CN211278317U - 一种宏微位移机构 - Google Patents

Abstract

一种宏微位移机构，属于机械设计与制造技术领域，特别涉及一种宏微位移机构。包括输入轴、空心轴、齿轮一、弹性挡圈一、弹性挡圈二、套筒一、双联齿轮、动力输出轴、套筒二、轴承一、轴承端盖一、螺栓一、移动工作台、轴承二、轴承端盖二、螺栓二、滑动双联齿轮、换档拨杆、中间轴、行星架、齿轮二、套筒三、支架、轴承三、轴承端盖三、螺栓三、轴承四、轴承端盖四、动力输入轮、螺栓五、密封圈、螺栓四、弹簧、调整螺母、锁紧螺母，箱体，所述一种宏微位移机构有I档和II档两个档位的传动比，从而实现对移动工作台的纳米级级驱动和毫米级驱动。

Description

一种宏微位移机构

技术领域

本发明是属于机械设计与制造技术领域，特别涉及一种宏微位移机构。

背景技术

机械零件加工后形成的表面形貌对零件的摩擦特性、接触刚度、疲劳强度、配合、振动及运转精度等有很大的影响，工件加工表面的微观形貌直接是判断工件质量的重要指标。因此，对工件的表面的微观形貌进行测量具有重要意义。为了获得工件表面的微观形貌，采用非接触式测量方法的白光干涉轮廓仪是一种高精度获得工件表面粗糙度等参数的一种精密仪器。现有的白光干涉轮廓仪中的垂直扫描功能的实现多是采用压电陶瓷驱动物镜和电容传感器反馈控制，实现微位移的移动，这种白光干涉仪垂直扫描的范围比较小，一般在0到500微米之间，而应用白光干涉仪对工件表面进行测量中，通常对工件的测量的物镜需要在毫米级范围进行移动又需要在纳米级范围内进行微移动以产生干涉条纹，单一的压电陶瓷机构无法实现这种要求，且压电陶瓷成本比较高。在其他仪器设备用也有这种微位移的要求，例如在精密切削中刀具也需要在宏观上及微观上进行移动，也需要宏微位移。因此，亟需设计一种既能实现较大位移又能实现微位移移动的宏微位移机构。

发明内容

本发明的目的是：为了解决现有采用压电陶瓷位移装置不能实现大范围移动，只能在微位移上进行移动的问题，提供了一种不仅可以实现在纳米级范围内移动且可以实现在毫米级范围移动的一种宏微位移机构。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种宏微位移机构，包括输入轴、空心轴、齿轮一、齿轮二、弹性挡圈一、弹性挡圈二、套筒一、双联齿轮、动力输出轴、套筒二、轴承一、轴承端盖一、螺栓一、移动工作台、轴承二、轴承端盖二、螺栓二、滑动双联齿轮、换档拨杆、中间轴、行星架、套筒三、支架、轴承三、轴承端盖三、螺栓三、轴承四、轴承端盖四、动力输入轮、螺栓五、密封圈、螺栓四、弹簧、调整螺母、锁紧螺母，箱体，其特征在于：空心轴穿过箱体的轴孔通过空心轴上的固定轴段和固定凸台由螺栓四固定在箱体上，齿轮一通过花键安装到空心轴上的花键二上，并通过弹性挡圈一压紧在空心轴上的凸台二上，所述齿轮一与齿轮二为无侧隙啮合，无侧隙啮合可以保证有精密的传动精度，空心轴为中空形状，输入轴经空心轴通过轴承四安装在箱体上，所述输入轴的一端安装有密封圈，动力输入轮通过螺栓五固定在输入轴的端部，行星架利用花键八安装在输入轴上的花键一上，由弹性挡圈二将行星架压紧在输入轴的凸台一上，动力输出轴的光轴段一安装在输入轴的光孔中，所述动力输出轴的光轴段一与输入轴的光孔为过渡配合，过渡配合可以保证有精密的传动精度，双联齿轮的花键三安装在动力输出轴的花键四上，并由套筒二压紧在动力输出轴的动力输出轴凸台上，动力输出轴通过套筒二和轴承一安装在箱体上，轴承端盖一通过螺栓一固定在箱体并压紧在轴承一的外圈上，动力输出轴的另一端有精密外螺纹，移动工作台安装在动力输出轴的精密外螺纹上，弹簧安装在动力输出轴上，弹簧的一端压在移动工作台上另一端由调整螺母压紧，压紧后可以消除螺纹间隙，提高运转精度，可以转动调整螺母调节弹簧对移动工作台的压紧程度，调整后转动锁紧螺母锁紧，中间轴的左端安装在轴承二的内圈中，所述轴承二的外圈安装在支架上，轴承端盖二通过螺栓二固定在支架上并压紧轴承二的外圈，所述中间轴的右端安装在轴承三的内圈中，所述轴承三的外圈安装在支架上，轴承端盖三通过螺栓三固定在支架上并压紧轴承三的外圈，所述中间轴上设计有花键六和花键七，滑动双联齿轮的花键五与中间轴上的花键六配合，优选地采用渐开线花键，渐开线花键具有很好的对中性，提高了安装精度，滑动双联齿轮在换档拨杆的拨动下可以在中间轴上移动，齿轮二安装在中间轴上的花键七处，在套筒三和轴承三的内圈的作用下将齿轮二压紧在中间轴上的凸台三上，所述中间轴的光轴段二上安装行星架，行星架的光孔与中间轴的光轴段二为过渡配合，以保证光孔与中光轴段二紧密接触。双联齿轮和滑动双联齿轮的轮齿的齿顶处采用圆弧形状，这种圆弧形状有助于在滑动双联齿轮移动换档时，减少轮齿之间的冲击。双联齿轮和滑动双联齿轮的轮齿的一端的齿型采用半圆形、或者三角形、或者椭圆形，这种形式的轮齿，在滑动双联齿轮移动换档时，可以顺利引导齿轮的移动，容易换档。本发明的宏微位移机构具有两个档位，可以产生两个差别很大的传动比，从而可以实现微米级的工作台移动和纳米级的工作台移动。

