專利名稱：門式自動結(jié)構(gòu)和傳動機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一門式自動結(jié)構(gòu)和一用于門式自動裝置的傳動機構(gòu)，特別涉及一種能提高門式自動裝置速度和效率的結(jié)構(gòu)。
自動裝置具有很多種應(yīng)用，能可靠和精確地完成如焊接、密封、膠接、水力噴射、激光切割和材料操作一類重復(fù)勞動。
自動裝置必須設(shè)置在需制造和操作產(chǎn)品的區(qū)域內(nèi)。這一區(qū)域稱作“工作區(qū)域”。主要有兩種在工作區(qū)域內(nèi)設(shè)置自動裝置的方法。第一種方法是將自動裝置設(shè)置在轉(zhuǎn)動的支座上，此支座與一軌道聯(lián)合操作。通過控制自動裝置在支座和軌道上的運動使其在此工作區(qū)域內(nèi)運動到任一位置。這種自動裝置的缺點是其工作的區(qū)域或“范圍”很有限。
第二種設(shè)置的方法，也就是本申請所涉及的一種方法是采用一種門式結(jié)構(gòu)。門式自動結(jié)構(gòu)通常采用“標(biāo)準(zhǔn)橋型”結(jié)構(gòu)而裝在工作區(qū)域或范圍以內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)橋型門式結(jié)構(gòu)具有一對裝在落地式支撐件上且彼此分開而平行的梁或軌道，這些支撐將軌道從地上或車間地面上懸置起來。一橋橫跨在軌道之間并可相對于軌道運動。自動裝置具有可相對于橋運動的支承架和裝在支撐架上的自動頭。自動頭完成所需作業(yè)。
如上所述自動裝置在工作區(qū)域或范圍內(nèi)操作。這一工作區(qū)域通常為一具有長、寬和高的長方形空間。自動裝置由于配備有軌道、橋和自動頭，可到達(dá)這一區(qū)域內(nèi)的任一位置。軌道使橋可沿彎縱向軸線運動。因此，自動裝置可沿工作區(qū)域的長度到達(dá)任一位置。自動裝置可相對于橋運動，因此可沿工作區(qū)域?qū)挾鹊竭_(dá)任一位置。此外，自動裝置的支撐和自動頭可上下運動，因而自動裝置可在工作區(qū)域內(nèi)到達(dá)任一高度。
為便于對比，將工作區(qū)域的長度稱作X，寬度稱作Y，高度稱作Z，其中，X大于Y。通常在門式結(jié)構(gòu)中將軌道(或單個懸置軌道)置于長向的兩側(cè)(或一側(cè))(即X軸)而使橋沿Y向跨置。這方面可見美國457，441、1，694，084、1，975，094、3，884，363、4，561，551和4，571，149號專利以及英國2，120，202A和2，176，168A號專利申請書。實際上，美國3，116，586和4，642，017號專利就指出高架吊車的軌道應(yīng)沿車間地面或工場的長度設(shè)置。
吊車通常采用這種結(jié)構(gòu)的原因是為了使作為最重移動部分的橋的重量盡可能小。這就要使橋的跨度尺寸較小(Y向)。這種設(shè)計的結(jié)果就會降低必須從一個位置加速運動到另一位置的質(zhì)量。如在通常設(shè)計的門式結(jié)構(gòu)中采用自動裝置，橋就將沿X軸方向作較大距離的運動，而自動裝置就將沿Y軸方向作較短距離的運動。
本發(fā)明懸梁門式自動結(jié)構(gòu)具有一對彼此分開而并行設(shè)置的軌道、跨置在軌道上并可相對于軌道運動的橋和裝在橋上并可相對于橋運動的自動裝置。在本發(fā)明中軌道沿工作區(qū)域?qū)挾仍O(shè)置而橋沿工作區(qū)域的長度跨設(shè)。唯獨這種結(jié)構(gòu)可縮短“工作循環(huán)時間”，也就是從起始的停車狀態(tài)運動一定距離所需的實際時間。縮短工作循環(huán)時間是由于橋所需運動的距離減小了，從而使重量較大的構(gòu)件(橋)的運動距離較短而裝在橋上重量較輕的自動裝置的運動距離較長。雖然與普通的結(jié)構(gòu)相比，較寬的橋作加速運動較為困難，但由于所需進行的距離較短，橋的加速程度降低了，其結(jié)果是橋在所需各點之間運動時可降低加速力所引起的應(yīng)力。
