CN110043603B - 一种用于杆式并联机构的静力平衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于杆式并联机构静力平衡装置，包括固定支座、动平台、多个电动缸，电动缸的伸出套筒在电动缸电机作用下可做轴向移动；还包括转动螺母；拉力机构、闸线；所述多个电动缸分别与固定座铰接；所述多个电动缸的末端均与动平台铰接；所述多个电动缸的伸出套筒上分别设有转动螺母；转动螺母与伸出套筒螺纹配合，只能相对伸出套筒转动而不能轴向移动；所述多个电动缸的转动螺母各连接有闸线；闸线一端缠绕在转动螺母上，另一端与拉力机构相连；所述拉力机构对闸线提供拉力，闸线拉动转动螺母旋转，对伸出套筒产生与动平台载荷分力相反的拉力或推力。本发明实现了并联机构在任意位置都能平衡大部分负载的目的，减轻电机负担。

Description

一种用于杆式并联机构的静力平衡装置

技术领域

本发明属于并联机构领域，特别是一种用于杆式并联机构的静力平衡装置。

背景技术

机构实现了静力平衡，也就意味着机构在工作空间的任意位置都能处于悬停状态，而不需要驱动电机为克服机构的静载荷去输出额外的扭矩。机构上设置了静力平衡装置可以明显地降低电机的输出功率或是减轻机器的手工操作者的工作强度，大幅减小电机工作的动态范围、提高机构的动态特性、稳定性以及工作精度。

中国专利CN 107288830 A公开了一种储能电动缸，该电动缸依靠安装在减速器传动轴上的卷簧组件存储或释放能量；但该电动缸的驱动力矩、平衡力矩全部作用在驱动丝杠上，加重了该丝杠的负担，只对减轻驱动电机负担有作用；该电动缸只能单独工作于立式工况，不能构建具有平衡功能的并联机构。

中国专利CN 103676964 A公开了一种带平衡装置的并联机构，该专利由驱动支腿构成了并联机构，在此基础上，增加了被动运动的气压平衡支腿；但整套装置较为复杂，易发生杆件干涉。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于杆式并联机构的静力平衡装置，以实现并联机构在任意位置都能平衡大部分负载，减轻电机负担。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种用于杆式并联机构静力平衡装置，包括固定支座、动平台、多个电动缸，电动缸的伸出套筒在电动缸电机作用下可做轴向移动；还包括转动螺母；拉力机构、闸线；

所述多个电动缸分别与固定座铰接；所述多个电动缸的末端均与动平台铰接；所述多个电动缸的伸出套筒上分别设有转动螺母；转动螺母与伸出套筒螺纹配合，只能相对伸出套筒转动而不能轴向移动；所述多个电动缸的转动螺母各连接有闸线；闸线一端缠绕在转动螺母上，另一端与拉力机构相连；所述拉力机构对闸线提供拉力，闸线拉动转动螺母旋转，对伸出套筒产生与动平台载荷分力相反的拉力或推力。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

（1）转动螺母设在电动缸的伸出套筒上，拉力机构通过闸线拉动转动螺母，转动螺母对伸出套筒提供平衡力，减轻了电机负担；解决了驱动力矩、平衡力矩全部作用在驱动丝杠上的问题。

（2）本发明既可工作在水平方向上，作为码垛、搬运机构；也可工作在竖直方向上作为举升机构，可实现多种工况。

（3）本发明的平衡机构由转动螺母和拉力机构组成，转动螺母集成在电动缸上，拉力机构可放置在距离并联机构较远处，驱动机构与平衡机构不会发生干涉。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为本发明电动缸组件剖视图。

图3为本发明平衡箱组件的剖视图。

图4为本发明卷簧装配图。

图5为本发明闸线结构图。

图6为本发明固定座竖直安装时的平衡原理图。

图7为本发明固定座水平安装时的平衡原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

一种用于杆式并联机构静力平衡装置，包括多个电动缸、转动螺母4；动平台3、拉力机构、闸线6、固定座2；

所述多个电动缸分别与固定座2铰接；所述多个电动缸的末端均与动平台3铰接；所述多个电动缸的伸出套筒上分别设有转动螺母4；转动螺母与伸出套筒螺纹配合，只能相对伸出套筒转动而不能轴向移动；伸出套筒在电动缸电机作用下可做轴向移动；所述多个电动缸的转动螺母4各连接有闸线6；闸线6一端缠绕在转动螺母4上，另一端与拉力机构相连；所述拉力机构5对闸线6提供拉力，闸线6拉动转动螺母4旋转，对伸出套筒1-11产生与动平台3载荷分力相反的拉力或推力，从而平衡负载分力，减轻各个电机负担。