本发明专利的有益效果是：本发明通过两个档位的行星齿轮传动，在一个档位下的传动比比较大，实现纳米级微位移的移动；在另一个档位下的传动比比较小，实现在毫米级位移上的移动。本发明的宏微位移机构是一种纯粹机械式的宏微位移机构，不需要电容，不会产生电磁效应，也不会产生电热效应，因此这种机构不会对其他部件的运行产生影响，提高了设备的运转精度。本发明的宏微位移机构不采用压电陶瓷，成本低。压电陶瓷机构的位移特性曲线在不同的负载下有所不同，而本发明的宏微位移机构在额定负载内，其位移特性不受载荷的影响，减少了设备的复杂程度，提高了运转可靠性。

附图说明

图1 是本发明宏微位移机构在I档状态的示意图。

图2 是本发明宏微位移机构在II档状态的示意图。

图3 输入轴局部剖视图

图4 动力输出轴主视图

图5 双联齿轮剖视图

图6 滑动双联齿轮剖视图

图7 空心轴剖视图

图8 中间轴主视图

图9 行星架剖视图

图10 图5与图6中轮齿的A-A剖面图

图11 图5与图6中轮齿的B-B剖面图

图12 图5与图6中的轮齿C处局部放大图

图中，1、输入轴，2、空心轴，3、齿轮一，4、弹性挡圈一，5、弹性挡圈二，6、套筒一，7、双联齿轮，8、动力输出轴，9、套筒二，10、轴承一，11、轴承端盖一，12、螺栓一，13、移动工作台，14、轴承二，15、轴承端盖二，16、螺栓二，17、滑动双联齿轮，18、换档拨杆，19、中间轴，20、行星架，21、齿轮二，22、套筒三，23、支架，24、轴承三，25、轴承端盖三，26、螺栓三，27、轴承四，28、轴承端盖四，29、动力输入轮，30、螺栓五，31、密封圈，32、螺栓四，33、弹簧，34、调整螺母，35、锁紧螺母，36、箱体，101、花键一，102、弹性挡圈三，103、光孔，104、凸台一，201、弹簧挡圈槽，202、花键二，203、凸台二，204、固定轴段，205、固定凸台，701、双联齿轮一，702、双联齿轮二，703、花键三，801、花键四，802、精密外螺纹，803、光轴段一，804、动力输出轴凸台、1701、滑动双联齿轮一，1702、滑动双联齿轮二，1703、花键五，1704、换挡拨杆槽，1901、花键六，1902、光轴段二，1903、花键七，1904、凸台三，2001、光孔，2002、倒角一，2003、花键八，2004、倒角二。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明提出了一种宏微位移机构，所述宏微位移机构，包括输入轴1、空心轴2、齿轮一3、弹性挡圈一4、弹性挡圈二5、套筒一6、双联齿轮7、动力输出轴8、套筒二9、轴承一10、轴承端盖一11、螺栓一12、移动工作台13、轴承二14、轴承端盖二15、螺栓二16、滑动双联齿轮17、换档拨杆18、中间轴19、行星架20、齿轮二21、套筒三22、支架23、轴承三24、轴承端盖三25、螺栓三26、轴承四27、轴承端盖四28、动力输入轮29、螺栓五30、密封圈31、螺栓四32、弹簧33、调整螺母34、锁紧螺母35，箱体36，其特征在于：空心轴2穿过箱体36的轴孔通过空心轴2上的固定轴段204和固定凸台205由螺栓四32固定在箱体36上，螺栓四32同时固定轴承端盖四28，齿轮一3通过花键安装到空心轴2上的花键二202上，并通过弹性挡圈一4 