CN111039221A - 一种轻型丝杆升降机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻型丝杆升降机构，包括升降桶模块、驱动模块、丝杆模块和连接模块。升降桶模块包括n个升降桶。驱动模块包括电机、传动齿轮一和传动齿轮二。丝杆模块包括n节丝杆；位于内侧的丝杆首端从与之相邻的位于外侧的丝杆的首端向外伸出；除最内侧丝杆外，其余丝杆首端均设有一丝杆螺母；每节丝杆的末端安装有一导向螺母；最内侧丝杆首端与传动齿轮二相连。连接模块包括n块连接板；除最内侧升降桶中的连接板外，其余升降桶中的连接板上均安装有轴承；最外侧升降桶内的连接板与最外侧丝杆上的丝杆螺母相连；除最外侧丝杆上的丝杆螺母外，其余丝杆螺母依次装配在各轴承中。本发明具有尺寸小、重量轻、行程大、运行稳定可靠等特点。

Description

一种轻型丝杆升降机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种轻型丝杆升降机构。

背景技术

随着机器人行业的迅速发展，覆盖的行业面积越来越大，机器人对性能要求越来越苛刻，要求机器人尺寸小、重量轻、使用安全可靠。例如在电力、轨道交通行业的巡检机器人，由于其使用工况的要求，机器人需要巡检的高度范围较大，最低点到最高点的行程有1600mm，个别特殊环境甚至到达2000mm。这对于机器人的升降系统而言是个较大的挑战，需要升降系统做到多级才行。现在市面上的多级升降机构，有钢丝绳升降、带传动升降，链条升降以及丝杆升降，但各自都有相应的缺陷。钢丝绳、带传动升降靠的是自身重力下降，升降过程中整体刚度差，抗外界干扰能力低，机构的整体可靠性较低；链条升降靠的是链条之间的90°限位产生刚度来传递运动，但是由于链条本身尺寸因素，收缩起来尺寸较大，使其使用的局限性较大；而市场上的丝杆升降，大部分只有三到四级，而且其升降过程的稳定性靠的各级桶之间过盈配合来保证的，这一方面需要升降桶自身刚度高，随之而来的是桶的壁厚大，整体的尺寸大，重量重；另一方面需要电机的力矩大，否则力矩不够克服自身重力以及桶之间较大的摩擦力。目前来说，尺寸小、重量轻、行程大、运行稳定可靠的升降机构还是比较稀缺的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轻型丝杆升降机构，该机构能够解决现有技术中存在的不足，具有尺寸小、重量轻、行程大、运行稳定可靠等特点。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种轻型丝杆升降机构，包括升降桶模块、驱动模块、丝杆模块和连接模块。

所述升降桶模块包括升降桶模块主体和用于固定升降桶模块主体的升降桶固定框架；所述升降桶模块主体包括从外向内依次嵌套设置的n个升降桶，相邻升降桶之间滑动配合；其中，n为正整数。

所述驱动模块包括安装在升降桶固定框架上的电机、与电机输出轴相连的传动齿轮一以及与传动齿轮一啮合相连的传动齿轮二。

所述丝杆模块包括从外向内依次嵌套设置的n节导程相同的丝杆；位于内侧的丝杆的首端从与之相邻的位于外侧的丝杆的首端向外伸出；除最内侧的丝杆外，其余丝杆的首端均设有一个丝杆螺母；各个丝杆螺母分别和与其所在丝杆相邻的内侧的丝杆螺纹配合；每节丝杆的末端安装有一个导向螺母；最内侧丝杆的首端与传动齿轮二相连。

所述连接模块包括n块连接板；n块连接板分别安装在n个升降桶内；除最内侧升降桶中的连接板外，其余升降桶中的连接板上均安装有轴承；最外侧升降桶内的连接板与最外侧丝杆上的丝杆螺母相连；除最外侧丝杆上的丝杆螺母外，其余丝杆螺母依次装配在各个轴承中。

进一步的，相邻升降桶之间通过导轨滑块滑动配合；所述升降桶的顶部外周设有桶边盖板；所述导轨滑块布置在升降桶相对两侧，且n个升降桶上的导轨滑块是错开排列的；所述导轨滑块包括导轨和与导轨滑动配合的滑块。

