CN114810972A - 一种导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构及其传动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构及其传动方法，属于伺服传动系统技术领域，解决了现有技术中滚珠丝杠副由于滑动摩擦产生传动间隙，造成伺服机构系统产生死区影响偏转精度甚至系统抖动的问题。本发明的伺服机构包括：丝杠、滚珠螺母、导轨、传动机构和输出轴；滚珠螺母的上方设有与导轨配合的支耳；支耳与导轨上的滚珠接触并通过导轨导向，丝杠和滚珠螺母组成丝杠螺母副；滚珠螺母能够沿导轨方向直线位移；滚珠螺母上设有耳轴，耳轴直线位移时，能够通过传动机构带动输出轴转动。

Description

一种导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构及其传动方法

技术领域

本发明涉及伺服传动系统技术领域，尤其涉及一种导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构及其传动方法。

背景技术

随着弹上舵机向结构小型化方向发展，舵机内部空间利用率要求不断提高。拨叉+滚珠丝杠副的传动形式结构紧凑、传动效率高，已广泛运用于弹上舵机及其它伺服系统传动机构中。在拨叉+滚珠丝杠副(主要由滚珠螺母和滚珠丝杠两部分组成)的传动形式中，滚珠螺母耳轴在拨叉U形槽中滑动，用于把滚珠螺母的直线运动转化为输出轴的旋转运动，由于该传动形式结构紧凑，传动效率高，已广泛运用于小型伺服机构中。

为提高滚珠丝杠副的传动效率，导轨一般为圆柱形，并两端固定。滚珠螺母加工有支耳，支耳的主要特征为U形槽，U形槽与导轨的圆柱面配合，使滚珠螺母在导轨上直线滑动。理论上，导轨和滚珠丝杠副应为无间隙配合，但工程上难以实现。为减小导轨与滚珠螺母的滑动摩擦，提高传动效率，在工程设计上，滚珠螺母U形槽与导轨外径为小间隙配合。

在传动过程中，导轨与滚珠螺母之间由于滑动摩擦产生材料磨损，随着材料磨损量增大，间隙呈扩大趋势。当滚珠螺母在某一方向运动时，导轨与滚珠螺母U形槽的一个侧面接触，此时滚珠螺母U形槽另一侧面与导轨存在间隙，当滚珠螺母的运动方向发生转换时，滚珠丝杠的旋转方向也将发生变化，由于间隙的存在，滚珠螺母将和滚珠丝杠共同旋转，直到导轨与滚珠螺母U形槽的另一侧面接触。在导轨与滚珠螺母U形槽另一面接触之前，滚珠螺母在丝杠轴向上没有位移，即系统没有角度位移，此时会出现系统死区。小型伺服机构作为高精度伺服机构，系统死区影响伺服系统偏转精度和小信号跟踪能力，严重时会产生系统抖动等现象。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构及其传动方法，用以解决现有滚珠丝杠副传动的伺服机构在传动过程中，支耳与导轨之间、拨叉与滚珠丝杠副之间由于滑动摩擦产生的材料磨损，导致两者之间产生传动间隙，伺服机构系统产生死区影响伺服系统偏转精度和小信号跟踪能力，严重时会产生系统抖动的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构，包括：丝杠、滚珠螺母、导轨、传动机构和输出轴；滚珠螺母的上方设有与导轨配合的支耳；丝杠和滚珠螺母组成丝杠螺母副；滚珠螺母能够沿导轨移动；滚珠螺母上设有耳轴，耳轴移动时，能够通过传动机构带动输出轴转动。

进一步地，支耳上设有U形槽，导轨设置在支耳的U形槽中。

进一步地，导轨上设有多个滚珠。

进一步地，滚珠嵌套在导轨上。

进一步地，支耳的U形槽的两个侧面与滚珠接触。

进一步地，传动机构为拨叉，拨叉与输出轴固定连接。

进一步地，拨叉上设有U形槽；耳轴设置在拨叉的U形槽中，且能够相对滑动。

进一步地，拨叉上设有尼龙导向带；尼龙导向带与耳轴接触。

进一步地，传动机构包括传动杆。

进一步地，传动杆为可伸缩结构；传动杆与输出轴固定连接，且传动杆与耳轴转动连接。

一种导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构的传动方法，采用上述的导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：电机带动丝杠转动；

