CN110774244A - 一种宏微位移机构 - Google Patents

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Abstract

一种宏微位移机构，属于机械设计与制造技术领域，特别涉及一种宏微位移机构。包括输入轴（1）、空心轴（2）、齿轮（3）、弹性挡圈（4）、弹性挡圈（5）、套筒（6）、双联齿轮（7）、动力输出轴（8）、套筒（9）、轴承（10）、轴承端盖（11）、螺栓（12）、移动工作台（13）、轴承（14）、轴承（15）、端盖螺栓（16）、滑动双联齿轮（17）、换档拨杆（18）、中间轴（19）、行星架（20）、齿轮（21）、套筒（22）、支架（23）、轴承（24）、轴承端盖（25）、螺栓（26）、轴承（27）、轴承端盖（28）、动力输入轮（29）、螺栓（30）、密封圈（31）、螺栓（32）、弹簧（33）、调整螺母（34）、锁紧螺母（35），箱体（36），所述一种宏微位移机构有I档和II档两个档位的传动比，从而实现对移动工作台（13）的纳米级级驱动和毫米级驱动。

Description

一种宏微位移机构
技术领域
本发明是属于机械设计与制造技术领域，特别涉及一种宏微位移机构。
背景技术
机械零件加工后形成的表面形貌对零件的摩擦特性、接触刚度、疲劳强度、配合、振动及运转精度等有很大的影响，工件加工表面的微观形貌直接是判断工件质量的重要指标]。如在机械工业中。因此，对工件的表面的面微观形貌进行测量具有重要意义。为了获得工件表面的微观形貌，采用非接触式测量方法的白光干涉轮廓仪是一种高精度获得工件表面粗糙度等参数的一种精密仪器。现有的白光干涉轮廓仪中的垂直扫描功能的实现多是采用压电陶瓷驱动物镜和电容传感器反馈控制，实现微位移的移动，这种白光干涉仪垂直扫描的范围比较小，一般在0到500微米之间，而应用白光干涉仪对工件表面进行测量中，通常对工件的测量的物镜需要在毫米级范围进行移动又需要在纳米级范围内进行微移动以产生干涉条纹，单一的压电陶瓷机构无法实现这种要求，且压电陶瓷成本比较高。在其他仪器设备用也有这种微位移的要求，例如在精密切削中刀具也需要在宏观上级微观上进行移动，也需要宏微位移。因此，亟需设计一种既能实现较大位移又能实现微位移移动的宏微位移机构。
发明内容
本发明的目的是：为了解决现有采用压电陶瓷位移装置不能实现大范围移动，只能在微位移上进行移动的问题，提供了一种不仅可以实现在纳米级范围内移动且可以实现在毫米级范围移动的一种宏微位移机构。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种宏微位移机构，包括输入轴、空心轴、齿轮I、齿轮II、弹性挡圈、弹性挡圈、套筒、双联齿轮、动力输出轴、套筒、轴承、轴承端盖、螺栓、移动工作台、轴承、端盖螺栓、滑动双联齿轮、换档拨杆、中间轴、行星架、支架、动力输入轮、密封圈、弹簧、调整螺母、锁紧螺母，箱体，其特征在于：空心轴穿过箱体的轴孔通过空心轴上的固定轴段和固定凸台由螺栓固定在箱体上，齿轮I通过花键安装到空心轴上的花键上，并通过弹簧挡圈压紧在空心轴上的凸台上，所述齿轮I与齿轮II为无侧隙啮合，无侧隙啮合可以保证有精密的传动精度，空心轴为中空形状，输入轴经空心轴通过轴承安装在箱体上，所述输入轴的一端安装有密封圈，动力输入轮通过螺栓固定在输入轴的端部，行星架利用花键安装在输入轴上的花键上，由弹簧挡圈将行星架压紧在输入轴的凸台上，动力输出轴的轴段安装在输入轴的光孔中，所述动力输出轴的轴段与输入轴的光孔为过渡配合，过渡配合可以保证有精密的传动精度，双联齿轮的花键安装在动力输出轴的花键上，并由套筒压紧在动力输出轴的凸台上，动力输出轴通过套筒和轴承安装在箱体上，轴承端盖通过螺栓固定在箱体压紧在轴承的