - 一种综合自锁机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种综合自锁的机械机构，包括基座、螺杆、螺套、力点连接杆和力点；该机械机构具有平动和自锁两个功能，其中平动功能实现螺套的平移动作，自锁功能在力点受到平行螺杆轴线的作用力且电机停止对螺杆传递转矩时，实现螺套的螺杆轴向自锁，使力点所受作用力得以保持，在螺杆输入反向转矩时螺套能立即解除自锁进行反向平移动作。本发明适应高低温、粉尘等各种环境，具有结构简单紧凑，刚度和精度高，系统响应极快，容易实现模块化，高低速运行可靠，成本低等特点。适合于要求具有位置、作用力锁定的平移往复工作场合。

Description

一种综合自锁机构

技术领域

本发明属于传动设备设计制造领域，具体涉及一种使用机械传动效率较高的大螺纹升角螺旋传动实现自锁功能的机械机构。

背景技术

随着科技日益进步，以前需要人力的各种行业，不断向自动化的生产方式转变。

通过调研发现，目前存在的机械装置及设备，要在断开动力后实现位置锁定及对施力对象作用力的保持，基本都是使用导轨+自锁螺杆+动力机、导轨+非自锁螺杆+电机+刹车、导轨+液气动力机+刹车的方案。这些方案有这些优点：第一，如使用直线导轨进行导向，滚珠丝杠传动，驱动电机带编码器，定位精度很高；第二，由于使用导轨进行导向及承载，负载能力高。

技术问题

这些方案也有一些缺点，主要体现在成本、动作的时间响应、可靠性和效率上：第一，如使用非自锁螺杆传动，电机断电后为了能够保持对施力对象的作用力，需要添加刹车装置及其控制装置，需要额外的安装空间，增加了成本；第二，刹车装置由刹车状态变成解除刹车状态需要几十毫秒或更长时间，不能满足较高的时间响应要求；第三，需要定期维护，以保证稳定性和可靠性；第四，如采用自锁螺旋传动方案，传动效率理论最高为50%，实际效率更低；第五，如采用非伺服电机+自锁螺旋传动的方案，当螺套意外撞到螺杆的两端支撑、或在运行过程中对施力对象施加作用力时，会导致电机发生堵转，螺杆与螺套抱死，此时反转电机有可能转动不起来，无法解除自锁状态。

因此，在要求毫秒级时间响应，传动效率较高，对施力对象施加作用力且动力机停止动力输出的情况下能够自锁、使用小于工作转矩的反向转矩就能解除自锁状态的应用场合，需要研发一种新的自锁机构，来满足这些要求。

技术解决方案

为了解决上面提到的问题，本发明设计出一种综合自锁的机械机构，采用螺纹升角大于当量摩擦角的效率较高的螺旋传动，加入横梁结构形成外部力臂，力点所受施力对象的作用力作用在力臂上，形成外部转矩并作用在螺套、螺杆上，使螺套和螺杆之间产生阻滞转矩以平衡非自锁螺纹在螺套受到轴向力时形成的衍生转矩，从而形成螺套的螺杆轴向自锁，并在使用小于工作转矩的反向转矩时就能解除螺套的自锁状态。

本发明的实现综合自锁的机械机构，包括基座、螺杆、螺套、力点连接杆和力点；该机械机构具有平动和自锁两个功能，其中平动功能实现螺套的平移动作，自锁功能在力点受到平行螺杆轴线的作用力且动力机停止对螺杆传递转矩时，实现螺套的螺杆轴向自锁，使力点所受作用力得以保持，在螺杆输入反向转矩时能立即解除自锁进行反向平移动作；其特征在于，平面一及平面二分别与螺杆轴线平行或相交于螺杆轴线，平面一及平面二可以由与基座固连的独立零部件提供，也可以产生于基座中；螺套导向台可以是与螺套固连的独立零部件，也可以产生于螺套本身；基座、螺杆和螺套之间由三个运动副构成运动关系，第一个是连接于基座与螺杆之间的转动副，第二个是连接于螺杆与螺套之间的螺旋副，第三个是螺套通过螺套导向台与平面一、平面二之间的摩擦副连接；螺杆通过转动副安装在基座上，螺杆与螺套通过螺旋间隙配合安装，螺套通过螺套导向台与平面一、平面二其中一个平面摩擦接触，螺套与力点连接杆固定连接，力点连接杆与力点固定连接。