步骤S2：丝杠与滚珠螺母形成丝杠螺母副，丝杠带动滚珠螺母沿导轨滑移；

步骤S3：耳轴移动时，通过传动机构带动输出轴偏转。

本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：

1.本发明的导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构，消除了导轨和滚珠丝杠副之间的配合间隙，避免因配合间隙生产系统死区，提高了伺服系统偏转精度、小信号跟踪能力和稳定性。

2.本发明的导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构，通过耳轴和尼龙导向带的配合，利用尼龙导向带可压缩、耐磨、摩擦系数低等特点，既消除了耳轴与拨叉的配合间隙，又不影响传动效率，从而避免了因配合间隙造成伺服机构的输出精度低、小信号跟踪能力差、系统抖动等问题的产生，提高了系统的稳定性。

3.本发明的导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构，通过导轨与锁定板的配合方式，滚珠螺母的支耳通过U形槽与导轨配合，滚珠螺母在导轨的限制作用下不能旋转，实现了对滚珠螺母的直线导向和轴向限位功能，能够防止滚珠螺母发生旋转，减小了滚珠螺母的体积和重量，消除了因撞击轴承导致滚珠螺母卡死的风险。

4.本发明的导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构，通过在导轨上内嵌安装多个并列的滚珠，通过滚珠与支耳接触，将滑动摩擦替换为滚动摩擦，将线接触替换为点接触，滚珠螺母沿导轨滑移的过程中，减少了导轨与支耳之间的摩擦，避免了二者之间配合出现间隙导致的伺服机构系统产生死区影响伺服系统偏转精度和小信号跟踪能力，严重时产生系统抖动的问题。

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为滚珠丝杠副传动的伺服机构结构示意图；

图2为本发明的滚珠丝杠副伺服机构分解图；

图3为本发明的滚珠丝杠副伺服机构局部剖视图；

图4为滚珠螺母侧视图；

图5为导轨和支耳装配结构示意图一；

图6为导轨和支耳装配结构示意图二；

图7为导轨和支耳装配结构侧视图；

图8为锁定板结构示意图；

图9为拨叉结构示意图；

图10为传动杆结构示意图。

附图标记：

1-丝杠；2-滚珠螺母；3-耳轴；4-拨叉；5-输出轴；6-导轨；7-支耳；8-滚珠；9-导轨支架；10-锁定板；11-锁定凸台；12-锁定凹槽；13-螺钉；14-弹性件；15-尼龙导向带；16-轴承；41-第一连杆；42-第二连杆。

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。

实施例1

本发明的一个具体实施例，如图1-9所示，公开了一种导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构，包括：丝杠1、滚珠螺母2、导轨6、拨叉4和输出轴5，其中，丝杠1和滚珠螺母2组成丝杠螺母副。

进一步地，如图1所示，滚珠螺母2上设有支耳7和耳轴3，支耳7上设有U形槽，支耳7通过U形槽与导轨6配合且能够相对滑移；丝杠1旋转时，滚珠螺母2沿着导轨6滑移，并且通过耳轴3波动拨叉4，并通过拨叉4带动输出轴5转过一定的角度。

进一步地，如图4所示，支耳7和耳轴3均与滚珠螺母2为一体结构，且支耳7和耳轴3相互垂直。

进一步地，拨叉4与输出轴5固定连接，且拨叉4的上方设有U形槽。拨叉4与耳轴3通过U形槽配合，即耳轴3设置在拨叉4的U形槽中，耳轴3跟随滚珠螺母2同步位移时，耳轴3在拨叉4的U形槽中相对转动且滑移，耳轴3能够拨动拨叉4发生偏转，进而推动输出轴5转动。