进一步的，所述升降桶固定框架包括底板和位于底板一端上方的升降桶固定架；所述升降桶模块主体中的最外侧的升降桶安装在升降桶固定架上。

进一步的，所述轴承上端安装有轴承压板。

进一步的，n等于6。

进一步的，所述电机通过电机固定支架安装在底板另一端上方；所述传动齿轮一位于电机的下方；所述传动齿轮二位于升降桶模块主体的下方。

进一步的，6节丝杆的直径从外向内依次减小，最外侧丝杆的直径为40mm，最内侧丝杆的直径为8mm；除最内侧丝杆外，其余丝杆均为空心的，壁厚为3.2mm。

进一步的，最外侧升降桶中的连接板上开设有线路过孔。

进一步的，所述丝杆采用航空铝材料。

进一步的，所述丝杆螺母采用PEEK加碳纤维的复合材料。

和现有技术相比 ，本发明的有益效果为：

（1）本发明采用包含多节丝杆的丝杆模块实现多个嵌套设置的升降桶的升降，升降行程大，具有很大的拉伸收缩比，而且在升降行程一定的情况下可以有效的缩小机器人的体积。

（2）本发明中的丝杆模块是采用多节丝杆嵌套从外向内依次嵌套设置，相邻两丝杆体积增幅小，丝杆模块整体尺寸小、重量轻。

（3）本发明中的n个升降桶之间采用导轨滑块来保证滑动，这样可以有效的减小升降桶之间的摩擦力，减小驱动电机的扭矩，为驱动电机的选型提供便利。

（4）本发明中的升降桶模块主体和丝杆模块通过轴承连接在一起，使每一节升降桶升降都有固定和支撑，极大的提高了升降过程的稳定性。

综上所述，本发明既解决了钢丝绳、同步带的刚度问题，相比链条升降而言整体尺寸又大幅减小；同时与传统的丝杆升降相比，级数多，拉伸收缩比大，尺寸小，稳定性更高，在各个综合性能方面都得到提升。本发明适用于轮式机器人和轨道式机器人，具有尺寸小、重量轻、行程大、运行稳定可靠等特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的爆炸结构示意图；

图3是本发明的俯视图；

图4是升降桶模块主体的结构示意图一；

图5是升降桶模块主体的结构示意图二；

图6是升降桶固定框架的结构示意图；

图7是驱动模块的结构示意图；

图8是丝杆模块的结构示意图；

图9是连接模块的结构示意图；

图10是丝杆模块安装到连接模块的示意图。

其中：

100、升降桶模块，101、升降桶，102、桶边盖板，103、导轨滑块，200、升降桶固定框架，201、升降桶固定架，202、底板，300、驱动模块，301、电机，302、驱动齿轮一，303、驱动齿轮二，304、电机固定支架，400、丝杆模块，401、丝杆一、402、丝杆二，403、丝杆三，404、丝杆四，405、丝杆五，406、丝杆六，407、导向螺母一，408、导向螺母二，409、导向螺母三，410、导向螺母四，411、导向螺母五，412、导向螺母六，413丝杆螺母一，414、丝杆螺母二，415、丝杆螺母三，416、丝杆螺母四，417、丝杆螺母五，500、连接模块，600、卡簧模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-图3所示的一种轻型丝杆升降机构，包括升降桶模块100、驱动模块300、丝杆模块400和连接模块500。本实施例以6个升降桶为例，介绍下本发明所述的轻型丝杆升降机构。丝杆模块400安装在升降桶模块主体内，丝杆模块400和升降桶模块主体是通过连接模块500相连的，驱动模块300和升降桶模块主体一起固定在升降桶固定框架200上。驱动模块300中的电机301通过两个传动齿轮（传动齿轮一302和传动齿轮二303）将动力传到丝杆模块400，丝杆转动带动升降桶模块主体一起上下运动。

如图4-图6所示，所述升降桶模块100包括升降桶模块主体和用于固定升降桶模块主体的升降桶固定框架200；所述升降桶模块主体包括从外向内依次嵌套设置的6个升降桶101。

相邻升降桶101之间通过导轨滑块103滑动配合，以保证各个升降桶上下运行顺畅。所述升降桶101的顶部外周设有桶边盖板102，起到限位的作用，当内侧的升降桶从高处下降时，内侧升降桶上的桶边盖板102能够被外侧升降桶上的桶边盖板阻挡住，防止两个升降桶分离开。所述导轨滑块103布置在升降桶相对两侧，以保证升降桶上下滑动的刚度。6个升降桶101上的导轨滑块103是错开排列的，这样是为了避免升降桶某一方向上的尺寸快速增加，以减小升降桶模块整体的尺寸和重量。所述导轨滑块103包括导轨和与导轨滑动配合的滑块。以三个升降桶为例，说明下导轨滑块103在升降桶101上的布置情况：设从内向外依次设置的三个升降桶分别为升降桶A、升降桶B和升降桶C。若在升降桶A的前后两端（或左右两端）的外侧壁上分别安装有一导轨一，则在升降桶B的前后两端（或左右两端）的内侧壁上分别设有一与导轨一滑动配合的滑块一，在升降桶B的左右两端（或前后两端）的外侧壁上分别设有一导轨二，在升降桶C的左右两端（或前后两端）的内侧壁上分别设有一与导轨二滑动配合的滑块二。只要能实现滑动配合的关系，导轨装在内侧的升降桶上，还是装在外侧的升降桶上都是可以的。