本发明的实现综合自锁的机械机构，其中所述的螺杆及螺套为滑动螺旋传动，螺纹升角大于当量摩擦角；给螺杆施加转矩，螺杆通过螺旋传动来推动螺套，平面一及平面二分别约束螺套围绕螺杆轴线旋转的正反两个方向，使螺套沿平面一、平面二作直线平移运动；当力点对施力对象施加作用力，螺杆失去动力机输入的转矩时，螺套在施力对象平行螺杆轴线作用力的作用下发生倾斜，导致螺套与螺杆有两种接触，其中一种有两处接触，分别接触于螺套在螺套轴向上的两端，螺杆和螺套通过这两处接触相互施加压力和摩擦力，两处摩擦力的合力形成了对螺杆的阻滞转矩，另外一种是螺杆螺纹与螺套位于螺套轴向两端之内的螺纹接触，此螺纹接触中的螺套螺纹对螺杆螺纹产生一个围绕螺杆轴线的旋转分力，该旋转分力克服此螺纹配合间摩擦力的旋转分力，形成一个使螺杆有反转趋势的衍生转矩；阻滞转矩是与衍生转矩方向相反的；在螺纹升角大于当量摩擦角、采用常规工艺进行螺纹加工的情况下,选取合适的力点连接杆横梁长度和螺套长度这两个参数后，可使阻滞转矩等于或稍大于衍生转矩，使螺套在螺杆轴向上可靠自锁，并与施力对象对力点作用力的大小无关，使力点对施力对象的作用力保持不变；在自锁状态下，给螺杆施加相对于工作转矩较小的反向转矩时，由于该转矩与衍生转矩的方向相同，所以只要此二转矩之和大于阻滞转矩，螺套就能解除螺杆轴向自锁状态，开始沿螺杆轴向运动。

有益效果

由于不使用刹车装置来保持力点对施力对象的作用力，从而节省了施加抱闸和解除抱闸所需的时间，使螺套达成和解除螺杆轴向自锁的过程变得更加迅速，提高了螺套的动态响应性能，消除了刹车装置这个故障环节，提高了系统可靠性，降低了系统成本；由于螺杆和螺套的螺纹升角大于当量摩擦角，螺杆对螺套的传动效率得以提高。

附图说明

图1为本发明实现综合自锁的机械机构的整体结构轴测图一；

图2为本发明实现综合自锁的机械机构的整体结构轴测图二；

图3为本发明实现综合自锁的机械机构的力点未受力时的螺纹状态图；

图4为本发明实现综合自锁的机械机构的力点对施力对象施加作用力时的螺纹状态图；

图中：1-基座、2-螺杆、3-螺套、4-力点连接杆、5-力点、6-轨道槽、7-平面一、8-平面二、9-螺套导向台、10-接触一、11-接触二、12-接触三、13-施力对象

本发明的最佳实施方式

本申请的各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。除非上下文明确要求，否则本申请的整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

本申请中，“上”为沿螺杆2轴向向上的方位，“下”为沿螺杆2轴向向下的方位；螺杆2及螺套3的螺纹配合采用滑动螺旋传动，螺纹升角大于当量摩擦角；轨道槽6：可以是独立的零部件，本实施方式中位于基座1上，其上有平面一7及平面二8；螺套导向台9：可以是独立的零部件，本实施方式中位于螺套3上、是螺套3的一个特征，其形状为圆柱形，圆柱轴线与螺套3的螺纹轴线垂直且相交，其圆柱面与轨道槽6上的平面一7或平面二8进行滑动或滚动摩擦，本实施方式中将螺套3及其特征螺套导向台9统称为螺套3；力点连接杆4：力点连接杆4横梁长度定义为力点5对施力对象13施加作用力的中心点到螺杆2轴线的距离；施力对象13：厚度随机变化，螺杆2轴线方向即施力对象13的厚度方向；动力机（图中未画出）在本实施方式中为恒功率电机，没有刹车装置，非工作状态下动力输出轴可自由旋转；本实施方式机械机构的工作方式：力点5沿螺杆2轴向向下直线运动，使力点5对施力对象13施加作用力，电机停止对螺杆2传递转矩，力点5保持对施力对象13的作用力，力点5沿螺杆2轴向向上直线运动，解除力点5对施力对象13的作用力。

