RU2779490C1

RU2779490C1 - Screw drive

Info

Publication number: RU2779490C1
Application number: RU2022112345A
Authority: RU
Inventors: Антон Алексеевич Янин
Filing date: 2022-05-04
Publication date: 2022-09-07

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of mechanical engineering, and more specifically to screw gears. The screw transmission contains a lead screw, a lead nut interacting with it, fixed in the nut holder, a floating element and a movable element connected to the nut holder. The movable element is installed in the guides. The nut holder is made in the form of two coupling halves, mounted perpendicular to the axis of the lead screw mirror to each other with a rotation of 90° around the axis of the screw, with balls installed in them. The floating element is made in the form of a cross with two pairs of mutually perpendicular flat cams included in the half-couplings. Connection with coupling halves is carried out by means of balls interacting with magnets placed in coaxial holes made in coupling halves. The balls for connection with the floating element are equipped with magnets placed in coaxial holes made in the floating element and coupling halves.

EFFECT: screw transmission improvement.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к винтовым механизмам точного движения и предназначена для использования в 3D-принтерах и станках с программным управлением, а также может быть использована в других областях точной механики.The invention relates to screw mechanisms for precise movement and is intended for use in 3D printers and machine tools with program control, and can also be used in other areas of precision mechanics.

Известна винтовая передача (см. патент РФ №202741, МПК F16H 25/00, опубликовано 03.03.2021, Бюл. №7), содержащая винт, взаимодействующую с ним гайку, встроенную в гайкодержатель внутренний, имеющий полуоси, которые опираются на боковины гайкодержателя наружного, представляющего из себя рамку и состоящего из двух полуосей и двух боковин, стянутых между собой болтами, а гайка снабжена шпоночным соединением, удерживающим ее от поворота вокруг оси винта (принято за аналог).A screw gear is known (see RF patent No. 202741, IPC F16H 25/00, published on 03.03.2021, Bull. No. 7), containing a screw, a nut interacting with it, built into an internal nut holder, having semiaxes that rest on the sides of the outer nut holder , which is a frame and consists of two semi-axes and two sidewalls, bolted together, and the nut is equipped with a keyed connection that keeps it from turning around the screw axis (taken as an analogue).

Недостатком устройства является использование узлов трения скольжения для компенсации несоосности и непараллельности осей вращающихся деталей. Наличие сил трения скольжения снижает точность позиционирования подвижного элемента.The disadvantage of the device is the use of sliding friction units to compensate for misalignment and non-parallelism of the axes of rotating parts. The presence of sliding friction forces reduces the positioning accuracy of the moving element.

Наиболее близким по технической сути является устройство для линейного перемещения (см. авторское свидетельство SU №1580098, МПК F16H 25/24, опубликовано 23.07.1990, бюл. №27), содержащее ходовой винт, взаимодействующую с ним самоустанавливающуюся плавающую гайку, закрепленные на ней полуоси с установленными на них сепараторами с шариками, на которых установлен гайкодержатель, выполненный в виде замкнутого контура, подвижный элемент, установленный в направляющих, и связанный с гайкодержателем при помощи полуоси с сепаратором и шариками (принято за прототип).The closest in technical essence is a device for linear movement (see copyright certificate SU No. 1580098, IPC F16H 25/24, published on July 23, 1990, bull. No. 27), containing a lead screw, a self-aligning floating nut interacting with it, fixed on it axle shafts with cages installed on them with balls, on which a nut holder is installed, made in the form of a closed circuit, a movable element installed in the guides and connected to the nut holder using a half shaft with a cage and balls (taken as a prototype).

Недостатками устройства являются: высокая трудоемкость при изготовлении беговых дорожек, осевых канавок и гайкодержателя. Для эффективной работы устройства необходима высокая точность обработки наружного и внутреннего колец для обеспечения соосности при сборке подшипниковых узлов и, как следствие, усложнение ремонта узлов. Кроме того, подшипники изготавливаются с учетом теплового расширения при изменении температуры и в них всегда присутствует некоторый тепловой зазор, что негативно сказывается на точности при изменении вектора приложения силы на противоположный.The disadvantages of the device are: high complexity in the manufacture of running tracks, axial grooves and nut holder. For the effective operation of the device, high precision processing of the outer and inner rings is necessary to ensure alignment during the assembly of bearing assemblies and, as a result, complicating the repair of assemblies. In addition, bearings are manufactured to allow thermal expansion with temperature change and there is always some thermal clearance in them, which negatively affects accuracy when the force application vector is reversed.

