CN111750060A - 一种利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构和工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构和工作方法，包括部件、传动件和丝杆，部件能够沿中心轴转动，传动件滑动安装在部件上并与丝杆的螺母转动连接，且传动件的滑动方向与丝杆呈夹角；当丝杆转动时，带动螺母沿丝杆直线运动，螺母带动传动件在部件上滑动的同时带动部件沿中心轴转动，从而实现通过丝杆驱动部件转动。本发明的有益效果是：1、通过巧妙的传动装置，实现了利用丝杆驱动部件精密转动，从而大大提高了部件转动时的控制精度；2、力的损失小，传动效率高；3、能够用于任何需要精密控制转动角度的领域，尤其是需要远距离对准或校准的领域，使用范围广；4、结构稳定可靠，易于获得，成本低，适于工业成产。

Description

一种利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构和工作方法
技术领域
本发明涉及一种传动机构技术领域，特别是涉及一种利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构和工作方法。
背景技术
某个部件的转动通常是通过电机直接驱动，这种驱动方式精度低，无法满足对转动角度的精确控制，而滚珠丝杆是一种高精度、可逆性和高效率的精密仪器，如何通过滚珠丝杆驱动部件，从而实现高效率的传动及精密的圆弧转动，是现目前还未解决的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构和工作方法。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构，包括部件、传动件和丝杆，所述部件能够沿中心轴转动，所述传动件滑动安装在部件上并与丝杆的螺母转动连接，且所述传动件的滑动方向与丝杆呈夹角；在用于支撑丝杆的支撑座上设置有螺母接近开关，螺母接近开关的信号输出端与控制器的螺母接近信号输入端相连；
当所述丝杆转动时，带动螺母沿丝杆直线运动，螺母带动传动件在部件上滑动的同时带动部件沿中心轴转动，从而实现通过丝杆驱动部件转动。
在本发明的一种优选实施方式中，所述部件安装在底座的弧形导轨上，所述丝杆设置在底座上，并位于部件上方，所述部件的转动平面、传动件与部件之间的滑动平面、丝杆的中轴线三者相互平行。采用以上结构，布置合理，安装结构稳定可靠，利于力的高效传递。
在本发明的一种优选实施方式中，所述弧形导轨、传动件和丝杆均靠近部件的边缘，且所述丝杆与弧形导轨相切。采用以上结构，增长力臂，使部件更易转动，丝杆与弧形导轨相切，使传动效率更高，减少力的损失。
在本发明的一种优选实施方式中，所述螺母上设置有连接轴，所述传动件上设置有与连接轴轴孔配合的安装孔，所述螺母通过连接轴能转动地安装在传动件的安装孔内，并配备有轴承。采用以上结构，安装结构稳定可靠，减少螺母与传动件之间的摩擦力，提高传动效率。
在本发明的一种优选实施方式中，在所述部件上设置有两条平行的滑轨，所述安装孔位于传动件的中部，所述传动件的两端分别安装在对应的滑轨上。采用以上结构，传动件滑动流畅，摩擦力小。
在本发明的一种优选实施方式中，所述丝杆为滚珠丝杆。采用以上结构，滚柱丝杆精度高，效率高。
在本发明的一种优选实施方式中，在支撑座上设置有用于计数驱动丝杆转动的驱动电机的驱动轴旋转圈数的计数器，计数器的计数输出端与控制器的计数输入端相连，驱动电机的正反转信号控制端与控制器的正反转信号输出端相连。精确控制丝杆上的螺母行走位移。
本发明还公开了一种利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构的工作方法，包括以下步骤：
S1，系统初始化；
S2，输入设备安装座终点坐标命令；
S3，控制器控制驱动电机工作，使其设备安装座抵达终点坐标。
在本发明的一种优选实施方式中，在步骤S1中包括以下步骤：
S11，建立XYZ坐标系，其建立XYZ坐标系的方法为：
S111，以中心轴在底座上的正投影为XYZ坐标系的原点；
S112，作丝杆在底座上的正投影，得到线段A；
S113，对步骤S112中得到的线段A作垂直平分线，得到直线B，直线B指向丝杆方向为X轴；
S114，在线段A的投影面内作垂直于X轴的直线C，直线C指向驱动电机相反方向为Y轴；
S115，作线段A的投影面的垂线D，垂线D指向球铰方向为Z轴；
S12，获取当前设备安装座的位置坐标，若当前设备安装座的位置坐标为(X1,Y1,Z1)，起点坐标为(X0,Y0,Z0)；
S13，若(X1-X0)＞0且(Y1-Y0)＞0，则控制器向驱动电机发送正转控制信号，控制丝杆上的螺母向驱动电机方向移动，其驱动电机的驱动轴旋转圈数为：