本發(fā)明還可提供一種適用于門式自動結(jié)構(gòu)的傳動機構(gòu)，此機構(gòu)可以采用改進的齒條和小齒輪系統(tǒng)將驅(qū)動電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成橋和自動頭的直線運動。改進的齒條和小齒輪由與齒條配合動作的小齒輪和具有一系列彼此分開而單獨設(shè)置的銷的齒條構(gòu)成。這些銷裝在精密的滾柱軸承內(nèi)而在與小齒輪嚙合時可自由轉(zhuǎn)動。所設(shè)計的齒條和小齒輪可在零度壓力角下進行傳動，這是由于節(jié)圓的直徑等于小齒輪基圓的直徑。
對本發(fā)明的其他細(xì)節(jié)、目的和優(yōu)點可通過以下對本發(fā)明的最佳實施例所作說明了解得更為清楚。
所附各圖表明了本發(fā)明的最佳實施例

圖1為已知標(biāo)準(zhǔn)橋型門式結(jié)構(gòu)的等角視圖;
圖2為本發(fā)明門式自動結(jié)構(gòu)的等角視圖;
圖3為橋和自動裝置的立面正視圖;
圖4為裝在橋上的自動裝置的立面右側(cè)視圖;
圖5為本發(fā)明小齒輪的立面右側(cè)視圖;
圖6為小齒輪的頂視圖;
圖7為本發(fā)明齒條的等角視圖，局部地作了剖示;
圖8為與齒條嚙合的小齒輪的等角視圖，局部地作了剖示;
圖9為標(biāo)準(zhǔn)嚙合齒輪系統(tǒng)的立面?zhèn)纫曉攬D;
圖10為本發(fā)明齒條和小齒輪立面?zhèn)纫曉攬D。
圖1所示為已知標(biāo)準(zhǔn)橋型門式結(jié)構(gòu)20。此門式結(jié)構(gòu)20懸置在車間地面22上。此門式結(jié)構(gòu)20具有四個立式支柱23～26。支柱23和26排成一行，支柱24和25排成第二行，第二行平行于第一行。支柱23和26的上端23a和26a通過第一軌道30彼此連接，支柱24和25的上端24a和25a通過第二軌道40彼此連接。橫梁50和52進一步將門式結(jié)構(gòu)20連成一整體結(jié)構(gòu)。
門式結(jié)構(gòu)20還具有橋60。此橋跨置在第一行支柱23和26以及第二行支柱24和25之間的平行空間上。橋60通過其兩側(cè)的由電動機和輪3構(gòu)成的動力系統(tǒng)可在軌道30和40上運動。因此，橋60可從接近橫梁50的位置70向接近橫梁52的位置72作縱向運動，并可反向運動。
自動裝置80裝在橋60上。自動裝置80不僅可相對于橋60上下運動，還可從橋60的一側(cè)向另一側(cè)運動，這將在下面作進一步的說明。這種運動也是通過其自備的動力系統(tǒng)完成的。自動裝置80具有固定的縱向支撐82，此支撐與橋60嚙合并在自動頭84上下運動時起支撐作用。自動頭84可完成焊接、膠接、激光切割或材料標(biāo)準(zhǔn)一類工作。自動頭84的各種應(yīng)用對于本專業(yè)人員都是很熟悉的，故不再作詳細(xì)說明。
門式結(jié)構(gòu)20可在長X、寬Y和高Z三度空間的工作區(qū)域90內(nèi)進行操作。自動頭84可到達(dá)工作區(qū)域90內(nèi)的任一位置。這是因為橋60沿X軸運動，而自動頭84沿Y和Z軸運動。在已知技術(shù)中通常以X向尺寸為最長尺寸。在通常的設(shè)計中，橋60一般都跨在XY兩個尺寸中較短的Y尺寸上。這是為了盡量減輕門式結(jié)構(gòu)20中最重部分橋60的重量。
