專利名稱：冗余輸入驅(qū)動(dòng)器及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械學(xué)領(lǐng)域，具體為一種兩個(gè)及兩個(gè)以上機(jī)械信號(hào)同時(shí)輸入而只有一個(gè)機(jī)械信號(hào)輸出的冗余輸入驅(qū)動(dòng)器及其用途技術(shù)。
多自由度的模擬器特別是六自由度并聯(lián)模擬器(模擬平臺(tái))主要應(yīng)用于大型模擬設(shè)備的制造，如飛行模擬訓(xùn)練器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，地震模擬測(cè)試系統(tǒng)等。目前廣泛采用斯蒂瓦特(Stewart)機(jī)構(gòu)(參見(jiàn)文獻(xiàn)《一種六自由度平臺(tái)》(D.Stewart.A platform with Six Degrees of Freedom.Proc.of the Institution ofMechanical Engineers，London，UK，1965，180(15)371-386.))，由六個(gè)輸入獲得六個(gè)輸出自由度。這類平臺(tái)通常承載質(zhì)量大，加速度高，在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)需要很大的驅(qū)動(dòng)力；靜止或低速運(yùn)行時(shí)則還需承受很大的垂直方向重力。為了保證壽命并可獲得需要的驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)源被限制在液壓驅(qū)動(dòng)，多采用大型伺服油缸驅(qū)動(dòng)，并需配備大型蓄能裝置，因此設(shè)備龐大，制造、維護(hù)費(fèi)用高，液壓油易泄漏、造成環(huán)境污染等缺點(diǎn)。分析斯蒂瓦特結(jié)構(gòu)模擬平臺(tái)發(fā)現(xiàn)，其不能使用電氣機(jī)械系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的主要原因是無(wú)論上平臺(tái)的加速度大小，垂直方向一直需承受很大重力，使一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)所需的平均驅(qū)動(dòng)力很大，造成機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)易損；另一方面是沒(méi)有符合其動(dòng)力要求的合適伺服電機(jī)。因此所述的冗余輸入驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以有助于解決該問(wèn)題，但同樣需要解決冗余輸入驅(qū)動(dòng)器的均力輸入問(wèn)題。
本發(fā)明解決所述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種冗余輸入驅(qū)動(dòng)器，其特征在于它包括基座、平行安裝在基座上的兩根或兩根以上的絲杠，每一根絲杠上都配裝有一個(gè)螺母，每個(gè)螺母分別通過(guò)軸承與一個(gè)套裝在所有絲杠上的動(dòng)平臺(tái)連接，并且所述的螺母被傳動(dòng)裝置所連接。
本發(fā)明驅(qū)動(dòng)器由于設(shè)計(jì)了包括兩個(gè)或兩個(gè)以上簡(jiǎn)單并聯(lián)的絲杠、配套螺母和傳動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)作為冗余驅(qū)動(dòng)輸入源，由同一動(dòng)平臺(tái)統(tǒng)一輸出的冗余輸入驅(qū)動(dòng)方式，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，工作可靠，無(wú)液壓漏油污染之虞的優(yōu)點(diǎn)是明顯的，特別是所設(shè)計(jì)的連接著各個(gè)螺母的連桿機(jī)構(gòu)，可以使任意一個(gè)螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，同時(shí)帶動(dòng)其余螺母產(chǎn)生牽連轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)成驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部均力機(jī)構(gòu)，有效地解決了冗余輸入驅(qū)動(dòng)的受力不均衡問(wèn)題，可以完成穩(wěn)定、均勻地分擔(dān)總驅(qū)動(dòng)力的作用。由于絲杠壽命與驅(qū)動(dòng)力的3次方成反比，因此本發(fā)明冗余輸入驅(qū)動(dòng)器當(dāng)使用N個(gè)絲杠均力驅(qū)動(dòng)時(shí)，可將其壽命提高為單絲杠壽命的N3倍，從而大大提高了設(shè)備的質(zhì)量和使用壽命，降低了制造和使用成本。目前國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明相似的文獻(xiàn)報(bào)道。