外圈上，动力输出轴的另一端有精密外螺纹，移动工作台安装在动力输出轴的精密外螺纹上，弹簧安装在动力输出轴上，弹簧的一端压在移动工作台上另一端由调整螺母压紧，压紧后可以消除螺纹间隙，提高运转精度，可以转动调整螺母调节弹簧对移动工作台的压紧程度，调整后转动锁紧螺母锁紧，中间轴的左端安装在轴承的内圈中，所述轴承的外圈安装在支架上，轴承端盖通过螺栓固定在支架上并压紧轴承的外圈，所述中间轴的右端安装在轴承的内圈中，所述轴承的外圈安装在支架上，轴承端盖通过螺栓固定在支架上并压紧轴承的外圈，所述中间轴上设计有两个花键，滑动双联齿轮的花键与中间轴上的花键配合，优选地采用渐开线花键，渐开线花键具有很好的对中性，提高了安装精度，滑动双联齿轮在换档拨杆的拨动下可以在中间轴上移动，齿轮II安装在中间轴上的花键处，在套筒压和轴承的内圈的作用下将齿轮II压紧在中间轴上的凸台上，所述中间轴的光轴段上安装行星架，行星架的光孔与中间轴的光轴段为过渡配合，以保证光孔与中光轴段紧密接触。双联齿轮和滑动双联齿轮的轮齿的齿顶处采用圆弧形状，这种圆弧形状有助于在滑动双联齿轮移动换档时，减少轮齿之间的冲击。双联齿轮和滑动双联齿轮的轮齿的一端的齿型采用半圆形、或者三角形、或者椭圆形，这种形式的轮齿，在在滑动双联齿轮移动换档时，可以顺利引导齿轮的移动，容易换档。本发明的宏微位移机构具有两个档位，可以产生两个差别很大的传动比，从而可以实现微米级的工作台移动和纳米级的工作台移动。
本发明专利的有益效果是：本发明通过两个档位的行星齿轮传动，在一个档位下的传动比比较大，实现纳米级微位移的移动；在另一个档位下的传动比比较小，实现在毫米级位移上的移动。本发明的宏微位移机构是一种纯粹机械式的宏微位移机构，不需要电容，不会产生电磁效应，也不会产生电热效应，因此这种机构不会对其他部件的运行产生影响，提高了设备的运转精度。本发明的宏微位移机构不采用压电陶瓷，成本低。压电陶瓷机构的位移特性曲线在不同的负载下有所不同，而本发明的宏微位移机构在额定负载内，其位移特性不受载荷的影响，减少了设备的复杂程度，提高了运转可靠性。
附图说明
图1 是本发明宏微位移机构在I档状态的示意图。
图2 是本发明宏微位移机构在II档状态的示意图。
图3 输入轴
图4 动力输出轴
图5 双联齿轮
图6 滑动双联齿轮
图7 空心轴
图8 中间轴
图9 行星架
图10 图5与图6中轮齿的A-A剖面图
图11 图5与图6中轮齿的B-B剖面图
图12 图5与图6中的轮齿C处局部放大图
图中，1、输入轴，2、空心轴，3、齿轮，4、弹性挡圈，5、弹性挡圈，6、套筒，7、双联齿轮，8、动力输出轴，9、套筒，10、轴承，11、轴承端盖，12、螺栓，13、移动工作台，14、轴承，15、轴承端盖，16、螺栓，17、滑动双联齿轮，18、换档拨杆，19、中间轴，20、行星架，21、齿轮，22、套筒，23、支架，24、轴承，25、轴承端盖，26、螺栓，27、轴承，28、轴承端盖，29、动力输入轮，30、螺栓，31、密封圈，32、螺栓，33、弹簧，34、调整螺母，35、锁紧螺母，36、箱体，101、花键 ，102、弹簧挡圈，103、光孔，104、凸台，201、弹簧挡圈槽、202、花键，203、凸台，204、固定轴段，205、固定凸台，701、齿轮，702、齿轮，703、花键，801、花键，802、精密外螺纹，803、光轴段，1701、齿轮，1702、齿轮，1703、换档拨杆槽，1704、花键，1901、花键，1902、光轴段，1903、花键，1904、凸台，2001、光孔，2002、倒角，2003、花键，2004、倒角。