CN113700813A - 一种具有自锁功能的直线运动装置及直线运动驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有自锁功能的直线运动装置及直线运动驱动方法，属于直线往复运动技术领域，解决现有直线运动机构占用空间大、无法自锁的问题。本发明的直线运动装置的驱动电机和减速器均固定在安装架上；驱动电机通过减速器驱动螺杆转动；螺杆与螺母啮合，且螺母在安装架的限制下沿螺杆平移；螺母与滑块通过滑动限位结构连接；通过滑动限位结构的相对滑动，滑块远离或靠近螺杆。本发明实现了在横向空间受限时的直线往返运动，且具有运动到位的检测功能。

Description

一种具有自锁功能的直线运动装置及直线运动驱动方法

技术领域

本发明涉及直线往复运动技术领域，尤其涉及一种具有自锁功能的直线运动装置及直线运动驱动方法。

背景技术

随着电动传动技术的发展，电机驱动的执行机构因其可靠性较高，成本低，加工难度低等优点，逐渐成为主流的传动机构的发展方向。

在有限空间范围内，将电机的旋转运动转换为直线运动的机构有多种，如：凸轮机构和滚珠丝杠等结构。凸轮机构一般需要设计特殊的轮廓以适应直线运动的需求，且运动的行程受凸轮的外形限制。滚珠丝杠结构一般需要较大的安装空间，且需要轴承支撑，难以适应小空间的安装需求，加工成本较高，且该结构需要提供额外的锁定部件实现传动机构的自锁能力。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种具有自锁功能的直线运动装置及直线运动驱动方法，用以解决现有直线运动机构占用空间大、无法自锁的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明技术方案中，一种具有自锁功能的直线运动装置，具有自锁功能的直线运动装置由安装架、驱动电机、减速器、螺杆、螺母和滑块组成；

驱动电机和减速器均固定在安装架上；驱动电机通过减速器驱动螺杆转动；螺杆与螺母啮合，且螺母在安装架的限制下沿螺杆平移；螺母与滑块通过滑动限位结构连接；通过滑动限位结构的相对滑动，滑块远离或靠近螺杆。

本发明技术方案中，滑动限位结构包括相互接触的限位面和被限位面；

限位面和被限位面均与螺杆的轴线夹角为35°-55°；滑块的运动方向与限位面的夹角为35°-55°。

本发明技术方案中，限位面和被限位面均与螺杆的轴线夹角为45°；滑块的运动方向与螺杆的轴线垂直。

本发明技术方案中，限位面设有沿滑动限位结构相对滑动方向的限位滑槽；被限位面上设有插合部；插合部能够至少部分地插入到限位滑槽中。

本发明技术方案中，安装架设有导向面；螺母设有被导向面，且被导向面与导向面接触。

本发明技术方案中，安装架上设有滑轨，滑块沿滑轨靠近或远离螺杆。

本发明技术方案中，滑轨上距离螺杆最远处设有第一传感器，距离螺杆最近处设有第二传感器。

本发明技术方案中，减速器为行星齿轮组减速器，且通过螺钉与安装架固定连接；

减速器的输入端与驱动电机的输出轴连接，减速器的输出端与螺杆固定连接。

本发明技术方案中，一种直线运动驱动方法，直线运动驱动方法使用本发明上述技术方案中的具有自锁功能的直线运动装置；

直线运动驱动方法包括正向直线运动驱动方法和反向直线运动驱动方法：

正向直线运动驱动方法的步骤包括：

驱动电机正向转动，驱动电机的输出轴通过限速器带动螺杆转动；在导向面的作用下，螺母沿螺杆轴线方向远离驱动电机；在限位结构的作用下，滑块朝远离螺杆的方向直线移动；

反向直线运动驱动方法的步骤包括：

驱动电机反向转动，驱动电机的输出轴通过限速器带动螺杆转动；在导向面的作用下，螺母沿螺杆轴线方向靠近驱动电机；在限位结构的作用下，滑块朝靠近螺杆的方向直线移动。

本发明技术方案中，正向直线运动驱动方法中：

在滑块朝远离螺杆的方向直线移动的过程中，第一传感器实时检测滑块与第一传感器之间的距离，当滑块与第一传感器之间的距离小于或等于标定距离，驱动电机停止转动，完成正向直线运动；

反向直线运动驱动方法中：

在滑块朝靠近螺杆的方向直线移动的过程中，第二传感器实时检测滑块与第二传感器之间的距离，当滑块与第二传感器之间的距离小于或等于标定距离，驱动电机停止转动，完成反向直线运动。