实施例

结合图1，本发明的一种用于杆式并联机构静力平衡装置，包括第一电动缸1、第二电动缸7、转动螺母4；动平台3、拉力机构5、闸线6、固定座2；

所述第一电动缸1、第二电动缸7分别与固定座2铰接；所述第一电动缸1、第二电动缸7的末端均与动平台3铰接；所述第一电动缸1、第二电动缸7的伸出套筒上分别设有转动螺母4；转动螺母与伸出套筒螺纹配合，只能相对伸出套筒转动而不能轴向移动；伸出套筒在电动缸电机作用下可做轴向移动；所述第一电动缸1、第二电动缸7的转动螺母4各连接有闸线6；闸线6一端缠绕在转动螺母4上，另一端与拉力机构相连；所述拉力机构5对闸线6提供拉力，闸线6拉动转动螺母4旋转，对伸出套筒1-11产生与动平台3载荷分力相反的拉力或推力，从而平衡负载分力，减轻各个电机负担。

结合图2，进一步的，所述第一电动缸1、第二电动缸7结构相同，以第一电动缸为例；所述第一电动缸1包括电机1-1、减速器1-2、第一轴承座1-3、联轴器1-4、键1-5、第一支撑轴承1-7、第一缸筒1-9、设置在第一缸筒1-9内的传动丝杠1-8、第一传动螺母1-10、伸出套筒1-11；

所述电机1-1与减速器1-2相连；减速器1-2外壳与第一轴承座1-3一端固连；第一轴承座1-3另一端与第一缸筒1-9固连；所述传动丝杠1-8通过联轴器1-3与减速器1-2输出轴相连，通过键1-5限制两构件相对转动；所述传动丝杠1-8与减速器1-2连接端通过第一轴承座1-3内的第一支撑轴承1-7进行支撑；传动丝杠1-8与第一传动螺母1-10构成螺旋副；第一传动螺母1-10只能沿第一缸筒1-9滑动而不能做相对转动；所述伸出套筒1-11与第一传动螺母1-10固连。

作为一种实施方式，所述第一缸筒1-9为方形筒，第一传动螺母1-10外形为方形，以限制第一传动螺母1-10转动，使之只能沿第一缸筒1-9滑动而不能做相对转动。

作为另外一种实施方式，所述第一缸筒1-9内沿轴线设有多个限位槽；所述第一传动螺母1-10或伸出套筒1-11外壁上设有限位凸起，限位凸起与限位槽配合，以限制第一传动螺母1-10转动，使之只能沿第一缸筒1-9滑动而不能做相对转动。

进一步的，所述转动螺母4包括外壳4-1、设置在外壳4-1内的第二支撑轴承4-2、旋转螺母4-3；所述旋转螺母4-3与伸出套筒1-11构成螺旋副；所述旋转螺母4-3两端与外壳4-1之间均设有第二支撑轴承4-2进行支撑，使得旋转螺母4-3可在外壳4-1内转动；所述外壳4-1与第一缸筒1-9固连，使得转动螺母4只能相对伸出套筒1-11转动而不能轴向移动。所述闸线6一端缠绕在旋转螺母4-3上。

在一些实施方式，所述拉力机构采用气压、液压、弹簧、电机驱动等施力方式，例如液压缸、气动缸或电机驱动转盘等直线施力机构。

结合图3、图4，在另外一些实施方式中，所述拉力机构包括箱体5-1，第二轴承座5-2，第二缸筒5-3，转动丝杠5-4，第二传动螺母5-5，推杆5-6，第三支撑轴承5-17，第四支撑轴承5-18，驱动机构、设置在箱体5-1内的套筒5-8、卷簧5-11、第一卷簧盒5-12、第二卷簧盒5-14；

