CN110594372A - 一种适用于有限空间的自适应有限转角预紧传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于有限空间的有限转角预紧传动装置，主要包括主动轮、从动轮、传动介质、预紧压块、自适应预紧机构和力位移传感器等。其中输入轴和输出轴平行，二者间通过传动介质相连；预紧压块安装于输入轴上可固定传动介质；力位移传感器内嵌于输入轴内，可借助自适应预紧机构的“杠杆作用”对传动介质的预紧状态进行实时修正和补偿，与传统传动和预紧方案相比，该自适应预紧传动装置具有高精度传动、结构紧凑、占用空间小、动态补偿、重量轻和可靠性高等特点。

Description

一种适用于有限空间的自适应有限转角预紧传动装置

技术领域

本发明属于传动技术领域，涉及一种适用于有限空间的自适应有限转角预紧传动装置。

背景技术

随着高精度传动领域的不断探索和发展，钢丝绳或钢带传动被越来越广泛的适用于工程实践领域，与传统齿轮传动或并联机构传动方案比，它具有体积小、重量轻和传动精度高等优势，但其传动效果高度依赖钢丝绳或钢带与带轮间摩擦力的均匀性，因而获得和保持能使其适于理想张紧状态的张紧力成为影响其性能优劣的关键。同时，即使初始状态预紧良好，钢丝绳或钢带在长时间带载工作状态后，也容易出现因被拉长从而松弛的情况，亦会对传动的精确性和可靠性带来影响，而要解决该问题，使钢丝绳或钢带在全工作状态处于，要不需要人工不断调节，要么引入自动调节预紧装置，对于前种措施，不仅作业人员工作负担大，而且某些应用场合存在危险，并不适合人工不断调节，对于后种措施，经过文献检索，典型如专利CN206234332U中提出的皮带张紧结构，其采用辅助轮方案虽能调节皮带张紧力，但体积大、构造复杂，且人工主动干预调节的调节模式在实用中较为繁琐；再如专利CN208041070U提出的钢丝绳自动张紧装置，其主要借助外部弹簧对张紧力进行动态补偿，同样存在构造复杂，体积空间大，且常规弹簧即无法定量精确补偿张紧力的变化，同时也易因批次性能差异影响实际张紧效果；再如专利CN207891637U中提出的一种钢丝绳合绳预张拉装置以及专利CN206988388U中提出的一种皮带张紧装置实际上都未能兼顾体积小和高精度补偿的问题。