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明提出了一种宏微位移机构，所述宏微位移机构，包括输入轴1、空心轴2、齿轮3、弹性挡圈4、弹性挡圈5、套筒6、双联齿轮7、动力输出轴8、套筒9、轴承10、轴承端盖11、螺栓12、移动工作台13、轴承14、轴承15、端盖螺栓16、滑动双联齿轮17、换档拨杆18、中间轴19、行星架20、齿轮21、套筒22、支架23、轴承24、轴承端盖25、螺栓26、轴承27、轴承端盖28、动力输入轮29、螺栓30、密封圈31、螺栓32、弹簧33、调整螺母34、锁紧螺母35，箱体36，其特征在于：空心轴2穿过箱体36的轴孔通过空心轴2上的固定轴段204和固定凸台205由螺栓32固定在箱体36上，螺栓32同时固定轴承端盖28，齿轮3通过花键安装到空心轴2上的花键202上，并通过弹簧挡圈4 压紧在空心轴2上的凸台203上，所述齿轮21与齿轮3为无侧隙啮合，无侧隙啮合可以保证有精密的传动精度，空心轴（2）为中空形状，输入轴1经空心轴2通过轴承27安装在箱体36上，所述输入轴1的一端安装有密封圈31，密封圈31可以防止在输入轴１运转中箱体36内部的润滑油泄露，动力输入轮29通过螺栓30固定在输入轴1的端部，行星架20利用花键2003安装在输入轴1上的花键101上，由弹簧挡圈5将行星架20压紧在输入轴1的凸台104上，动力输出轴8的轴段803安装在输入轴1的光孔103中，所述动力输出轴8的轴段803与输入轴1的光孔103为过渡配合，过渡配合可以保证有精密的传动精度，双联齿轮7的花键703安装在动力输出轴8的花键801上，并由套筒9压紧在动力输出轴8的凸台804上，动力输出轴8通过套筒9和轴承10安装在箱体36上，轴承端盖11通过螺栓12固定在箱体36压紧在轴承10的外圈上，动力输出轴8的另一端有精密外螺纹802，移动工作台13安装在动力输出轴8的精密外螺纹802上，弹簧33安装在动力输出轴8上，弹簧33的一端压在移动工作台13上另一端由调整螺母34压紧，可以转动调整螺母34调节弹簧对移动工作台13的压紧程度，压紧后可以消除螺纹间隙，提高运转精度，调整后转动锁紧螺母35锁紧，中间轴19的左端安装在轴承14的内圈中，所述轴承14的外圈安装在支架23上，轴承端盖15通过螺栓16固定在支架23上并压紧轴承14的外圈，所述中间轴19的右端安装在轴承24的内圈中，所述轴承24的外圈安装在支架23上，轴承端盖25通过螺栓26固定在支架23上并压紧轴承24的外圈，所述中间轴19上设计有花键1901和花键1903，滑动双联齿轮17的花键1703与中间轴19上的花键1901配合，优选的花键1703与花键1901采用渐开线花键，渐开线花键具有很好的对中性，提高了安装精度，滑动双联齿轮17在换档拨杆18的拨动下可以在中间轴上移动，齿轮21安装在中间轴19上的花键1903处，在套筒22和轴承24的内圈的作用下将齿轮21压紧在中间轴19上的凸台1904上，所述中间轴19的光轴段1902上安装行星架20，行星架20的光孔2001与中间轴19的光轴段1902为过渡配合，以保证光孔2001与中光轴段1902紧密接触且能够自由相对转动。双联齿轮7和滑动双联齿轮17的轮齿的齿顶处采用圆弧形状，这种圆弧形状有助于在滑动双联齿轮17移动换档时，减少轮齿之间的冲击。双联齿轮7和滑动双联齿轮17的轮齿的一端的齿型采用半圆形、或者三角形、或者椭圆形，这种形式的轮齿，在在滑动双联齿轮17移动换档时，可以顺利引导齿轮的移动，容易换档。
本发明的一种宏微位移机构有I档和II档两个档位的传动比，从而实现对移动工作台13的纳米级级驱动和毫米级驱动，所述宏微位移机构中，设齿轮3的齿数为z3，齿轮21的齿数为z21，双联齿轮7的齿轮701的齿数为z701，双联齿轮7的齿轮702的齿数为z702，滑动双联齿轮17的齿轮1701的齿数为z1701，滑动双联齿轮17的齿轮1702的齿数为z1702，那么在I档状态下，齿轮3与齿轮21啮合，齿轮701与齿轮1701啮合，此时，输入轴1到动力输出轴8的传动比为
