阅读说明：本技术 一种基于丝杠驱动的多级同步伸缩臂 (Multistage synchronous telescopic arm based on lead screw drive ) 是由 徐坤 乔安伟 丁希仑 于 2019-11-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于丝杠驱动的多级同步伸缩臂,承载段与最后一级伸缩中间段的导轨滑块和丝杠螺母固定座连接,本级伸缩中间段与上一级伸缩中间段或一级伸缩驱动段的导轨滑块和丝杠螺母固定座连接；一级伸缩驱动段的电机带动大锥齿轮与小锥齿轮啮合将转动传递到丝杠上,丝杠带动丝杠螺母和第一级伸缩中间段移动；第一级伸缩中间段的大平面传动齿轮与一级伸缩驱动段的齿条啮合转动,大平面传动齿轮与小平面传动齿轮啮合进行换向及变速,小平面传动齿轮与大锥齿轮共轴转动,大锥齿轮与小锥齿轮啮合将转动传递到丝杠,丝杠驱动下一级伸缩中间段或者承载段移动,具有同步快速伸缩、刚性好、传动效率高、精度高、可任意级扩展、自锁性能好等优点。(The invention discloses a multi-stage synchronous telescopic arm based on lead screw driving.A bearing section is connected with a guide rail slide block and a lead screw nut fixing seat of a last stage of telescopic middle section; a motor of the primary telescopic driving section drives a large bevel gear to be meshed with a small bevel gear to transmit rotation to a lead screw, and the lead screw drives a lead screw nut and the primary telescopic middle section to move; the large plane transmission gear of the first-stage telescopic middle section is meshed with the rack of the first-stage telescopic driving section to rotate, the large plane transmission gear is meshed with the small plane transmission gear to change direction and speed, the small plane transmission gear and the large bevel gear coaxially rotate, the large bevel gear is meshed with the small bevel gear to transmit the rotation to the lead screw, and the lead screw drives the next-stage telescopic middle section or the bearing section to move.)

一种基于丝杠驱动的多级同步伸缩臂

技术领域

本发明涉及线性传动装置技术领域，尤其涉及一种基于丝杠驱动的多级同步伸缩臂。

背景技术

线性传动装置存在于各种场合，从工程起降机到实验定位装置，再到太空伸缩臂。在很多场合下，都需要高距离或者长距离线性位移输出，如电缆维修、野外通信基站和天线架设。而桁架竖梯等传统设备难以满足快速搭建、可便携移动等功能。

目前的丝杠驱动的伸缩臂中，多采用中空丝杠套接的方式来实现多级伸缩，这种方式存在加工和装配难度很大、机构柔性差、难以改造等问题。另外，还有部分伸缩臂使用单丝杠逐级伸缩的方式，这种方式不仅伸缩效率低，而且需要锁定装置，当锁定装置与伸缩臂套筒结合时伸缩臂可能会出现失稳现象，并且，由于锁定结合的问题，伸缩臂可能无法提供精准的定位。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于丝杠驱动的多级同步伸缩臂，用以提供一种结构合理、扩展性好、易于加工制造、传动效率高、定位精度高、承载能力强的多级同步伸缩臂。

因此，本发明提供了一种基于丝杠驱动的多级同步伸缩臂，包括：承载段(1)和与所述承载段(1)固定连接的一个或多个伸缩臂单元；其中，每个所述伸缩臂单元包括伺服驱动电机(2)、一级伸缩驱动段(3)和多级伸缩中间段(4)；其中，

所述一级伸缩驱动段(3)，包括：固定壳(301)、齿条(302)、大锥齿轮(303)、小锥齿轮(304)、丝杠固定座(305)、丝杠(306)、两个导轨滑块(307，308)、丝杠螺母(309)、丝杠螺母固定座(310)、导轨固定座(311)、直线导轨(312)以及丝杠螺母固定螺钉(313)；其中，所述齿条(302)沿所述固定壳(301)的长度方向固定在所述固定壳(301)的侧面，所述丝杠(306)和所述直线导轨(312)沿所述固定壳(301)的长度方向布置在所述固定壳(301)的底部，所述丝杠螺母(309)通过所述丝杠螺母固定螺钉(313)固定在所述丝杠螺母固定座(310)上，所述大锥齿轮(303)和固定于所述丝杠(306)上的所述小锥齿轮(304)啮合带动所述丝杠(306)转动；所述伺服驱动电机(2)与所述大锥齿轮(303)连接；