压紧在空心轴2上的凸台二203上，所述齿轮二21与齿轮一3为无侧隙啮合，无侧隙啮合可以保证有精密的传动精度，空心轴（2）为中空形状，输入轴1经空心轴2通过轴承四27安装在箱体36上，所述输入轴1的一端安装有密封圈31，密封圈31可以防止在输入轴１运转中箱体36内部的润滑油泄漏，动力输入轮29通过螺栓五30固定在输入轴1的端部，行星架20利用花键八2003安装在输入轴1上的花键一101上，由弹性挡圈二5将行星架20压紧在输入轴1的凸台一104上，动力输出轴8的光轴段一803安装在输入轴1的光孔103中，所述动力输出轴8的光轴段一803与输入轴1的光孔103为过渡配合，过渡配合可以保证有精密的传动精度，双联齿轮7的花键三703安装在动力输出轴8的花键四801上，并由套筒二9压紧在动力输出轴8的动力输出轴凸台804上，动力输出轴8通过套筒二9和轴承一10安装在箱体36上，轴承端盖一11通过螺栓一12固定在箱体36并压紧在轴承一10的外圈上，动力输出轴8的另一端有精密外螺纹802，移动工作台13安装在动力输出轴8的精密外螺纹802上，弹簧33安装在动力输出轴8上，弹簧33的一端压在移动工作台13上另一端由调整螺母34压紧，可以转动调整螺母34调节弹簧对移动工作台13的压紧程度，压紧后可以消除螺纹间隙，提高运转精度，调整后转动锁紧螺母35锁紧，中间轴19的左端安装在轴承二14的内圈中，所述轴承二14的外圈安装在支架23上，轴承端盖二15通过螺栓二16固定在支架23上并压紧轴承二14的外圈，所述中间轴19的右端安装在轴承三24的内圈中，所述轴承三24的外圈安装在支架23上，轴承端盖三25通过螺栓三26固定在支架23上并压紧轴承三24的外圈，所述中间轴19上设计有花键六1901和花键七1903，滑动双联齿轮17的花键五1703与中间轴19上的花键六1901配合，优选的花键五1703与花键六1901采用渐开线花键，渐开线花键具有很好的对中性，提高了安装精度，滑动双联齿轮17在换档拨杆18的拨动下可以在中间轴上移动，齿轮二21安装在中间轴19上的花键七1903处，在套筒三22和轴承三24的内圈的作用下将齿轮二21压紧在中间轴19上的凸台三1904上，所述中间轴19的光轴段二1902上安装行星架20，行星架20的光孔2001与中间轴19的光轴段二1902为过渡配合，以保证光孔2001与中光轴段二1902紧密接触且能够自由相对转动。双联齿轮7和滑动双联齿轮17的轮齿的齿顶处采用圆弧形状，这种圆弧形状有助于在滑动双联齿轮17移动换档时，减少轮齿之间的冲击。双联齿轮7和滑动双联齿轮17的轮齿的一端的齿型采用半圆形、或者三角形、或者椭圆形，这种形式的轮齿，在滑动双联齿轮17移动换档时，可以顺利引导齿轮的移动，容易换档。

