CS251398B1

CS251398B1 - Gear mechanism with motion screw and nut

Info

Publication number: CS251398B1
Application number: CS858490A
Authority: CS
Inventors: Petr Borecky; Frantisek Celak
Original assignee: Petr Borecky; Frantisek Celak
Priority date: 1985-11-25
Filing date: 1985-11-25
Publication date: 1987-07-16
Also published as: CS849085A1

Abstract

Řeěení se týká konstrukce převodového mechanismu elektrických pohonů, používaných u průmyslových robotů, manipulátorů a výrobních strojů s vysokou hodnotou převodu a vyěěí účinností při minimálním počtu součástí. Účinku je dosaženo tim, že na první hřídeli jsou vytvořeny závity pohybového ěroubu, jehož matice je valivou kinematickou vazbou spojena s druhou hřídelí, popřípadě je pohybový ěroub opatřený recirkulečním systémem kuliček.The solution relates to the design of a transmission mechanism for electric drives used in industrial robots, manipulators and production machines with a high transmission value and high efficiency with a minimum number of components. The effect is achieved by forming threads of a moving screw on the first shaft, the nut of which is connected to the second shaft by a rolling kinematic connection, or the moving screw is provided with a recirculating ball system.

Description

(54) Převodový mechanismus s pohybovým šroubem a maticí(54) Gear mechanism with motion bolt and nut

Řeěení se týká konstrukce převodového mechanismu elektrických pohonů, používaných u průmyslových robotů, manipulátorů a výrobních strojů s vysokou hodnotou převodu a vyěěí účinností při minimálním počtu součástí. Účinku je dosaženo tim, že na první hřídeli jsou vytvořeny závity pohybového ěroubu, jehož matice je valivou kinematickou vazbou spojena s druhou hřídelí, popřípadě je pohybový ěroub opatřený recirkulečním systémem kuliček.The solution relates to the design of the transmission mechanism of electric drives used in industrial robots, manipulators and production machines with high conversion value and higher efficiency with minimum number of parts. The effect is achieved by forming threads of a moving shaft on the first shaft, the nut of which is connected to the second shaft by a rolling kinematic coupling, or the moving shaft is provided with a recirculating ball system.

Předmět·· vynálezu je převodový mechanismus s pohybovým Šroubem a maticí, aplikovaný u élektrických pohonů, určených především pro polohování kooperujících funkčních celků průmyslových zařízení, vyžadujících vzájemná řízení součinnosti a přesné orientace pracovních orgánů, například výstupních hlavic robotů, manipulátorů, nebo nástrojů výrobních- strojů.The object of the invention is a gear mechanism with a motion bolt and nut, applied to electric drives, intended primarily for positioning cooperating functional units of industrial equipment, requiring mutual control of the interaction and precise orientation of working elements, for example output heads of robots, manipulators or machine tools .

Blektrické pohony se všeobecně uplatňují za podmínek, kdy je možné s ohledem ma charakter pohámimé soustavy výhodně využít věech jejich předností, jako je například dostupnost a jednoduchost přívodu energie k motoru včetně spojení s řídícími obvody, vhodné dynamické vlaanoztl a Jednoduchá údržba spolu s nízkými provozními náklady.Lightning drives are generally used in conditions where, due to the nature of the propulsion system, it is possible to take advantage of all their advantages, such as availability and simplicity of power supply to the motor, including connection to control circuits, suitable dynamic flow and simple maintenance along with low running costs. .

V pohonech robotů, nanipulečních zařízení, obráběcích a jiných výrobních strojů se používají předevžím motory asynchronní a stejnosměrné. V oblasti malých výkonů se pak stále více prosazují krokové motory, které je možno přímo připojit ma řídící číslicové systémy, nepotřebují zpětnou vazbu a měření výstupní polohy, nebol ji zabezpečují počtem a polaritou řídicích impulzů, vyslaných z řídících obvodů.Asynchronous and DC motors are mainly used in the drives of robots, nipple devices, machine tools and other production machines. In the field of low power, stepping motors that can be directly connected to control digital systems, do not need feedback and output position measurement, because they are secured by the number and polarity of control pulses sent from the control circuits.

Známou nevýhodou elektrických motorů je nemožnost přímého připojení k pohybovým mechanismům s ohledem na vysoké výstupní otáčky a malé kroutící momenty. Proto je nutné vybavovat pohonné jednotky převodovými mechanismy, u kterých se obecně na jedné straně vyžadují minimální rozměry a hmotnost, zatímco na druhé straně je to spolehlivost, jednoduchost, nízké výrobní a převozná náklady.A known disadvantage of electric motors is the impossibility of being directly connected to the motion mechanisms due to the high output speeds and low torques. It is therefore necessary to equip the drive units with gear mechanisms which generally require minimum dimensions and weight on the one hand, while reliability, simplicity, low production and transport costs on the other hand.

