CN110862035B - 一种低惯量高刚度绳索驱动直线运动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低惯量高刚度绳索驱动直线运动装置，该直线运动单元由直线轴承、固定滑轮组、动滑轮组、导向轮、滑动轴、绳索及驱动装置构成。相对于目前的直线运动装置，本发明的机构有效的减小了直线运动单元的体积和重量，采用滑轮组的配合，提高了单条绳索驱动的刚度，因此具有重量轻、惯量低、刚度高的特点。可以适用于有尺寸、重量等有限制的场合，在自动化线、机器人、医疗器械等领域，替代体积重量较大的丝杠螺母、齿轮齿条、液压缸及气压缸等直线运动部件。
Description
技术领域
本发明涉及直线运动驱动设备领域，具体涉及一种低惯量高刚度绳索驱动直线运动装置。
背景技术
直线往复驱动装置被广泛应用于工业自动化领域。常用的直线往复运动的实现方式有液压与气压驱动、电磁铁、旋转电机和直线电机等。气缸和液压缸采用压缩空气和液体推动活塞实现直线运动，推力大，但需要配合压缩机使用，且尺寸和重量较大，具有噪声；电磁铁通过通电线圈产生电磁吸力控制铁心的运动，但铁芯复位条件下运动不可控；旋转电机和直线电机的装置一般体积相对较大，结构复杂，重量较重，且旋转电机需要配合滚珠丝杠、齿轮齿条、曲柄滑动等传动机构实现直线运动。工程应用中，在一些特定的场合，如自动化线、机器人、医疗器械等领域中有尺寸、重量等限制的场合，往往传统的直线往复驱动存在尺寸、重量过大，或者配套传动结构，造成尺寸过大，无法安装的问题，因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷和问题，本发明所要解决的技术问题是：采用绳索驱动的方式设计一种直线运动装置，可以有效减少装置的体积和重量，适用于对重量和尺寸有严格要求的应用场合；常用的绳索材料有钢丝绳、迪力马等，采用绳索与滑轮组配合工作的方式，增加绳索驱动的刚度，并可以改变减速比，提高驱动扭矩。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种低惯量高刚度绳索驱动直线运动装置，包括有驱动电机和牵引绳索，固定于运动装置壳体的定滑轮和随绳索运动的动滑轮，沿着滑动轴承输出直线运动的滑动轴。
在所述的绳索驱动直线运动单元中，一股绳索从电机转轴出发，缠绕在定滑轮和动滑轮之间，并最终固定在动滑轮的中心轴上；另一股绳索通过导向滑轮缠绕在另一对定滑轮和动滑轮组之间，并最终固定在动滑轮的中心轴上。
在所述的绳索驱动直线运动单元中，动滑轮与滑动轴连接；绳索驱动动滑轮运动，从而驱动滑动轴输出直线运动。
在所述的绳索驱动直线运动单元中，定滑轮和导向滑轮通过滑轮固定座与运动单元的壳体连接，壳体端部可以通过连接件固定于固定装置或其它零部件上。
所述的绳索驱动直线运动单元由电机驱动绳索，绳索缠绕在滑轮上，驱动时多股绳索受力，减速比和输出力与受力绳索的股数相同，输出刚度是单股绳索刚度的绳索股数的平方倍。
本发明亦可以做结构的改变，调整绳索在滑轮上的缠绕和固定方式，改变定滑轮和动滑轮的个数可以改变连接动滑轮和定滑轮的绳索股数，从而获得不同的减速比、输出力和输出刚度。
本发明通过增加小动滑轮或者减少小定滑轮的数量，以及改变绳索固定点的位置，从而改变驱动时受力的绳子的股数，进而改变减速比，即驱动时受力绳子的股数为n，减速比则变为n，滑动轴的输出力为单根绳索受力的n倍，输出刚度则为单根绳索的n*n倍，其中n取大于等于1的自然数。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
1）该方案可以有效减少直线运动单元装置的体积和重量，具有低惯量的特性，适用于对重量和尺寸有严格要求的应用场合；
2）该方案采用绳索与滑轮组配合工作的方式，可增加绳索驱动的刚度，输出刚度为单根绳索刚度的绳子股数的平方倍；
3）该方案通过改变滑轮的数目和绳索固定点，可以改变直线运动单元的传动比、输出力和输出刚度的大小。
附图说明
图1. 低惯量高刚度绳索驱动直线运动装置的结构示意图；
图2. 减速比为4的绳索驱动直线运动单元的结构示意图；
图3. 减速比为2的绳索驱动直线运动单元的结构示意图；
其中：1.连接件，2.定滑轮固定座，3.大定滑轮，4.动滑轮，5.小定滑轮，6.滑动轴，7.直线轴承，8.壳体，9.动滑轮固定座，10.导向滑轮，11.绳索，12.驱动电机，13.小动滑轮。
具体实施方式