本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：

1.本发明在螺母和安装架之间设置导向面，从而限制螺母的转动，将螺母的移动防止限定为沿导向面的平动，实现转动与平动的转换；

2.本发明采用行星齿轮组减速器来实现驱动电机与螺杆之间的转动传递，并通过行星齿轮组减速器、螺杆、螺母之间形成的自锁结构，来实现本发明的直线运动结构的自锁；

3.本发明中，螺母与滑块之间设置45°倾斜的限位面和被限位面，同时配合限位滑槽与插合部的插合，使得沿螺杆轴线方向的直线运动能够转换为垂直螺杆轴线方向的直线运动，从而减少滑块运动方向上的尺寸；

4.本发明通过传感器来检测滑块在滑轨上的位置，不仅能够判断滑块的运动转台，用于闭环控制滑块的运动，还能防止滑块与滑轨两端的碰撞，避免整个装置尤其是驱动电机发生损坏。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的滑块收回示意图；

图3为本发明实施例的滑块伸出示意图；

图4为本发明实施例的螺母和安装架示意图；

图5为本发明实施例的滑块和螺母示意图。

附图标记：

1-驱动电机；2-减速器；3-螺杆；4-螺母；5-安装架；6-滑块；7-第一传感器；8-第二传感器；9-被导向面。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

现有的直线往复运动机构通常为凸轮机构和滚珠丝杠机构，都存在明显的问题：凸轮机构需要通过凸轮轮缘在转动中的不同回转半径来控制导杆直线往复运动，导杆与凸轮之间的相对锁定较难，当需要运动状态快速变化而长周期的往复运动时，凸轮的设计往往较难，且容易与导杆发生卡壳，此外，凸轮回转时需要极大的转动空间，不利于小空间的安装需求；滚珠丝杠机构是通过螺杆的转动使螺母平移，但是其直线运动方向与螺杆的运动方向平行，因而需要较大的轴向空间，占用了直线运动目标的移动范围，如果进行运动方向转换则只能通过连杆或摆杆来实现，同样会占用较大的转动空间。

因此，本发明实施例提供一种具有自锁功能的直线运动装置，通过螺母4与滑块6之间的倾斜接触面来进行直线运动的方向转换，减少整个装置在滑块6运动方向上的尺寸，此外，螺杆3、减速器2、安装架5和螺母4之间形成自锁结构，使得本发明实施例的具有自锁功能的直线运动装置具备自锁能力。

具体的，如图1至图5所示，本发明实施例提供了一种具有自锁功能的直线运动装置，包括：安装架5、驱动电机1、减速器2、螺杆3、螺母4和滑块6；驱动电机1和减速器2均固定在安装架5上；驱动电机1通过减速器2驱动螺杆3转动；螺杆3与螺母4啮合，且螺母4在安装架5的限制下沿螺杆3平移；螺母4与滑块6通过滑动限位结构；通过滑动限位结构的相对滑动，滑块6远离或靠近螺杆3。在本发明实施例运转时，驱动电机1通过减速器2带动螺杆3转动，而螺母4在安装架5的限制下沿螺杆3平移，而螺母4的平移通过滑动限位结构传递给滑块6，使得滑块6能够远离或靠近螺杆3，而由于螺杆3并未与滑块6的运动方向平行或重合，使得本发明实施例的具有自锁功能的直线运动装置在沿滑块6的运动方向上的空间几乎全部能够用于滑块6的运动，从而更加适用于小空间的安装需求，降低了安装的成本。

此外，由于驱动电机1-减速器2-螺杆3形成的传动结构自带自锁功能，因而在滑块6收到外力时，滑块6本应通过滑动限位结构推动螺母4沿螺杆3轴向移动，但由于螺杆3处于锁定状态，螺母4无法推动螺杆3转动，因此实现整个装置的自锁。

本发明实施例中，滑动限位结构用于在保证传动的同时，改变运动的传动前后方向，为了最大限度即简化整个装置，滑动限位结构包括相互接触的限位面和被限位面，如果限位面设置在螺母4上，那么被限位面设置在滑块6上，如果限位面设置在滑块6上，那么被限位面设置在螺母4上；限位面与被限位面之间的压力为垂直限位面和被限位面方向，而摩擦力为沿限位面与被限位面方向，由于滑动限位结构需要保证通过滑动顺利传递平移，不能出现斜面的滑动自锁，因此本发明实施例中，限位面和被限位面均与螺杆3的轴线夹角为35°-55°；滑块6的运动方向与限位面的夹角为35°-55°。

为了最大限度地减小本发明实施例中除滑块6之外的结构占用滑块6移动方向的空间，同时避免限位面和被限位面之间出现滑动自锁，本发明实施例中，限位面和被限位面均与螺杆3的轴线夹角为45°；滑块6的运动方向与螺杆3的轴线垂直。