所述第二轴承座5-2固定在箱体5-1上端，所述第二轴承座5-2内设有第四支撑轴承5-18，对转动丝杠5-4进行转动支撑；所述转动丝杠5-4下端转轴伸入箱体5-1内；所述套筒5-8与转动丝杠5-4下端相连，可与转动丝杠5-4下端转轴同步转动；所述第一卷簧盒5-12、第二卷簧盒5-14均与套筒5-8转动连接；两个卷簧盒的上下端与套筒5-8之间均设有第三支撑轴承5-17进行转动支撑；两个卷簧盒上各设有一个卷簧5-11，卷簧5-11一端与套筒5-8固连，另一端与卷簧盒固连；所述第二传动螺母5-5与转动丝杠5-4配合，可沿第二缸筒5-3上下运动而不能做相对转动；所述推杆5-6与第二传动螺母5-5上端固定，可沿第二缸筒5-3上下运动。所述驱动机构设置在推杆5-6上端，以对推杆5-6产生向下的推力。两个闸线6另一端穿过箱体5-1分别缠绕在第一卷簧盒5-12、第二卷簧盒5-14上。

进一步的，所述套筒5-8与转动丝杠5-4之间通过键5-9相连，使得套筒5-8可与转动丝杠5-4同步转动；所述转动丝杠5-4底部设有锁紧螺母5-7，将套筒5-8进行锁紧，使得套筒5-8不能轴向移动。

作为一种实施方式，所述第二缸筒5-3为方形筒，第二传动螺母5-5外形为方形，以限制第二传动螺母5-5转动，使之只能沿第二缸筒5-3滑动而不能做相对转动。

作为另外一种实施方式，所述第二缸筒5-3内沿轴线设有多个限位槽；所述第二传动螺母5-5或推杆5-6外壁上设有限位凸起，限位凸起与限位槽配合，以限制第二传动螺母5-5转动，使之只能沿第二缸筒5-3滑动而不能做相对转动。

在一些实施方式中，所述驱动机构采用气压、液压、弹簧等施力方式的驱动机构，例如液压缸、气动缸、直线步进电机等。

在另外一些实施方式中，所述驱动机构包括托盘、配重块5-16；所述推杆5-6上端固接有托盘，所述配重块5-16设置在托盘上。

进一步的，所述转动丝杠5-4的螺纹导程小于伸出套筒1-11外表面螺纹导程，保证两电动缸在大工作空间运动时，推杆5-6仅在小范围升降，不产生较大幅度的上下运动，保证运动平缓。

结合图5，进一步的，所述闸线包括钢丝绳6-1、固定螺母6-2、弹簧套6-3；所述钢丝绳6-1设置在弹簧套6-3内，弹簧套6-3两端分别连接有固定螺母6-2；钢丝绳6-1两端分别与卷簧盒和旋转螺母4相连；弹簧套6-3两端的固定螺母6-2分别与箱体5-1、外壳4-1固连。弹簧套6-3为可以弯曲但不可压缩的螺旋金属层，闸线组件6可以保证在弯曲情况下，仍能传递力矩。

下面以配重块作为驱动机构为例介绍本发明的工作过程：

结合图6，当固定座2竖直安装时，可作为搬运、码垛机构。工作过程为：第一电动缸1和第二电动缸7均为二力杆，第一电动缸1始终受负载沿缸体轴线向下的拉力，第二电动缸7始终受负载沿轴线向下的推力。钢丝绳6-1在第一电动缸1的旋转螺母4-3上的绕向与伸出套筒1-11外表面螺纹旋向相反，以保证拉力机构5拉动钢丝绳6-1时，带动旋转螺母4-3旋转，对伸出套筒1-11产生一个沿缸体轴线向上的载荷分力，该载荷分力为拉力，平衡负载对电动缸1的拉力，减轻电机负担；相对应的，钢丝绳在第二电动缸7的旋转螺母上的绕向与对应伸出套筒外表面螺纹旋向相同，以保证拉力机构5拉动钢丝绳时，带动旋转螺母旋转，对伸出套筒产生一个沿缸体轴线向上的载荷分力，该载荷分力为推力，平衡负载对电动缸7的推力，减轻电机负担。