本发明的一种宏微位移机构有I档和II档两个档位的传动比，从而实现对移动工作台13的纳米级级驱动和毫米级驱动，所述宏微位移机构中，设齿轮一3的齿数为z₃，齿轮二21的齿数为z₂₁，双联齿轮7的双联齿轮一701的齿数为z₇₀₁，双联齿轮7的双联齿轮二702的齿数为z₇₀₂，滑动双联齿轮17的滑动双联齿轮一1701的齿数为z₁₇₀₁，滑动双联齿轮17的滑动双联齿轮二1702的齿数为z₁₇₀₂，那么在I档状态下，齿轮一3与齿轮二21啮合，双联齿轮一701与滑动双联齿轮一1701啮合，此时输入轴1到动力输出轴8的传动比为 i₁₈=1-z₁₇₀₁z₃/z₇₀₁/z₂₁，优选地z₇₀₁=100，z₁₇₀₁=101，z₂₁=100，z₃=99时， i₁₈=1-101x99/100/100=1/10000，当输入轴1转动时，动力输出轴8将i₁₈倍的转速产生微小的转动，当动力输出轴8转动后，带动动力输出轴8上的精密外螺纹802转动，精密外螺纹802设计为精密细牙螺纹，采用精密细牙螺纹可以提高传动精度，精密外螺纹802的转动带动移动工作台13沿着动力输出轴8的轴向产生纳米级移动，这种结构提高了移动工作台13运动精度，精密外螺纹802的转动转换成了移动工作台13的纳米级微位移移动。

推动换档拨杆18，滑动双联齿轮17沿着中间轴移动，滑动双联齿轮17的滑动双联齿轮二1702与双联齿轮7的双联齿轮二702啮合，进入II档，在II档状态下，齿轮一3与齿轮二21啮合，双联齿轮二702与滑动双联齿轮二1702啮合，此时，输入轴1到动力输出轴8的传动比为i₁₈=1-z₁₇₀₂z₃/z₇₀₂/z₂₁，优选地z₇₀₂=100，z₁₇₀₂=95，z₂₁=100，z₃=95时， i₁₈=1-95x95/100/100=975/10000，当输入轴1转动时，动力输出轴8将i₁₈倍的转速产生比较小的转动，当动力输出轴8转动后，带动动力输出轴8上的精密外螺纹802转动，精密外螺纹802设计为精密细牙螺纹，采用精密细牙螺纹可以提高传动精度，精密外螺纹802的转动带动移动工作台13沿着动力输出轴8的轴向产生毫米级移动，精密外螺纹802的转动转换成了移动工作台13的毫米级微位移移动，这种结构提高了移动工作台13运动精度。

最后，还需要注意的是，以上举例仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不仅仅限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明的公开内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种宏微位移机构，包括输入轴（1）、空心轴（2）、齿轮一（3）、弹性挡圈一（4）、弹性挡圈二（5）、套筒一（6）、双联齿轮（7）、动力输出轴（8）、套筒二（9）、轴承一（10）、轴承端盖一（11）、螺栓一（12）、移动工作台（13）、轴承二（14）、轴承端盖二（15）、螺栓二（16）、滑动双联齿轮（17）、换档拨杆（18）、中间轴（19）、行星架（20）、齿轮二（21）、套筒三（22）、支架（23）、轴承三（24）、轴承端盖三（25）、螺栓三（26）、轴承四（27）、轴承端盖四（28）、动力输入轮（29）、螺栓五（30）、密封圈（31）、螺栓四（32）、弹簧（33）、调整螺母（34）、锁紧螺母（35），箱体（36），其特征在于，空心轴（2）穿过箱体（36）的轴孔通过空心轴（2）上的固定轴段（204）和固定凸台（205）由螺栓四（32）固定在箱体（36）上，螺栓四（32）同时固定轴承端盖四（28），齿轮一（3）通过花键安装到空心轴（2）上的花键二（202）上，并通过弹性挡圈一（4）压紧在空心轴（2）上的凸台二（203）上。

2.根据权利要求1 所述的一种宏微位移机构，其特征在于，所述齿轮二（21）与齿轮一（3）为无侧隙啮合，无侧隙啮合可以保证有精密的传动精度。

3.根据权利要求1 所述的一种宏微位移机构，其特征在于，所述心轴（2）为中空形状，输入轴（1）经空心轴（2）通过轴承四（27）安装在箱体（36）上，所述输入轴（1）的一端安装有密封圈（31），密封圈（31）可以防止在输入轴（1）运转中箱体（36）内部的润滑油泄漏，动力输入轮(29)通过螺栓五(30)固定在输入轴(1)的端部。