为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1：如图1所示，本发明提供一种通过滑轮和绳索驱动的低惯量、高刚度的绳索驱动直线运动装置，所述运动单元由驱动电机12带动绳索11在运动单元上的滑轮组间运动，驱动动滑轮4运动，滑动轴6与动滑轮4通过动滑轮固定座9相连接，实现滑动轴6的直线运动，滑动轴6的端部可以输出运动与力。所述的绳索11有两段，其中一段的一端固定在电机的输出轴上，通过左侧大定滑轮3绕在左侧动滑轮4上，通过动滑轮4后又在左侧小定滑轮5上绕一圈并最终固定于左侧动滑轮4的轴上，所述的左侧大定滑轮3和左侧小定滑轮5旋转中心重合。所述的绳索11另一段的一端也固定于驱动电机的输出轴上，通过导向滑轮10调整方向后，缠绕在右侧大定滑轮3上，然后绕向右侧动滑轮4，经右侧小定滑轮5绕一圈后固定于右侧动滑轮4的轴上，所述的左侧大定滑轮3和左侧小定滑轮5旋转中心重合。所述的导向滑轮10、大定滑轮3和小定滑轮5通过滑轮固定座2固定于壳体8上，所述的壳体8端部可以通过连接件1与固定装置或其他零部件相连接。所述的壳体8上固定有直线轴承7，滑动轴6沿着直线轴承7运动，所述的滑动轴6通过动滑轮固定座9与动滑轮4连接。本发明实施例1滑轮组中受力的绳子股数为3，减速比为3，滑动轴输出力为单根绳索受力的3倍，输出刚度则为单根绳索刚度的9倍，即绳子股数的平方的倍数，因此具有输出刚度高的特性。
本发明可以通过改变滑轮的数目和绳索固定点，而改变传动比和输出刚度，假设滑轮组中受力绳子的股数为n，减速比则变为n，滑动轴的输出力为单根绳索受力的n倍，输出刚度则为单根绳索刚度的n*n倍，其中n取大于等于1的自然数，n的优选取值范围为2-8。如果n为1，则输出刚度与单根伸缩刚度相同，机构虽然更容易减小尺寸，但是无法发挥机构输出高刚度的优势。如果n大于8，虽然机构的输出刚度会极大的增加，但是机构会因为滑轮数目的增加而变得结构复杂，这时候需要设计更复杂巧妙的大减速比滑轮组来实现。
实施例2：如图2所示，通过增加小动滑轮13，并将绳索11固定在左右两侧定滑轮5的中心轴上，驱动时受力的绳子股数变为4，减速比则变为4，滑动轴6的输出力为单根绳索受力的4倍，输出刚度为单根绳索的16倍。
实施例3：如图3所示，通过减少小定滑轮5，并将绳索11固定在左右两侧大定滑轮3的中心轴上，驱动时受力的绳子股数变为2，减速比则变为2，滑动轴6的输出力为单根绳索受力的2倍，输出刚度变为单根绳索的4倍。
上述实施例是本发明的三种优选实施方式，通过改变滑轮数目可以实现任意传动比、输出力及输出刚度的改变，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，任何对本发明进行改进和同等替换后的技术方案，均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种低惯量高刚度绳索驱动直线运动装置，其特征在于，所述装置包括连接件（1）、定滑轮固定座（2）、大定滑轮（3）、动滑轮（4）、小定滑轮（5）、滑动轴（6）、直线轴承（7）、壳体（8）、动滑轮固定座（9）、导向滑轮（10）、绳索（11）和驱动电机（12），
所述导向滑轮（10）、大定滑轮（3）和小定滑轮（5）通过滑轮固定座（2）固定于壳体（8）上，所述的壳体（8）端部通过连接件（1）与固定装置或其他零部件相连接；
所述壳体（8）上固定有直线轴承（7），滑动轴（6）沿着直线轴承（7）运动，所述的滑动轴（6）通过动滑轮固定座（9）与动滑轮（4）连接；
所述驱动电机（12）带动绳索（11）在运动装置上的滑轮组间运动，驱动动滑轮（4）运动，滑动轴（6）与动滑轮（4）通过动滑轮固定座（9）相连接，实现滑动轴（6）的直线运动，滑动轴（6）的端部输出运动与力；
所述绳索（11）有两段，其中一段的一端固定在电机的输出轴上，通过左侧大定滑轮（3）绕在左侧动滑轮（4）上，通过动滑轮（4）后又在左侧小定滑轮（5）上绕一圈并最终固定于左侧动滑轮（4）的轴上，所述左侧大定滑轮（3）和左侧小定滑轮（5）旋转中心重合；
所述绳索（11）另一段的一端也固定于驱动电机的输出轴上，通过导向滑轮（10）调整方向后，缠绕在右侧大定滑轮（3）上，然后绕向右侧动滑轮（4），经右侧小定滑轮（5）绕一圈后固定于右侧动滑轮（4）的轴上，所述的左侧大定滑轮（3）和左侧小定滑轮（5）旋转中心重合。
2.根据权利要求1所述的低惯量高刚度绳索驱动直线运动装置，其特征在于，驱动时受力的绳子股数为3，减速比为3，滑动轴输出力为单根绳索受力的3倍，输出刚度则为单根绳索的9倍。
3.根据权利要求1所述的低惯量高刚度绳索驱动直线运动装置，其特征在于，通过增加小动滑轮或者减少小定滑轮的数量，以及改变绳索固定点的位置，从而改变驱动时受力的绳子的股数，进而改变减速比，即驱动时受力绳子的股数为n，减速比则变为n，滑动轴的输出力为单根绳索受力的n倍，输出刚度则为单根绳索的n*n倍，其中n取大于等于1的自然数。
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