下面结合附图1、图2、图3、图4详细说明如下。

如图1及图2所示，是本发明的实现综合自锁的机械机构，包括基座1、螺杆2、螺套3、力点连接杆4和力点5；该机械机构具有平动和自锁两个功能，其中平动功能实现螺套3的平移动作，自锁功能在力点5受到施力对象13的平行于螺杆2轴线的作用力且电机停止对螺杆2传递转矩时，实现螺套3的螺杆2轴向自锁，使力点5对施力对象13的作用力得以保持，在螺杆2输入反向转矩时能立即解除自锁进行反向平移动作。轨道槽6上的平面一7、平面二8分别与螺杆2轴线平行或相交于螺杆2轴线，平面一7及平面二8分别约束螺套3围绕螺杆2轴线旋转的正反两个方向；基座1、螺杆2和螺套3之间由三个运动副构成运动关系，第一个是连接于基座1与螺杆2之间的转动副，第二个是连接于螺杆2与螺套3之间的螺旋副，第三个是连接于平面一7、平面二8与螺套3之间的摩擦副；螺杆2通过转动副安装在基座1上，螺杆2与螺套3通过螺旋间隙配合安装，螺套3通过摩擦副与平面一7、平面二8其中一个平面接触，螺套3与力点连接杆4固定连接，力点连接杆4与力点5固定连接。

如图3所示，是本发明实现综合自锁的机械机构中的螺杆2与螺套3在力点5未受到施力对象13作用力时的配合状态，此时力点5没有接触施力对象13，当转矩施加给螺杆2时，螺杆2通过螺旋传动来推动螺套3，螺套3在轨道槽6的约束下不能旋转，仅作平移运动，此时螺杆2与螺套3的螺纹轴线基本重合，螺套3可快速运动。

如图4所示，是螺杆2以给定的旋转方向推动螺套3向下运动，一直到力点5接触到施力对象13，此时螺套3在施力对象13的作用力下发生倾斜，导致螺套3与螺杆2有两种接触，其中一种有两处接触，即分别位于螺套3轴向上端的接触一10和轴向下端的接触三12，另外一种是螺杆2螺纹与螺套3螺纹的接触，即位于螺套3轴向两端之内的接触二11；由于施力对象13的厚度随机变化，且为了降低成本及简化结构，没有在力点5上安装传感器，此时控制装置（图中未画出）无法让电机准确停机，电机将发生堵转，电机的堵转电流使控制装置关断电机，螺杆2上失去电机输入的转矩，此时螺套3保持倾斜，力点5对施力对象13的作用力处于保持状态。

其中，在力点5刚接触上施力对象13到电机堵转前，螺杆2与螺套3通过接触一10及接触三12相互施加压力和摩擦力，两处接触的摩擦力的合力形成了对螺杆2的阻滞转矩，该阻滞转矩随着力点5对施力对象13作用力的增大而增大，电机输出的转矩将超过额定转矩继续增大直至堵转转矩，电机停止转动。此时电机的堵转超调电流会被控制装置检测到，控制装置通过断开电机的驱动回路关断电机。

由于螺纹升角大于当量摩擦角，此时施力对象13的平行螺杆2轴线的作用力通过螺套3的与螺杆2螺纹接触二11中的螺纹，作用在螺杆2螺纹上，使螺杆2产生一个围绕螺杆2轴线的旋转分力，该旋转分力克服接触二11螺纹配合间摩擦力的旋转分力，形成一个使螺杆2有反转趋势的衍生转矩；螺杆2与螺套3通过接触一10及接触三12相互施加压力和摩擦力，两处接触摩擦力的合力形成了对螺杆2的阻滞转矩，阻滞转矩的方向与衍生转矩方向相反。虽然采用常规工艺进行螺纹加工的螺杆2和螺套3的螺纹升角大于当量摩擦角,但由于已经选取了合适的力点连接杆4横梁长度和螺套3长度这二个参数，所以阻滞转矩等于或稍大于衍生转矩，使螺套3在螺杆2轴向上可靠自锁，并与施力对象13对力点5的作用力大小无关，力点5对施力对象13的作用力保持不变。