每级伸缩中间段，包括：固定壳(401)、齿条(402)、大锥齿轮(403)、齿轮连接轴(404)、小平面传动齿轮(405)、小锥齿轮(406)、丝杠固定座(407)、丝杠(408)、大平面传动齿轮(409)、齿轮固定轴(410)、两个导轨滑块(411，412)、丝杠螺母固定螺钉(413)、丝杠螺母(414)、丝杠螺母固定座(415)、导轨固定座(416)以及直线导轨(417)；其中，所述齿条(402)沿所述固定壳(401)的长度方向固定在所述固定壳(401)的侧面，所述丝杠(408)和所述直线导轨(417)沿所述固定壳(401)的长度方向布置在所述固定壳(401)的底部，所述固定壳(401)上安装有所述齿轮固定轴(410)，所述大平面传动齿轮(409)通过紧配合安装在所述齿轮固定轴(410)上，所述大锥齿轮(403)与所述小平面传动齿轮(405)共轴连接，所述小锥齿轮(406)与所述丝杠(408)固定连接，所述大锥齿轮(403)与所述小锥齿轮(406)啮合将转动传递到所述丝杠(408)上，所述大平面传动齿轮(409)与所述小平面传动齿轮(405)啮合通过所述齿轮连接轴(404)将转动传递到所述大锥齿轮(403)上，所述丝杠螺母(414)通过所述丝杠螺母固定螺钉(413)固定在所述丝杠螺母固定座(415)上；第一级伸缩中间段的固定壳(401)与所述一级伸缩驱动段(3)的两个导轨滑块(307，308)和丝杠螺母固定座(310)连接，当所述一级伸缩驱动段(3)的丝杠(306)转动时，带动所述第一级伸缩中间段运动；所述第一级伸缩中间段的大平面传动齿轮(409)与所述一级伸缩驱动段(3)的齿条(302)啮合，当所述第一级伸缩中间段相对所述一级伸缩驱动段(3)运动时，所述大平面传动齿轮(409)与所述一级伸缩驱动段(3)的齿条(302)啮合转动。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述多级同步伸缩臂中，每级伸缩中间段，还包括：齿轮固定轴固定卡簧(418)；其中，

所述大平面传动齿轮(409)的齿轮固定轴(410)在所述固定壳(401)外侧的一端通过轴肩限制轴向移动，所述齿轮固定轴(410)的另一端通过所述齿轮固定轴固定卡簧(418)限制轴向移动，所述齿轮固定轴(410)可在所述固定壳(401)中自由转动；所述大平面传动齿轮(409)与所述齿轮固定轴(410)紧配合相对固定，所述大平面传动齿轮(409)与所述固定壳(401)可绕轴线自由转动。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述多级同步伸缩臂中，每级伸缩中间段，还包括：齿轮连接轴固定卡簧(419)、小齿轮键(420)、平面传动齿轮压紧螺钉(421)、小平面传动齿轮压紧片(422)、大锥齿轮键(423)、大锥齿轮压紧螺钉(424)及大锥齿轮压紧片(425)；其中，