圖2所示為本發(fā)明門式自動結(jié)構(gòu)100的最佳實施例。為便于比較，將門式結(jié)構(gòu)100置于與圖1所示已知結(jié)構(gòu)相同尺寸的工作區(qū)域內(nèi)。也就是，門式結(jié)構(gòu)100的工作區(qū)域的尺寸為X、Y和Z的長方形空間，其中尺寸X大于尺寸Y。
如圖所示，門式結(jié)構(gòu)100改變了已知門式結(jié)構(gòu)20的布置。門式結(jié)構(gòu)100具有四個立柱101，102，103和104。立柱101和102排成第一行，而立柱103和104排成并行于第一行的第二行。立柱的上端101a和102a彼此用第一軌道112連接，而立柱上端103a和104a彼此用第二軌道114連接。橫梁116和118進一步將門式結(jié)構(gòu)100連成一整體結(jié)構(gòu)。
橋120跨置在工作區(qū)域的X尺寸上而沿Y軸運動。自動裝置130還是裝在橋120上，并不僅可沿X軸運動，還可沿Z軸上下運動。自動裝置130與現(xiàn)有技術(shù)相同，具有縱向支撐132和自動頭134。自動裝置130用本專業(yè)人員熟悉的方法裝在橋120上。橋120和自動裝置依次通過以下即將論述的動力系統(tǒng)進行運動。
橋120裝在固定在軌道112和114頂面上的直線支承軌道136和137上。直線支承軌道136和137承接裝在穩(wěn)定器138和139底部的導(dǎo)向機構(gòu)(圖中末示出)，穩(wěn)定器138和139固定在橋120的兩端。直線支承導(dǎo)向機構(gòu)為一采用四條圓面接觸構(gòu)件的多點接觸限制結(jié)構(gòu)，一種直線支承軌道和導(dǎo)向機構(gòu)系統(tǒng)以“HSR-TA”商標(biāo)由THK工業(yè)公司出售。
橋120通過裝在橋120兩端的電動機140和141沿Y軸或軌道112和114運動。電動機140和141依次與傳動箱142和143連接。齒輪減速箱142和143用以將電動機140和141的軸的高速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)彎為由減速箱142和143輸出的速度較低的強力轉(zhuǎn)動。供電裝置144與電動機141和減速箱143連接，用以裝入電動機的供電導(dǎo)線管。另一供電裝置(圖中未示出)與電動機140和減速箱142連接。
各齒輪減速箱的輸出軸(圖中未示出)與各相應(yīng)小齒輪連接。對小齒輪將在以下按圖5和圖6作詳細(xì)說明。小齒輪相應(yīng)與齒條150和152(圖中未示出)嚙合，齒條150和152裝在相應(yīng)軌道114和112的內(nèi)側(cè)壁上。齒條150和152也將在以下參考圖7和8作詳細(xì)說明。齒條150和152以及小齒輪將由電動機驅(qū)動的減速箱的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)彎為橋120沿Y軸的直線運動。因此，由電動機驅(qū)動的減速箱142和143轉(zhuǎn)動與齒條150和152嚙合的小齒輪，從而使橋120運動。這樣就可使橋120沿固定在軌道112和114頂面上的直線型支承軌道136和137運動。
為平衡橋120相應(yīng)兩側(cè)的運動設(shè)有平衡機構(gòu)。平衡機構(gòu)可使橋120的兩端以相同速度運動，從而減輕橋120的歪斜程度。
如圖3所示通過由電動機160、減速箱162、小齒輪164和齒條166構(gòu)成的動力系統(tǒng)可使自動裝置130沿X軸運動。電動機160裝在平臺170上并與齒輪減速箱162連接。與沿Y軸的運動相同，平臺170裝在直線支承導(dǎo)向機構(gòu)(圖中未示出)上，此導(dǎo)向機構(gòu)與裝在橋120上的第一直線支承軌道171和第二直線支承軌道172接合。小齒輪164與減速箱162的軸連接，并與裝在橋120側(cè)壁的齒條166嚙合。齒條166沿橋的整個長度設(shè)置。