进一步地，输出轴5能够沿自身轴线方向转动；拨叉4与输出轴5通过焊接或螺栓连接的方式固定连接。

随着伺服机构的长时间使用，支耳7与导轨6之间、拨叉4与耳轴3之间由于滑动摩擦产生的材料磨损，容易出现间隙，会导致两者之间产生传动间隙，伺服机构系统产生死区影响伺服系统偏转精度和小信号跟踪能力，严重时会产生系统抖动的问题。

本发明的一种具体实施方式中，如图2、图5所示，在导轨6上安装多个滚珠8，滚珠8内嵌在导轨6内部且能够相对于导轨6滚动。

进一步地，如图5所示，导轨6的两侧均安装多个并列分布的滚珠8。

进一步地，导轨6为圆柱形或截面为正方形的柱状结构，导轨6的直径(或宽度)为R。

进一步地，滚珠8的直径r不大于导轨6的直径R(或宽度)的三分之一，即r≤1/3R。

相邻滚珠8之间的间距为b＝0.5r～2r，即相邻滚珠8的间距大于滚珠8直径的一半，且相邻的滚珠8的间距b小于滚珠8直径的两倍。

进一步地，支耳7与导轨6配合，如图1、图7所示。

具体地，支耳7的U形槽的侧面至少与另两个滚珠8接触。也就是说，支耳7的U形槽的宽度H大于滚珠8的直径r与相邻滚珠8的间距之和。

进一步地，本发明的一种具体实施方式中，为了滚珠8的准确安装和精确定位，导轨6设置为分体结构，包括上下对称的两部分，且导轨6的上半部和下半部均设有球面凹槽，两个对称的球面凹槽能够拼合为完整球面，滚珠8安装在导轨6的球形槽中。

本发明的一种具体实施方式中，导轨6上设置有对称的两排滚珠8，如图6所示。进一步的，相对的两个滚珠8之间设有弹性件14，弹性件为弹性橡胶或压缩弹簧。

优选地，弹性件14为弹性橡胶；滚珠8滚动时，能够减小弹性件14与滚珠8之间的摩擦力。

进一步地，滚珠螺母2上的支耳7通过U形槽与滚珠8接触，具体地，支耳7的U形槽的两个侧面分别与两个对应地滚珠8接触。

如图8所示，当支耳7与滚珠8之间由于磨损出现间隙时，弹性件14能够推动左侧滚珠左移，同时右侧滚珠右移；弹性件14能够用于保持两侧滚珠8分别与支耳7的左右两个侧面接触，消除间隙，较好地保持导轨6导向的准确度和稳定性。

由于滚珠8与支耳7之间主要是滚动摩擦，因此可以有效减少配合传动过程中对支耳7的磨损，进而延长传动系统的使用寿命。并且，当支耳7与滚珠8之间由于材料磨损出现间隙时，弹性件14能够向外推动滚珠8使其继续与支耳7保持接触，消除由于磨损产生的间隙。

本发明的一种具体实施方式中，导轨6通过锁定板10安装在导轨支架9上。锁定板10上加工有两个沉孔和锁定凸台11，分别用于固定锁定板10和导轨6。

进一步地，导轨支架9左侧的安装孔直径大于导轨6的最大直径，即导轨6能够从导轨支架9左侧的安装孔中整体穿过。导轨支架9右侧的安装孔的直径小于导轨6的工作段的直径，导轨6的端部卡入导轨支架9右侧的安装孔中，限制导轨6的轴向位移。

进一步地，锁定板10通过螺钉13固定安装在导轨支架9上。

进一步地，锁定凸台11为一字形凸台，对应地，导轨6的端部设有锁定凹槽12，锁定凸台11与锁定凹槽12配合，能够限制导轨6相对于导轨支架9发生偏转。安装时，导轨6穿过导轨支架9左侧的安装孔并卡入右侧安装孔中，锁定板10通过螺钉13固定在导轨支架9上，且锁定凸台11卡入锁定凹槽12中。