本發(fā)明冗余輸入驅(qū)動(dòng)器的工作原理是連接在基座1上的絲杠2通過(guò)螺母4及軸承3連接著所述的動(dòng)平臺(tái)6；所述的絲杠2為輸入動(dòng)力源，其只能相對(duì)基座1作純轉(zhuǎn)動(dòng)；所述的傳動(dòng)裝置5連接著各個(gè)螺母4。當(dāng)某一螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以帶動(dòng)其余螺母產(chǎn)生牽連轉(zhuǎn)動(dòng)，即螺母牽連轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生均力作用，由此構(gòu)成本發(fā)明的內(nèi)部均力機(jī)構(gòu)。當(dāng)所述的絲杠2旋轉(zhuǎn)時(shí)，可將其轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)榕溲b其上螺母4的軸向移動(dòng)，并且由其帶動(dòng)所述的動(dòng)平臺(tái)6做軸向移動(dòng)，同時(shí)通過(guò)動(dòng)平臺(tái)6把多個(gè)輸入轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)器的單一輸出。當(dāng)任一絲杠2或螺母4因各種可能的原因(如存在間隙或螺距誤差等)造成各螺母受力不同或不均衡時(shí)，受力大的螺母4首先轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)所述的傳動(dòng)裝置5(如連桿機(jī)構(gòu)5)帶動(dòng)其余螺母4旋轉(zhuǎn)，直至各螺母4受力相同或達(dá)到平衡。因此本發(fā)明冗余輸入驅(qū)動(dòng)器可以稱為均力冗余輸入驅(qū)動(dòng)器。
本發(fā)明最簡(jiǎn)單也最典型的實(shí)施例是主要由兩根同向螺紋或一右旋螺紋一左旋螺紋的所述絲杠2以及配裝所述絲杠2上兩個(gè)螺母4，并且兩個(gè)螺母4被連桿機(jī)構(gòu)5(圖2中為51)連接所構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器，稱為二均力驅(qū)動(dòng)器或雙均力驅(qū)動(dòng)器(參見(jiàn)

圖1、2)。
本發(fā)明另一典型的實(shí)施例是三均力驅(qū)動(dòng)器(參見(jiàn)圖3、4、5)，即由所述的絲杠2為同向螺紋、或二右旋螺紋一左旋螺紋、或一右旋螺紋二左旋螺紋的三根，配裝所述絲杠2上的三個(gè)螺母4被連桿機(jī)構(gòu)5(圖3、4、5中分別為52、53和54)所連接構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器。這個(gè)實(shí)施例也意味著所述絲杠2的螺紋方向及其組合沒(méi)有限制。
本發(fā)明的進(jìn)一步特征是可以將所述的二均力驅(qū)動(dòng)器作為一個(gè)單元模塊來(lái)設(shè)計(jì)兩個(gè)單元或兩個(gè)以上的多單元的冗余輸入驅(qū)動(dòng)器。例如四均力驅(qū)動(dòng)器(參見(jiàn)圖6)、六均力驅(qū)動(dòng)器、八均力驅(qū)動(dòng)器(參見(jiàn)圖8)等，也即按所述的原理可以設(shè)計(jì)任意2N(N＝1、2、3……)根所述絲杠2和所述配裝螺母4的均力驅(qū)動(dòng)器。所述的單元之間也被所述的連桿機(jī)構(gòu)5(圖6、8中分別為55和57)所連接。所述絲杠2的螺紋方向和其組合沒(méi)有限制。
本發(fā)明的進(jìn)一步特征還可以是將所述的三均力驅(qū)動(dòng)器作為一個(gè)單元模塊，與所述的雙均力驅(qū)動(dòng)器單元模塊一并來(lái)設(shè)計(jì)兩個(gè)單元或兩個(gè)以上的多單元的冗余輸入驅(qū)動(dòng)器。例如五均力驅(qū)動(dòng)器(參見(jiàn)圖7)、七均力驅(qū)動(dòng)器、九均力驅(qū)動(dòng)器等，也即按所述的原理可以設(shè)計(jì)任意2N-1(N＝3、4、5……)根所述絲杠2和所述螺母4的均力驅(qū)動(dòng)器。所述的單元之間也被所述的連桿機(jī)構(gòu)5(圖7中為56)所連接。所述絲杠2的螺紋方向和其組合沒(méi)有限制。
