CN117927622A - 一种主动消除丝杠间隙的传动装置 - Google Patents

一种主动消除丝杠间隙的传动装置 Download PDF

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徐家欢
高东东
鲁守卫
辛振芳
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Abstract

本发明涉及一种主动消除丝杠间隙的传动装置，属于丝杠传动技术领域，解决了现有技术中丝杠副的被动消隙效果越来越差，传动及定位精度越来越低的问题。本发明包括控制器、丝杠副传动机构、测动机构和促动机构，所述测动机构和促动机构分别与控制器电连接，所述测动机构设置在丝杠副传动机构上，所述促动机构和丝杠副传动机构连接，所述测动机构测量丝杠副的轴向间隙数据并传送给控制器，所述控制器控制促动机构动作，促动机构消除丝杠副传动机构的轴向间隙。本发明的主动消除丝杠间隙的传动装置就能够做到主动消除丝杠副传动机构的轴向间隙。

Description

一种主动消除丝杠间隙的传动装置
技术领域
本发明属于丝杠传动技术领域，尤其是涉及一种主动消除丝杠间隙的传动装置。
背景技术
丝杠副(包括滚珠丝杠副和梯形丝杠副等)以其结构尺寸小、质量轻、效率高、传动及定位精度高等优点得到广泛应用。
丝杠副在工作时，电机带动丝杠旋转，螺母在丝杠上作往复直线运动，丝杠受径向和轴向载荷。在外界冲击载荷作用下，丝杠螺母带动丝杠轴向运动，轴向上对轴承、消隙垫片和端盖传递冲击载荷，若存在间隙，就会产生持续振荡，这些振动将对滚珠丝杠副的传动及定位精度产生极大地不良影响；当螺母位置需要锁定时，制动装置会锁紧电机轴，通过电机轴锁定丝杠，丝杠不能旋转，从而锁定丝杠螺母。此时仍有轴向载荷作用在丝杠副上，如果丝杠安装结构存在轴向间隙，会导致丝杠会产生轴向振动，造成丝杠螺母定位不准。
目前，如图1所示，采用消隙垫片18来补偿丝杠的轴向间隙。消隙垫片18安装在轴承盲孔一侧，游动端盖7与轴承之间，通过轴承外圈与游动端盖7相互接触来压紧限位。消隙垫片18产生轴向预紧作用，对丝杠轴向间隙进行补偿。
首先，消隙垫片在配磨和安装时，就会存在误差，导致丝杠在装配时仍存在轴向间隙；其次，丝杠的轴向间隙会随使用时间的增长而显著增大，将导致消隙垫片轴向间隙补偿的作用降低直至彻底消失，造成传动系统出现轴向振动。
该消隙措施初装时能够减少系统的振荡现象，但随着间隙不断扩大，会出现消隙效果越来越差，丝杠副的传动及定位精度越来越低的问题。
因此，迫切需要一种主动消除丝杠间隙的传动装置，以便在传动及定位过程中实时消除丝杠的轴向间隙。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种主动消除丝杠间隙的传动装置，以解决现有技术丝杠的轴向间隙不断扩大，丝杠副的传动及定位精度越来越低的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种主动消除丝杠间隙的传动装置，包括控制器、丝杠副传动机构、测动机构、促动机构和传动机构，测动机构和促动机构分别与控制器电连接，测动机构设置在丝杠副传动机构上，促动机构、传力机构和丝杠副传动机构依次连接。
测动机构测量丝杠副的数据并传送给控制器，控制器控制促动机构动作，促动机构通过传力机构消除丝杠副传动机构的轴向间隙。
进一步地，丝杠副传动机构包括安装座、丝杠、螺母、固定端盖、固定轴承、导向机构、游动端盖和游动轴承。
进一步地，安装座的一端设有固定端盖和固定轴承，固定端盖用以限制并固定轴承在安装座上的位置。
进一步地，安装座的一端设有游动端盖，游动端盖上设有游动轴承，游动端盖为游动轴承提供限位，确保游动轴承只能在轴向方向上移动。
进一步地，固定轴承为角接触球轴承。
进一步地，游动轴承为角接触球轴承。
进一步地，丝杠上设有螺母，丝杠和螺母组成丝杠副。
进一步地，丝杠的一端和固定轴承连接，丝杠的另一端和游动轴承连接。
进一步地，安装座上设有导向机构，螺母和导向机构连接。