因此，電動機160和減速箱162轉(zhuǎn)動小齒輪164，小齒輪164又與齒條166嚙合，從而使自動裝置130沿X軸運動。齒條條及裝在自動裝置130上的平臺170運動。平臺170通過直線支承導(dǎo)向機構(gòu)沿直線型支承軌道171和172運動。
如圖3和圖4所示，自動裝置130沿Z軸的運動與橋120沿Y軸的運動是相似的。電動機180與齒輪減速箱181連接，減速箱181又帶動與齒條183嚙合的小齒輪182轉(zhuǎn)動。齒條183和小齒輪182與產(chǎn)生沿其他軸的運動所用者相似，這將在以下按圖5～8進行說明，供電裝置195用以裝入向電動機180供電的導(dǎo)線管。
齒條183裝在自動裝置130的縱向支撐132上。在裝有由電動機驅(qū)動的傳動箱181的平臺184上設(shè)有直線支承導(dǎo)向機構(gòu)(圖中未示出)。這些直線支承導(dǎo)向機構(gòu)與直線支承軌道配接動作，后者可使自動裝置130沿Z軸運動。因此，由電動機驅(qū)動的減速箱181轉(zhuǎn)動與齒條183嚙合的小齒輪182，齒條183再使平臺沿直線支承軌道187作Z軸方向的運動。從而使自動裝置130沿Z軸方向的直線型支承軌道187運動。
應(yīng)該注意到，自動頭134可到達(dá)由尺寸為X、Y和Z的空間限定的工作區(qū)域內(nèi)任一位置。這是因為橋120可沿Y軸運動，而自動頭134可沿X和Z軸運動。
橋120較橋60為重。但，在本發(fā)明的最佳實施例中橋120所需運動的距離較現(xiàn)有技術(shù)門式結(jié)構(gòu)20的橋60為小。自動裝置130作為門式結(jié)構(gòu)100中最輕的部分則沿X向較長的尺寸運動。因此，自動裝置130可較快地作較長尺寸(X)的運動。同樣，由于橋120的運動的距離較短，橋120作高度加速運動的程度也可減輕，從而可使橋120在所需各位置之間在較低的由加速力造成的應(yīng)力狀態(tài)下運動。
以下將按圖5～8對各軸向運動動力系統(tǒng)中的改進齒條和小齒輪進行說明。圖5和6所示為一代表性小齒輪200，小齒輪200裝在上述各傳動箱的軸上。小齒輪200為一專門設(shè)計的改進型漸開線齒輪，用以使各齒恰當(dāng)?shù)嘏c齒條的柱形銷(下面將加以說明)嚙合。更重要的是小齒輪以零度壓力角與齒條的銷嚙合。小齒輪200具有若干齒201，小齒輪節(jié)圓的標(biāo)號為205。齒頂高(從小齒輪節(jié)圓到外徑的距離)的標(biāo)號為204，齒根高(從節(jié)圓到齒根的距離)的標(biāo)號為202。在節(jié)圓以上的齒體外形為一漸開線，此漸開線通過切去其尖端206得到了改進。節(jié)圓以下的齒體外形呈稍加改進的圓形。
圖7所示齒條300具有側(cè)壁302和304以及形成U形槽301的底部306。在U形槽301內(nèi)裝有可轉(zhuǎn)動的銷310。這些銷310大體上呈圓柱形，其尺寸和相隔距離與小齒輪200的尺寸和形狀相匹配。銷310裝在槽的側(cè)壁302和304內(nèi)而使銷310的底邊和底部306的頂面之間形成一空間。銷310裝在精密滾柱軸承320內(nèi)，因而可以轉(zhuǎn)動。銷的中心線321與齒條300的節(jié)線311相交。
齒條的另一特點是具有裝在側(cè)壁304外邊的面板330。此面板330可用螺栓334和336進行安裝。卸下螺栓334、336和面板330，即可接觸到銷310和軸承320，以便修理或更換換。應(yīng)該注意的是側(cè)壁302也可裝有可卸下的面板。