所述齿轮连接轴(404)在所述固定壳(401)外侧的一端通过轴肩限制轴向移动，所述齿轮连接轴(404)的另一端通过所述齿轮连接轴固定卡簧(419)限制轴向移动，所述齿轮连接轴(404)可在所述固定壳(401)中自由转动，所述小平面传动齿轮(405)与所述齿轮连接轴(404)通过所述小齿轮键(420)连接；所述小平面传动齿轮压紧螺钉(421)穿过所述小平面传动齿轮压紧片(422)与所述齿轮连接轴(404)一端的螺纹孔配合，将所述小平面传动齿轮(405)压紧在轴肩上，所述大锥齿轮(403)与所述齿轮连接轴(404)通过所述大锥齿轮键(423)连接，所述大锥齿轮压紧螺钉(424)穿过所述大锥齿轮压紧片(425)与所述齿轮连接轴(404)另一端的螺纹孔配合，将所述大锥齿轮(403)压紧在轴肩上。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述多级同步伸缩臂中，所述一级伸缩驱动段(3)还包括：电机大锥齿轮压紧螺钉(314)、电机大锥齿轮压紧片(315)及齿条固定螺钉(316)；其中，

所述伺服驱动电机(2)的电机输出轴(201)与所述一级伸缩驱动段(3)的大锥齿轮(303)通过键连接，所述电机大锥齿轮压紧螺钉(314)穿过所述电机大锥齿轮压紧片(315)与所述电机输出轴(201)端部的安装孔旋合将所述大锥齿轮(303)压紧在所述电机输出轴(201)的轴肩上；所述齿条(302)通过所述齿条固定螺钉(316)固定于所述固定壳(301)的侧面。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述多级同步伸缩臂中，在每级伸缩中间段中，所述丝杠(408)的导程为p_h，所述大平面传动齿轮(409)的分度圆直径为d，所述大平面传动齿轮(409)与所述小平面传动齿轮(405)的减速比为i₁，所述大锥齿轮(403)与所述小锥齿轮(406)的减速比为i₂，满足如下公式：

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述多级同步伸缩臂中，在每级伸缩中间段中，所述大平面传动齿轮(409)为直齿轮或斜齿轮，所述小平面传动齿轮(405)为直齿轮或斜齿轮，所述大锥齿轮(403)为直齿轮或斜齿轮，所述小锥齿轮(406)为直齿轮或斜齿轮。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述多级同步伸缩臂中，在所述一级伸缩驱动段(3)中，所述大锥齿轮(303)为直齿轮或斜齿轮，所述小锥齿轮(304)为直齿轮或斜齿轮。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述多级同步伸缩臂中，包括偶数个伸缩臂单元；其中，各所述伸缩臂单元按照每两个伸缩臂单元关于所述承载段对称设置的方式排列。

本发明提供的上述多级同步伸缩臂，承载段上可固定连接一个或多个伸缩臂单元，每个伸缩臂单元包括伺服驱动电机、一级伸缩驱动段和多级伸缩中间段，承载段通过螺钉与最后一级伸缩中间段上的导轨滑块和丝杠螺母固定座相连接，本级伸缩中间段通过螺钉与上一级伸缩中间段上的导轨滑块和丝杠螺母固定座相连接，第一级伸缩中间段通过螺钉与一级伸缩驱动段上的导轨滑块和丝杠螺母固定座相连接；一级伸缩驱动段上的电机带动大锥齿轮与固定在丝杠上的小锥齿轮啮合将转动传递到丝杠上，丝杠转动带动丝杠螺母移动，并带动与一级伸缩驱动段相对固定的第一级伸缩中间段移动；第一级伸缩中间段上的大平面传动齿轮与一级伸缩驱动段上的齿条啮合转动，大平面传动齿轮与小平面传动齿轮啮合进行换向及变速，小平面传动齿轮与大锥齿轮共轴转动，大锥齿轮再与第一级伸缩中间段上的小锥齿轮啮合将转动传递到第一级伸缩中间段上的丝杠，丝杠再驱动下一级伸缩中间段或者承载段移动。本发明提供的上述多级同步伸缩臂具有同步快速伸缩、刚性好、传动效率高、精度高、可任意级扩展、自锁性能好等优点。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于丝杠驱动的多级同步伸缩臂的正视图；

