一类实现升降旋转动作的机械机构及其构成的综合自锁装置[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910647708.9
(22)申请日 2019.07.18
(66)本国优先权数据
201811357912.9 2018.11.15 CN
(71)申请人 段沧桑
地址 100037 北京市海淀区阜成路南5号楼
18门11号
(72)发明人 段沧桑　
(51)Int.Cl.
F16H 37/12(2006.01)
B42D 9/00(2006.01)
(54)发明名称
一类实现升降旋转动作的机械机构及其构
成的综合自锁装置
(57)摘要
本发明涉及一类单一动力机实现升降旋转
动作的机械机构，包括基座、螺杆、螺套和螺套导
向台；该类机械机构具有平动和转动两个功能。

使此类机械机构的螺纹升角大于当量摩擦角，且
在此类机械机构上增加力点连接杆和力点，可形
成一类单一动力机实现升降旋转动作且综合自
锁的机械装置。

权利要求书1页 说明书5页 附图4页CN 110195771 A 2019.09.03
C N 110195771
A
1.一种实现升降旋转动作的机械机构，包括基座一、螺杆、螺套和螺套导向台；该机械机构具有平动和转动两个功能，平动功能实现螺套的平移升降，转动功能实现螺套的旋转；其特征在于，基座一上有一组导向面：直导面一、直导面二、旋导面一、旋导面二，各个导向面全部产生于与基座一固连的相同或不同的零部件，或全部产生于基座一，或一部分产生于与基座一固连的相同或不同的零部件、另一部分产生于基座一，直导面一与螺杆轴线平行或直导面一经过延展后包含螺杆轴线，直导面二与螺杆轴线平行或直导面二经过延展后包含螺杆轴线，螺套上有一个螺套导向台，螺套导向台是与螺套固连的独立零部件或是产生于螺套本身的螺套特征；基座一、导向面、螺杆、螺套和螺套导向台之间由三个运动副构成运动关系，第一个是连接于基座一与螺杆之间的转动副，第二个是连接于螺杆与螺套之间的螺旋副，第三个是连接于导向面与螺套导向台之间的摩擦副；螺杆通过转动副安装在基座一上，螺杆与螺套通过螺旋配合安装，螺套导向台通过摩擦副与导向面接触。

2.一种实现升降旋转动作的机械机构，包括基座二、螺杆、螺套挡圈、螺套和螺套导向台；该机械机构具有平动和转动两个功能，平动功能实现螺套的平移升降，转动功能实现螺套的旋转；其特征在于，基座二上有一组导向面：直导面一、直导面二、旋导面二，各个导向面全部产生于与基座二固连的相同或不同的零部件，或全部产生于基座二，或一部分产生于与基座二固连的相同或不同的零部件、另一部分产生于基座二，直导面一与螺杆轴线平行或直导面一经过延展后包含螺杆轴线，直导面二与螺杆轴线平行或直导面二经过延展后包含螺杆轴线，螺套上有一个螺套导向台，螺套导向台是与螺套固连的独立零部件或是产生于螺套本身的螺套特征；基座二、导向面、螺杆、螺套和螺套导向台之间由三个运动副构成运动关系，第一个是连接于基座二与螺杆之间的转动副，第二个是连接于螺杆与螺套之间的螺旋副，第三个是连接于导向面与螺套导向台之间的摩擦副；螺杆通过转动副安装在基座二上，螺杆与螺套通过螺旋配合安装，螺套导向台通过摩擦副与导向面接触，螺套挡圈同轴固定在螺杆上。

3.一类应用权利要求1-2所述的实现升降旋转动作的机械机构的机械装置，其分别在所述权利要求1-2机械机构中的任意一种机械机构上，增加了力点连接杆和力点；其特征在于，力点连接杆固定安装在螺套上，力点是固定安装在力点连接杆上的独立零部件或是同力点连接杆一体加工出来的整体零部件的一部分，在螺纹升角大于当量摩擦角的情况下,选取力点连接杆横梁长度和螺套长度，在力点对施力对象施加作用力，动力机停止对螺杆施加转矩状态下，螺套能实现螺杆轴向综合自锁以保持力点对施力对象的作用力。

权　利　要　求　书1/1页CN 110195771 A
一类实现升降旋转动作的机械机构及其构成的综合自锁装置
技术领域
[0001]本发明属于传动设备设计制造领域，具体涉及一类使用单一动力机实现上升—正向旋转—反向旋转—下降的高机械耦合机械机构和以此类机械机构为基础构成的一类单一动力机实现上升—正向旋转—反向旋转—下降—综合自锁的高机械耦合机械装置。

