一种使用单一动力源实现二维闭合运动轨迹的机械装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种使用单一动力源实现二维闭合运动轨迹的机械装置，包括装置底板、低位换轨斜坡、高位换轨斜坡、换轨定位机构、滑轨、滑块、高位齿条机构、低位齿条机构、齿轮、螺杆、螺母、导向杆、滚轮轴、滚轮及归零机构；在正反向动力源的驱动下，该机械装置能够生成二维闭合运动轨迹。本实用新型具有结构简单，刚度和精度高，纯机械耦合，易于调整轨迹，可靠性极高等特点。适应高温、低温、强电磁、强振动、粉尘及腐蚀性气体环境，是取代多动力源相关设备、执行单一重复动作的一种解决方案。
【专利说明】—种使用单一动力源实现二维闭合运动轨迹的机械装置
【技术领域】
[0001]本发明属于传动设备设计制造领域，具体涉及一种使用单一动力源，并能生成二维闭合运动轨迹的髙机械耦合的机械装置。
【背景技术】
[0002]随着科技日益进步，以前需要人力的各种行业，不断向机械化、自动化的生产方式转变。
[0003]通过调研发现，目前实现二维闭合运动轨迹的机械装置，主要基于电气、液压及气动的传动，以及与其配套的控制方案。这些装置过于复杂，可靠性不高，环境振动指标的要求较高，价格昂贵。
【发明内容】
[0004]为了解决上面提到的问题，本发明设计出一种单动力髙机械耦合的机械装置，以执行要生成二维闭合运动轨迹的各个机械动作，制造方便，调试容易，成本低廉，环境要求低，可用于各个领域。
[0005]本发明提出的使用单一动力源实现二维闭合运动轨迹的机械装置，包括装置底板、低位换轨斜坡、高位换轨斜坡、换轨定位机构、滑轨、滑块、高位齿条机构、低位齿条机构、齿轮、螺杆、螺母、导向杆、滚轮轴、滚轮及归零机构；其中，相应齿数的高、低位齿条、弹性缓冲材料及安装座构成相应齿数的高、低位齿条机构，归零机构由归零头、归零轴及压缩弹簧构成；在正反向动力源的驱动下，滑块沿着滑轨做水平的周期性往复运动，在周期性往复运动过程中，齿轮分别与高位齿条和低位齿条啮合，带动螺杆正反向旋转，使螺母产生上升、下降运动；在水平往复运动的齿轮与相脱离的高位齿条或低位齿条的啮入中如出现咬齿，则齿条下的弹性缓冲材料发生形变，齿条倾斜，齿轮顺利啮入齿条；在滑块水平往复运动的起点或终点，安装在换轨定位机构上的齿轮分别被低位换轨斜坡或高位换轨斜坡改变到新的位置，并被换轨定位机构保持在该位置上，使其在后续的水平运动中能够啮入目标齿条；归零机构可以消除在齿轮的一个水平往复运动周期中螺母与装置底板间所积累的高度误差；其特征在于，各个构件之间由十一个运动副构成运动关系，第一个是连接于滑轨与滑块之间的移动副，第二个是连接于高位齿条、低位齿条与齿轮之间的齿轮齿条副，第三个是连接于齿轮与换轨定位机构之间的转动副，第四个是连接于滑块与螺杆之间的转动副，第五个是连接于螺杆与螺母之间的螺旋副，第六个是连接于螺母与导向杆之间的移动副，第七个是连接于滑块与换轨定位机构之间的移动副，第八个是连接于归零头与归零轴之间的转动副，第九个是连接于滚轮轴与滚轮之间的转动副，第十个是连接于滚轮与低位换轨斜坡之间的滚动副，第i^一个是连接于滚轮与高位换轨斜坡之间的滚动副；其中，滑轨、低位换轨斜坡、高位换轨斜坡、归零轴及安装座均安装在装置底板上，弹性缓冲材料安装在安装座上，高位齿条、低位齿条分别与其弹性缓冲材料固定连接，滑块通过移动副安装在滑轨上，换轨定位机构通过移动副安装在滑块上，齿轮通过转动副安装在换轨定位机构上，滚轮轴固定安装在换轨定位机构上，滚轮通过转动副安装在滚轮轴上，导向杆固定安装于滑块，螺杆通过转动副安装在滑块上，螺母通过螺旋副安装在螺杆上且通过移动副与导向杆连接，齿轮与螺杆同轴并通过花键相连接，归零头通过转动副安装在归零轴上，归零头与低位齿条在齿厚方向上平齐，压缩弹簧一端与归零头固连，另一端与高位换轨斜坡固连。
