一种消除间隙的滚珠丝杠副伺服机构及其导向方法

技术领域

本发明涉及伺服传动系统技术领域，尤其涉及一种消除间隙的滚珠丝杠副伺服机构及其导向方法。

背景技术

随着弹上舵机向结构小型化方向发展，舵机内部空间利用率要求不断提高。拨叉+滚珠丝杠副的传动形式结构紧凑、传动效率高，已广泛运用于弹上舵机及其它伺服系统传动机构中。在拨叉+滚珠丝杠副(主要由滚珠螺母和滚珠丝杠两部分组成)的传动形式中，滚珠螺母耳轴在拨叉U形槽中滑动，用于把滚珠螺母的直线运动转化为输出轴的旋转运动，由于该传动形式结构紧凑，传动效率高，已广泛运用于小型伺服机构中。

为提高滚珠丝杠副的传动效率，导轨一般为圆柱形，并两端固定。滚珠螺母加工有支耳，支耳的主要特征为U形槽，U形槽与导轨的圆柱面配合，使滚珠螺母在导轨上直线滑动。理论上，导轨和滚珠丝杠副应为无间隙配合，但工程上难以实现。为减小导轨与滚珠螺母的滑动摩擦，提高传动效率，在工程设计上，滚珠螺母U形槽与导轨外径为小间隙配合。

在传动过程中，导轨与滚珠螺母之间由于滑动摩擦产生材料磨损，随着材料磨损量增大，间隙呈扩大趋势。当滚珠螺母在某一方向运动时，导轨与滚珠螺母U形槽的一个侧面接触，此时滚珠螺母U形槽另一侧面与导轨存在间隙，当滚珠螺母的运动方向发生转换时，滚珠丝杠的旋转方向也将发生变化，由于间隙的存在，滚珠螺母将和滚珠丝杠共同旋转，直到导轨与滚珠螺母U形槽的另一侧面接触。在导轨与滚珠螺母U形槽另一面接触之前，滚珠螺母在丝杠轴向上没有位移，即系统没有角度位移，此时会出现系统死区。小型伺服机构作为高精度伺服机构，系统死区影响伺服系统偏转精度和小信号跟踪能力，严重时会产生系统抖动等现象。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种消除间隙的滚珠丝杠副伺服机构及其导向方法，用以解决现有滚珠丝杠副传动的伺服机构在传动过程中，支耳与导轨之间、拨叉与滚珠丝杠副之间由于滑动摩擦产生的材料磨损，导致两者之间产生传动间隙，伺服机构系统产生死区影响伺服系统偏转精度和小信号跟踪能力，严重时会产生系统抖动的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种消除间隙的滚珠丝杠副伺服机构，包括：丝杠、滚珠螺母、导轨、拨叉和输出轴；丝杠和滚珠螺母组成丝杠螺母副；滚珠螺母与导轨配合，沿导轨滑移；滚珠螺母上设有耳轴，耳轴设置在拨叉的第一U形槽中；拨叉与输出轴固定连接。

进一步地，滚珠螺母上还设有支耳。

进一步地，支耳上设有第二U形槽，导轨设置在第二U形槽中，且导轨能够相对于支耳滑移。

支耳的第二U形槽中设有第一尼龙导向带；导轨与第一尼龙导向带接触。

进一步地，拨叉的第一U形槽中设有第二尼龙导向带；耳轴与第二尼龙导向带接触。

进一步地，伺服机构还包括：导轨支架和锁定板。

进一步地，导轨通过锁定板安装在导轨支架上。

进一步地，锁定板上设有锁定凸台，导轨的端部设有锁定凹槽；锁定凸台与锁定凹槽配合。

进一步地，导轨上设有限位结构。

进一步地，限位结构与导轨为一体结构；限位结构包括：平面部和弧面部；平面部和弧面部均对称设置两组。

进一步地，两个弧面部之间的距离等于第二U形槽的宽度。

一种消除间隙的滚珠丝杠副伺服机构的导向方法，采用滚珠丝杠副伺服机构，包括以下步骤：

步骤S1：确定导轨的安装方式；

步骤S2：通过锁定板将导轨安装固定在导轨支架上；

步骤S3：将滚珠螺母上支耳的U形槽与导轨配合，耳轴与拨叉的U形槽配合；

步骤S4：通过电机带动丝杠旋转，滚珠螺母相对于导轨滑移；同时耳轴通过拨叉推动输出轴发生偏转。

本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：

1.本发明提供一种滚珠丝杠副伺服机构，消除了导轨和滚珠丝杠副之间的配合间隙，避免因配合间隙生产系统死区，提高了伺服系统偏转精度、小信号跟踪能力和稳定性。

2.导轨和尼龙导向带的配合，利用尼龙导向带可压缩、耐磨、摩擦系数低等特点，既消除了导轨与滚珠丝杠副的配合间隙，又不影响传动效率，从而避免了因配合间隙造成伺服机构的输出精度低、小信号跟踪能力差、系统抖动等问题的产生，提高了系统的稳定性。