高精度传动的典型应用场景包括光电稳定设备和多自由度机器人等，下文将以高精度光电稳定设备为例，详细阐述兼顾体积小、重量轻和高精度等特点的传动方案的需求迫切性：

精密光电稳定设备(以下可简称“光电设备“)通常是指安装机动载体上，能有效隔离外部扰动，保持其内部光学器件，如可见光电视和红外热成像等任务载荷在惯性空间指向稳定综合性任务设备。随着经济环境的改善，该设备在消防、边防、缉私、反恐和搜救等领域已得到广泛应用。然而当下，伴随日益激烈的市场竞争环境和用户越来越苛刻的使用需求，更强的性能、更小的体积和更轻的重量逐渐成为精密光电稳定设备的主流方向，更轻便、更紧凑和精度更高的传动装置则成为达成上述目标的重要支撑。光电设备对高精度传动的需求主要体现在以下两个方面：负载整体稳定环节以及反射镜稳定环节；前者是将光学器件作为一个整体，由至少两个正交的电机进行空间姿态补偿，一般会采用齿轮传动策略实现电机和负载的传动；后者则是选取光学器件成像光路的某段，在其中加入反射镜，一般会采用四连杆机构完成电机对反射镜的2:1的传动以实现扰动的反向补偿。对于齿轮传动方案而言，其重量大、体积大，以及齿轮空回的客观存在，均限制了光电设备高性能、小型化和轻量化的发展需求；对于四连杆传动机构而言，其存在的体积较大，以及受限于装配误差造成的传动刚性差和不平稳等情况，也制约了反射镜稳像效果。基于上述问题，科技工作者们探索了使用钢带或者钢丝绳作为介质的传动方法，但实际应用中钢带或钢丝绳的张紧力情况与其综合性能息息相关，当张紧力太小时，极易出现传动打滑，输出轮对输入轮跟随性差的情况，不仅反射镜难以精确实现2:1稳定，平台稳定时也易出现较大偏差；当张紧力过大时，又会造成摩擦力过大，不仅降低传递效率，传动的不平滑性也会显著增加，最终影响精密光电设备的综合稳像效果；而即使常温状态下钢丝绳或钢带的张紧力达到理想状态，但在高低温时其与输入、输出轴间不一样的材料膨胀系数，同样会带来张紧力的变化，从而影响传动的有效性。为此迫切需要一款能小型化、轻量化、且能动态在线补偿的自适应预紧传动装置。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种结构紧凑、传动精确和宽温适应性的自适应预紧传动装置，以解决和支撑高精度设备在小型化、轻量化和可靠性的发展需求，其既可替代齿轮传动方案减轻总量，亦可代替四连杆机构提高精度，也能有效解决传统钢带和钢丝绳传动中张紧力不稳定的情况。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种适用于有限空间的自适应有限转角预紧传动装置，其包括：输入轴1、输出轴2、传动介质3、自适应预紧机构5和力位移传感器6；输入轴1和输出轴2轴线平行，两者之间通过传动介质3相连，经由传动介质3进行传动；自适应预紧机构5和力位移传感器6均嵌入式安装在输出轴2上，自适应预紧机构5一端作用于传动介质3，另一端与力位移传感器6相连，力位移传感器6通过自适应预紧机构5实时感知传动介质3的张紧状态，并根据需要由力位移传感器6带动自适应预紧机构5动作，进行传动介质3张紧力动态补偿。

其中，所述输出轴2上与传动介质3接触的位置设置有凹槽，自适应预紧机构5包括弯折状本体，本体一端设置压轴、中部为杠杆轴、另一端连接力位移传感器6，杠杆轴穿过输出轴2，压轴与凹槽位置正对且位于传动介质3外侧，用于将传动介质3压入凹槽内；需要调整传动介质3的张紧力时，由力位移传感器6带动本体另一端运动，通过杠杆轴的杠杆作用，带动压轴增强或释放对传动介质3的绷紧状态，调整传动介质3的张紧力。

其中，所述自适应预紧机构5的本体包括两块弯折状的折板，两块折板平行布置在输出轴2的两端端面上，压轴和杠杆轴连接两块折板。

其中，所述输入轴1为外部动力输入端，与外部驱动机构直接相连；输出轴2为外部动力输出端，与外部负载机构相连。

其中，所述传动介质3选用钢丝绳或钢带。

其中，所述传动介质3安装于输入轴1和输出轴2的周向凹槽内，通过摩擦力实现输出轴2与输入轴1间的传动。

其中，还包括：预紧压块4，安装在输入轴1上，用于将传动介质3定位在输入轴1的周向凹槽内，实现传动介质3与输入轴1之间的相对固定。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的适用于有限空间的自适应有限转角预紧传动装置，主要用于满足精密设备高精度、轻量化和小型化的设计需求，其有益效果主要体现在以下几个方面：

(1)采用的传动介质为钢丝绳或钢带，具有较好的基础传动刚性，在负载小，传动效率不高的场合优选钢丝绳；在负载大，传动效率高的场合优选钢丝绳，相比传统的齿轮传动或四连杆传动有更加精确的传动效果。

(2)采用的自适应预紧机构，其内嵌于输出轴内，无需占用外部空间，相比传动的张紧轮设计，结构更加紧凑，加工更加简单，可有力支撑光电设备的小型化需求。

(3)采用的力位移传感器，典型选择为压电陶瓷，通过控制电路可实现在各种温度和动态环境条件下对传动介质张紧力的在线检测和实施补偿，确保传动介质始终工作于最佳预紧状态。