图2为图1对应的俯视图；

图3为图1对应的右视图；

图4为图1中一级伸缩驱动段的正视图；

图5为图1中一级伸缩驱动段传动部分的剖视图；

图6为图5中一级伸缩驱动段的局部放大视图；

图7为图1中伸缩中间段的正视图；

图8为图1中伸缩中间段的左视图；

图9为图7中伸缩中间段的局部放大图；

图10为图1中伸缩中间段的后视图；

图11为图8中伸缩中间段的传动部分的剖视图；

图12为图8中伸缩中间段的直线导轨固定部分的剖视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。

本发明提供的一种基于丝杠驱动的多级同步伸缩臂，如图1所示，包括：承载段(1)和与承载段(1)固定连接的一个或多个伸缩臂单元；其中，每个伸缩臂单元包括伺服驱动电机(2)、一级伸缩驱动段(3)和多级伸缩中间段(4)；图1以包括两级伸缩中间段为例，即图1为四级同步伸缩臂，但本发明并不限于四级同步伸缩臂，可以根据需要增减伸缩中间段的数量，每级伸缩中间段的结果相同；为便于理解，给出图1对应的俯视图和右视图分别如图2和图3所示；其中，

为便于理解，给出图1中一级伸缩驱动段(3)的正视图如图4所示，一级伸缩驱动段(3)，如图5和图6所示，图5为图1中一级伸缩驱动段(3)传动部分的剖视图，图6为图5中一级伸缩驱动段(3)的局部放大视图，包括：固定壳(301)、齿条(302)、大锥齿轮(303)、小锥齿轮(304)、丝杠固定座(305)、丝杠(306)、两个导轨滑块(307，308)、丝杠螺母(309)、丝杠螺母固定座(310)、导轨固定座(311)、直线导轨(312)以及丝杠螺母固定螺钉(313)；其中，齿条(302)沿固定壳(301)的长度方向固定在固定壳(301)的侧面，丝杠(306)和直线导轨(312)沿固定壳(301)的长度方向布置在固定壳(301)的底部，丝杠螺母(309)通过丝杠螺母固定螺钉(313)固定在丝杠螺母固定座(310)上，大锥齿轮(303)和固定于丝杠(306)上的小锥齿轮(304)啮合带动丝杠(306)转动；伺服驱动电机(2)与大锥齿轮(303)连接；

为便于理解，给出图1中伸缩中间段的正视图和左视图分别如图7和图8所示，每级伸缩中间段，如图9-图12所示，图9为图7中伸缩中间段的局部放大图，图10为图1中伸缩中间段的后视图，图11为图8中伸缩中间段的传动部分的剖视图，图12为图8中伸缩中间段的直线导轨固定部分的剖视图，包括：固定壳(401)、齿条(402)、大锥齿轮(403)、齿轮连接轴(404)、小平面传动齿轮(405)、小锥齿轮(406)、丝杠固定座(407)、丝杠(408)、大平面传动齿轮(409)、齿轮固定轴(410)、两个导轨滑块(411，412)、丝杠螺母固定螺钉(413)、丝杠螺母(414)、丝杠螺母固定座(415)、导轨固定座(416)以及直线导轨(417)；其中，齿条(402)沿固定壳(401)的长度方向固定在固定壳(401)的侧面，丝杠(408)和直线导轨(417)沿固定壳(401)的长度方向布置在固定壳(401)的底部，固定壳(401)上安装有齿轮固定轴(410)，大平面传动齿轮(409)通过紧配合安装在齿轮固定轴(410)上，大锥齿轮(403)与小平面传动齿轮(405)共轴连接，小锥齿轮(406)与丝杠(408)固定连接，大锥齿轮(403)与小锥齿轮(406)啮合将转动传递到丝杠(408)上，大平面传动齿轮(409)与小平面传动齿轮(405)啮合通过齿轮连接轴(404)将转动传递到大锥齿轮(403)上，丝杠螺母(414)通过丝杠螺母固定螺钉(413)固定在丝杠螺母固定座(415)上；第一级伸缩中间段的固定壳(401)与一级伸缩驱动段(3)的两个导轨滑块(307，308)和丝杠螺母固定座(310)连接，当一级伸缩驱动段(3)的丝杠(306)转动时，带动第一级伸缩中间段运动；第一级伸缩中间段的大平面传动齿轮(409)与一级伸缩驱动段(3)的齿条(302)啮合，当第一级伸缩中间段相对一级伸缩驱动段(3)运动时，大平面传动齿轮(409)与一级伸缩驱动段(3)的齿条(302)啮合转动。