U nejúspěinějěích typů průmyslových robotů se uplatňují nejprogresivnějSÍ konstrukce elektromechanických pohonů, které jaou řešeny jako kpmpaktní moduly, obsahující kromě motorové jednotky a moderní převodovkou také brzdu a- čidla pro snímání rychlésti a polohy.The most advanced types of industrial robots employ the most progressive designs of electromechanical drives, which are designed as compact modules, which include, in addition to the motor unit and a modern gearbox, also a brake for speed and position sensing.

U těchto zařízení, včetně některých výrobních strojů, kde pohonná Jednotky slouží k přesnému polohování, nebo vedení pracovních nástrojů, respektive úchopných hlavic po naprogramovaných drahách, se vyžaduje ještě nevíc bezvůlové provedení převodových mechanismů. Těmto požadavkům lze u klasických převodovek s ozubenými koly vyhovět jen za cenu komplikovaných konstrukcí, kdy je nutno například vytvářet pro oba smysly otáčení samostatní převodová větve, která ee musí navzájem torzně přádepínst, eventuálně se používá vymezení vůlí dělenými koly, která se bu3 vůči sobě taká torzně předepínejí, nebo jsou opatřena Mileným ozubením a vymezení se provede vzájenutfm posunutím.These devices, including some production machines, where the drive units are used for precise positioning or guiding work tools or gripping heads along programmed paths, still require a play-free gear mechanism. These requirements can be met in the case of conventional gearboxes only at the cost of complicated constructions, for example it is necessary to create for each sense of rotation separate transmission branch, which must be torsionally attached to each other, eventually using clearance separation by split wheels. they are torsionally biased or are provided with milled toothing and delimitation is effected by displacement.

Tyto nevýhody vyniknou obzvláště tehdy, když se převodový mechanismus používá pouze k reverzačnímu natáčení pracovních orgánů, úchopných a technologických hlavic, nosných konstrukcí, ramen a podobně, kdy je úhel pootočení výstupního hřídele menší než 360 °C a bezvůlové provedení uvedených převodovek je pro daný účel a potřebný předvod rozměrná a složitá.These disadvantages are particularly pronounced when the gear mechanism is used only for reversely rotating the operating elements, gripping and technological heads, load-bearing structures, arms and the like, when the output shaft rotation angle is less than 360 ° C and the clearance-free design of said gearboxes and the necessary lead-in dimensional and complex.

VětSího uplatnění proto nacházejí v těchto případech globoidní šnekové a harmonická převodovky, šneková převodovky mejí opět známé nedostatky, spočívající v obtížné výrobš, nutnosti používání deficitního materiálu na šneková kola a v nízká účinnosti. Nízká účinnost je pak ne závadu především v elektrických pohonech a krokovými motory, která dosud mají malý kroutící moment, klesající navíc s roetoucí frekvencí vstupních impulsů.Therefore, globoid worm and harmonic gearboxes find greater use in these cases, again, worm gearboxes have the known drawbacks of difficulty in manufacturing, the necessity of using deficient material for worm gears and low efficiency. Low efficiency is not a defect especially in electric drives and stepper motors, which still have a low torque, decreasing in addition with the increasing frequency of input pulses.

Harmonické převodovky jsou pro svoji kompaktnost a malá rozměry velmi užívaným převodovým mechanismem v konstrukcích průmyslových robotů a manipulátorů. Jejich výroba je oviem technologicky velmi náročná a mohou ji úspěšně zvládnout jen specializovaní výrobci. Výkonově Jsou v souěasnosti ještě možnosti harmonických převodovek omezené na menší a střední výkony do 6 kW z důvodu extrémního namáhání jejího pružného kotouSe.Due to their compactness and small size, the harmonic gearboxes are a widely used transmission mechanism in industrial robot and manipulator constructions. However, their production is technologically very demanding and can only be successfully managed by specialized manufacturers. Performance At present, the possibilities of harmonic gearboxes are limited to smaller and medium outputs up to 6 kW due to the extreme stress of its flexible disk.