Figure BDA0002533056430000031
其中，L′为以丝杆为弦的圆心与丝杆中点的距离，R表示驱动电机的驱动轴半径，n表示驱动电机的驱动轴旋转圈数，k表示驱动电机的驱动轴旋转圈数与螺母行程的旋转行程因子比；
若(X1-X0)＞0且(Y1-Y0)＜0，则控制器向第一驱动电机发送反转控制信号，控制第一丝杆上的螺母向第一驱动电机相反方向移动，其第一驱动电机的驱动轴旋转圈数为：
Figure BDA0002533056430000032
在本发明的一种优选实施方式中，在步骤S3中包括以下步骤：
S31，获取设备安装座的待转动至终点坐标，若设备安装座的待转动至终点坐标为(X2,Y2,Z2)，起点坐标为(X0,Y0,Z0)；
S32，若(X2-X0)＞0且(Y2-Y0)＞0，则控制器向驱动电机发送正转控制信号，控制丝杆上的螺母向驱动电机方向移动，其驱动电机的驱动轴待旋转圈数为：
Figure BDA0002533056430000041
其中，L为以丝杆为弦的圆心与丝杆中点的距离，R表示驱动电机的驱动轴半径，n′表示驱动电机的驱动轴待旋转圈数，k表示驱动电机的驱动轴旋转圈数与螺母行程的旋转行程因子比；
若(X2-X0)＞0且(Y2-Y0)＜0，则控制器向驱动电机发送反转控制信号，控制丝杆上的螺母向驱动电机相反方向移动，其驱动电机的驱动轴待旋转圈数为：
Figure BDA0002533056430000042
在本发明的一种优选实施方式中，当控制器接收到螺母第一接近开关输出的信号，则控制器向第一驱动电机发送停止反转信号，之后控制器只能向第一驱动电机发送正转信号；
当控制器接收到螺母第二接近开关输出的信号，则控制器向第一驱动电机发送停止正转信号，之后控制器只能向第一驱动电机发送反转信号。
作为优选，在所述部件上设置有设备安装座。采用以上结构，设备安装座可用于安装设备，从而实现对设备的校准、角度或位置的精确调整等。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明能够：1、通过巧妙的传动装置，实现了利用丝杆驱动部件精密转动，从而大大提高了部件转动时的控制精度；2、力的损失小，传动效率高；3、能够用于任何需要精密控制转动角度的领域，尤其是需要远距离对准或校准的领域，使用范围广；4、结构稳定可靠，易于获得，成本低，适于工业成产。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明的结构示意图。
图2为螺母的结构示意图。
图3为球铰的安装结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构，主要由部件1、传动件2、丝杆3、滑轨4、底座5和弧形导轨6组成。
如图1和图3所示，部件1安装在底座5的弧形导轨6上，且能够沿中心轴转动，本实施例中，中心轴为虚拟轴，弧形导轨6由两段左右对称布置的分导轨组成，部件1的两端分别安装在对应的分导轨上，在部件1的转动中心设置球铰10，在底座5上设置有用于安装球铰10的安装轴9，安装轴9下端固定在底座5，上端穿过部件1的中心孔，部件1与安装轴9之间具有环形缝隙，球铰10的球头固定在安装轴9顶端，在球铰10外设置有外罩11，外罩11的上端与球铰10的球座固定连接，下端与部件1固定连接，球铰10能够有效提高部件1的平衡性，使部件1转动时更为平稳。
进一步地，部件1为板状结构并作为平台使用，在部件1上设置设备安装座7，设备安装座7用于安装需要精确调整角度或位置的设备，扩大了本机构的使用范围。
如图1和图2所示，丝杆3设置在底座5上，并位于部件1上方，传动件2滑动安装在部件1上并与丝杆3的螺母301转动连接，且传动件2的滑动方向与丝杆3呈夹角，本实施例中，在部件1上设置有两条平行的滑轨4，传动件2的两端分别安装在对应的滑轨4上，螺母301上设置有连接轴301a，传动件2的中部设置有与连接轴301a轴孔配合的安装孔，螺母301通过连接轴301a能转动地安装在传动件2的安装孔内，并配备有轴承。进一步地，丝杆3为高精度的滚珠丝杆，部件1的转动平面、传动件2与部件1之间的滑动平面、丝杆3的中轴线三者相互平行，弧形导轨6、传动件2和丝杆3均靠近部件1的边缘，且丝杆3与弧形导轨6相切，有效提高传动效率，减少力的损失。当丝杆3转动时，带动螺母301沿丝杆3直线运动，螺母301带动传动件2在部件1上滑动的同时带动部件1沿中心轴转动，从而实现通过丝杆3驱动部件1转动。驱动过程中，螺母301受到的合力分解为螺母301与传动件2之间的转动摩擦力、螺母301带动传动件2在滑轨4上滑动的滑动摩擦力以及螺母301通过传动件2驱动部件1转动的驱动力三个分力，本机构结构巧妙，传动效率高，利用高精度丝杆实现了精密的圆弧转动，适用于需要精密控制转动角度的领域，尤其是需要远距离对准或校准的领域。