(4)采用的输入轴和输出轴，其直径比决定了传递关系，即可设置成大传动比替代笨重的齿轮传动方案，支撑光电设备减重；也可定量设计成2:1的传动关系替代复杂的四连杆传动方案，支撑反射镜稳定技术的有效实施。

(5)对钢丝绳或钢带的预紧调节位于传动方案的静止包角区，传动过程中不会和传动介质发生相对运动，不会对正常的传动引入额外的摩擦力和惯性力干扰，可确保传动更精确和平稳。特别对于反射镜稳定系统来说，平稳精确的2：1传动关系可显著提升成像稳定效果。

附图说明

图1为本发明适用于有限空间的自适应有限转角预紧传动装置的结构示意图。

图2为自适应预紧机构的结构示意图。

图中：1-输入轴、2-输出轴、3-传动介质、4-预紧压块、5-自适应预紧机构、6-力位移传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例为应用于精密光电设备中的传动装置。

在精密光电设备中，为实施光学成像器件的惯性稳定效果，常需电机元件驱动负载进行动态位置补偿，传统使用的齿轮传动由于存在空回和间隙，传动精度和刚度无法满足需求，为此本实施例提出一种自适应有限转角预紧传动装置，如图1所示，其包括：输入轴1、输出轴2、传动介质3、自适应预紧机构5和力位移传感器6；输入轴1和输出轴2轴线平行，两者之间通过传动介质3相连，经由传动介质3进行传动；自适应预紧机构5和力位移传感器6均嵌入式安装在输出轴2上，自适应预紧机构5一端作用于传动介质3，另一端与力位移传感器6相连，力位移传感器6通过自适应预紧机构5实时感知传动介质3的张紧状态，并根据需要由力位移传感器6带动自适应预紧机构5动作，进行传动介质3张紧力动态补偿。

参照图2所示，输出轴2上与传动介质3接触的位置设置有凹槽，自适应预紧机构5包括弯折状本体，本体一端设置压轴、中部为杠杆轴、另一端连接力位移传感器6，杠杆轴穿过输出轴2，压轴与凹槽位置正对且位于传动介质3外侧，用于将传动介质3压入凹槽内；需要调整传动介质3的张紧力时，由力位移传感器6带动本体另一端运动，通过杠杆轴的杠杆作用，带动压轴增强或释放对传动介质3的绷紧状态，调整传动介质3的张紧力。

自适应预紧机构5的本体包括两块弯折状的折板，两块折板平行布置在输出轴2的两端端面上，压轴和杠杆轴连接两块折板。

输入轴1为外部动力输入端，与外部驱动机构直接相连；输出轴2为外部动力输出端，与外部负载机构相连。输出轴2与输入轴1的径向尺寸可根据需求改变，当其成像2:1关系时，即可满足反射镜稳定所需。

传动介质3选用钢丝绳或钢带，安装于输入轴1和输出轴2的周向凹槽内，通过摩擦力实现输出轴2与输入轴1间的传动。

本实施例预紧传动装置还包括：预紧压块4，安装在输入轴1上，用于将传动介质3定位在输入轴1的周向凹槽内，实现传动介质3与输入轴1之间的相对固定。

本实施例预紧传动装置的安装和使用过程是：首先将输入轴1与外部驱动电机相连，输出轴2与外部负载相连；然后按照输入轴1和输出轴2的中心距制备合适长度的传动介质3，例如钢丝绳；随后将传动介质3放入输入轴1与输出轴2的周向凹槽内，并与自适应预紧机构5相作用；然后安装预紧压块4，使传动介质3与输入轴1相对固定连接；整个机构安装完成后，评估传动介质3的预紧状态，如果张紧力过大，可调节力位移传感器6向内运动，通过自适应预紧机构5的“杠杆作用”释放对传动介质3的绷紧状态，如果张紧力过小，可调节力位移传感器6向外运动，借助自适应预紧机构5的“杠杆作用”增强对传动介质3的绷紧状态，直至到达最佳张紧力，装置传动精度满足要求为止，此时，由光电设备的处理电路记录和保持力位移传感器的量值，后续在传动装置伴随光电设备进行宽温和动态环境应用时，一旦出现因热膨胀差异或振动引起传动介质3松弛或过紧张的情况，可由力位移传感器6比对初始值进行实时动态补偿，确保其始终处于最佳传动效果。