如果限位面与被限位面之间仅存在平面接触，那么螺母4和滑块6之间只能通过推力来进行运动传动，而本发明实施例除了需要实现某一方向的直线移动外，还要实现往复移动，因此，螺母4和滑块6之间还需要通过拉力来进行运动传动，本发明实施例中，限位面设有沿滑动限位结构相对滑动方向的限位滑槽；被限位面上设有插合部；插合部能够至少部分地插入到限位滑槽中。需要说明的是插合部向限位滑槽中插合时的插合方向不与限位面和被限位面垂直，一旦垂直，插合部与限位滑槽之间就无法传递拉力，优选的，插合部向限位滑槽中插合时的插合方向与限位面和被限位面平行。

为了在螺杆3转动时，螺母4能够沿螺杆3平移，因此需要设置相应的结构来限制螺母4的转动，本发明实施例中，安装架5设有导向面；螺母4设有被导向面9，且被导向面9与导向面接触。通过安装架5上的导向面与螺母4上的被导向面9之间的接触滑动，来实现对螺母4转动的限制，需要说明的是导向面和被导向面9的为平面、曲面或折面，且导向面和被导向面9与螺杆3的轴线平行，考虑到简化加工难度，本发明实施例中，导向面和被导向面9均为平面。

为了使滑块6能够通过滑动限位结构的作用远离或靠近螺杆3，且能够充分地将螺母4的沿螺杆3轴线方向的平动转化为滑块6的垂直螺杆3轴线方向的平动，本发明实施例中，安装架5上设有滑轨，滑块6沿滑轨靠近或远离螺杆3。滑轨与滑块6的运动方向平行，同时限制滑块6在滑轨内进行直线往复运动。

在本发明技术领域中，滑轨的两端均设有防止滑块6滑脱的止挡结构，但是当滑块6在滑轨内滑动时，很容易与止挡结构发生碰撞，造成滑块6的损坏或驱动电机1的卡壳。因此，本发明实施例中，滑轨上距离螺杆3最远处设有第一传感器7，距离螺杆3最近处设有第二传感器8，第一传感器7用于测量滑块6到第一传感器7之间的距离，即第一距离，当第一距离过小，则判定滑块6已经移动至远离螺杆3的极限位置，可以进行反向直线运动，同理，第二传感器8用于测量滑块6到第二传感器8之间的距离，即第二距离，当第二距离过小，则判定滑块6已经移动至靠近螺杆3的极限位置，可以进行正向直线运动。

本发明实施例中，为了实现螺杆3转动速度的稳定精确控制，本发明实施例的减速器2为行星齿轮组减速器2，且通过螺钉与安装架5固定连接；减速器2的输入端与驱动电机1的输出轴连接，减速器2的输出端与螺杆3固定连接。行星齿轮组减速器2除了占用空间较小外，还能实现大减速比的稳定传动，方便驱动电机1对螺杆3的运动状态控制。

需要说明的是，为了防止异物进入，造成本发明实施例的损坏，本发明实施例中，安装架5设有外壳，本发明实施例的安装架5、驱动电机1、减速器2、螺杆3、螺母4和滑块6均设置在外壳内，滑块6设有伸出部，当滑块6远离螺杆3时，伸出部从外壳伸出，当滑块6靠近螺杆3时，伸出部从缩回至外壳内。

使用本发明实施例来进行直线运动驱动的方法能够实现直线往复运动，为正向直线运动与反向直线运动的交替循环，但正向直线运动与反向直线运动之间允许空闲一段时间间隔，也允许连续进行。

具体的：

1.正向直线运动：

驱动电机1正向转动，驱动电机1的输出轴通过限速器带动螺杆3正向转动；由于螺母4的被导向面9与安装架5的导向面之间的接触滑动导向，螺母4沿螺杆3轴线方向远离驱动电机1；滑块6的被导向面9与螺母4的导向面之间的接触滑动，螺母4推动滑块6沿滑轨朝远离螺杆3的方向直线移动；

在此过程中，第一传感器7实时检测滑块6与第一传感器7之间的第一距离X₁，当滑块6与第一传感器7之间的第一距离X₁小于或等于标定距离X₀，驱动电机1停止转动，完成正向直线运动，即，X₁<X₀时，靠近第一传感器7发出信号，此时滑块6处于伸出状态。

2.反向直线运动

驱动电机1反向转动，驱动电机1的输出轴通过限速器带动螺杆3反向转动；由于螺母4的被导向面9与安装架5的导向面之间的接触滑动导向，螺母4沿螺杆3轴线方向靠近驱动电机1；滑块6的插合部与螺母4的导向滑槽之间的拉力和接触滑动，螺母4拉动滑块6沿滑轨朝靠近螺杆3的方向直线移动；