进一步地，测动机构与螺母连接。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)本发明的测动机构测量丝杠副的轴向间隙数据并传送给控制器，控制器根据轴向间隙数据控制促动机构动作，促动机构通过传力机构抵住丝杠副传动机构，本发明的传动装置就能够做到主动消除丝杠副传动机构的轴向间隙；
(2)本发明的角位移传感器的采样频率为0-10khz，测动机构采样时间短，对丝杠的轴向运动量数据传输速度快；
(3)本发明压电陶瓷促动器的工作频率为0-10kHz，分辨率在微米级，伸缩量为3.3-326微米，外径为6-20毫米，长度为4-200毫米，作用力范围为1-8kN，促动机构的促动频率高、分辨率高、体积小，传动装置整体紧凑；
(4)当采样频率为10khz，即采样时间为0.1毫秒，压电陶瓷促动器的工作频率为10kHz，即工作时间为0.1毫秒，控制器的响应时间在0.01毫秒时，本实施例的传动装置的消隙反应时间为0.21毫秒，即在0.21毫秒时间内完成一次消隙操作，消隙效率高，传动装置工作期间宏观上表现为零间隙。
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内容中阐述，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文字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为现有技术的丝杠副传动机构剖视图；
图2为实施例1的主动消除丝杠间隙的传动装置结构剖视图；
图3为实施例2的主动消除丝杠间隙的传动装置结构剖视图。
附图标记：
1-安装座；2-丝杠；3-螺母；4-固定端盖；5-固定轴承；6-导向机构；7-游动端盖；8-游动轴承；9-齿条；10-齿轮；11-外壳；12-直线轴承；13-后端盖；14-促动器；15-推板；16-推力轴承；17-隔圈；18-消隙垫片。
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2所示，公开了一种主动消除丝杠间隙的传动装置(以下简称传动装置)，包括控制器、丝杠副传动机构、测动机构、促动机构和传力机构，测动机构和促动机构分别与控制器电连接，测动机构设置在丝杠副传动机构上，促动机构、传力机构和丝杠副传动机构依次连接。
优选地，测动机构测量丝杠副的数据并传送给控制器，控制器控制促动机构动作，促动机构通过传力机构消除丝杠副传动机构的轴向间隙。
优选地，丝杠副传动机构包括安装座1、丝杠2、螺母3、固定端盖4、固定轴承5、导向机构6、游动端盖7和游动轴承8。
优选地，安装座1的一端设有固定端盖4和固定轴承5，固定端盖4用以限制固定轴承5在安装座1上的位置，确保固定轴承5不会在安装座1上产生位移。
优选地，安装座1的另一端设有游动端盖7，游动端盖7上设有游动轴承8，游动端盖7为游动轴承8提供限位，确保游动轴承8只能在轴向方向上移动。安装座1为丝杠副传动机构提供稳固支撑，确保丝杠副传动的精确度。
优选地，游动端盖7包括中心孔，游动轴承8设置在中心孔内，中心孔的内径不小于游动轴承8的外径，游动轴承8能够在中心孔内沿轴线运动。
优选地，固定轴承5和游动轴承8均为角接触球轴承，可同时承受径向负荷和轴向负荷。
优选地，丝杠2上设有螺母3，丝杠2和螺母3组成丝杠副。
优选地，丝杠2的一端和固定轴承5连接，丝杠2的另一端和游动轴承8连接，固定轴承5和游动轴承8为丝杠2提供支撑，减小丝杠2的摩擦力。
优选地，安装座1上还设有导向机构6，螺母3和导向机构6连接，导向机构6限制螺母3的转动，确保螺母3沿轴向直线运动。
优选地，测动机构与螺母3连接。测动机构包括齿条9、齿轮10和角位移传感器(图中未示出)。
优选地，齿条9与螺母3连接，齿轮10与齿条9连接，齿轮10上设有角位移传感器，角位移传感器与控制器电连接。螺母3带动齿条9运动，齿条9带动齿轮10转动，齿轮10带动角位移传感器测量齿轮10的角变动量并传送给控制器。