Техническая проблема состоит в том, что вследствие неточности изготовления (не прямолинейность винта) и погрешности монтажа винта относительно гайки без использования компенсирующих устройств возникают силы, воздействующие на направляющие вдоль плоскости XY. В случае использования жесткой станочной рамы возникает повышенный износ пары винт-гайка, а при работе в станках и устройствах, где в высокой жесткости нет необходимости (например, ось Z 3D-принтеров), возникает паразитный эффект - раскачивание подвижного элемента в плоскости, перпендикулярной оси перемещения.The technical problem is that due to inaccuracies in manufacturing (non-straightness of the screw) and mounting errors of the screw relative to the nut without the use of compensating devices, forces arise that act on the guides along the XY plane. In the case of using a rigid machine frame, increased wear of the screw-nut pair occurs, and when working in machines and devices where there is no need for high rigidity (for example, the Z axis of 3D printers), a parasitic effect occurs - the swinging of the moving element in a plane perpendicular to the axis movement.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, снижение износа винта и гайки, а также снижение требований к погрешности их изготовления и монтажа, повышение долговечности и точности устройства.The technical result to be achieved by the claimed technical solution is to reduce the wear of the screw and nut, as well as to reduce the requirements for the error of their manufacture and installation, to increase the durability and accuracy of the device.

Указанная техническая задача решается за счет того, что винтовая передача, содержащая ходовой винт, взаимодействующую с ним ходовую гайку, закрепленную в гайкодержателе, плавающий элемент и связанный с гайкодержателем подвижный элемент, установленный в направляющих, гайкодержатель выполнен в виде полумуфт, смонтированных перпендикулярно оси ходового винта зеркально друг другу с поворотом на 90° вокруг оси винта, с установленными в них шариками, для связи с плавающим элементом, выполненным в виде крестовины с двумя парами взаимно перпендикулярных плоских кулачков, входящих в выполненные в полумуфтах диаметрально расположенные вертикальные пазы и соединенные с полумуфтами посредством шариков, взаимодействующих с магнитами, размещенными в соосных отверстиях, выполненных в полумуфтах, а шарики для связи с плавающим элементом оснащены магнитами, размещенными в соосных отверстиях, выполненных в плавающем элементе и полумуфтах.The specified technical problem is solved due to the fact that the screw gear containing the lead screw, the lead nut interacting with it, fixed in the nut holder, the floating element and the movable element connected with the nut holder, installed in the guides, the nut holder is made in the form of coupling halves mounted perpendicular to the axis of the lead screw mirror to each other with a rotation of 90° around the axis of the screw, with balls installed in them, for connection with a floating element made in the form of a cross with two pairs of mutually perpendicular flat cams included in the diametrically located vertical grooves made in the coupling halves and connected to the coupling halves by means of balls interacting with magnets placed in coaxial holes made in half-couplings, and balls for connection with the floating element are equipped with magnets placed in coaxial holes made in the floating element and half-couplings.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид винтовой передачи, на фиг.2 - вид снизу, на фиг.3 - вид сбоку.The essence of the claimed utility model is illustrated by drawings, where figure 1 shows a General view of the screw gear, figure 2 - bottom view, figure 3 - side view.