耳轴3与拨叉4在配合过程中，耳轴3会对拨叉4施加压力，且耳轴3与拨叉4之间发生相对滑移，容易造成耳轴3与拨叉4的材料磨损，产生间隙，影响系统传动的准确度和稳定性。

本发明的一种具体实施方式中，如图9所示，拨叉4上设有尼龙导向带15，并通过尼龙导向带15与耳轴3接触。具体地，拨叉4上开设尼龙安装槽；尼龙导向带15安装在尼龙安装槽中，且突出于拨叉4的U形槽的表面。

尼龙导向带为U形，尼龙导向带U形槽的宽度a小于拨叉4(支耳7同理)的U形槽宽度b，0＜b-a≤0.8mm，该值可根据伺服系统的负载工况适当调整，但尼龙导向带压缩后不能超出尼龙材料的屈服强度。

由于滚珠螺母2的耳轴3的外径与拨叉4的U形槽槽宽基本一致(单边间隙量一般不大于0.01mm)，拨叉与滚珠丝杠副装配完成后，滚珠螺母耳轴挤压尼龙导向带压缩变形。利用尼龙材料可压缩的特点，当滚珠螺母直线运动时，尼龙导向带与滚珠螺母耳轴始终紧密贴合，滚珠螺母2利用尼龙导向带15压缩产生的弹力推动拨叉4和输出轴5在正反两个方向无间隙旋转。利用尼龙材料耐磨和摩擦系数低的特点，尼龙导向带与滚珠螺母2的耳轴3的滑动摩擦力较小，且材料不易磨损，工作寿命长，从而达到既消除系统死区又不影响传动效率和工作时间的目的。

传动过程中，耳轴3挤压尼龙导向带压缩变形。利用尼龙材料可压缩的特点，尼龙导向带与耳轴3始终紧密贴合，耳轴3相对于拨叉4滑移且无间隙配合。本发明通过设置尼龙导向带，消除了耳轴3和拨叉4之间的间隙，提高了伺服系统偏转精度、小信号跟踪能力和稳定性。

本发明的一种具体实施方式中，如图10所示，耳轴3与拨叉4的配合方式也可以替换为耳轴3与传动杆配合；具体地，传动杆一端与耳轴3通过轴承连接，另一端与输出轴5固定连接；且传动杆为可伸缩结构。

如图10所示，传动杆包括：第一连杆41和第二连杆42。

第一连杆41与第二连杆42相互套设，且能够相对滑移，通过第一连杆41和第二连杆42的相对滑移来实现传动杆的伸缩。第一连杆41一端与耳轴3通过轴承16连接，另一端与第二连杆42相互套设；第二连杆42一端与第一连杆41套设，另一端与输出轴5固定连接；通过耳轴3和第一连杆41的相互转动和传动杆的伸缩，实现耳轴3水平位移时，推动传动杆左右偏转，同时带动输出轴转动。

实施时：

滚珠螺母2套设在丝杠1上形成丝杠螺母副；滚珠8嵌套在导轨6的内部，且能够相对滚动；导轨6通过锁定板10安装在导轨支架9上；滚珠螺母2通过支耳7的U形槽与导轨6配合，支耳7的U形槽的两个侧面分别与导轨6两侧的滚珠8接触。耳轴3与拨叉4配合。且拨叉4与输出轴5固定连接。

丝杠1在电机的带动下旋转时，滚珠螺母2在导轨6的限制作用下不能发生转动，滚珠螺母2相对于丝杠1左右滑移。滚珠螺母2左右滑移时，通过导轨6进行导向；滚珠螺母2通过导轨进行导向时，支耳7与导轨6上的滚珠8接触，且支耳7左右移动时，滚珠8在导轨6中发生滚动。

耳轴3跟随滚珠螺母2同步位移时，耳轴3在拨叉4的U形槽中相对转动且滑移，耳轴3能够拨动拨叉4发生偏转，进而推动输出轴5转动。

实施例2

本发明的一种具体实施例，提供一种实施例1中的导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构的传动方法，包括以下步骤：