[0006]根据本发明所述的使用单一动力源实现二维闭合运动轨迹的机械装置，将相应数量及相应齿数的高、低位齿条机构安装在平行于滑轨的、可与齿轮啮合的相应位置上，并安装相应数量的归零机构，可以使螺母在滑块的一个水平往复运动周期中形成不同的二维闭合运动轨迹。
[0007]本发明所述的使用单一动力源实现二维闭合运动轨迹的机械装置，有如下特点:
(I)结构简单，易于制造，容易实现模块化生产；(2)刚度好，精度高；(3)只需一个动力源，无需加入任何电气、液压及气动传动手段，可靠性高；(4)机械装置目标运动轨迹易于调整；(5)适应高温、低温、强电磁、强振动、粉尘、腐蚀性气体环境，成本低；(6)体现机械设计高耦合性的发展方向。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1 (a)为本发明实现二维闭合运动轨迹的机械装置正面结构示意图
[0009]图1 (b)为本发明实现二维闭合运动轨迹的机械装置背面结构示意图
[0010]图2 (a)为本发明实现二维闭合运动轨迹的机械装置弹性啮入示意图一
[0011]图2 (b)为本发明实现二维闭合运动轨迹的机械装置弹性啮入示意图二
[0012]图2 (C)为本发明实现二维闭合运动轨迹的机械装置弹性啮入示意图三
[0013]图3 Ca)为本发明实现二维闭合运动轨迹的机械装置归零机构示意图一
[0014]图3 (b)为本发明实现二维闭合运动轨迹的机械装置归零机构示意图二
[0015]图3 (c)为本发明实现二维闭合运动轨迹的机械装置归零机构示意图三
[0016]图4 (a)为本发明实现二维闭合运动轨迹的机械装置起点状态示意图
[0017]图4 (b)为本发明实现二维闭合运动轨迹的机械装置终点状态示意图
[0018]图5为本发明实现二维闭合运动轨迹的机械装置换轨机构示意图
[0019]图6 (a)为本发明实现二维闭合运动轨迹的机械装置轨迹一示意图
[0020]图6 (b)为本发明实现二维闭合运动轨迹的机械装置轨迹二示意图
[0021]图中:11-装置底板、12-低位换轨斜坡、13-滑轨、14-高位齿条、15-弹性缓冲材料、16-安装座、17-滑块、18-换轨定位机构、19-齿轮、20-螺杆、21-导向杆、22-螺母、23-低位齿条、24-归零头、25-归零轴、26-压缩弹簧、27-高位换轨斜坡、28-滚轮轴、29-滚轮。
【具体实施方式】
[0022]本发明提出了一种实现二维闭合运动轨迹的机械装置，结合附图1 (a)、l (b)、2
(a)、2 (b)、2 (c)、3 (a)、3 (b)、3 (c)、4 (a)、4 (b)、5、6 (a)、6 (b)进行详细说明。