Figure 756893DEST_PATH_IMAGE002
，优选地z701=100，z1701=101，z21=100，z3=99时，
Figure 939613DEST_PATH_IMAGE004
，当输入轴1转动时，动力输出轴8将
Figure 922612DEST_PATH_IMAGE006
倍的转速产生微小的转动，当动力输出轴8转动后，带动动力输出轴8上的精密外螺纹802转动，精密外螺纹802设计为精密细牙螺纹，采用精密细牙螺纹可以提高传动精度，精密外螺纹802的转动带动移动工作台13沿着动力输出轴8的轴向产生纳米级移动，这种结构提高了移动工作台13运动精度，精密外螺纹802的转动转换成了移动工作台13的纳米级微位移移动。
推动换档拨杆18，滑动双联齿轮17沿着中间轴移动，滑动双联齿轮17的齿轮1702与双联齿轮7的齿轮702啮合，进入II档，在II档状态下，齿轮3与齿轮21啮合，齿轮702与齿轮1702啮合，此时，输入轴1到动力输出轴8的传动比为
Figure 724346DEST_PATH_IMAGE008
，优选地z702=100，z1702=95，z21=100，z3=95时，，当输入轴1转动时，动力输出轴8将
Figure 30355DEST_PATH_IMAGE006
倍的转速产生比较小的转动，当动力输出轴8转动后，带动动力输出轴8上的精密外螺纹802转动，精密外螺纹802设计为精密细牙螺纹，采用精密细牙螺纹可以提高传动精度，精密外螺纹802的转动带动移动工作台13沿着动力输出轴8的轴向产生毫米级移动，精密外螺纹802的转动转换成了移动工作台13的毫米级微位移移动，这种结构提高了移动工作台13运动精度。
最后，还需要注意的是，以上举例仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不仅仅限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明的公开内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种宏微位移机构，包括输入轴（1）、空心轴（2）、齿轮（3）、弹性挡圈（4）、弹性挡圈（5）、套筒（6）、双联齿轮（7）、动力输出轴（8）、套筒（9）、轴承（10）、轴承端盖（11）、螺栓（12）、移动工作台（13）、轴承（14）、轴承（15）、端盖螺栓（16）、滑动双联齿轮（17）、换档拨杆（18）、中间轴（19）、行星架（20）、齿轮（21）、套筒（22）、支架（23）、轴承（24）、轴承端盖（25）、螺栓（26）、轴承（27）、轴承端盖（28）、动力输入轮（29）、螺栓（30）、密封圈（31）、螺栓（32）、弹簧（33）、调整螺母（34）、锁紧螺母（35），箱体（36），其特征在于，空心轴（2）穿过箱体（36）的轴孔通过空心轴（2）上的固定轴段（204）和固定凸台（205）由螺栓（32）固定在箱体（36）上，螺栓（32）同时固定轴承端盖（28），齿轮（3）通过花键安装到空心轴（2）上的花键（202）上，并通过弹簧挡圈（4）压紧在空心轴（2）上的凸台（203）上。
2.根据权利要求1 所述的一种宏微位移机构，其特征在于，所述齿轮（21）与齿轮（3）为无侧隙啮合，无侧隙啮合可以保证有精密的传动精度。
3.根据权利要求1 所述的一种宏微位移机构，其特征在于，所述心轴（2）为中空形状，输入轴（1）经空心轴（2）通过轴承（27）安装在箱体（36）上，所述输入轴（1）的一端安装有密封圈（31），密封圈（31）可以防止在输入轴（1）运转中箱体（36）内部的润滑油泄露，动力输入轮(29)通过螺栓(30)固定在输入轴(1)的端部。