本发明提供的上述多级同步伸缩臂的主要原理为：将一级伸缩驱动段和每级伸缩中间段分别视为一级伸缩单元，本级伸缩单元的丝杠转动带动丝杠螺母移动，从而带动固定于本级伸缩单元的丝杠螺母上的下一级伸缩单元运动，同时安装于下一级伸缩单元的上的齿轮与本级伸缩单元的齿条相啮合，从而将直线运动转换成转动，并通过啮合的大锥齿轮和小锥齿轮对转动方向进行调整，最终将运动传递至下一级伸缩单元的丝杠。下一级伸缩单元将重复上一级伸缩单元的运动传递过程，直至运动传递至承载段。

本发明提供的上述多级同步伸缩臂与现有的多级伸缩臂相比，具有如下优点：可实现同步快速伸缩，结构简单，易于加工、制作、组装，可大量使用现有标准零件，从而可以降低成本；各级伸缩中间段具有相同的结构，可根据实际需求自由组装，装配柔性好；每级伸缩中间段使用丝杠驱动，具有定位精度高、传动效率高、承载能力强等优点。

在具体实施时，在本发明提供的上述多级同步伸缩臂中，每级伸缩中间段，如图9和图10所示，还包括：齿轮固定轴固定卡簧(418)；其中，大平面传动齿轮(409)的齿轮固定轴(410)在固定壳(401)外侧的一端通过轴肩限制轴向移动，齿轮固定轴(410)的另一端通过齿轮固定轴固定卡簧(418)限制轴向移动，齿轮固定轴(410)可在固定壳(401)中自由转动；大平面传动齿轮(409)与齿轮固定轴(410)紧配合相对固定，大平面传动齿轮(409)与固定壳(401)可绕轴线自由转动。

在具体实施时，在本发明提供的上述多级同步伸缩臂中，每级伸缩中间段，如图11所示，还包括：齿轮连接轴固定卡簧(419)、小齿轮键(420)、平面传动齿轮压紧螺钉(421)、小平面传动齿轮压紧片(422)、大锥齿轮键(423)、大锥齿轮压紧螺钉(424)及大锥齿轮压紧片(425)；其中，齿轮连接轴(404)在固定壳(401)外侧的一端通过轴肩限制轴向移动，齿轮连接轴(404)的另一端通过齿轮连接轴固定卡簧(419)限制轴向移动，齿轮连接轴(404)可在固定壳(401)中自由转动，小平面传动齿轮(405)与齿轮连接轴(404)通过小齿轮键(420)连接；小平面传动齿轮压紧螺钉(421)穿过小平面传动齿轮压紧片(422)与齿轮连接轴(404)一端的螺纹孔配合，将小平面传动齿轮(405)压紧在轴肩上，大锥齿轮(403)与齿轮连接轴(404)通过大锥齿轮键(423)连接，大锥齿轮压紧螺钉(424)穿过大锥齿轮压紧片(425)与齿轮连接轴(404)另一端的螺纹孔配合，将大锥齿轮(403)压紧在轴肩上。

在具体实施时，在本发明提供的上述多级同步伸缩臂中，一级伸缩驱动段(3)，如图5所示，还包括：电机大锥齿轮压紧螺钉(314)、电机大锥齿轮压紧片(315)及齿条固定螺钉(316)；其中，伺服驱动电机(2)的电机输出轴(201)与一级伸缩驱动段(3)的大锥齿轮(303)通过键连接，电机大锥齿轮压紧螺钉(314)穿过电机大锥齿轮压紧片(315)与电机输出轴(201)端部的安装孔旋合将大锥齿轮(303)压紧在电机输出轴(201)的轴肩上；齿条(302)通过齿条固定螺钉(316)固定于固定壳(301)的侧面。