[0023]如图1 (a)、l (b)所示，是本发明的一种实现二维闭合运动轨迹的机械装置，其包括装置底板11、低位换轨斜坡12、高位换轨斜坡27、滑轨13、滑块17、高位齿条机构、低位齿条机构、换轨定位机构18、齿轮19、螺杆20、导向杆21、螺母22、滚轮轴28、滚轮29及归零机构；其中，相应齿数的高位齿条14、弹性缓冲材料15及安装座16构成相应齿数的高位齿条机构，相应齿数的低位齿条23、弹性缓冲材料15及安装座16构成相应齿数的低位齿条机构，归零机构由归零头24、归零轴25及压缩弹簧26构成。
[0024]各个构件之间由十一个运动副构成运动关系，第一个是连接于滑轨13与滑块17之间的移动副，第二个是连接于高位齿条14、低位齿条23与齿轮19之间的齿轮齿条副，第三个是连接于齿轮19与换轨定位机构18之间的转动副，第四个是连接于滑块17与螺杆20之间的转动副，第五个是连接于螺杆20与螺母22之间的螺旋副，第六个是连接于螺母22与导向杆21之间的移动副，第七个是连接于滑块17与换轨定位机构18之间的移动副，第八个是连接于归零头24与归零轴25之间的转动副，第九个是连接于滚轮轴28与滚轮29之间的转动副，第十个是连接于滚轮29与低位换轨斜坡12之间的滚动副，第十一个是连接于滚轮29与高位换轨斜坡27之间的滚动副；其中，滑轨13、低位换轨斜坡12、高位换轨斜坡27、归零轴25及安装座16均安装在装置底板11上，弹性缓冲材料15安装在安装座16上，高位齿条14、低位齿条23分别与其弹性缓冲材料15固定连接，滑块17通过移动副安装在滑轨13上，换轨定位机构18通过移动副安装在滑块17上，齿轮19通过转动副安装在换轨定位机构18上，滚轮轴28固定安装在换轨定位机构18上，滚轮29通过转动副安装在滚轮轴28上，导向杆21固定安装于滑块17，螺杆20通过转动副安装在滑块17上，螺母22通过螺旋副安装在螺杆20上且通过移动副与导向杆21连接，齿轮19与螺杆20同轴并通过花键相连接，归零头24通过转动副安装在归零轴25上，归零头24与低位齿条23在齿厚方向上平齐，压缩弹簧26 —端与归零头24固连，另一端与高位换轨斜坡27固连。
[0025]如图2 (a)所示，在齿轮19的行进方向上，齿轮19遇到静止的高位齿条14或低位齿条23,齿轮19的一个轮齿与高位齿条14或低位齿条23啮入方向上的第一个齿接触，最坏情况是高位齿条14或低位齿条23在齿轮19的接触点上施加的作用力通过齿轮19的圆心(如“齿轮受力方向I”所示)，此时齿轮19未获得转矩而不能转动；此时高位齿条14或低位齿条23的接触点上受到齿轮19的反作用力，使弹性缓冲材料15产生压缩形变，其上的高位齿条14或低位齿条23发生倾斜，两受力齿的接触点均发生变化，齿轮19接触点上受到的作用力不再通过其圆心(如“齿轮受力方向2”所示)，齿轮19获得一个转矩，如图2(b)所示；如该转矩能使齿轮19转动，则其接触轮齿顺畅滑过高位齿条14或低位齿条23的第一个齿，使齿轮19的下一个齿顺利啮入高位齿条14或低位齿条23 ;如该转矩不能使齿轮19转动，则其接触轮齿进一步压缩弹性缓冲材料15，通过滑动越过高位齿条14或低位齿条23的第一个齿,使齿轮19的下一个齿顺利啮入高位齿条14或低位齿条23,如图2 (c)所示。该功能分别由高位齿条机构、低位齿条机构与齿轮19配合实现。