在本發(fā)明實(shí)施例中，所述的絲杠2可用滾動(dòng)絲杠，也可用滑動(dòng)絲杠；所述的軸承3可用滾動(dòng)軸承，也可用滑動(dòng)軸承；所述的傳動(dòng)裝置可以采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的連桿機(jī)構(gòu)5，根據(jù)需要也可采用齒輪副、齒輪齒條副、帶及帶輪或其他公知的傳動(dòng)裝置之一作為傳動(dòng)裝置5來(lái)連接所述的螺母4。本發(fā)明雖然僅給出了連桿機(jī)構(gòu)5作為傳動(dòng)裝置的實(shí)施例示意圖，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員不經(jīng)創(chuàng)造性勞動(dòng)使用任意一種所述公知的傳動(dòng)裝置來(lái)連接所述的螺母4都是容易作到的。
在本發(fā)明所述的多級(jí)均力驅(qū)動(dòng)器中，連接所述螺母4的傳動(dòng)裝置5(連桿機(jī)構(gòu)5)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)以任一所述螺母4的轉(zhuǎn)動(dòng)都可以帶動(dòng)其他所有螺母4轉(zhuǎn)動(dòng)的最簡(jiǎn)單連接為原則，具體方式不受實(shí)施例的限制。在多級(jí)均力驅(qū)動(dòng)器中，每個(gè)單元內(nèi)或單元之間的所述的絲杠2既可以采用同向螺紋，也可以采用反向螺紋，但需要連接方式的配合變化(參見(jiàn)圖1-8)。
本發(fā)明驅(qū)動(dòng)器的典型用途之一是將其作為驅(qū)動(dòng)模塊單獨(dú)或并聯(lián)接入兩維或兩維以上運(yùn)動(dòng)的模擬裝置上。例如大型模擬設(shè)備的制造的模擬裝置，如飛行模擬訓(xùn)練器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，地震模擬測(cè)試系統(tǒng)等。圖9給出了本發(fā)明驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)接入一種比較復(fù)雜的六自由度運(yùn)動(dòng)的模擬器示意圖，圖中的8就是并聯(lián)接入的本發(fā)明驅(qū)動(dòng)器的用途實(shí)施例示意圖。當(dāng)然，六自由度模擬器同樣適用于單自由度或多自由度的模擬操作。同樣道理，本發(fā)明驅(qū)動(dòng)器也適用于做單自由度或其他多自由度模擬器的冗余驅(qū)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)方式可以將模擬臺(tái)及其上被測(cè)物體的重力和運(yùn)動(dòng)力均勻分散給各個(gè)驅(qū)動(dòng)器，既便于控制操作，又不需要現(xiàn)有技術(shù)龐大的液壓驅(qū)動(dòng)源(特別是蓄能裝置)，因此解決了設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和維護(hù)費(fèi)用高，液壓系統(tǒng)易泄漏、造成環(huán)境污染等問(wèn)題；另一方面，使用本發(fā)明驅(qū)動(dòng)器可使平均驅(qū)動(dòng)力下降，有條件選擇合適的伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使設(shè)備制造容易，并進(jìn)一步降低成本。由于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)如絲杠的壽命與軸向力的3次方成反比，因此雙驅(qū)動(dòng)分擔(dān)驅(qū)動(dòng)力可使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)受力減小了一半，即可提高壽命8倍，能夠充分滿足設(shè)備實(shí)際使用的壽命要求。當(dāng)然，使用兩根絲杠以上的多驅(qū)動(dòng)分擔(dān)驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)器更可以使模擬器機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)受力均分減輕或承載更大的模擬實(shí)驗(yàn)或測(cè)試重量，同時(shí)制造成本大降。目前國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)到類似于使用本發(fā)明冗余輸入驅(qū)動(dòng)器模擬器的文獻(xiàn)報(bào)道。