背景技术
[0002]通过调研发现，目前存在的机械设备，要实现上升—正转—反转—下降动作，并在断开动力后实现位置锁定及对施力对象作用力的保持，都是使用导轨+自锁螺杆+转台+动力机、导轨+非自锁螺杆+转台+动力机+刹车、非螺杆直线传动机构+转台+动力机+刹车的方案。

这些方案有这些优点：第一，如使用直线导轨进行导向、滚珠丝杠传动、驱动电机带码盘，定位精度很高；第二，由于使用导轨进行导向及承载，负载能力高；第三，由于使用独立的转台实现旋转功能，精度和负载能力高。

[0003]技术问题
由于现有机械设备要实现升降、旋转两个维度的机械运动，基本上是在平移运动中使用导轨，在旋转运动中使用转台；这增加了设备的体积、复杂程度和成本，降低了设备的可靠性。

[0004]现有设备如果要在无动力状态下保持对施力对象的作用力，则会带来另外一些问题。

[0005]如使用非自锁螺杆传动，则有下列缺点：第一，需要添加刹车装置及其控制装置，需要额外的安装空间；第二，刹车装置由刹车状态到解除刹车状态的相互转换过程，需要几十毫秒或更长时间，不能满足较高的时间响应要求且增加了运行功耗；第三，需要定期维护，以保证稳定性和可靠性；第四，刹车装置增加了设备的复杂程度和成本。

[0006]如使用自锁螺杆传动，螺纹升角应小于当量摩擦角，但此时螺杆传动效率较低，这提高了对动力机功率的要求，从而导致设备体积、运行功耗和成本的增加。

[0007]因此，在要求毫秒级时间响应，传动效率较高，对施力对象施加作用力且动力机停止动力输出后能够自锁的应用场合，就需要研发一种新的机械装置，来满足这些要求。

发明内容
[0008]为了在同一动力机驱动下实现不同的平移运动时间响应和旋转运动时间响应，研发了“全轨道融合体（基座一+相应螺杆机构）”、“轨道+螺套挡圈（基座二+相应螺杆机构）”这两种单一动力机实现升降旋转动作的机械机构。

[0009]本发明分别在“全轨道融合体（基座一+相应螺杆机构）”、“轨道+螺套挡圈（基座二+相应螺杆机构）”基础上增加力点连接杆和力点，构成一类单一动力机实现直线上升—正向旋转—反向旋转—直线下降—综合自锁的机械装置。

[0010]本发明的实现升降旋转动作的机械机构一，包括基座一、螺杆、螺套和螺套导向台；该机械机构具有平动和转动两个功能，平动功能实现螺套的平移升降，转动功能实现螺
套的旋转；其中，基座一上有一组导向面：直导面一、直导面二、旋导面一、旋导面二，各个导向面全部产生于与基座一固连的相同或不同的零部件，或全部产生于基座一，或一部分产生于与基座一固连的相同或不同的零部件、另一部分产生于基座一，直导面一与螺杆轴线平行或直导面一经过延展后包含螺杆轴线，直导面二与螺杆轴线平行或直导面二经过延展后包含螺杆轴线，螺套上有一个螺套导向台，螺套导向台是与螺套固连的独立零部件或是产生于螺套本身的螺套特征；基座一、导向面、螺杆、螺套和螺套导向台之间由三个运动副构成运动关系，第一个是连接于基座一与螺杆之间的转动副，第二个是连接于螺杆与螺套之间的螺旋副，第三个是连接于导向面与螺套导向台之间的摩擦副；螺杆通过转动副安装在基座一上，螺杆与螺套通过螺旋配合安装，螺套导向台通过摩擦副与导向面接触。

[0011]在螺杆上施加正向转矩时，螺杆推动螺套沿着直导面一上升，当上升到直导面一顶端时，螺套导向台与旋导面一接触，螺杆对螺套产生的围绕螺杆轴线的旋转分力与旋导面一对螺套产生的围绕螺杆轴线的旋转分力同向，形成螺套的旋转力，螺杆对螺套产生的螺杆轴向分力克服旋导面一对螺套产生的螺杆轴向分力,形成螺套的轴向力，在旋转力和轴向力的综合作用下，螺套沿着旋导面一正向旋转上升到螺套导向台到达旋导面二上端停止；在螺杆上施加反向转矩时，其运动原理与施加正向转矩的运动原理相同，螺杆推动螺套沿着旋导面二反转下降，当脱离旋导面二并接触上直导面二后，沿着直导面二下降。