在用于支撑丝杆3的支撑座上设置有螺母接近开关，螺母接近开关的信号输出端与控制器的螺母接近信号输入端相连；螺母接近开关检测端朝向螺母；其中，安装在弧形导轨同一块水平安装板上的支撑座为两个，分别为第一支撑座和第二支撑座；其设置在第一支撑座上的螺母接近开关为螺母第一接近开关，螺母第一接近开关的信号输出端与控制器的螺母接近信号第一输入端相连，设置在第二支撑座上的螺母接近开关为螺母第二接近开关，螺母第二接近开关的信号输出端与控制器的螺母接近信号第二输入端相连。在支撑座上设置有用于计数驱动丝杆3转动的驱动电机的驱动轴旋转圈数的计数器，计数器的计数输出端与控制器的计数输入端相连；驱动电机的正反转信号控制端与控制器的驱动电机正反转信号输出端相连。
本发明还公开了一种利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构的工作方法，包括以下步骤：
S1，系统初始化；
S2，输入设备安装座7终点坐标命令；
S3，控制器控制驱动电机工作，使其设备安装座7抵达终点坐标。
在本发明的一种优选实施方式中，在步骤S1中包括以下步骤：
S11，建立XYZ坐标系，其建立XYZ坐标系的方法为：
S111，以中心轴在底座5上的正投影为XYZ坐标系的原点；
S112，作丝杆3在底座5上的正投影，得到线段A；
S113，对步骤S112中得到的线段A作垂直平分线，得到直线B，直线B指向丝杆3方向为X轴；
S114，在线段A的投影面内作垂直于X轴的直线C，直线C指向驱动电机相反方向为Y轴；
S115，作线段A的投影面的垂线D，垂线D指向球铰方向为Z轴；
S12，获取当前设备安装座14的位置坐标，若当前设备安装座14的位置坐标为(X1,Y1,Z1)，起点坐标为(X0,Y0,Z0)；
S13，若(X1-X0)＞0且(Y1-Y0)＞0，则控制器向驱动电机发送正转控制信号，控制丝杆上的螺母向驱动电机方向移动，其驱动电机的驱动轴旋转圈数为：
Figure BDA0002533056430000071
其中，L′为以丝杆为弦的圆心与丝杆中点的距离，R表示驱动电机的驱动轴半径，n表示驱动电机的驱动轴旋转圈数，k表示驱动电机的驱动轴旋转圈数与螺母行程的旋转行程因子比；
若(X1-X0)＞0且(Y1-Y0)＜0，则控制器向第一驱动电机发送反转控制信号，控制第一丝杆上的螺母向第一驱动电机相反方向移动，其第一驱动电机的驱动轴旋转圈数为：
Figure BDA0002533056430000081
||表示绝对值。
在本发明的一种优选实施方式中，在步骤S3中包括以下步骤：
S31，获取设备安装座14的待转动至终点坐标，若设备安装座14的待转动至终点坐标为(X2,Y2,Z2)，起点坐标为(X0,Y0,Z0)；
S32，若(X2-X0)＞0且(Y2-Y0)＞0，则控制器向驱动电机发送正转控制信号，控制丝杆上的螺母向驱动电机方向移动，其驱动电机的驱动轴待旋转圈数为：
Figure BDA0002533056430000082
其中，L为以丝杆为弦的圆心与丝杆中点的距离，R表示驱动电机的驱动轴半径，n′表示驱动电机的驱动轴待旋转圈数，k表示驱动电机的驱动轴旋转圈数与螺母行程的旋转行程因子比；
若(X2-X0)＞0且(Y2-Y0)＜0，则控制器向驱动电机发送反转控制信号，控制丝杆上的螺母向驱动电机相反方向移动，其驱动电机的驱动轴待旋转圈数为：
Figure BDA0002533056430000083
在本发明的一种优选实施方式中，当控制器接收到螺母第一接近开关输出的信号，则控制器向第一驱动电机发送停止反转信号，之后控制器只能向第一驱动电机发送正转信号；
当控制器接收到螺母第二接近开关输出的信号，则控制器向第一驱动电机发送停止正转信号，之后控制器只能向第一驱动电机发送反转信号。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构，其特征在于，包括部件、传动件和丝杆，所述部件能够沿中心轴转动，所述传动件滑动安装在部件上并与丝杆的螺母转动连接，且所述传动件的滑动方向与丝杆呈夹角；在用于支撑丝杆的支撑座上设置有螺母接近开关，螺母接近开关的信号输出端与控制器的螺母接近信号输入端相连；
当所述丝杆转动时，带动螺母沿丝杆直线运动，螺母带动传动件在部件上滑动的同时带动部件沿中心轴转动，从而实现通过丝杆驱动部件转动。
2.根据权利要求1所述的利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构，其特征在于，所述部件安装在底座的弧形导轨上，所述丝杆设置在底座上，并位于部件上方，所述部件的转动平面、传动件与部件之间的滑动平面、丝杆的中轴线三者相互平行。