所述升降桶固定框架200包括底板202和位于底板202一端上方的升降桶固定架201；所述升降桶模块主体中的最外侧的升降桶安装在升降桶固定架201上，这样能够保证整个机构的刚度。升降桶模块主体、丝杆模块400、连接模块500和驱动模块300先装配到升降桶固定框架200上，再将升降桶固定框架200固定到其他部件上。

如图7所示，所述丝杆模块400包括从外向内依次嵌套设置的6节导程相同的丝杆。位于内侧的丝杆的首端从与之相邻的位于外侧的丝杆的首端向外伸出；除最内侧的丝杆外，其余丝杆的首端均设有一个丝杆螺母。各个丝杆螺母分别和与其所在丝杆相邻的内侧的丝杆螺纹配合。每节丝杆的末端安装有一个导向螺母。；最内侧丝杆的首端与传动齿轮二303相连。

从图7可以看出，丝杆螺母的数量为5个，导向螺母的数量为6个。以图6所示方向来说，丝杆的首端指图6中的丝杆的下端，丝杆的末端指图6中的丝杆的上端。6节丝杆是一节套一节的，除最内侧的丝杆401是实心以外，其他5节丝杆402~405都是中空的。

所述六节丝杆是由6根导程相同的丝杆组成。六节丝杆401~406的直径从内向外依次为10mm、16mm、22mm、28mm、34mm、40mm。除位于最内侧的丝杆401（直径最小的丝杆）是实心以外，其他5节丝杆402~406都是中空的，5节中空的丝杆402-406的壁厚为3.2mm。六节丝杆、5个丝杆螺母、6个导向螺母装配成整体，一节套一节，每一节丝杆的首端从紧邻的丝杆的首端伸出，靠导向螺母与丝杆螺母接触来限位；整体收缩靠相邻丝杆上的导向螺母之间接触来限位。设6节丝杆从内向外（或者直径从小到大）依次为丝杆一401、丝杆二402、丝杆三403、丝杆四404、丝杆五405和丝杆六406，丝杆二402、丝杆三403、丝杆四404、丝杆五405和丝杆六406上的丝杆螺母分别为丝杆螺母一413、丝杆螺母二414、丝杆螺母三415、丝杆螺母四416和丝杆螺母五417，丝杆一401、丝杆二402、丝杆三403、丝杆四404、丝杆五405和丝杆六406上的导向螺母分别为导向螺母一407、导向螺母二408、导向螺母三409、导向螺母四410、导向螺母五411和导向螺母六412。丝杆二402、丝杆三403、丝杆四404、丝杆五405和丝杆六406的前端分别与丝杆螺母一413、丝杆螺母二414、丝杆螺母三415、丝杆螺母四416、丝杆螺母五417固连到一起，六节丝杆401-406的末端分别用导向螺母一407、导向螺母二408、导向螺母三409、导向螺母四410、导向螺母五411和导向螺母六412锁紧。6节嵌套丝杆伸出运动过程是：丝杆一401转动伸出，直到丝杆一401的末端导向螺母一407与丝杆二402上的丝杆螺母一413接触，继续转动，丝杆一401和丝杆二402形成一个整体，会带动丝杆二402一起转动伸出；同理，当丝杆二402的末端导向螺母二二408与丝杆三403上的丝杆螺母二414接触后，丝杆一401、丝杆二402以及丝杆三403会形成一个整体，带动丝杆三403一起转动伸出。类似的，丝杆四404、丝杆五405、丝杆六406都会以这样相同的方式伸出。6节嵌套丝杆收缩运动过程是：丝杆一401转动回缩，直到丝杆一401的末端导向螺母一407与丝杆二402的末端导向螺母二408接触后，丝杆一401和丝杆二402形成一个整体，会带动丝杆二402一起转动回缩；同理，丝杆三403、丝杆四404、丝杆五405、丝杆六406都会以相同的方式回缩。