[0012]本发明的实现升降旋转动作的机械机构二，包括基座二、螺杆、螺套挡圈、螺套和螺套导向台；该机械机构具有平动和转动两个功能，平动功能实现螺套的平移升降，转动功能实现螺套的旋转；其中，基座二上有一组导向面：直导面一、直导面二、旋导面二，各个导向面全部产生于与基座二固连的相同或不同的零部件，或全部产生于基座二，或一部分产生于与基座二固连的相同或不同的零部件、另一部分产生于基座二，直导面一与螺杆轴线平行或直导面一经过延展后包含螺杆轴线，直导面二与螺杆轴线平行或直导面二经过延展后包含螺杆轴线，螺套上有一个螺套导向台，螺套导向台是与螺套固连的独立零部件或是产生于螺套本身的螺套特征；基座二、导向面、螺杆、螺套和螺套导向台之间由三个运动副构成运动关系，第一个是连接于基座二与螺杆之间的转动副，第二个是连接于螺杆与螺套之间的螺旋副，第三个是连接于导向面与螺套导向台之间的摩擦副；螺杆通过转动副安装在基座二上，螺杆与螺套通过螺旋配合安装，螺套导向台通过摩擦副与导向面接触，螺套挡圈同轴固定在螺杆上。

[0013]在螺杆上施加正向转矩时，螺杆推动螺套沿着直导面一上升，当上升到直导面一顶端时解除约束，螺套同时正转及上升，由于旋导面二关于螺杆轴向的长度是根据螺纹升角、螺套及与螺套固连相关部件的总质量和综合转动惯量等参数确定的，以使旋导面二增加螺套在反向旋转下降过程中的旋转速度，所以螺套在正转且无旋导面增加其旋转速度的情况下，螺套导向台到达旋导面二之前，螺套必先接触螺套挡圈并与螺杆结为一体，螺套和螺杆在动力机传递给螺杆的转矩以及从动力机到螺杆的综合旋转动能的作用下一起正转到螺套导向台到达旋导面二的上端停止；在螺杆上施加反向转矩时，螺杆对螺套产生的围绕螺杆轴线的旋转分力与旋导面二对螺套产生的围绕螺杆轴线的旋转分力同向，形成螺套的旋转力，螺杆对螺套产生的螺杆轴向分力克服旋导面二对螺套产生的螺杆轴向分力形成螺套的轴向力，在旋转力和轴向力的综合作用下，螺套沿着旋导面二反向旋转下降，当脱离旋导面二并接触上直导面二后，沿着直导面二下降。

[0014]本发明公开一类分别应用上述机械机构一、机械机构二所述的实现升降旋转动作的机械机构来实现综合自锁的机械装置，其分别在上述机械机构一、机械机构二中的任意一种机械机构的基础上，增加了力点连接杆和力点；其中，力点连接杆固定安装在螺套上，力点是固定安装在力点连接杆上的独立零部件或是同力点连接杆一体加工出来的整体零部件的一部分，在螺纹升角大于当量摩擦角的情况下,选取力点连接杆横梁长度和螺套长度，在力点对施力对象施加作用力，动力机停止对螺杆施加转矩状态下，螺套能实现螺杆轴向综合自锁以保持力点对施力对象的作用力，在综合自锁状态下，当动力机对螺杆输出小于力点对施力对象施加作用力所用转矩的反向转矩时，螺套能立即解除综合自锁状态。

[0015]有益效果
由于螺杆、螺套的螺纹升角大于当量摩擦角，螺杆对螺套的传动效率得以提高；由于不使用转台来实现旋转运动，不使用刹车装置来保持力点对施力对象的作用力，从而消除了转台和刹车装置这些故障环节，提高了设备可靠性，使由其构成的设备更加轻便、体积更小、成本更低，减少了驱动、控制系统的功能要求，简化了驱动、控制系统；不使用刹车装置还节省了施加抱闸和解除抱闸所需的时间，使力点达成和解除螺杆轴向锁定的过程变得更加迅速，提高了力点的动态响应性能。