3.本发明通过导轨的结构以及导轨与锁定板的配合方式，实现了滚珠螺母直线导向和轴向限位功能，能够防止滚珠螺母发生旋转，减小了滚珠螺母的体积和重量，消除了因撞击轴承导致滚珠螺母卡死的风险。

4.本发明提供一种滚珠丝杠副导向限位机构，通过导轨和导轨上的限位结构实现了滚珠螺母直线导向和限位功能，进而控制输出轴输出角度的大小，减小了滚珠丝杠副的体积和重量，使滚珠丝杠副的结构简单化，有利于舵机结构小型化设计。通过导轨与滚珠螺母的刚性撞击，消除了滚珠螺母因撞击轴承导致滚珠螺母卡死的风险。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为滚珠丝杠副传动的伺服机构示意图；

图2为本发明的滚珠丝杠副伺服机构；

图3为本发明的滚珠丝杠副伺服机构分解图；

图4为本发明的滚珠丝杠副伺服机构局部剖视图一；

图5为滚珠螺母结构示意图；

图6为滚珠螺母与尼龙导向带分解图；

图7为滚珠螺母侧视图；

图8为支耳与导轨配合结构示意图；

图9为导轨的安装方式示意图；

图10为锁定版结构示意图；

图11为锁定版的固定方式一；

图12为锁定版的固定方式二；

图13为支耳与尼龙导向带分解图；

图14为支耳结构示意图；

图15为导轨结构示意图。

附图标记：

1-丝杠；2-滚珠螺母；3-耳轴；4-拨叉；5-输出轴；6-导轨；7-支耳；8-限位结构；9-导轨支架；10-锁定板；11-锁定凸台；12-定位段；13-锁定凹槽；14-螺钉；15-第一尼龙导向带；16-第一尼龙安装槽；17-第二尼龙导向带；18-第二尼龙导向带；19-第一固定孔；20-第二固定孔；81-平面部；82-弧面部。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，如图1-15所示，公开了一种消除间隙的滚珠丝杠副伺服机构，包括：丝杠1、滚珠螺母2、导轨6、拨叉4和输出轴5，其中，丝杠1和滚珠螺母2组成丝杠螺母副。

进一步地，如图1所示，滚珠螺母2上设有支耳7和耳轴3，支耳7上设有U形槽，支耳7通过U形槽与导轨6配合且能够相对滑移；丝杠1旋转时，滚珠螺母2沿着导轨6滑移，并且通过耳轴3波动拨叉4，并通过拨叉4带动输出轴5转过一定的角度。

进一步地，输出轴5能够沿自身轴线方向转动；拨叉4与输出轴5通过焊接或螺栓连接的方式固定连接。

随着伺服机构的长时间使用，支耳7与导轨6之间、拨叉4与耳轴3之间由于滑动摩擦产生的材料磨损，容易出现间隙，会导致两者之间产生传动间隙，伺服机构系统产生死区影响伺服系统偏转精度和小信号跟踪能力，严重时会产生系统抖动的问题。

本发明的一种具体实施方式中，在拨叉4和耳轴3之间以及支耳7和导轨6之间设置弹性缓冲件，通过弹性缓冲件，消除传动间隙，保证系统传动的准确性和稳定性。

优选地，弹性缓冲件为尼龙材质。

进一步地，如图5、图6所示，支耳7上设有第一尼龙导向带15，并通过第一尼龙导向带15与导轨6接触。具体地，支耳7上开设第一尼龙安装槽16；第一尼龙导向带15安装在第一尼龙安装槽16中，且突出于支耳7的U形槽的表面。

进一步地，如图13、图14所示，拨叉4上设有第二尼龙导向带17，并通过第二尼龙导向带17与耳轴3接触。具体地，拨叉4上开设第二尼龙安装槽18；第二尼龙导向带17安装在第二尼龙安装槽18中，且突出于拨叉4的U形槽的表面。

尼龙导向带为U形，尼龙导向带U形槽的宽度a小于拨叉4(支耳7同理)的U形槽宽度b，一般0＜b-a≤0.8mm，该值可根据伺服系统的负载工况适当调整，但尼龙导向带压缩后不能超出尼龙材料的屈服强度。