Винтовая передача содержит ходовой винт 1, взаимодействующую с ним ходовую гайку 2, расположенные перпендикулярно оси винта 1 зеркально друг другу с поворотом 90° вокруг оси винта полумуфту 3 и полумуфту 4, каждая из которых имеет по паре диаметрально расположенных пазов 5, размещенный между ними плавающий элемент 6 в виде крестовины с двумя парами взаимно перпендикулярных плоских кулачков 7, входящих в соответствующие пазы полумуфт. В каждом пазу полумуфт 3 и 4 выполнены отверстия, в которые установлены магниты 8 и 9, с контактирующими с ними стальными шариками 10 и 11, входящими в ответные пазы, выполненные в кулачках 7. В полумуфтах 3 и 4 установлены шарики 12, для связи с крестовиной 6, оснащенные магнитами 13, размещенными в отверстиях, выполненных в полумуфтах и крестовине. Постоянный контакт обеспечивается установленными по два в каждой полумуфте поджимными винтами 14. Полумуфта 3 прикреплена к ходовой гайке 2 крепежным винтом 15, а полумуфта 4 - крепежным винтом к подвижному элементу 16, который связан с направляющими 17.The screw transmission contains a lead screw 1, a lead nut 2 that interacts with it, located perpendicular to the axis of the screw 1 mirror to each other with a rotation of 90° around the axis of the screw, half-coupling 3 and half-coupling 4, each of which has a pair of diametrically located grooves 5, placed between them a floating element 6 in the form of a cross with two pairs of mutually perpendicular flat cams 7 included in the corresponding grooves of the coupling halves. Holes are made in each groove of coupling halves 3 and 4, in which magnets 8 and 9 are installed, with steel balls 10 and 11 in contact with them, included in the reciprocal grooves made in cams 7. Balls 12 are installed in coupling halves 3 and 4, for communication with crosspiece 6, equipped with magnets 13, placed in the holes made in the coupling halves and the crosspiece. Constant contact is provided by clamping screws 14 installed two in each coupling half. The coupling half 3 is attached to the running nut 2 by the fixing screw 15, and the coupling half 4 is attached to the movable element 16 by the fixing screw, which is connected to the guides 17.

Магниты устанавливаются таким образом, чтобы при сборке всей конструкции ее элементы притягивались друг к другу. Отверстия для установки магнитов в полумуфтах предусмотрены глубже высоты используемых магнитов для ограничения подвижности шариков. Использование магнитов исключает перемещение шариков к кромке отверстий, в которых установлены магниты в пределах рабочего хода механизма (возможностей компенсации). Магниты, размещенные в соосных отверстиях, выполненных в плавающем элементе и полумуфтах, не имеют каких-либо зазоров, что позволяет относительно свободно смещаться ходовому винту в плоскости XY и при этом компенсировать наклон оси винта относительно плоскости XY, перекатываясь на шариках.Magnets are installed in such a way that when assembling the entire structure, its elements are attracted to each other. Holes for mounting magnets in the coupling halves are provided deeper than the height of the magnets used to limit the mobility of the balls. The use of magnets prevents the balls from moving to the edge of the holes in which the magnets are installed within the working stroke of the mechanism (compensation possibilities). The magnets placed in the coaxial holes made in the floating element and coupling halves do not have any gaps, which allows the lead screw to move relatively freely in the XY plane and at the same time compensate for the tilt of the screw axis relative to the XY plane, rolling on balls.

Использование магнитов обусловлено необходимостью создания тянущего усилия, передаваемого ходовой гайкой 2 на подвижный элемент 16, направленное от подвижного элемента.The use of magnets is due to the need to create a pulling force transmitted by the running nut 2 to the movable element 16, directed from the movable element.

Винтовая передача работает следующим образом.Screw gear works as follows.

При вращении ходового винта 1, передаче вращательного движения ходовой гайке 2 препятствует ее соединение с полумуфтой 4 через кулачки 7 крестовины 6 и установленные между ними магниты 8 и 9, с шариками 10 и 11, в результате чего вращательное движение преобразуется в поступательное, которое передается на крестовину 6 через установленные в полумуфте 3 магниты 13 через шарики 12 и установленные в крестовине 6 магниты 13, а крестовиной 6 передается на полумуфту 4 через установленные зеркально с поворотом на 90° вокруг оси ходового винта 1 в крестовине 6 магниты 13 через шарики 12 и установленные в полумуфте 4 магниты 13 и далее на подвижный элемент 16, на котором закреплена полумуфта 4.When the lead screw 1 rotates, the transmission of rotational motion to the lead nut 2 is prevented by its connection with the coupling half 4 through the cams 7 of the cross 6 and the magnets 8 and 9 installed between them, with balls 10 and 11, as a result of which the rotational motion is converted into translational, which is transmitted to the crosspiece 6 through the magnets 13 installed in the half-coupling 3 through the balls 12 and the magnets 13 installed in the crosspiece 6, and the crosspiece 6 is transmitted to the half-coupling 4 through the magnets 13 installed in a mirror with a rotation of 90 ° around the axis of the lead screw 1 in the crosspiece 6 through the balls 12 and installed in the half-coupling 4 magnets 13 and then on the movable element 16, on which the half-coupling 4 is fixed.