在此自锁状态下，电机反转给螺杆2施加相对于工作转矩较小的反向转矩，该反向转矩与衍生转矩的方向相同，转矩叠加后大于阻滞转矩，螺套3解除螺杆2轴向自锁状态，螺套3在螺杆2的推动及轨道槽6旋转方向的约束下向上运动，使力点5脱离施力对象13，施力对象13对力点5的作用力消失，阻滞转矩随之消失，螺套3快速向上运动。

工业实用性

本发明的实现综合自锁的机械机构，有如下特点：（1）结构紧凑，零件数量少，零件精度要求不高，易于制造和调试，容易实现模块化生产；（2）只需一个普通电机，即使在电机堵转后反向再起动也能可靠解除自锁，驱动、控制的对象少，对驱动、控制装置的要求低；（3）实现机械功能所需的配套装置少，机械效率高，系统的时间响应快；（4）低速及高速均适用，可采用传动效率较高的大导程螺杆，可以承受冲击载荷，刚度好，稳定性高；（5）适应高低温、高电磁、粉尘、腐蚀性气体环境，无需润滑措施。（6）系统的可靠性高、制造和运行成本低。

Claims (2)

1.一种综合自锁的机械机构，包括基座、螺杆、螺套、力点连接杆和力点；该机械机构具有平动和自锁两个功能，其中平动功能实现螺套的平移动作，自锁功能在力点受到平行螺杆轴线的作用力且动力机停止对螺杆传递转矩时，实现螺套的螺杆轴向自锁，使力点所受作用力得以保持，在螺杆输入反向转矩时能立即解除自锁进行反向平移动作；其特征在于，平面一及平面二分别与螺杆轴线平行或相交于螺杆轴线，平面一及平面二可以由与基座固连的独立零部件提供，也可以产生于基座中；螺套导向台可以是与螺套固连的独立零部件，也可以产生于螺套本身；基座、螺杆和螺套之间由三个运动副构成运动关系，第一个是连接于基座与螺杆之间的转动副，第二个是连接于螺杆与螺套之间的螺旋副，第三个是螺套通过螺套导向台与平面一、平面二之间的摩擦副连接；螺杆通过转动副安装在基座上，螺杆与螺套通过螺旋间隙配合安装，螺套通过螺套导向台与平面一、平面二其中一个平面摩擦接触，螺套与力点连接杆固定连接，力点连接杆与力点固定连接。

2.根据权利要求1所述的综合自锁的机械机构，其特征在于，所述螺杆及螺套为滑动螺旋传动，螺纹升角大于当量摩擦角；给螺杆施加转矩，螺杆通过螺旋传动来推动螺套，平面一及平面二分别约束螺套围绕螺杆轴线旋转的正反两个方向，使螺套沿平面一、平面二作直线平移运动；当力点对施力对象施加作用力，螺杆失去动力机输入的转矩时，螺套在施力对象平行螺杆轴线作用力的作用下发生倾斜，导致螺套与螺杆有两种接触，其中一种有两处接触，分别接触于螺套在螺套轴向上的两端，螺杆和螺套通过这两处接触相互施加压力和摩擦力，两处摩擦力的合力形成了对螺杆的阻滞转矩，另外一种是螺杆螺纹与螺套位于螺套轴向两端之内的螺纹接触，此螺纹接触中的螺套螺纹对螺杆螺纹产生一个围绕螺杆轴线的旋转分力，该旋转分力克服此螺纹配合间摩擦力的旋转分力，形成一个使螺杆有反转趋势的衍生转矩；阻滞转矩是与衍生转矩方向相反的；在螺纹升角大于当量摩擦角、采用常规工艺进行螺纹加工的情况下,选取合适的力点连接杆横梁长度和螺套长度这两个参数后，可使阻滞转矩等于或稍大于衍生转矩，使螺套在螺杆轴向上可靠自锁，并与施力对象对力点作用力的大小无关，使力点对施力对象的作用力保持不变；在自锁状态下，给螺杆施加相对于工作转矩较小的反向转矩时，由于该转矩与衍生转矩的方向相同，所以只要此二转矩之和大于阻滞转矩，螺套就能解除螺杆轴向自锁状态，开始沿螺杆轴向运动。