Uvedená nedostatky Jsou odstraněny převodový· nechanisnen s pohybový· šroube· a Maticí unežňujícín identickou transformaci rotace Běsi první a druhou hřídelí, jehož podstata spočívá v tem že matice pohybového šroubu který je vytvořen na první hřídeli, je valivou kinematickou vasbou funkčně spojena a kotouči druhé hřídele.The above-mentioned drawbacks are eliminated by the transmission screw and the nut screw to facilitate the identical transformation of the rotation of the first and second shafts, which is based on the fact that the nut of the screw is formed on the first shaft. .

Současní je taká spatřena opěrnými plocha·! pre její vedení ve směru první hřídele prostřednictví· vodících kladek. Při pešadevku na vysekou účinnost převodového mechanismu jo nozi závity pohybového šroubu a matice umístěn recirkulační systém kuliček. Valivá kinematická vazba je vytvořená buS jako ozubená hřebeny spojená s matici a zabírající e ozubením kotoučů druhá hřídele, nebo jako dva pružné odvalovací pásy, či řetěsová větve, spojená přes napínáky a matici a navinutá navzájem protisměrně kolem kotoučů druhé hřídele, či na jejich řetězové ozubení.At the same time, the supporting surface is also seen! for guiding it in the direction of the first shaft via the guide rollers. In the high efficiency of the gear mechanism, the recirculation system of the balls is placed on the threads of the motion screw and nut. The rolling kinematic linkage is formed either as toothed racks coupled to the nut and engaging the teeth of the second shaft discs, or as two flexible rolling bands or chain branches connected through the tensioners and the nut and wound upwardly around the second shaft discs or on their chain teeth .

Předností předložené konstrukce je, že aplikací malého stoupání slvitu pohybového Vroubu a mstíce ee docílí saaesvernosti mechanismu, který lse využít pouse jedno·měrně ve funkci redukteru, s možností dosažení víc než dvojnásobná hodnoty převedu vůči šnekovým převodovkám.The advantage of the present construction is that by applying a small pitch of the motion screw and the reticle, it achieves the independence of a mechanism that can be used only one-way in the function of a reducer, with the possibility of achieving more than twice the conversion value to worm gears.

Jehe peušití připadá v úvahu především v případech, kdy se na jedná straně nevyžaduje souvislá a nepřetržitá činnost, sete je však na druhé straně potřebně mít sa stecienárníhe stavu spolehlivě sejičtineu vzájemnou polohu první a druhé hřídele bes daliích přídavných aretevacích mechanismů při proměnlivém zatížení ne druhá hřídeli, jako je ternu například u pohonů akčních členů regulačních obvodů, neb· u resličných stavících mechanismů, sloužících k docílení příslužná směny a nestavení odpovídající veličiny, . či parametrů.This is particularly useful in cases where continuous and continuous operation is not required on the one hand, but on the other hand it is necessary to have a reliable relative position of the first and second shafts relative to the additional shaft under variable load on the second shaft. , such as ternus, for example, in the actuators of the actuators of the control circuits, or in the case of resilient adjusting mechanisms used to achieve the respective shift and not to set the corresponding magnitude,. or parameters.

Použitím redrkulačníhe systému kuliček, umístěného mezi sávity pohybového ěroubu a matice, vznikne mechanismus zcela sdliiných vlastností, jehož přednosti vyplývají předevěím se skutečneati, že všechny kinematická dvojice převodového mechanismu podle vy- . nálesu jeou valivá.The use of a reductive system of balls, located between the motion screw and nut sieves, creates a mechanism of completely different properties, the advantages of which arise mainly from the fact that all kinematic pairs of the transmission mechanism according to the invention. nálesu jeou rolling.

Tím je dána jehe celková vyseká účinnost s možnost aplikace převodového mechanismu bu3 jske redukteru nebe jaké multiplikátoru. Přítem běžně dosažitelná hodnota převodu při obvyklých resměrevých poměrech je až e 50 * vyěěí, než u převodů šnekových převodovek, příčeni počet součástí je minimální vůči ekvivalentním převodovkám s ozubenými koly.This gives the overall efficiency with the possibility of applying the transmission mechanism of the reducer or as a multiplier. The conventional transmission value at conventional reversing ratios is up to about 50% higher than that of worm gears, the number of parts being minimal compared to the equivalent geared gears.

Převodový mechanismus je mešně využít e dimenzovat pre pohony v Širokém rozsahu vstupních výksnů. Všechny výhody vyniknou především v besvůlevám provedení. Výrobě besvůlevých kuličkových čreubů a matic je v současnosti technologicky svládnutá a reslisace besvůlová valivá kinematická vazby mesl kuličkovou maticí a kotoučem druhá hřídele je rovněž snadné proveditelná.The transmission mechanism can be utilized to dimension pre-drives over a wide range of input docks. All the advantages stand out especially in the chiffon designs. The production of the incredible ball nipples and nuts is currently technologically mastered, and the reslection of the mesl rolling kinematic mesl coupling with the ball nut and the second shaft disc is also easy to carry out.