權(quán)利要求
1.一種冗余輸入驅(qū)動(dòng)器，其特征在于它包括基座(1)、平行安裝在基座(1)上的兩根或兩根以上的絲杠(2)，每一根絲杠(2)上都配裝有一個(gè)螺母(4)，每個(gè)螺母(4)分別通過(guò)軸承(3)與一個(gè)套裝在所有絲杠(2)上的動(dòng)平臺(tái)(6)連接，并且所述的螺母(4)被傳動(dòng)裝置(5)所連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冗余輸入驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所述的絲杠(2)為同向螺紋或一右旋螺紋、一左旋螺紋的兩根，配裝所述絲杠(2)上的兩個(gè)螺母(4)被連桿機(jī)構(gòu)(5)所連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冗余輸入驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所述的絲杠(2)為同向螺紋、或二右旋螺紋一左旋螺紋、或一右旋螺紋二左旋螺紋的三根，配裝所述絲杠(2)上的三個(gè)螺母(4)被連桿機(jī)構(gòu)(5)所連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冗余輸入驅(qū)動(dòng)器，其特征在于將權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的冗余輸入驅(qū)動(dòng)器作為一個(gè)單元模塊來(lái)設(shè)計(jì)兩個(gè)單元或兩個(gè)以上的多單元的冗余輸入驅(qū)動(dòng)器；所述的單元之間也被所述的連桿機(jī)構(gòu)(5)所連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冗余輸入驅(qū)動(dòng)器，其特征在于將權(quán)利要求2與權(quán)利要求3所述的冗余輸入驅(qū)動(dòng)器作為一個(gè)單元模塊來(lái)設(shè)計(jì)兩個(gè)單元或兩個(gè)以上的多單元的冗余輸入驅(qū)動(dòng)器；所述的單元之間也被所述的連桿機(jī)構(gòu)(5)所連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的冗余輸入驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所述的螺母(4)被齒輪副、齒輪齒條副、帶及帶輪或其他公知的傳動(dòng)裝置之一所連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的冗余輸入驅(qū)動(dòng)器，特征在于將其作為驅(qū)動(dòng)模塊單獨(dú)或并聯(lián)接入兩維或兩維以上運(yùn)動(dòng)的模擬裝置上。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的冗余輸入驅(qū)動(dòng)器，特征在于將其作為驅(qū)動(dòng)模塊單獨(dú)或并聯(lián)接入兩維或兩維以上運(yùn)動(dòng)的模擬裝置上。
全文摘要
本發(fā)明涉及冗余輸入驅(qū)動(dòng)器，其特征在于它包括基座、平行安裝在基座上的兩根或兩根以上的絲杠，每一根絲杠上都配裝有一個(gè)螺母，每個(gè)螺母分別通過(guò)軸承與一個(gè)套裝在所有絲杠上的動(dòng)平臺(tái)連接，并且所述的螺母被傳動(dòng)裝置所連接。本發(fā)明冗余輸入驅(qū)動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易，均力輸入，使用壽命長(zhǎng)，制造成本低，無(wú)污染之虞的優(yōu)點(diǎn)。其典型用途之一是將其作為驅(qū)動(dòng)模塊單獨(dú)或并聯(lián)接入兩維或兩維以上運(yùn)動(dòng)的模擬裝置上。
文檔編號(hào)F16H35/00GK1472451SQ0312976
公開日2004年2月4日 申請(qǐng)日期2003年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月16日
發(fā)明者李為民, 高峰, 張建軍 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)