3.根据权利要求2所述的利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构，其特征在于，所述弧形导轨、传动件和丝杆均靠近部件的边缘，且所述丝杆与弧形导轨相切。
4.根据权利要求1所述的利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构，其特征在于，所述螺母上设置有连接轴，所述传动件上设置有与连接轴轴孔配合的安装孔，所述螺母通过连接轴能转动地安装在传动件的安装孔内，并配备有轴承。
5.根据权利要求4所述的利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构，其特征在于，在所述部件上设置有两条平行的滑轨，所述安装孔位于传动件的中部，所述传动件的两端分别安装在对应的滑轨上。
6.根据权利要求1所述的利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构，其特征在于，所述丝杆为滚珠丝杆；
或/和在所述部件上设置有设备安装座；
或/和在支撑座上设置有用于计数驱动丝杆转动的驱动电机的驱动轴旋转圈数的计数器，计数器的计数输出端与控制器的计数输入端相连，驱动电机的正反转信号控制端与控制器的正反转信号输出端相连。
7.一种利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，系统初始化；
S2，输入设备安装座终点坐标命令；
S3，控制器控制驱动电机工作，使其设备安装座抵达终点坐标。
8.根据权利要求7所述的利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构的工作方法，其特征在于，在步骤S1中包括以下步骤：
S11，建立XYZ坐标系，其建立XYZ坐标系的方法为：
S111，以中心轴在底座上的正投影为XYZ坐标系的原点；
S112，作丝杆在底座上的正投影，得到线段A；
S113，对步骤S112中得到的线段A作垂直平分线，得到直线B，直线B指向丝杆方向为X轴；
S114，在线段A的投影面内作垂直于X轴的直线C，直线C指向驱动电机相反方向为Y轴；
S115，作线段A的投影面的垂线D，垂线D指向球铰方向为Z轴；
S12，获取当前设备安装座的位置坐标，若当前设备安装座的位置坐标为(X1,Y1,Z1)，起点坐标为(X0,Y0,Z0)；
S13，若(X1-X0)＞0且(Y1-Y0)＞0，则控制器向驱动电机发送正转控制信号，控制丝杆上的螺母向驱动电机方向移动，其驱动电机的驱动轴旋转圈数为：
Figure FDA0002533056420000021
其中，L′为以丝杆为弦的圆心与丝杆中点的距离，R表示驱动电机的驱动轴半径，n表示驱动电机的驱动轴旋转圈数，k表示驱动电机的驱动轴旋转圈数与螺母行程的旋转行程因子比；
若(X1-X0)＞0且(Y1-Y0)＜0，则控制器向第一驱动电机发送反转控制信号，控制第一丝杆上的螺母向第一驱动电机相反方向移动，其第一驱动电机的驱动轴旋转圈数为：
Figure FDA0002533056420000031
9.根据权利要求7所述的利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构的工作方法，其特征在于，在步骤S3中包括以下步骤：
S31，获取设备安装座的待转动至终点坐标，若设备安装座的待转动至终点坐标为(X2,Y2,Z2)，起点坐标为(X0,Y0,Z0)；
S32，若(X2-X0)＞0且(Y2-Y0)＞0，则控制器向驱动电机发送正转控制信号，控制丝杆上的螺母向驱动电机方向移动，其驱动电机的驱动轴待旋转圈数为：
Figure FDA0002533056420000032
其中，L为以丝杆为弦的圆心与丝杆中点的距离，R表示驱动电机的驱动轴半径，n′表示驱动电机的驱动轴待旋转圈数，k表示驱动电机的驱动轴旋转圈数与螺母行程的旋转行程因子比；
若(X2-X0)＞0且(Y2-Y0)＜0，则控制器向驱动电机发送反转控制信号，控制丝杆上的螺母向驱动电机相反方向移动，其驱动电机的驱动轴待旋转圈数为：
Figure FDA0002533056420000033
10.根据权利要求7所述的利用高精度丝杆实现精密圆弧转动的机构的工作方法，其特征在于，当控制器接收到螺母第一接近开关输出的信号，则控制器向第一驱动电机发送停止反转信号，之后控制器只能向第一驱动电机发送正转信号；
当控制器接收到螺母第二接近开关输出的信号，则控制器向第一驱动电机发送停止正转信号，之后控制器只能向第一驱动电机发送反转信号。
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