如图8所示，所述驱动模块300包括安装在升降桶固定框架200上的电机301、与电机301输出轴相连的传动齿轮一302以及与传动齿轮一302啮合相连的传动齿轮二303。所述电机301通过电机固定支架304安装在底板202另一端上方；所述传动齿轮一302位于电机301的下方；所述传动齿轮二303位于升降桶模块主体的下方。电机固定支架304上开设有腰型孔，可以对驱动模块在升降桶固定框架200上的安装位置进行调节。传动齿轮二303与位于最内侧的丝杆（丝杆一401）相连。电机301通过传动齿轮一302和传动齿轮二303将动力传递到丝杆模块400上，丝杆模块400再通过轴承和连接板，带动升降桶模块主体一起上下运动。

如图9所示，所述连接模块包括6块连接板；6块连接板分别安装在6个升降桶内；除最内侧升降桶中的连接板外，其余升降桶中的连接板上均安装有轴承；最外侧升降桶内的连接板与最外侧丝杆上的丝杆螺母相连；除最外侧丝杆上的丝杆螺母外，其余丝杆螺母依次装配在各个轴承中。所述轴承上端安装有轴承压板，保证轴承被稳定地固定在连接板上。

按照升降桶从内到外的顺序，六个升降桶中的连接板是由小到大变化的。每一块连接板分别固定在相应的升降桶上。其中，位于最内侧的升降桶中的连接板是直接与丝杆螺母五连接的，其他五块连接板上都安装有轴承。如图9所示：从内往外第二层，轴承507安装在轴承安装板506上，上面通过轴承压板508把轴承507固定在轴承安装板506内；从内往外第三层，轴承509安装在轴承安装板504上，上面通过轴承压板510把轴承509固定在轴承安装板504内；从内往外第四层，轴承511安装在轴承安装板503上，上面通过轴承压板512把轴承511固定在轴承安装板503内；从内往外第五层，轴承513安装在轴承安装板502上，上面通过轴承压板514把轴承513固定在轴承安装板502内；最外层，轴承515安装在轴承安装板501上，上面通过轴承压板516把轴承515固定在轴承安装板501内。丝杆螺母穿过轴承，通过卡簧模块600把丝杆固定在轴承上。如图10所示，卡簧模块600包括五根卡簧517~521，卡簧517、518、519、520、521分别固定丝杆螺母五417、丝杆螺母四416、丝杆螺母三415、丝杆螺母二414、丝杆螺母一413上开设的卡簧槽内，用于将丝杆和轴承连接在一起。这样丝杆固定在轴承上，轴承固定在连接板上，连接板固定在升降桶上。丝杆、轴承、连接板、升降桶整体连接起来了。

本实施例做6节升降的目的是：6节丝杆具有很大的伸长收缩比（相对于5节来说）。而超过6节，整体的尺寸会突然变得很大，因为对于升降桶而言，桶的尺寸取决于轴承安装板的尺寸以及走线的空间。对于6节丝杆来说来说，最大的轴承内径30mm，外径37mm，轴承安装板的宽度需要44mm，最小桶的宽度可以做到44；而到7节以后，轴承内径35mm，外径是47mm，那轴承安装板的尺寸54mm，那最小的一节桶的宽度就需要54mm，整机的尺寸、重量又会相对来说增加加大。

本发明的工作过程为：

以上升过程为例：电机带动丝杆转动，丝杆转动带动轴承转动，轴承在空转，与之相连的连接板和升降桶是不动的；只有最内侧的升降桶中没有安装轴承，该升降桶通过连接板与丝杆螺母相连，这时候丝杆转动会带动最大一节丝杆螺母上升，与之相连的最内层升降桶会随着一起上升；当最内层升降桶（或者丝杆）上升到极限位置时，这时候电机继续转动，丝杆六和丝杆五会结合成一体开始转动，带动从外向内数的倒数第二层升降桶开始上升。当倒数第二层升降桶上升到极限位置时，这时候电机继续转动，丝杆六、五、四会结合成一体开始转动，带动从外向内数的倒数第三层升降桶开始上升；当倒数第三层升降桶上升到极限位置时，这时候电机继续转动，丝杆六、五、四、三会结合成一体开始转动，带动从外向内数的倒数第四层升降桶开始上升；当倒数第四层升降桶上升到极限位置时，这时候电机继续转动，丝杆六、五、四、三、二会结合成一体开始转动，带动从外向内数的倒数第五层升降桶开始上升；当倒数第五层升降桶上升到极限位置时，这时候电机继续转动，此时丝杆已经全部伸出，整个机构上升到最大行程，上升过程结束。同理下降过程是这样的过程。