附图说明
[0016]图1为本发明实现升降旋转动作的机械机构一的结构示意图；
图2为本发明实现升降旋转动作的机械机构二的结构示意图；
图3为本发明实现升降旋转动作的机械机构二的结构示意图；
图4为本发明实现升降旋转动作及综合自锁的机械装置结构示意图；
图中：1-基座一、2-基座二、3-直导面一、4-直导面二、5-过渡面、6-旋导面一、7-旋导面二、8-螺杆、9-螺套、10-螺套导向台、11-螺套挡圈、12-力点连接杆、13-力点。

具体实施方式
[0017]首先对本申请中所用的一些词语、附图标记、附图、以及实施例中的一些用语进行一下说明。

[0018]在本申请的说明书和权利要求书中，“包括”、“包含”、“由……构成”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义，也就是说，是“包括但不限于”的含义。

[0019] “上”为沿轴向方向向上的方位，“下”为沿轴向方向向下的方位。

[0020]力点连接杆横梁长度定义为力点对施力对象施加作用力的中心点到螺杆轴线的距离。

[0021]在本申请的各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。

为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

[0022]轨道槽一：位于基座一1上，由直导面一3、直导面二4、旋导面一6及旋导面二7构成，直导面一3与旋导面二7相交过渡、直导面二4与旋导面一6相交过渡；轨道槽二：位于基座二2上，由直导面一3、直导面二4、过渡面5及旋导面二7构成，直导面一3与旋导面二7相交过渡；轨道槽一和轨道槽二中的直导面一3与螺杆8轴线平行或直导面一3经过延展后包含螺杆8轴线，轨道槽一和轨道槽二中的直导面二4与螺杆8轴线平行或直导面二4经过延展后
包含螺杆8轴线；螺套9上有一个螺套导向台10, 在下面的实施例中螺套导向台10是产生于螺套9本身的螺套9特征，是螺套9上的一个圆柱凸台，圆柱凸台的圆柱面位于轨道槽一或轨道槽二中，通过摩擦副与轨道槽一或轨道槽二的一侧接触，因而，圆柱凸台的圆柱面简称为螺套9摩擦面。

[0023]下面结合附图图1、图2、图3、图4及相应的实施例对本发明提出的一类单一动力机实现升降旋转动作的机械机构、一类单一动力机实现升降旋转动作且综合自锁的机械装置进行详细说明。

[0024]实施例1
如图1所示，是本发明的一类实现升降旋转动作的机械机构一，包括基座一1、螺杆8和螺套9；该机械机构具有平动和转动两个功能，其中平动功能实现螺套9的平移升降，转动功能实现螺套9的旋转；基座一1、螺杆8和螺套9之间由三个运动副构成运动关系，第一个是连接于基座一1与螺杆8之间的转动副，第二个是连接于螺杆8与螺套9之间的螺旋副，第三个是连接于基座一1与螺套9之间的摩擦副；螺杆8通过转动副安装在基座一1上，螺杆8与螺套9通过螺旋配合安装，螺套9摩擦面通过摩擦副与基座一1的轨道槽一中的一侧接触。

[0025]在螺杆8上施加正向转矩时，螺杆8推动螺套9沿着轨道槽一的直导面一3上升，当上升到直导面一3顶端时，螺套9摩擦面与旋导面一6接触，螺杆8对螺套9产生的围绕螺杆8轴线的旋转分力与旋导面一6对螺套9产生的围绕螺杆8轴线的旋转分力同向，形成螺套9的旋转力，螺杆8对螺套9产生的螺杆8轴向分力克服旋导面一6对螺套9产生的螺杆8轴向分力,形成螺套9的轴向力，在旋转力和轴向力的综合作用下，螺套9沿着旋导面一6正向旋转上升直到螺套9摩擦面到达旋导面二7的上端停止。

[0026]在螺杆8上施加反向转矩时，其运动原理与施加正向转矩的运动原理相同，螺杆8推动螺套9，使螺套9摩擦面沿着旋导面二7反转下降，当螺套9摩擦面脱离旋导面二7并接触上直导面二4后，沿着直导面二4下降。