与现有技术相比，上述方案没有惰轮带来的额外摩擦力，没有惰轮带来的惯性力，尤其对反射镜稳瞄的场合更有利。

由上述技术方案可以看出，本发明实施例中，自适应预紧机构和力位移传感器均内嵌于输出轴内，实现整个装置体积小；传动介质优选钢丝绳或钢带，传动精度高，且重量小；力位移传感器可实时监控传动介质的预紧，并在线动态补偿，确保钢带或钢丝绳能始终处于最佳工作状态，而不打滑或卡死；改变输出轴与输入轴的直径比，即可使装置满足平台稳定方案的使用需求，亦可满足反射镜稳定所需的精确2:1需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于有限空间的自适应有限转角预紧传动装置，其特征在于，包括：输入轴(1)、输出轴(2)、传动介质(3)、自适应预紧机构(5)和力位移传感器(6)；输入轴(1)和输出轴(2)轴线平行，两者之间通过传动介质(3)相连，经由传动介质(3)进行传动；自适应预紧机构(5)和力位移传感器(6)均嵌入式安装在输出轴(2)上，自适应预紧机构(5)一端作用于传动介质(3)，另一端与力位移传感器(6)相连，力位移传感器(6)通过自适应预紧机构(5)实时感知传动介质(3)的张紧状态，并根据需要由力位移传感器(6)带动自适应预紧机构(5)动作，进行传动介质(3)张紧力动态补偿。

2.如权利要求1所述的适用于有限空间的自适应有限转角预紧传动装置，其特征在于，所述输出轴(2)上与传动介质(3)接触的位置设置有凹槽，自适应预紧机构(5)包括弯折状本体，本体一端设置压轴、中部为杠杆轴、另一端连接力位移传感器(6)，杠杆轴穿过输出轴(2)，压轴与凹槽位置正对且位于传动介质(3)外侧，用于将传动介质(3)压入凹槽内；需要调整传动介质(3)的张紧力时，由力位移传感器(6)带动本体另一端运动，通过杠杆轴的杠杆作用，带动压轴增强或释放对传动介质(3)的绷紧状态，调整传动介质(3)的张紧力。

3.如权利要求2所述的适用于有限空间的自适应有限转角预紧传动装置，其特征在于，所述自适应预紧机构(5)的本体包括两块弯折状的折板，两块折板平行布置在输出轴(2)的两端端面上，压轴和杠杆轴连接两块折板。

4.如权利要求1所述的适用于有限空间的自适应有限转角预紧传动装置，其特征在于，所述输入轴(1)为外部动力输入端，与外部驱动机构直接相连；输出轴(2)为外部动力输出端，与外部负载机构相连。

5.如权利要求1所述的适用于有限空间的自适应有限转角预紧传动装置，其特征在于，所述传动介质(3)选用钢丝绳或钢带。

6.如权利要求1所述的适用于有限空间的自适应有限转角预紧传动装置，其特征在于，所述传动介质(3)安装于输入轴(1)和输出轴(2)的周向凹槽内，通过摩擦力实现输出轴(2)与输入轴(1)间的传动。

7.如权利要求1-6中任一项所述的适用于有限空间的自适应有限转角预紧传动装置，其特征在于，还包括：预紧压块(4)，安装在输入轴(1)上，用于将传动介质(3)定位在输入轴(1)的周向凹槽内，实现传动介质(3)与输入轴(1)之间的相对固定。