При отклонении оси вращения ходового винта 1 от оси направляющих 17 подвижного элемента 16 в плоскости XY, ходовая гайка 2 вместе с полумуфтой 3, на которой она закреплена, увлекаемая паразитным радиальным усилием ходового винта 1, смещается вместе с ним в плоскости XY за счет качения шариков 10, 11 и 12, размещенных между кулачками крестовины 6 и полумуфтами 3 и 4, компенсируя радиальную несоосность.When the axis of rotation of the lead screw 1 deviates from the axis of the guides 17 of the movable element 16 in the XY plane, the lead nut 2 together with the coupling half 3 on which it is fixed, carried away by the parasitic radial force of the lead screw 1, moves along with it in the XY plane due to the rolling of the balls 10, 11 and 12, placed between the cams of the cross 6 and coupling halves 3 and 4, compensating for radial misalignment.

При непараллельности плоскости подвижного элемента 16 и плоскости ходовой гайки 2 свободный наклон ходовой гайки 2 обеспечивается за счет перекатывания шариков 10, 11 и 12 по соответствующим поверхностям крестовины 6 и полумуфт 3 и 4, компенсируя угловую несоосность. В результате обеспечивается свобода перемещения полумуфты 3 относительно полумуфты 4 по осям X и Y, и компенсируется радиальная несоосность за счет перемещения крестовины 6 в двух взаимно перпендикулярных направлениях путем перекатывания ее поверхностей А, Б, В, Г по соответствующим шарикам 10 и 11 и поверхностей магнитов 8 и 9 полумуфт 3 и 4 и шарикам 12, установленным между магнитами 13 крестовины и полумуфт 3 и 4.If the plane of the movable element 16 and the plane of the running nut 2 are not parallel, the free inclination of the running nut 2 is provided by rolling the balls 10, 11 and 12 along the corresponding surfaces of the cross 6 and coupling halves 3 and 4, compensating for angular misalignment. As a result, the freedom of movement of the half-coupling 3 relative to the half-coupling 4 along the X and Y axes is ensured, and the radial misalignment is compensated by moving the crosspiece 6 in two mutually perpendicular directions by rolling its surfaces A, B, C, D along the corresponding balls 10 and 11 and the surfaces of the magnets 8 and 9 coupling halves 3 and 4 and balls 12 installed between magnets 13 of the cross and coupling halves 3 and 4.

Компенсируя радиальную и угловую несоосность, винтовая передача снижает паразитную нагрузку на компоненты устройства, в котором она применяется, за счет свободного хода в пределах поверхностей качения, что в свою очередь снижает трение и в результате снижается износ и повышается точность работы всей системы.By compensating for radial and angular misalignment, the screw drive reduces the parasitic load on the components of the device in which it is used, due to the free movement within the rolling surfaces, which in turn reduces friction and, as a result, reduces wear and improves the accuracy of the entire system.

В отличие от прототипа в предлагаемой винтовой передаче отсутствуют зазоры между поверхностями качения за счет использования магнитов и шариков вместо подшипников, в которых всегда предусмотрен тепловой зазор. Такое решение позволяет повысить точность линейного перемещения при изменении вектора приложения силы к подвижному элементу на противоположный.Unlike the prototype, the proposed screw gear has no gaps between the rolling surfaces due to the use of magnets and balls instead of bearings, which always have a thermal gap. This solution makes it possible to increase the accuracy of linear movement when the vector of force application to the moving element is reversed.

Достоинствами предлагаемой винтовой передачи являются:The advantages of the proposed screw transmission are:

- простота изготовления тел качения;- ease of manufacture of rolling elements;

- ускорение и удешевление производства устройства;- speeding up and reducing the cost of production of the device;

- универсальность частей (полумуфты 3 и 4 одинаковые);- versatility of parts (coupling halves 3 and 4 are the same);

- простота ремонта.- ease of repair.

Claims

1. A screw transmission containing a lead screw, a lead nut that interacts with it, fixed in a nut holder, a floating element and a movable element connected to the nut holder, installed in guides, characterized in that the nut holder is made in the form of two coupling halves mounted perpendicular to the axis of the lead screw mirror to each other to each other with a 90° turn around the screw axis, with balls installed in them, for connection with a floating element made in the form of a cross with two pairs of mutually perpendicular flat cams included in diametrically located vertical grooves made in the coupling halves and connected to the coupling halves by means of balls, interacting with magnets placed in coaxial holes made in coupling halves.

2. Screw gear according to claim 1, characterized in that the balls for connection with the floating element are equipped with magnets placed in coaxial holes made in the floating element and coupling halves.