4.根据权利要求1 所述的一种宏微位移机构，其特征在于，所述行星架(20)利用花键八(2003)安装在输入轴(1)上的花键一(101)上，由弹性挡圈二(5)将行星架(20)压紧在输入轴(1)的凸台一(104)上，动力输出轴(8)的光轴段一(803)安装在输入轴(1)的光孔(103)中，所述动力输出轴(8)的光轴段一(803)与输入轴(1)的光孔(103)为过渡配合，过渡配合可以保证有精密的传动精度，双联齿轮(7)的花键三(703)安装在动力输出轴(8)的花键四(801)上，并由套筒二(9)压紧在动力输出轴(8)的动力输出轴凸台(804)上，动力输出轴(8)通过套筒二（9）和轴承一(10)安装在箱体(36)上，轴承端盖一(11)通过螺栓一(12)固定在箱体(36)并压紧在轴承一(10)的外圈上。

5.根据权利要求1 所述的一种宏微位移机构，其特征在于，所述动力输出轴(8)的另一端有精密外螺纹(802)，移动工作台(13)安装在动力输出轴(8)的精密外螺纹(802)上，弹簧(33)安装在动力输出轴(8)上，弹簧(33)的一端压在移动工作台(13)上另一端由调整螺母(34)压紧，可以转动调整螺母(34)调节弹簧对移动工作台(13)的压紧程度，压紧后可以消除螺纹间隙，提高运转精度。

6.根据权利要求1 所述的一种宏微位移机构，其特征在于，所述中间轴(19)的左端安装在轴承二(14)的内圈中，所述轴承二(14)的外圈安装在支架(23)上，轴承端盖二(15)通过螺栓二(16)固定在支架(23)上并压紧轴承二(14)的外圈，所述中间轴(19)的右端安装在轴承三(24)的内圈中，所述轴承三(24)的外圈安装在支架(23)上，轴承端盖三(25)通过螺栓三(26)固定在支架(23)上并压紧轴承三(24)的外圈，所述中间轴(19)上设计有花键六(1901)和花键七(1903)，滑动双联齿轮(17)的花键五(1703)与中间轴(19)上的花键六(1901)配合，花键五(1703)与花键六(1901)采用渐开线花键，渐开线花键具有很好的对中性，提高了安装精度，滑动双联齿轮(17)在换档拨杆(18)的拨动下可以在中间轴上移动，齿轮二(21)安装在中间轴(19)上的花键七(1903)处，在套筒三(22)和轴承三(24)的内圈的作用下将齿轮二(21)压紧在中间轴(19)上的凸台三(1904)上，所述中间轴(19)的光轴段二(1902)上安装行星架(20)，行星架(20)的光孔(2001)与中间轴(19)的光轴段二(1902)为过渡配合，以保证光孔(2001)与中光轴段二(1902)紧密接触且能够自由相对转动。

7.根据权利要求1 所述的一种宏微位移机构，其特征在于，所述双联齿轮(7)和滑动双联齿轮(17)的轮齿的齿顶处采用圆弧形状，这种圆弧形状有助于在滑动双联齿轮(17)移动换档时，减少轮齿之间的冲击，双联齿轮(7)和滑动双联齿轮(17)的轮齿的一端的齿型采用半圆形、或者三角形、或者椭圆形，这种形式的轮齿，在滑动双联齿轮(17)移动换档时，可以顺利引导齿轮的移动，容易换档。

8.根据权利要求1 所述的一种宏微位移机构，其特征在于，所述一种宏微位移机构有I档和II档两个档位的传动比，从而实现对移动工作台（13）的纳米级级驱动和毫米级驱动。

9.根据权利要求1 所述的一种宏微位移机构，其特征在于所述动力输出轴（8）转动后，带动动力输出轴（8）上的精密外螺纹（802）转动，精密外螺纹（802）设计为精密细牙螺纹，采用精密细牙螺纹可以提高传动精度，精密外螺纹（802）的转动带动移动工作台（13）沿着动力输出轴（8）的轴向产生移动，这种结构提高了移动工作台（13）运动精度，精密外螺纹（802）的转动转换成了移动工作台（13）的微位移移动。

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