角位移传感器的采样频率为0-10khz，测动机构采样时间短，对齿轮10的角变动量传输迅速。
优选地，促动机构包括外壳11、直线轴承12、后端盖13和促动器14。
优选地，外壳11与游动端盖7连接，外壳11用以容纳促动机构。优选地，外壳11的一端设有后端盖13，后端盖13用以封堵外壳11；外壳11内设有直线轴承12和促动器14，促动器14的一端和后端盖13连接，后端盖13固定促动器14，防止促动器14向外壳11外移动；直线轴承12与外壳11的内表面相连接，后端盖13的一端与直线轴承12连接，直线轴承12为后端盖13提供定位，确保后端盖13不发生位移；促动器14与控制器电连接。
优选地，促动器14包括移动端，移动端与传力机构连接，移动端能够伸长，传力机构能够将移动端的伸长传递给丝杠副传动机构，用以消除丝杠2的轴向窜动，进而消除丝杠副传动机构的轴向间隙。传力机构同时能够保护移动端，防止移动端受到损伤。
优选地，促动器14为压电陶瓷促动器。压电陶瓷促动器的工作频率为0-10kHz，分辨率在微米级，伸缩量为3.3-326微米，外径为6-20毫米，长度为4-200毫米，作用力范围为1-8kN。
压电陶瓷促动器的作动响应迅速、分辨率高、体积小、能承受高载荷。
优选地，本实施例中传力机构为推板15，推板15设置在直线轴承12内，推板15能够在直线轴承12内滑动；推板15一端与移动端连接，另一端与游动轴承8的外圈连接，推板15将促动器14的伸长量传递给游动轴承8的外圈，消除游动轴承8的位移，而后消除丝杠2的轴向窜动，进而消除丝杠副传动机构的轴向间隙。
本实施例的传动装置使用时，丝杠2与驱动电机连接，丝杠2、螺母3和游动轴承8均处于初始位置。
控制器驱动电机旋转，通过实测电机转数得到丝杠2的转数n，进而根据丝杠2的导程a计算螺母3的目标行程St；
St＝a*n
根据测得的角位移数值m与齿轮10的直径D得到螺母3的实际行程Sr；
Sr＝D*m
通过计算目标行程和实际行程的差，得出丝杠2的轴向偏移量Sv。
Sv＝Sr-St
因为丝杠2同游动轴承8连接，丝杠2会带动游动轴承8产生轴向偏移，游动轴承8的轴向偏移量也是Sv。
控制器将求得的轴向偏移量Sv转换为电信号，发送给促动器14，控制促动器14伸长Sd，其中：
Sd＝Sv
促动器14通过推板15将伸长量Sd传递给游动轴承8的外圈，也就是说，游动轴承8被推回Sd的距离，游动轴承8被推回了原始位置，进而也将丝杠2推回原始位置，最终实现主动消除丝杠副传动机构的轴向间隙的目的。
当采样频率为10khz，即采样时间为0.1毫秒，压电陶瓷促动器的工作频率为10kHz，即工作时间为0.1毫秒，控制器的响应时间在0.01毫秒时，本实施例的传动装置的消隙反应时间为0.21毫秒，即在0.21毫秒时间内完成一次消隙操作。传动装置在工作期间宏观上表现为零间隙。
与现有技术相比，本实施例提供的测动机构测量丝杠副的轴向间隙数据并传送给控制器，控制器根据轴向间隙数据控制促动机构动作，促动机构通过传力机构抵住丝杠副传动机构，本发明的传动装置就能够做到主动消除丝杠副传动机构的轴向间隙；本实施例的角位移传感器的采样频率为0-10khz，测动机构采样时间短，对丝杠的轴向运动量数据传输速度快；压电陶瓷促动器的工作频率为0-10kHz，分辨率在微米级，伸缩量为3.3-326微米，外径为6-20毫米，长度为4-200毫米，作用力范围为1-8kN，促动机构的促动频率高、分辨率高、体积小，传动装置整体紧凑；当采样频率为10khz，即采样时间为0.1毫秒，压电陶瓷促动器的工作频率为10kHz，即工作时间为0.1毫秒，控制器的响应时间在0.01毫秒时，本实施例的传动装置的消隙反应时间为0.21毫秒，即在0.21毫秒时间内完成一次消隙操作，消隙效率高，传动装置工作期间宏观上表现为零间隙。
实施例2
本发明的传动装置的另一个具体实施例，如图3所示，本实施例的传动装置的游动端盖7中心孔的形状以及促动机构的结构与实施例1的不同。
优选地，本实施例的游动端盖7的中心孔与传力机构连接的一端的内径小于游动轴承8的外径，确保游动轴承8的外圈不能向传力机构方向脱离游动端盖7，进而确保游动轴承8不能向传力机构方向脱离游动端盖7。