在具体实施时，在本发明提供的上述多级同步伸缩臂中，在每级伸缩中间段中，满足如下公式：

其中，p_h为丝杠(408)的导程，d为大平面传动齿轮(409)的分度圆直径，i₁为大平面传动齿轮(409)与小平面传动齿轮(405)的减速比，i₂为大锥齿轮(403)与小锥齿轮(406)的减速比，n₁为上一级伸缩中间段的丝杠的转速，n₂为下一级伸缩中间段的丝杠的转速；

为了使各级伸缩中间段的丝杠参数相同，并保持各级伸缩中间段同速运动，需上一级伸缩中间段的丝杠的转速n₁等于下一级伸缩中间段的丝杠的转速n₂，即满足如下公式：

在具体实施时，在本发明提供的上述多级同步伸缩臂中，在每级伸缩中间段中，大平面传动齿轮(409)可以为直齿轮，或者，大平面传动齿轮(409)也可以为斜齿轮，在此不做限定；小平面传动齿轮(405)可以为直齿轮，或者，小平面传动齿轮(405)也可以为斜齿轮，在此不做限定；大锥齿轮(403)可以为直齿轮，或者，大锥齿轮(403)也可以为斜齿轮，在此不做限定；小锥齿轮(406)可以为直齿轮，或者，小锥齿轮(406)也可以为斜齿轮，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明提供的上述多级同步伸缩臂中，在一级伸缩驱动段(3)中，大锥齿轮(303)可以为直齿轮，或者，大锥齿轮(303)也可以为斜齿轮，在此不做限定；小锥齿轮(304)可以为直齿轮，或者，小锥齿轮(304)也可以为斜齿轮，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明提供的上述多级同步伸缩臂中，在承载段(1)中，固定壳可以为直槽型，或者，固定壳的截面还可以为圆形，在此不做限定；在一级伸缩驱动段(3)中，固定壳(301)可以为直槽型，或者，固定壳(301)的截面还可以为圆形，在此不做限定；在每级伸缩中间段中，固定壳(401)可以为直槽型，或者，固定壳(401)的截面还可以为圆形，在此不做限定。

较佳地，在本发明提供的上述多级同步伸缩臂中，可以包括偶数个伸缩臂单元；其中，各伸缩臂单元按照每两个伸缩臂单元关于承载段对称设置的方式排列，这样，可以提高多级同步伸缩臂的刚度和强度。

本发明提供的上述多级同步伸缩臂，承载段上可固定连接一个或多个伸缩臂单元，每个伸缩臂单元包括伺服驱动电机、一级伸缩驱动段和多级伸缩中间段，承载段通过螺钉与最后一级伸缩中间段上的导轨滑块和丝杠螺母固定座相连接，本级伸缩中间段通过螺钉与上一级伸缩中间段上的导轨滑块和丝杠螺母固定座相连接，第一级伸缩中间段通过螺钉与一级伸缩驱动段上的导轨滑块和丝杠螺母固定座相连接；一级伸缩驱动段上的电机带动大锥齿轮与固定在丝杠上的小锥齿轮啮合将转动传递到丝杠上，丝杠转动带动丝杠螺母移动，并带动与一级伸缩驱动段相对固定的第一级伸缩中间段移动；第一级伸缩中间段上的大平面传动齿轮与一级伸缩驱动段上的齿条啮合转动，大平面传动齿轮与小平面传动齿轮啮合进行换向及变速，小平面传动齿轮与大锥齿轮共轴转动，大锥齿轮再与第一级伸缩中间段上的小锥齿轮啮合将转动传递到第一级伸缩中间段上的丝杠，丝杠再驱动下一级伸缩中间段或者承载段移动。本发明提供的上述多级同步伸缩臂具有快速伸缩、刚性好、传动效率高、精度高、可任意级扩展、自锁性能好等优点。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。