以图示螺纹旋向和钢丝绳绕向为例。并联机构做水平运动时，钢丝绳总是绕入其中一根电动缸的旋转螺母4-3，绕出另一根电动缸的旋转螺母4-3。平衡箱中的两个卷簧5-11，其中一个收紧，弹性力变大，另一个放松，弹性力变小，但总力矩不变，所以配重块5-16既不上升也不下降。收紧的卷簧对应的电动缸得到的平衡力大，电机负担进一步减小；放松的卷簧对应的电动缸得到的平衡力稍小，但仍能平衡大部分负载分力。并联机构向上方做竖直运动时，钢丝绳从两电动缸的旋转螺母4-3上绕出，卷簧5-11放松，随即配重块5-16下降，套筒5-8随转动丝杠5-4旋转带动卷簧5-11内勾使之收紧，重新提供平衡力。

并联机构向下方做竖直运行时，钢丝绳绕入两电动缸的旋转螺母4-3，卷簧5-11收紧，内勾带动套筒5-8迫使转动丝杠5-4旋转，使配重块5-16上升，提供的平衡力恒定。这种机制保证了拉力机构提供的平衡力矩恒定，防止出现平衡力过大的情况。

结合图7，当固定座2水平安装时，可作为举升机构。工作过程为：第一电动缸1和第二电动缸7均为二力杆，两杆均受负载沿缸体轴线向下的该载荷分力，该载荷分力推力。钢丝绳在两电动缸的旋转螺母上的绕向与各自伸出套筒外表面螺纹旋向相同，以保证拉力机构5拉动钢丝绳时，带动旋转螺母旋转，对伸出套筒产生一个沿缸体轴线向上的载荷分力，该载荷分力为推力，平衡负载对电动缸的推力，减轻电机负担。

以图示螺纹旋向与钢丝绳绕向为例。并联机构竖直向上运动时，钢丝绳从两电动缸的旋转螺母4-3上绕出，卷簧5-11放松，随即配重块5-16下降，套筒5-8随转动丝杠5-4旋转带动卷簧5-11内勾使之收紧，重新提供平衡力。并联机构竖直向下运动时，并联机构向上方做竖直运动时，钢丝绳从两电动缸的旋转螺母4-3上绕出，卷簧5-11放松，随即配重块5-16下降，套筒5-8随转动丝杠5-4旋转带动卷簧5-11内勾使之收紧，重新提供平衡力。并联机构向下方做竖直运行时，钢丝绳绕入两电动缸的旋转螺母4-3，卷簧5-11收紧，内勾带动套筒5-8迫使转动丝杠5-4旋转，使配重块5-16上升，提供的平衡力恒定。这种机制保证了拉力机构提供的平衡力矩恒定，防止出现平衡力过大的情况。

并联机构做水平运动时，钢丝绳总是绕入其中一根电动缸的旋转螺母4-3，绕出另一根电动缸的旋转螺母4-3。平衡箱中的两个卷簧5-11，其中一个收紧，弹性力变大，另一个放松，弹性力变小，但总力矩不变，所以配重块5-16既不上升也不下降。收紧的卷簧对应的电动缸得到的平衡力大，电机负担进一步减小；放松的卷簧对应的电动缸得到的平衡力稍小，但仍能平衡大部分负载分力。

Claims (10)

1.一种用于杆式并联机构静力平衡装置，包括固定座（2）、动平台（3）、多个电动缸，电动缸的伸出套筒在电动缸电机作用下可做轴向移动；其特征在于，还包括转动螺母（4）；拉力机构（5）、闸线（6）；

所述多个电动缸分别与固定座（2）铰接；所述多个电动缸的末端均与动平台（3）铰接；所述多个电动缸的伸出套筒上分别设有转动螺母（4）；转动螺母（4）与伸出套筒（1-11）螺纹配合，只能相对伸出套筒（1-11）转动而不能轴向移动；所述多个电动缸的转动螺母（4）各连接有闸线（6）；闸线（6）一端缠绕在转动螺母（4）上，另一端与拉力机构（5）相连；所述拉力机构（5）对闸线（6）提供拉力，闸线（6）拉动转动螺母（4）旋转，对伸出套筒（1-11）产生与动平台（3）载荷分力相反的拉力或推力。

2.根据权利要求1所述的用于杆式并联机构静力平衡装置，其特征在于，所述电动缸数量为两个，包括第一电动缸（1）、第二电动缸（7）；

所述固定座（2）竖直安装，第一电动缸（1）上转动螺母（4）的闸线（6）和第二电动缸（7）上转动螺母（4）的闸线（6）绕向相反，第一电动缸（1）始终受拉力，第二电动缸（7）始终受推力。