至此，螺套9完成了上升—正向旋转—反向旋转—下降的动作，在整个动作过程中，螺套9摩擦面始终被轨道槽一约束，确保了动作的可靠性，并满足高动态响应要求。

[0027]实施例2
如图2、图3所示，是本发明的一类实现升降旋转动作的机械机构二，包括基座二2、螺杆8、螺套9和螺套挡圈11；该机械机构具有平动和转动两个功能，其中平动功能实现螺套9的平移升降，转动功能实现螺套9的旋转；基座二2、螺杆8和螺套9之间由三个运动副构成运动关系，第一个是连接于基座二2与螺杆8之间的转动副，第二个是连接于螺杆8与螺套9之间的螺旋副，第三个是连接于基座二2与螺套9之间的摩擦副；螺杆8通过转动副安装在基座二2上，螺杆8与螺套9通过螺旋配合安装，螺套9摩擦面通过摩擦副与基座二2的轨道槽二中的一侧接触，螺套挡圈11同轴固定在螺杆8上。

[0028]在螺杆8上施加正向转矩时，螺杆8推动螺套9沿着轨道槽二的直导面一3上升，当上升到直导面一3顶端时解除约束，螺套9同时正转及上升，由于旋导面二7关于螺杆8轴向的长度是根据螺杆8螺纹升角、螺套9及与螺套9固连相关部件的总质量和综合转动惯量等参数确定的，以使旋导面二7增加螺套9在反向旋转下降过程中的旋转速度，所以螺套9在正转且无旋导面增加其旋转速度的情况下，螺套9摩擦面到达旋导面二7之前，螺套9必先接触螺套挡圈11并与螺杆8结为一体，螺套9和螺杆8在动力机传递给螺杆8的转矩以及从动力机
到螺杆8的综合旋转动能的作用下一起正转到螺套9摩擦面到达旋导面二7上端停止。

[0029]在螺杆8上施加反向转矩时，螺杆8对螺套9产生的围绕螺杆8轴线的旋转分力与旋导面二7对螺套9产生的围绕螺杆8轴线的旋转分力同向，形成螺套9的旋转力，螺杆8对螺套9产生的螺杆8轴向分力克服旋导面二7对螺套9产生的螺杆8轴向分力形成螺套9的轴向力，在旋转力和轴向力的综合作用下，螺套9沿着旋导面二7反向旋转下降，当脱离旋导面二7并接触上直导面二4后，沿着直导面二4下降。

至此，螺套9完成了上升—正向旋转—反向旋转—下降的动作，在整个动作过程中，螺套9摩擦面始终被轨道槽二约束，确保了动作可靠性；在螺套9正向旋转过程中，螺套9摩擦面与过渡面5不接触，充分利用了动力机传递到螺杆8的转矩及从动力机到螺杆8的综合旋转动能，使螺套9能够更快地完成旋转动作，满足更高动态响应要求。

[0030]实施例3
如图4所示，是分别以机械机构一或机械机构二为基础，增加力点连接杆12和力点13形成的一类升降旋转且综合自锁的机械装置，下面对以机械机构一为基础形成的机械装置进行详细说明。

[0031]力点连接杆12固定安装在螺套9上，力点连接杆12与力点13固定安装。

[0032]驱动螺杆8，使螺套9上升正转和反转下降；在螺纹升角大于当量摩擦角的情况下,选取力点连接杆12横梁长度和螺套9长度这两个参数后，在力点13对施力对象施加作用力，动力机停止对螺杆8施加转矩后，螺套9能实现螺杆8轴向综合自锁以在无动力状态下保持力点13对施力对象的作用力；在综合自锁状态下，当动力机对螺杆8输出小于力点13对施力对象施加作用力所用转矩的反向转矩时，螺套9能立即解除综合自锁状态；至此，整个机械装置完成了上升—正向旋转—反向旋转—下降—综合自锁的机械功能。

[0033]工业实用性
本发明的单一动力机实现升降旋转动作的机械机构、单一动力机实现升降旋转动作且综合自锁的机械装置，有如下特点：（1）结构简单紧凑，零件数量少，易于制造和调试，容易实现模块化；（2）一个机构或一个装置只需一个动力机，如动力机为电机，即使在电机堵转后反向再起动也能可靠解除综合自锁，驱动、控制的对象少，对驱动、控制装置的要求低；（3）实现机械功能所需的配套装置少，机械效率高，时间响应快；（4）低速及高速均适用，可采用传动效率较高的大导程螺杆，可以承受冲击载荷，刚度好，稳定性高；（5）适应高低温、高电磁、粉尘等室内外环境，无需润滑措施；（6）可靠性高、制造和运行成本低。

图1
图2
图3
图4
说　明　书　附　图4/4页CN 110195771 A 11。