圖8所示為與齒條300嚙合的小齒輪200。小齒輪200的節(jié)圓205在小齒輪200與齒條300(圖10)嚙合時與齒條300的節(jié)線311相切。這將在以下參考圖10進一步說明。在節(jié)圓以下的齒面由兩個中間脫開的準(zhǔn)確的倒圓構(gòu)成，使此齒面與銷之間形成根部間隙。對小齒輪200應(yīng)選用相當(dāng)大的外徑，使齒條各銷310和小齒輪200各齒之間確保搭接嚙合關(guān)系。
圖10所示為小齒輪200上與齒條300中銷310嚙合的若干齒體201。節(jié)圓直徑或節(jié)徑等于基圓直徑。換言之，用以產(chǎn)生齒體201漸開線表面的基圓與節(jié)圓205直徑相等。因此，各齒的表面在節(jié)圓上與小齒輪的半徑相切。結(jié)果是力FM沿著小齒輪的節(jié)徑和齒條的節(jié)線起傳動作用而壓力角則為零度。
為了解本發(fā)明齒條和小齒輪的優(yōu)點，有必要了解一些齒條和小齒輪的基本特點。圖9所示為小齒輪500與另一小齒輪502嚙合的局部視圖。小齒輪500的齒504和小齒輪502的齒506具有標(biāo)準(zhǔn)的20°漸開線齒形，由驅(qū)動小齒輪500的電動機或其他驅(qū)動裝置所提供的驅(qū)動力FM用矢量FM表示。此驅(qū)動力FM具有兩個分量FT和FS，F(xiàn)T為切向作用力，F(xiàn)S為分離作用力。FT為沿運動方向的作用力，要求盡可能大。FS為垂直于運動方向的分離作用力，因此要求盡可能小。
圖中還示出了摩擦力μFM。此摩擦力μFM具有一與運動方向相反的切向摩擦分力μFT和一起分離作用的摩擦分力μFS。
在如圖9所示普通的齒條與小齒輪配接的情況下，會產(chǎn)生很明顯的分離作用力(FS)。這種分離作用力會減小切向作用力(FT)，從而降低齒條和小齒輪的效率。這可用以下計算表明在20°的壓力角下，矢量FT可計算為FT＝cos(壓力角)×FMFT＝cos(20°)×FMFT＝0.9397FM設(shè)摩擦系數(shù)μ＝0.125，矢量μF＊T為μFT＝sin(壓力角×μFMμFT＝sin20°×μFMμFT＝0.3420×0.125FMμFT＝0.0427FM從FT和μFT這兩個值可計算出切向作用力FT中總的損失為切向作用力的總損失＝(1-0.9397FM)+μFT切向作用力的總損失＝1-0.9397FM+0.0427FM切向作用力的總損失＝FM(0.0603+0.0427)切向作用力的總損失＝0.1030FM即切向作用力的總損失率為10.3%。
總的分離作用力可計算如下FS總＝FS+μFSFS總＝sim(壓力角)×FM+cos(壓力角)×μFMFS總＝sin20°×FM+cos20°×0.125FM
FS總＝0.3420FM×0.1174FMFS總＝0.4594FM即總的分離作用力為傳動力FM的45.9%。
圖10所示為本發(fā)明的齒條和小齒輪系統(tǒng)。如圖所示，切向作用力FT等于傳動力FM，因為在小齒輪齒體和轉(zhuǎn)動銷之間的壓力角為零。這是因為小齒輪的節(jié)徑等于改進的漸開線齒形的基圓直徑。因此，總的切向作用力的損失為FT＝FMμFT＝sin(壓力角×μFMμFT＝0×FM＝0而FS＝sin(壓力角)×FMFS＝0μFS＝cos(壓力角)×μFM(對于齒條300的滾柱軸承320μ＝0.001)。
μFS＝cos0°×0.001FMμFS＝0.001FM由于FT＝FM，總的切向作用力的損失為零?？偟姆蛛x作用力的損失等于起分離作用的摩擦力μFS或0.001FM。
應(yīng)該重視的是，本發(fā)明齒條和小齒輪系統(tǒng)盡量縮小了分離作用力和總的切向作用力的損失，同時盡量加大了切向作用力。這與已知的齒條和小齒輪系統(tǒng)相比加大了本系統(tǒng)的效率。