优选地，本实施例的传力机构包括推板15、推力轴承16和隔圈17，推板15设置在直线轴承12内，推板15能够在直线轴承12内滑动；推板15一端与促动器14连接，另一端与推力轴承16的一端连接，推力轴承16的另一端与丝杠2连接，丝杠2上还设有隔圈17，隔圈17设置在推力轴承16和游动轴承8之间，隔圈17与游动轴承8的内圈连接。推板15依次将促动器14的位移传递给推力轴承16、隔圈17和游动轴承8的内圈，最终抵消丝杠2产生的轴向运动，进而消除丝杠副传动机构的轴向间隙。
因为促动器14的推力最终通过隔圈17和游动轴承8的内圈传递给丝杠2，所以游动轴承8的外圈不再受到轴向力，本实施例的传力机构相比实施例1的传力机构能够承载更大的径向载荷。
在使用时，促动器14通过推板15将位移Sd传递给推力轴承16、隔圈17和游动轴承8的内圈，最终游动轴承8的内圈被推回Sd的距离，游动轴承8的内圈被推回了原始位置，进而也将丝杠2推回原始位置。实现主动消除丝杠副传动机构的轴向间隙的目的。
与现有技术相比，本实施例的角位移传感器的采样频率为0-10khz，测动机构采样时间短，对丝杠的轴向运动量数据传输速度快；压电陶瓷促动器的工作频率为0-10kHz，分辨率在微米级，伸缩量为3.3-326微米，外径为6-20毫米，长度为4-200毫米，作用力范围为1-8kN，促动机构的促动频率高、分辨率高、体积小，传动装置整体紧凑；当采样频率为10khz，即采样时间为0.1毫秒，压电陶瓷促动器的工作频率为10kHz，即工作时间为0.1毫秒，控制器的响应时间在0.01毫秒到1毫秒之间时，本发明的传动装置在0.21-1.2毫秒之间完成一次消隙操作，消隙效率高，传动装置工作期间宏观上表现为零间隙；本实施例的传力机构利用推力轴承和角接触球轴承进行动作传导，本实施例的传动装置能够承受比实施例1更高的载荷。
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)

1.一种主动消除丝杠间隙的传动装置，其特征在于，包括控制器、丝杠副传动机构、测动机构和促动机构，所述测动机构和促动机构分别与控制器电连接，所述测动机构设置在丝杠副传动机构上，所述促动机构和丝杠副传动机构连接，所述测动机构测量丝杠副的轴向间隙数据并传送给控制器，所述控制器控制促动机构动作，促动机构消除丝杠副传动机构的轴向间隙。
2.根据权利要求1所述的主动消除丝杠间隙的传动装置，其特征在于，所述丝杠副传动机构包括安装座(1)、丝杠(2)、螺母(3)、固定端盖(4)、固定轴承(5)、导向机构(6)、游动端盖(7)和游动轴承(8)。
3.根据权利要求2所述的主动消除丝杠间隙的传动装置，其特征在于，所述安装座(1)的一端设有固定端盖(4)和固定轴承(5)，固定端盖(4)用以限制并固定轴承(5)在安装座(1)上的位置。
4.根据权利要求2所述的主动消除丝杠间隙的传动装置，其特征在于，所述安装座(1)的一端设有游动端盖(7)，游动端盖(7)上设有游动轴承(8)，游动端盖(7)为游动轴承(8)提供限位，确保游动轴承(8)只能在轴向方向上移动。
5.根据权利要求3所述的主动消除丝杠间隙的传动装置，其特征在于，所述固定轴承(5)为角接触球轴承。
6.根据权利要求4所述的主动消除丝杠间隙的传动装置，其特征在于，所述游动轴承(8)为角接触球轴承。
7.根据权利要求2所述的主动消除丝杠间隙的传动装置，其特征在于，所述丝杠(2)上设有螺母(3)，丝杠(2)和螺母(3)组成丝杠副。
8.根据权利要求2所述的主动消除丝杠间隙的传动装置，其特征在于，所述丝杠(2)的一端和固定轴承(5)连接，丝杠(2)的另一端和游动轴承(8)连接。
9.根据权利要求2所述的主动消除丝杠间隙的传动装置，其特征在于，所述安装座(1)上设有导向机构(6)，螺母(3)和导向机构(6)连接。
10.根据权利要求2所述的主动消除丝杠间隙的传动装置，其特征在于，所述测动机构与螺母(3)连接。
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