[0026]如图3 Ca)所示，在齿轮19的行进方向上，齿轮19顺时针旋转，将要脱离低位齿条23，处于齿轮19的一个轮齿刚接触到归零头24 (如“啮入点所示”)，另一个齿还与低位齿条23的最后一个齿接触(如“脱离点”所示);齿轮19继续运动，归零头24在压缩弹簧26的预压下对齿轮19的轮齿产生相反于行进方向的作用力，使齿轮19继续进行顺时针旋转并完全脱离低位齿条23，如图3 (b)所示；如齿轮19的轮齿将要脱离归零头24，且螺母22正好到达其沿导向杆21运动的坐标零位，则归零头24不发生摆动；如齿轮19的轮齿尚未脱离归零头24，螺母22已经到达其沿导向杆21运动的坐标零位，则齿轮19不能继续旋转，此时齿轮19的轮齿对归零头24的作用力大于压缩弹簧26的预压力，压缩弹簧26被压缩，归零头24绕归零轴25顺时针转动且其齿顶线远离低位齿条23的齿顶线，如图3(c)所示，齿轮19的轮齿将越过归零头24后完全脱离与归零头24的接触，归零头24在压缩弹簧26的压力下恢复之前的状态。该功能由归零机构与齿轮19配合完成。
[0027]如图4 Ca)所示，滑块17处于其沿滑轨13运动的起点位置，换轨定位机构18处于高位且其上的齿轮19与高位齿条14在齿厚方向上平齐，螺母22处于其沿导向杆21运动的坐标零位。当在滑块17上施加一个动力，使滑块17沿着滑轨13从起点位置开始做正向的平动，当到达高位齿条14时，齿轮19与高位齿条14开始啮合，齿轮19通过花键与螺杆20 —同逆时针旋转，使螺母22产生上升运动，当齿轮19与高位齿条14脱开啮合关系时，螺母22上升到目标高度。
[0028]如图5所示，当滑块17上的换轨定位机构18中的滚轮29沿滑轨13运动到低位换轨斜坡12的起始接触位置时，滚轮29在低位换轨斜坡12的斜面上开始滚动，换轨定位机构18被低位换轨斜坡12压向低位，当滑块17上的换轨定位机构18中的滚轮29沿滑轨13运动到达低位换轨斜坡12的脱离接触位置时，换轨定位机构18被低位换轨斜坡12压到低位，并被其自身的机构保持在该位置上，其上的齿轮19与高位齿条14在齿厚方向上完全错开，与低位齿条23在齿厚方向上平齐，滑块17到达其沿滑轨13运动的终点位置，如图4
(b)所示。
[0029]如图4 (b)所示，此时在滑块17上施加一个反向的动力，滑块17沿着滑轨13从终点位置开始做反向的平动，齿轮19与高位齿条14不再啮合，当到达低位齿条23时，齿轮19与低位齿条23开始啮合，齿轮19通过花键与螺杆20 —同顺时针旋转，使螺母22从目标高度开始下降；在齿轮19与低位齿条23脱开啮合关系后通过归零机构，螺母22下降到其沿导向杆21运动的坐标零位。
[0030]如图5所示，滑块17上的换轨定位机构18中的滚轮29沿滑轨13运动到高位换轨斜坡27的起始接触位置时，滚轮29在高位换轨斜坡27的斜面上开始滚动，换轨定位机构18被高位换轨斜坡27抬向高位，当滑块17上的换轨定位机构18中的滚轮29沿滑轨13运动到达高位换轨斜坡27的脱离接触位置时，换轨定位机构18被高位换轨斜坡27抬到高位，并被其自身的机构保持在该位置上，其上的齿轮19与低位齿条23在齿厚方向上完全错开，与高位齿条14在齿厚方向上平齐，滑块17到达其沿滑轨13运动的起点位置，如图4Ca)所示。此时施加在滑块17上的反向动力去除，已经为下一个工作周期做好准备。
[0031]如图6 (a)所示，该图形是本机械装置中螺母22的锥尖在一个运动周期中的二维闭合运动轨迹。
[0032]在本机械装置中如果添加一个高位齿条机构，增加低位齿条机构的相应齿数，螺母22的锥尖在一个运动周期中的运动轨迹如图6 (b)所示，也是一条二维闭合运动轨迹。