3.根据权利要求1所述的用于杆式并联机构静力平衡装置，其特征在于，所述电动缸数量为两个，包括第一电动缸（1）、第二电动缸（7）；

所述固定座（2）水平安装，第一电动缸（1）上转动螺母（4）的闸线（6）和第二电动缸（7）上转动螺母（4）的闸线（6）绕向相同，第一电动缸（1）和第二电动缸（7）均受推力。

4.根据权利要求1所述的用于杆式并联机构静力平衡装置，其特征在于，所述电动缸包括电机（1-1）、减速器（1-2）、第一轴承座（1-3）、联轴器（1-4）、键（1-5）、第一支撑轴承（1-7）、第一缸筒（1-9）、设置在第一缸筒（1-9）内的传动丝杠（1-8）、第一传动螺母（1-10）、伸出套筒（1-11）；

所述电机（1-1）与减速器（1-2）相连；减速器（1-2）外壳与第一轴承座（1-3）一端固连；第一轴承座（1-3）另一端与第一缸筒（1-9）固连；所述传动丝杠（1-8）通过联轴器（1-4）与减速器（1-2）输出轴相连；所述传动丝杠（1-8）与减速器（1-2）连接端通过第一轴承座（1-3）内的第一支撑轴承（1-7）进行支撑；传动丝杠（1-8）与第一传动螺母（1-10）构成螺旋副；第一传动螺母（1-10）只能沿第一缸筒（1-9）滑动而不能做相对转动；所述伸出套筒（1-11）与第一传动螺母（1-10）固连。

5.根据权利要求4所述的用于杆式并联机构静力平衡装置，其特征在于，所述转动螺母（4）包括外壳（4-1）、设置在外壳（4-1）内的第二支撑轴承（4-2）、旋转螺母（4-3）；所述旋转螺母（4-3）与伸出套筒（1-11）构成螺旋副；所述旋转螺母（4-3）两端与外壳（4-1）之间均设有第二支撑轴承（4-2）进行支撑；所述外壳（4-1）与第一缸筒（1-9）固连。

6.根据权利要求1所述的用于杆式并联机构静力平衡装置，其特征在于，所述拉力机构（5）为直线施力机构。

7.根据权利要求1所述的用于杆式并联机构静力平衡装置，其特征在于，所述拉力机构（5）包括箱体（5-1），第二轴承座（5-2），第二缸筒（5-3），转动丝杠（5-4），第二传动螺母（5-5），推杆（5-6），第三支撑轴承（5-17），第四支撑轴承（5-18），驱动机构、设置在箱体（5-1）内的套筒（5-8）、卷簧（5-11）、第一卷簧盒（5-12）、第二卷簧盒（5-14）；

所述第二轴承座（5-2）固定在箱体（5-1）上端，所述第二轴承座（5-2）内设有第四支撑轴承（5-18），对转动丝杠（5-4）进行转动支撑；所述转动丝杠（5-4）下端转轴伸入箱体（5-1）内；所述套筒（5-8）与转动丝杠（5-4）下端相连，与转动丝杠（5-4）下端转轴同步转动；所述第一卷簧盒（5-12）、第二卷簧盒（5-14）均与套筒（5-8）转动连接；两个卷簧盒的上下端与套筒（5-8）之间均设有第三支撑轴承（5-17）进行转动支撑；两个卷簧盒上各设有一个卷簧（5-11），卷簧（5-11）一端与套筒（5-8）固连，另一端与卷簧盒固连；所述第二传动螺母（5-5）与转动丝杠（5-4）配合，可沿第二缸筒（5-3）上下运动而不能做相对转动；所述推杆（5-6）与第二传动螺母（5-5）上端固定，可沿第二缸筒（5-3）上下运动；所述驱动机构设置在推杆（5-6）上端。

8.根据权利要求7所述的用于杆式并联机构静力平衡装置，其特征在于，所述驱动机构采用气压、液压、弹簧或电机驱动的施力方式。

9.根据权利要求7所述的用于杆式并联机构静力平衡装置，其特征在于，所述驱动机构包括托盘、配重块（5-16）；所述推杆（5-6）上端固接有托盘，所述配重块（5-16）放置在托盘上。

10.根据权利要求7所述的用于杆式并联机构静力平衡装置，其特征在于，所述转动丝杠（5-4）的螺纹导程小于伸出套筒（1-11）外表面螺纹导程。

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