在此过程中，第二传感器8实时检测滑块6与第二传感器8之间的第二距离X₂，当滑块6与第二传感器8之间的第二距离X₂小于或等于标定距离X₀，驱动电机1停止转动，完成正向直线运动，即，X₂<X₀时，靠近第二传感器8发出信号，此时滑块6处于伸出状态。

需要说明的是，在上述过程中的任意时刻，只要驱动电机1停止转动，本发明实施例的装置就能实现自锁，保持滑块6的当前位置不变。

综上所述，本发明实施例提供了一种具有自锁功能的直线运动装置以及直线运动驱动的方法，本发明在螺母4和安装架5之间设置导向面，从而限制螺母4的转动，将螺母4的移动防止限定为沿导向面的平动，实现转动与平动的转换；本发明采用行星齿轮组减速器2来实现驱动电机1与螺杆3之间的转动传递，并通过行星齿轮组减速器2、螺杆3、螺母4之间形成的自锁结构，来实现本发明的直线运动结构的自锁；本发明中，螺母4与滑块6之间设置45°倾斜的限位面和被限位面，同时配合限位滑槽与插合部的插合，使得沿螺杆3轴线方向的直线运动能够转换为垂直螺杆3轴线方向的直线运动，从而减少滑块6运动方向上的尺寸；本发明通过传感器来检测滑块6在滑轨上的位置，不仅能够判断滑块6的运动转台，用于闭环控制滑块6的运动，还能防止滑块6与滑轨两端的碰撞，避免整个装置尤其是驱动电机1发生损坏。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有自锁功能的直线运动装置，其特征在于，所述具有自锁功能的直线运动装置由安装架(5)、驱动电机(1)、减速器(2)、螺杆(3)、螺母(4)和滑块(6)组成；

所述驱动电机(1)和减速器(2)均固定在安装架(5)上；所述驱动电机(1)通过减速器(2)驱动螺杆(3)转动；所述螺杆(3)与螺母(4)啮合，且螺母(4)在安装架(5)的限制下沿螺杆(3)平移；所述螺母(4)与滑块(6)通过滑动限位结构连接，通过滑动限位结构的相对滑动，所述滑块(6)远离或靠近螺杆(3)。

2.根据权利要求1所述的具有自锁功能的直线运动装置，其特征在于，所述滑动限位结构包括相互接触的限位面和被限位面；

所述限位面和被限位面与螺杆(3)的轴线夹角均为35°-55°；所述滑块(6)的运动方向与限位面的夹角为35°-55°。

3.根据权利要求2所述的具有自锁功能的直线运动装置，其特征在于，所述限位面和被限位面与螺杆(3)的轴线夹角均为45°；所述滑块(6)的运动方向与螺杆(3)的轴线垂直。

4.根据权利要求3所述的具有自锁功能的直线运动装置，其特征在于，所述限位面设有，限位滑槽沿滑动限位结构相对滑动方向设置；所述被限位面上设有插合部；所述插合部能够至少部分地插入到限位滑槽中。

5.根据权利要求2至4所述的具有自锁功能的直线运动装置，其特征在于，所述安装架(5)设有导向面；所述螺母(4)设有被导向面(9)，且所述被导向面(9)与导向面接触。

6.根据权利要求5所述的具有自锁功能的直线运动装置，其特征在于，所述安装架(5)上设有滑轨，所述滑块(6)沿滑轨靠近或远离螺杆(3)。

7.根据权利要求6所述的具有自锁功能的直线运动装置，其特征在于，所述滑轨上距离螺杆(3)最远处设有第一传感器(7)，距离螺杆(3)最近处设有第二传感器(8)。

8.根据权利要求7所述的具有自锁功能的直线运动装置，其特征在于，所述减速器(2)为行星齿轮组减速器，且通过螺钉与安装架(5)固定连接；

所述减速器(2)的输入端与驱动电机(1)的输出轴连接，减速器(2)的输出端与螺杆(3)固定连接。

9.一种直线运动驱动方法，其特征在于，所述直线运动方法使用权利要求1至8所述的具有自锁功能的直线运动装置；

所述直线运动方法包括正向直线运动方法和反向直线运动方法。

10.根据权利要求9所述的直线运动驱动方法，其特征在于，

正向直线运动方法的步骤包括：

驱动电机(1)正向转动，驱动电机(1)的输出轴通过限速器带动螺杆(3)转动；在导向面的作用下，螺母(4)沿螺杆(3)轴线方向远离驱动电机(1)；在限位结构的作用下，滑块(6)朝远离螺杆(3)的方向直线移动；

反向直线运动方法的步骤包括：

驱动电机(1)反向转动，驱动电机(1)的输出轴通过限速器带动螺杆(3)转动；在导向面的作用下，螺母(4)沿螺杆(3)轴线方向靠近驱动电机(1)；在限位结构的作用下，滑块(6)朝靠近螺杆(3)的方向直线移动。

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