Zvláštní výhodou varianty e pružnými odvalovacími pásy je možnest dosažení exaktní hodnoty převedu, nebol průměry kotoučů druhá hřídele, na která ee pásy navinují, lse vyrobit scele přesná a libovolně na základě kinenatickáhe výpočtu, zatímco u ozubení je vždy závislost restečnáhe průměru na celistvém poetu zubů.A particular advantage of the flexible rolling belt variant e is that it is possible to achieve an exact conversion value, since the diameters of the second shaft discs to which the belts are wound can be accurately and arbitrarily based on kinenatic calculation.

Vadící kladky která podpírají matici pohybového šroubu, zachycují jednak reakční mement a dále kempensují průhyb první hřídele, cež přispívá k celková tuhosti mechanismu. Převodový mechanismus je vhodný i prápehony e krokovými motory, jejichž dosud malá výkony vyžadují používání,převodů e vysekou účinností.The defective pulleys that support the motion bolt nut both capture the reaction mement and further camp the deflection of the first shaft, contributing to the overall rigidity of the mechanism. The gear mechanism is also suitable for e-stepper motors, whose low power yet requires use, high-efficiency e-drives.

Konstrukčně lze jednotlivá součásti uspořádat tak, že vznikne kompaktní celek, jehož vaijčí reamčry jsou menií než u srovnatelných převodovek šnekových, jak ukazují přiložená ebrášky. Využitelnost předmětu vynálezu přichází v úvahu pro případy pohonů s obousměrnou diskentinuální rotací první nebe druhá hřídele v omezeném rozsahu celkového úhlu na251398 tečení e ve «pojení s edměřovacím přístroje· předevíím pre přesné polohevání i souvislé řízení pracovních ergénů, nebo celých funkčních celků.By design, the individual components can be arranged to form a compact unit, the reamers of which are smaller than those of comparable worm gear units, as shown in the enclosed ribs. The applicability of the present invention is contemplated for two-way discentinuous first or second shaft shafts in a limited range of total angle to the flow of e in connection with the metering apparatus, in particular for precise positioning and continuous control of working ergens or entire functional units.

Příkladné řečení převodového aechanisau o pohybový· Šroube* a maticí, a použitým recirkulačním systémem kuliček mezi závity pohybového Šroubu a matice, jsou zobrazena na výkresech.Exemplary transmission aechanisau of the motion screw and nut, and the recirculating ball system used between the motion screw and nut threads, are shown in the drawings.

Na obr. 1 je bezvůlový reduktor β alternativou ozubeného převodu a ne obr. 2 řez rovinou A-A z obr. 1. Obr. 3 představuje verzi o pružnými odvalovacími pásy pro vSoobecné použití ve funkci redukteru i multiplikátoru a obr. 4 modifikaci a řetězovými větvemi.In Fig. 1, a backlash reducer β is an alternative to the gearing and not Fig. 2 is a section along line A-A in Fig. 1. Fig. 3 shows a version with flexible rolling belts for general use as a reducer and multiplier; and Fig. 4 a modification and chain branches.

U příkladného řeSení je ve skříni 1 íobr. 1} uložena v prvém valivém uložení g hřídel 2 spojená s elektrárnotorem £ a odměravecím přístrojem £. Ne první hřídeli £ jsou vytvořeny sávity pohybového Šroubu £, ve kterých je umístěn recirkulační systém kuliček £ předepnuté besvůlevé matice £, která má ne svém vnějším povrchu vytvořeny dvě opěrné plechyIn an exemplary embodiment, the housing 1 is shown in FIG. 1}, a shaft 2 connected to the electric motor 6 and the detector 6 is mounted in the first roller bearing g. Not the first shafts 6 are formed by the movement screw sieves 4, in which the recirculation system of the balls 4 of the prestressed left-hand nut 6, which has two supporting plates formed on its outer surface, is located.