4.根据权利要求1 所述的一种宏微位移机构，其特征在于，所述行星架(20)利用花键(2003)安装在输入轴(1)上的花键(101)上，由弹簧挡圈(5)将行星架(20)压紧在输入轴(1)的凸台(104)上，动力输出轴(8)的轴段(803)安装在输入轴(1)的光孔(103)中，所述动力输出轴(8)的轴段(803)与输入轴(1)的光孔(103)为过渡配合，过渡配合可以保证有精密的传动精度，双联齿轮(7)的花键(703)安装在动力输出轴(8)的花键(801)上，并由套筒(9)压紧在动力输出轴(8)的凸台(804)上，动力输出轴(8)通过套筒（9）和轴承(10)安装在箱体(23)上，轴承端盖(11)通过螺栓(12)固定在箱体(23)压紧在轴承(10)的外圈上。
5.根据权利要求1 所述的一种宏微位移机构，其特征在于，所述动力输出轴(8)的另一端有精密外螺纹(802)，移动工作台(13)安装在动力输出轴(8)的精密外螺纹(802)上，弹簧(33)安装在动力输出轴(8)上，弹簧(33)的一端压在移动工作台(13)上另一端由调整螺母(34)压紧，可以转动调整螺母(34)调节弹簧对移动工作台(13)的压紧程度，压紧后可以消除螺纹间隙，提高运转精度。
6.根据权利要求1 所述的一种宏微位移机构，其特征在于，所述中间轴(19)的左端安装在轴承(14)的内圈中，所述轴承(14)的外圈安装在支架(23)上，轴承端盖(15)通过螺栓(16)固定在支架(23)上并压紧轴承(14)的外圈，所述中间轴(19)的右端安装在轴承(24)的内圈中，所述轴承(24)的外圈安装在支架(23)上，轴承端盖(25)通过螺栓(26)固定在支架(23)上并压紧轴承(24)的外圈，所述中间轴(19)上设计有花键(1901)和花键(1903)，滑动双联齿轮(17)的花键(1703)与中间轴(19)上的花键(1901)配合，优选的花键(1703)与花键(1901)采用渐开线花键，渐开线花键具有很好的对中性，提高了安装精度，滑动双联齿轮(17)在换档拨杆(18)的拨动下可以在中间轴上移动，齿轮(21)安装在中间轴(19)上的花键(1903)处，在套筒(22)和轴承(24)的内圈的作用下将齿轮(21)压紧在中间轴(19)上的凸台(1904)上，所述中间轴(19)的光轴段(1902)上安装行星架(20)，行星架(20)的光孔(2001)与中间轴(19)的光轴段(1902)为过渡配合，以保证光孔(2001)与中光轴段(1902)紧密接触且能够自由相对转动。
7.根据权利要求1 所述的一种宏微位移机构，其特征在于，所述双联齿轮(7)和滑动双联齿轮(17)的轮齿的齿顶处采用圆弧形状，这种圆弧形状有助于在滑动双联齿轮(17)移动换档时，减少轮齿之间的冲击,双联齿轮(7)和滑动双联齿轮(17)的轮齿的一端的齿型采用半圆形、或者三角形、或者椭圆形，这种形式的轮齿，在在滑动双联齿轮(17)移动换档时，可以顺利引导齿轮的移动，容易换档。
8.根据权利要求1 所述的一种宏微位移机构，其特征在于，所述一种宏微位移机构有I档和II档两个档位的传动比，从而实现对移动工作台13的纳米级级驱动和毫米级驱动。
9.根据权利要求1 所述的一种宏微位移机构，其特征在于所述动力输出轴（8）转动后，带动动力输出轴（8）上的精密外螺纹（802）转动，精密外螺纹（802）设计为精密细牙螺纹，采用精密细牙螺纹可以提高传动精度，精密外螺纹（802）的转动带动移动工作台（13）沿着动力输出轴（8）的轴向产生移动，这种结构提高了移动工作台（13）运动精度，精密外螺纹（802）的转动转换成了移动工作台（13）的微位移移动。
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