步骤S1：电机带动丝杠1转动；

步骤S2：丝杠1与滚珠螺母2形成丝杠螺母副，丝杠1带动滚珠螺母2沿导轨6滑移；

步骤S3：耳轴3同步滚珠螺母2滑移，并带动输出轴5偏转。

所述步骤S2中，滚珠螺母2通过支耳7与导轨6配合；具体地，导轨6设置在支耳7的U形槽中，且导轨6上的滚珠8与支耳7的U形槽的侧面接触；滚珠螺母2相对于导轨6滑移时，滚珠8相对于支耳7滚动。

通过滚珠8与支耳7接触，将滑动摩擦替换为滚动摩擦，将线接触替换为点接触，滚珠螺母2沿导轨6滑移的过程中，减少了导轨6与支耳7之间的摩擦，避免了二者之间配合出现间隙导致的伺服机构系统产生死区影响伺服系统偏转精度和小信号跟踪能力的问题，消除了系统抖动的问题。

所述步骤S3中，耳轴3与输出轴5之间的传动方式有两种：

第一种，输出轴5上固定连接拨叉4，耳轴3设置在拨叉4的U形槽中；耳轴3同步滚珠螺母2直线位移时，耳轴3相对于拨叉4发生滚动和滑移；耳轴3推动拨叉4发生偏转，进而带动输出轴5转动。

第二种，耳轴3与输出轴5之间通过传动杆连接；传动杆包括第一连杆41和第二连杆42，且第一连杆41和第二连杆42相互套设；耳轴3与第一连杆41通过轴承连接。

耳轴3直线位移时，第一连杆41相对于耳轴3发生角度偏转，且第一连杆41相对于第二连杆42发生相对滑移；第二连杆42同步第一连杆41发生角度偏转；输出轴5在第二连杆42的带动下旋转一定角度。

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)

1.一种导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构，其特征在于，包括：丝杠(1)、滚珠螺母(2)、导轨(6)、传动机构和输出轴(5)；所述滚珠螺母(2)的上方设有与导轨(6)配合的支耳(7)；所述丝杠(1)和滚珠螺母(2)组成丝杠螺母副；所述滚珠螺母(2)能够沿所述导轨(6)移动；所述滚珠螺母(2)上设有耳轴(3)，所述耳轴(2)移动时，能够通过所述传动机构带动输出轴(5)转动。

2.根据权利要求1所述的导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构，其特征在于，所述支耳(7)上设有U形槽，所述导轨(6)设置在所述支耳(7)的U形槽中。

3.根据权利要求2所述的导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构，其特征在于，所述导轨(6)上设有多个滚珠(8)。

4.根据权利要求3所述的导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构，其特征在于，所述滚珠(8)嵌套在所述导轨(6)上。

5.根据权利要求4所述的导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构，其特征在于，所述支耳(7)的U形槽的两个侧面与滚珠(8)接触。

6.根据权利要求1所述的导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构，其特征在于，所述传动机构为拨叉(4)，所述拨叉(4)与所述输出轴(5)固定连接。

7.根据权利要求1所述的导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构，其特征在于，所述拨叉(4)上设有U形槽；所述耳轴(3)设置在所述拨叉(4)的U形槽中，且能够相对滑动。

8.根据权利要求7所述的导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构，其特征在于，所述传动机构包括传动杆。

9.根据权利要求1所述的导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构，其特征在于，所述传动杆为可伸缩结构；所述传动杆与所述输出轴(5)固定连接，且所述传动杆与所述耳轴(3)转动连接。

10.一种导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构的传动方法，采用权利要求1-9任一项所述的导轨与滚珠丝杠副配合的伺服机构，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：电机带动丝杠(1)转动；

步骤S2：丝杠(1)与滚珠螺母(2)形成丝杠螺母副，丝杠(1)带动滚珠螺母(2)沿导轨(6)滑移；

步骤S3：耳轴(3)移动时，通过传动机构带动输出轴(5)偏转。

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