[0033]在本机械装置中如果将相应数量及相应齿数的高、低位齿条机构安装在平行于滑轨13的、可与齿轮19啮合的相应位置上，并安装相应数量的归零机构，可以使螺母22在滑块17的一个水平往复运动周期中形成不同的二维闭合运动轨迹。
[0034]在实际应用中，基于本发明所述的一种使用单一动力源实现二维闭合运动轨迹的机械装置，可用于要求这些轨迹的各种工作场合，以执行单一重复动作。
【权利要求】
1.一种使用单一动力源实现二维闭合运动轨迹的机械装置，包括装置底板、低位换轨斜坡、高位换轨斜坡、换轨定位机构、滑轨、滑块、高位齿条机构、低位齿条机构、齿轮、螺杆、螺母、导向杆、滚轮轴、滚轮及归零机构；其中，相应齿数的高、低位齿条、弹性缓冲材料及安装座构成相应齿数的高、低位齿条机构，归零机构由归零头、归零轴及压缩弹簧构成；在正反向动力源的驱动下，滑块沿着滑轨做水平的周期性往复运动，在周期性往复运动过程中，齿轮分别与高位齿条和低位齿条啮合，带动螺杆正反向旋转，使螺母产生上升、下降运动；在水平往复运动的齿轮与相脱离的高位齿条或低位齿条的啮入中如出现咬齿，则齿条下的弹性缓冲材料发生形变，齿条倾斜，齿轮顺利啮入齿条；在滑块水平往复运动的起点或终点，安装在换轨定位机构上的齿轮分别被低位换轨斜坡或高位换轨斜坡改变到新的位置，并被换轨定位机构保持在该位置上，使其在后续的水平运动中能够啮入目标齿条；归零机构可以消除在齿轮的一个水平往复运动周期中螺母与装置底板间所积累的高度误差；其特征在于，各个构件之间由i^一个运动副构成运动关系，第一个是连接于滑轨与滑块之间的移动副，第二个是连接于高位齿条、低位齿条与齿轮之间的齿轮齿条副，第三个是连接于齿轮与换轨定位机构之间的转动副，第四个是连接于滑块与螺杆之间的转动副，第五个是连接于螺杆与螺母之间的螺旋副，第六个是连接于螺母与导向杆之间的移动副，第七个是连接于滑块与换轨定位机构之间的移动副，第八个是连接于归零头与归零轴之间的转动副，第九个是连接于滚轮轴与滚轮之间的转动副，第十个是连接于滚轮与低位换轨斜坡之间的滚动副，第十一个是连接于滚轮与高位换轨斜坡之间的滚动副；其中，滑轨、低位换轨斜坡、高位换轨斜坡、归零轴及安装座均安装在装置底板上，弹性缓冲材料安装在安装座上，高位齿条、低位齿条分别与其弹性缓冲材料固定连接，滑块通过移动副安装在滑轨上，换轨定位机构通过移动副安装在滑块上，齿轮通过转动副安装在换轨定位机构上，滚轮轴固定安装在换轨定位机构上，滚轮通过转动副安装在滚轮轴上，导向杆固定安装于滑块，螺杆通过转动副安装在滑块上，螺母通过螺旋副安装在螺杆上且通过移动副与导向杆连接，齿轮与螺杆同轴并通过花键相连接，归零头通过转动副安装在归零轴上，归零头与低位齿条在齿厚方向上平齐，压缩弹簧一端与归零头固连，另一端与高位换轨斜坡固连。
2.根据权利要求1所述的一种使用单一动力源实现二维闭合运动轨迹的机械装置，其特征在于将相应数量及相应齿数的高、低位齿条机构安装在平行于滑轨的、可与齿轮啮合的相应位置上，并安装相应数量的归零机构，可以使螺母在滑块的一个水平往复运动周期中形成不同的二维闭合运动轨迹。
【文档编号】F16H37/12GK204004270SQ201420462241
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月17日 优先权日:2014年8月17日
【发明者】段沧桑 申请人:段沧桑