本发明解决了人们一直渴望解决但始终未能获得成功的技术难题，具体包括以下技术难题：

1、本发明中的丝杆模块采用6节丝杆嵌套，最大一节丝杆的尺寸直径为40mm，最小一节丝杆直径为8mm，每一节丝杆的壁厚在3.2mm左右，在这么多节丝杆尺寸伸缩的情况下，尺寸如此小，现有技术中上还未曾有过。

2、本发明中的丝杆采用了特殊材料以及工艺，在6节丝杆整体长度达到370mm的长度下，丝杆模块的整体重量不到1kg。重量如此轻的6节丝杆，在现有技术中上还未曾有过。本发明中的丝杆本身材料采用航空铝，在保证强度的情况下，质量又轻。丝杆螺母采用强度高、耐磨性好、重量轻的PEEK加碳纤维的复合材料，重量不仅轻，同时还能克服市场上金属螺母声音响的问题。

3、本发明有很高的伸长收缩比。以6节丝杆和6节升降桶为例，本发明的伸长收缩比可以达到4.5（伸长1500mm/收缩330mm），而现有技术中的丝杆升降机构的伸长收缩比只有2~3.5。

4、本发明在整体尺寸小、空间小的情况下，同时考虑到了升降过程中的内部走线、通讯，更加实用化，而市场上的大部分升降机构，走线都是从机构外部走的，使其应用局限性受阻。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种轻型丝杆升降机构，其特征在于：包括升降桶模块、驱动模块、丝杆模块和连接模块；

所述升降桶模块包括升降桶模块主体和用于固定升降桶模块主体的升降桶固定框架；所述升降桶模块主体包括从外向内依次嵌套设置的n个升降桶，相邻升降桶之间滑动配合；其中，n为正整数；

所述驱动模块包括安装在升降桶固定框架上的电机、与电机输出轴相连的传动齿轮一以及与传动齿轮一啮合相连的传动齿轮二；

所述丝杆模块包括从外向内依次嵌套设置的n节导程相同的丝杆；位于内侧的丝杆的首端从与之相邻的位于外侧的丝杆的首端向外伸出；除最内侧的丝杆外，其余丝杆的首端均设有一个丝杆螺母；各个丝杆螺母分别和与其所在丝杆相邻的内侧的丝杆螺纹配合；每节丝杆的末端安装有一个导向螺母；最内侧丝杆的首端与传动齿轮二相连；

所述连接模块包括n块连接板；n块连接板分别安装在n个升降桶内；除最内侧升降桶中的连接板外，其余升降桶中的连接板上均安装有轴承；最外侧升降桶内的连接板与最外侧丝杆上的丝杆螺母相连；除最外侧丝杆上的丝杆螺母外，其余丝杆螺母依次装配在各个轴承中。

2.根据权利要求1所述的一种轻型丝杆升降机构，其特征在于：相邻升降桶之间通过导轨滑块滑动配合；所述升降桶的顶部外周设有桶边盖板；所述导轨滑块布置在升降桶相对两侧，且n个升降桶上的导轨滑块是错开排列的；所述导轨滑块包括导轨和与导轨滑动配合的滑块。

3.根据权利要求1所述的一种轻型丝杆升降机构，其特征在于：所述升降桶固定框架包括底板和位于底板一端上方的升降桶固定架；所述升降桶模块主体中的最外侧的升降桶安装在升降桶固定架上。

4.根据权利要求1所述的一种轻型丝杆升降机构，其特征在于：所述轴承上端安装有轴承压板。

5.根据权利要求1所述的一种轻型丝杆升降机构，其特征在于：n等于6。

6.根据权利要求2所述的一种轻型丝杆升降机构，其特征在于：所述电机通过电机固定支架安装在底板另一端上方；所述传动齿轮一位于电机的下方；所述传动齿轮二位于升降桶模块主体的下方。

7.根据权利要求5所述的一种轻型丝杆升降机构，其特征在于：6节丝杆的直径从外向内依次减小，最外侧丝杆的直径为40mm，最内侧丝杆的直径为8mm；除最内侧丝杆外，其余丝杆均为空心的，壁厚为3.2mm。

8.根据权利要求1所述的一种轻型丝杆升降机构，其特征在于：最外侧升降桶中的连接板上开设有线路过孔。

9.根据权利要求1所述的一种轻型丝杆升降机构，其特征在于：所述丝杆采用航空铝材料。

10.根据权利要求1所述的一种轻型丝杆升降机构，其特征在于：所述丝杆螺母采用PEEK加碳纤维的复合材料。

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