由于滚珠螺母2的耳轴3的外径与拨叉4的U形槽槽宽基本一致(单边间隙量一般不大于0.01mm)，拨叉与滚珠丝杠副装配完成后，滚珠螺母耳轴挤压尼龙导向带压缩变形。利用尼龙材料可压缩的特点，当滚珠螺母直线运动时，尼龙导向带与滚珠螺母耳轴始终紧密贴合，滚珠螺母2利用第二尼龙导向带17压缩产生的弹力推动拨叉4和输出轴5在正反两个方向无间隙旋转。利用尼龙材料耐磨和摩擦系数低的特点，尼龙导向带与滚珠螺母2的耳轴3的滑动摩擦力较小，且材料不易磨损，工作寿命长，从而达到既消除系统死区又不影响传动效率和工作时间的目的。

导轨6的工作段的宽度与支耳7的U形槽槽宽基本一致(单边间隙量一般不大于0.01mm)，滚珠丝杠副装配完成后，传动过程中，导轨6挤压尼龙导向带压缩变形。利用尼龙材料可压缩的特点，当滚珠螺母2直线运动时，尼龙导向带与导轨6始终紧密贴合，滚珠螺母2相对于导轨6滑移且无间隙配合。本发明通过设置尼龙导向带，消除了支耳7和导轨之间的间隙，以及拨叉4和滚珠丝杠副之间的传动间隙，提高了伺服系统偏转精度、小信号跟踪能力和稳定性。

本发明的一种具体实施方式中，导轨6上设有限位结构8和定位段12，限位结构8和定位段12用于限制支耳7的滑移距离。

进一步的，定位段12的直径大于支耳7的U形槽的宽度，即支耳7不能在定位段12上滑移，定位段12阻挡支耳7继续向左滑移，进而能够控制输出轴5向左偏移的最大角度。

进一步地，限位结构8与导轨6为一体结构，且限位结构8具有两个对称的弧面部82和两个对称的平面部81，如图3所示。

进一步地，两个弧面部82之间的宽度大于支耳7上U形槽的宽度，两个平面部81之间的宽度不大于支耳7上U形槽的宽度。

也就是说，导轨6横向安装时，两个弧面部82能够阻挡支耳7的继续滑移；导轨6纵向安装时，两个平面部81能够允许支耳7通过，不限制支耳7的滑移距离。

本发明的一种具体实施方式中，导轨6通过锁定板10安装在导轨支架9上。锁定板10上加工有两个沉孔和锁定凸台11，分别用于固定锁定板10和导轨6，如图3、图9所示。

进一步地，导轨支架9左侧的安装孔直径大于导轨6的最大直径，即导轨6能够从导轨支架9左侧的安装孔中整体穿过。导轨支架9右侧的安装孔的直径小于导轨6的工作段的直径，导轨6的端部卡入导轨支架9右侧的安装孔中，限制导轨6的轴向位移。

进一步地，锁定板10通过螺钉14固定安装在导轨支架9上。

进一步地，锁定凸台11为一字形凸台，对应地，导轨6的端部设有锁定凹槽13，锁定凸台11与锁定凹槽13配合，能够限制导轨6相对于导轨支架9发生偏转。安装时，导轨6穿过导轨支架9左侧的安装孔并卡入右侧安装孔中，锁定板10通过螺钉固定在导轨支架9上，且锁定凸台11卡入锁定凹槽13中，如图9所示。

本发明的一种具体实施方式中，锁定板10通过螺钉安装在导轨支架的固定孔中。

进一步地，固定孔设有四个，且两两对称。具体地，固定孔包括左右对称的两个第一固定孔19和上下对称的两个第二固定孔20。

如图11、12所示，锁定板10具有两种安装方式：

安装方式一：锁定板10通过两个螺钉14固定安装在左右对称的两个第一固定孔19中，此时锁定凸台11横向设置；锁定板10与导轨支架9固定连接，且锁定凸台11卡入锁定凹槽13中，导轨6也横向设置，此时，导轨6的限位结构8的弧面部82水平设置，弧面部82能够阻挡滚珠螺母2的支耳7继续沿导轨滑移，限制滚珠螺母2的位移行程，进而限制输出轴5向右发生偏转的最大角度。

安装方式二：锁定板10通过两个螺钉14固定安装在上下对称的两个第二固定孔20中，此时锁定凸台11纵向设置；锁定板10与导轨支架9固定连接，且锁定凸台11卡入锁定凹槽13中，导轨6也纵向设置，此时，导轨6的限位结构8的弧面部82竖直设置，平面部81水平设置，且两个平面部81之间的距离不大于支耳7的U形槽的宽度，平面部81能够允许滚珠螺母2的支耳7继续沿导轨滑移，限位结构8不限制滚珠螺母2的位移行程，进而限位结构不限制输出轴5向右发生偏转的最大角度。