熟悉本專業(yè)技術(shù)的人員都清楚，可以采用不同尺寸的齒條和小齒輪來取得某些自動頭有效負(fù)載、應(yīng)用和工作條件所要求的游隙、速度和加速度。
這種齒條和小齒輪的優(yōu)點是(1)由于損失較小而可取得較高的速度;(2)噪音低;(3)可盡量減小游隙;(4)更換和修理的次數(shù)較少;(5)由于用滾動摩擦代替了滑動摩擦，故壽命較長;(6)維護量較小;(7)不需潤滑(8)盡量減少了外來顆粒干擾操作的可能。因此，齒條和小齒輪所具備的這種特點有助于提高總的設(shè)計性能。
以上對本發(fā)明的實施例進行了說明，但應(yīng)該理解，本發(fā)明并不受此限制而可在以下各權(quán)利要求的范圍內(nèi)采用其他各種實施方案。
權(quán)利要求
1.一種齒條和小齒輪機構(gòu)，此機構(gòu)具有齒條；和小齒輪，用以在旋轉(zhuǎn)運動和直線運動之間進行轉(zhuǎn)換；齒條和小齒輪中之一具有可轉(zhuǎn)動的銷；而齒條和小齒輪中的另一個構(gòu)件具有由一基圓生成的漸開線外形的齒，此基圓則與上述具有漸開線外形齒的構(gòu)件的節(jié)圓相重，因此，在銷和齒之間的壓力角基本上為零度。
2.權(quán)利要求1所述機構(gòu)，其中齒條具有兩個一般為彼此平行的側(cè)壁，在這兩個側(cè)壁之間裝有可轉(zhuǎn)動的銷，而小齒輪具有與齒條嚙合的齒，因而將其本身的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)彎為直線運動，此小齒輪具有由一基圓生成的漸開線外形的齒，此基圓則與小齒輪的節(jié)圓重合，因此在銷和小齒輪的齒之間的壓力角基本上為零度。
3.權(quán)利要求1所述機構(gòu)，其中可轉(zhuǎn)動的銷裝在減摩軸承中。
4.權(quán)利要求3所述機構(gòu)，其中側(cè)壁是可卸下的，因而使可轉(zhuǎn)動的銷和相應(yīng)的軸承便于維修，
5.權(quán)利要求1所述機構(gòu)，其中可轉(zhuǎn)動的銷是圓柱形的。
6.權(quán)利要求1所述機構(gòu)，此機構(gòu)具有在運行時與小齒輪連接的驅(qū)動機構(gòu)，用以使小齒輪在齒條上產(chǎn)生一驅(qū)動力，此驅(qū)動力具有一切向分力和一分離分力，此切向分力垂直于此分離分力。
7.權(quán)利要求6所述機構(gòu)，其中切向分力基本上等于傳動力，而分離分力基本上為零。
8.用于門式自動結(jié)構(gòu)的傳動機構(gòu)，此機構(gòu)具有一齒條和一傳動小齒輪，此齒條具有若干彼此分開并可轉(zhuǎn)動的銷，用以與小齒輪的齒嚙合，小齒輪具有由一基圓生成的漸開線外形的齒，此基圓與小齒輪的節(jié)圓重合，此齒條和小齒輪的特征是在小齒輪的齒和齒條的銷之間的壓力角為零度。
全文摘要
自動門式結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有一對彼此分開而并行設(shè)置的軌道、跨接和垂直于軌道并相對于軌道運動的橋以及裝在橋上并相對于橋運動的自動頭和支撐。軌道沿工作區(qū)域的寬度或較短一側(cè)設(shè)置，橋則沿工作區(qū)域的長度或較長一側(cè)跨設(shè)。還公開了一種改進的齒條和小齒輪機構(gòu)，此機構(gòu)與自動門式結(jié)構(gòu)結(jié)合使用。在齒條和小齒輪之間的壓力角為零。在小齒輪中基圓與節(jié)圓相重。
文檔編號F16M3/00GK1052360SQ8910892
公開日1991年6月19日 申請日期1989年11月29日 優(yōu)先權(quán)日1989年11月29日
發(fā)明者格爾杜恩·特·布朗, 戴維得·艾·斯特瓦特 申請人:格爾杜恩·特·布朗, 戴維得·艾·斯特瓦特