通过改变锁定板10的安装方式，能够调整输出轴5的最大偏转角度的大小。

实施时，首先根据输出轴5需要输出的角度范围确定导轨6的安装方式，无需限制输出轴5向右侧的偏转角度时，导轨6在导轨支架9上纵向安装。需要限制输出轴5向右的偏转角度时，将导轨6在导轨支架9上横向安装。

导轨6固定完成后，滚珠螺母2的支耳7卡设在导轨6上，且能够相对于导轨6滑移，丝杠1、滚珠螺母2和导轨6组成丝杠螺母副；通过电机带动丝杠1旋转，滚珠螺母2在丝杠螺母副的带动下沿导轨6滑移，滚珠螺母2滑移的过程中，滚珠螺母2上的耳轴3同步移动。

耳轴3与拨叉4通过U形槽配合，耳轴3向左或向右移动的过程中，耳轴3推动拨叉4向左或向右偏转同时带动输出轴5向左或向右偏转。耳轴3通过拨叉4带动输出轴5偏转的过程中，耳轴3在拨叉4的U形槽中相对于拨叉4滑移。

值得注意的是，由于支耳7和拨叉4上分别设有第一尼龙导向带15和第二尼龙导向带17，因此支耳7相对于导轨6滑移时，导轨6与第一尼龙导向带15接触，并通过第一尼龙导向带15的弹性变形消除间隙；耳轴3相对于拔叉4滑移时，耳轴3与第二尼龙导向带17接触，并通过第二尼龙导向带17消除间隙，保证系统的传动稳定性。

实施例2

本发明的另一个具体实施例提供一种实施例1中的消除间隙的滚珠丝杠副伺服机构的导向方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据输出轴5的旋转角度的范围确定导轨6的安装方式；

步骤S2：通过锁定板10将导轨6安装固定在导轨支架9上；

步骤S3：将滚珠螺母2上支耳7的U形槽与导轨6配合，耳轴3与拨叉4的U形槽配合；

步骤S4：通过电机带动丝杠1旋转，滚珠螺母2相对于导轨6滑移；同时耳轴3通过拨叉4推动输出轴5发生偏转。

所述步骤S2中，导轨的安装方式有两种：

安装方式一：将导轨6穿过导轨支架9左侧的安装孔并卡入右侧安装孔中；

将锁定板10通过两个螺钉14固定安装在导轨支架9左侧左右对称的两个第一固定孔19中，锁定板10与导轨支架9固定连接，且锁定凸台11卡入导轨6的锁定凹槽13中。

此时，锁定凸台11横向设置，导轨6也横向设置；导轨6的限位结构8的弧面部82水平设置，弧面部82能够阻挡滚珠螺母2的支耳7继续沿导轨滑移，限制滚珠螺母2的位移行程，进而限制输出轴5向右发生偏转的最大角度。

安装方式二：将导轨6穿过导轨支架9左侧的安装孔并卡入右侧安装孔中；

将锁定板10通过两个螺钉14固定安装在上下对称的两个第二固定孔20中，锁定板10与导轨支架9固定连接，且锁定凸台11卡入锁定凹槽13中。

此时，锁定凸台11纵向设置，导轨6也纵向设置。导轨6的限位结构8的弧面部82竖直设置，平面部81水平设置，且两个平面部81之间的距离不大于支耳7的U形槽的宽度，平面部81能够允许滚珠螺母2的支耳7继续沿导轨滑移，限位结构8不限制滚珠螺母2的位移行程，进而限位结构不限制输出轴5向右发生偏转的最大角度。

所述步骤S3中，支耳7上U形槽的宽度等于导轨6工作段的直径；耳轴3的直径等于拨叉4的U形槽的宽度。第一尼龙导向带15安装在支耳7上的第一尼龙安装槽16中，且凸出于支耳7的U形槽表面；第二尼龙导向带17安装在拨叉4的第二尼龙安装槽18中，且凸出于拨叉4的U形槽表面。

所述步骤S4中，耳轴3通过拨叉4带动输出轴5偏转的过程中，耳轴3在拨叉4的U形槽中相对于拨叉4滑移。

进一步地，支耳7相对于导轨6滑移时，导轨6与第一尼龙导向带15接触，并通过第一尼龙导向带15的弹性变形消除间隙；耳轴3相对于拔叉4滑移时，耳轴3与第二尼龙导向带17接触，并通过第二尼龙导向带17消除间隙，保证系统的传动稳定性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。