Vodící kladky 10 uležené na excentrech 11. podpírají matice £ prostřednictvím opěrných plech 2, které jeou paralelní s první hřídelí 2· V případě první varianty zobrazeného převodového mechanlamu, kde kinematické valivé vazba mezi maticí a kotouči druhé hřídele je realizována ozubeným převodem, jsou ozubené hřebeny 12. vytvořené rovnoběžně o první hřídelí 2 na matici 8 v záběru a ozubením £2 kotoučů 14 druhé hřídele 15. otáčející se ve druhám valivém uložení £2 (obr. 1 a 2).The guide rollers 10 supported on the eccentrics 11 support the nuts 8 by supporting plates 2 parallel to the first shaft 2. In the case of the first variant of the illustrated transmission mechanism, where the kinematic rolling coupling between the nut and the disks of the second shaft is realized by a gear, 12 formed parallel to the first shaft 2 on the nut 8 in engagement and by the toothing 52 of the disks 14 of the second shaft 15 rotating in the second roller bearing 52 (FIGS. 1 and 2).

Pro vymezení vůle v ozubeném převodu jaou oba kotouče 14 a ozubením 13 vůči sobě například tarzně předepnuty známým způsebem. V případě verze převodového mechanlamu, kde kinematická valivá vazba je vytvořena pružnými advelavacíml páay (abr. 3), Jasu o meticí 2 spojeny dva pružné odvalovací pásy 17. které Jsau «pásané navzájem protisměrně kolem keteuřů 14 druhé hřídele ££.To limit the play in the toothed gearing, the two disks 14 and the toothing 13 are pretensioned to each other in a known manner, for example. In the case of the version of the transmission mechanism, where the kinematic rolling link is formed by the elastic advelation belt (abr. 3), two elastic rolling bands 17 are connected to the brightness of the metering 2, which are striped against each other about the weatherers 14 of the second shaft.

Kotouče 14 jeau v tamta případě hladké a alespoň jeden z pružných odvalovacích pásů 17 je předepnutý napínákem pásu 18. U modifikace, kde kinematická valivá vazba je vytvářená řetězovými větvemi (ebe. 4), Jsou obdobně a maticí 2 spájeny dvě řetisavé větve £2 nevinuté spět obdobně protisměrně na řetězové ozubení 22 kotoučů 14 druhé hřídele 15.The wheels 14 are smooth in that case and at least one of the flexible rolling bands 17 is pre-tensioned by the belt tensioner 18. In a modification where the kinematic rolling link is formed by chain branches (eb. 4) similarly counter-directionally to the chain teeth 22 of the disks 14 of the second shaft 15.

U besvůlevé alternativy je znovu aleapaň jedna z řetězových větví 19 předepnutá napínákem řetězů 2£.In the alternative of the left-hand alternative, at least one of the chain branches 19 is pre-tensioned by a chain tensioner 24.

Při redukci otáček elektromotoru £ se na závitech pohybového Šroubu £ transformuje rotační pohyb první hřídele 2 ⁰⁸ translační pohyb matice £, který ee kinematickou valivou vazbou znovu transformuje na rotační pohyb druhé hřídele ££. V případě multiplikace otáček z druhé hřídele 15 na první hřídel 2 i® činnost převodového mechanlamu analogická.When reducing the speed of the electric motor £ the threads of the threaded spindle £ transforms rotational movement of the first shaft 2 the translational motion of the nut ⁰⁸ £ which ee rolling kinematic linkage again transformed into a rotational movement of the second shaft ££. In the case of a multiplication of revolutions from the second shaft 15 to the first shaft 2 i ®, the operation of the gear mechanism is analogous.

Pra hodnotu převodu lze odvodit vztah:For the value of conversion can be derived the relation:

tt

D - velící průměr kotouče druhá hřídele t - stoupání kuličkevéha ŠroubuD - blade diameter of the second shaft t - pitch of the ball screw

V připadl alternativy převodového mechanismu s ozubeným převodem lze uvedený vztah upravit následovně:In the case of alternatives to the gear mechanism, the relationship can be adjusted as follows:

t m - nedul zubů z - počet zubů ozubení kotoučů druhé hřídelet m - no teeth z - number of teeth of the second shaft discs

Zatínce ěneková převodovky, peužívená v běžná technická praxi, doeehují naxinálního převedeváhe poaěru 100, je něžná u převodového aechanieni e «cirkulační· ayetáaea kuliček dosáhnout v obvyklých dimensionálních relacích hodnot převedu 150 a při použití řeěení bez recirkulačníhe systému kuliček převedeváhe poměru v rozsahu 200 - 300On the other hand, the gearboxes used in conventional engineering achieve naximal predominance of fire 100, is gentle in the transmission aechanieni e of circulating ayeteae and in the usual dimensional relation of the conversion values of 150 and when using a solution without recirculating bead system,

Claims

OF THE INVENTION

1. Gear mechanism and motion · reube and nut, and «circulation system · balls · βζ! The threads of the rib and batik bear for the same transforaacl the first and second shafts, characterized in that the ace (8) of the bolt (6) formed on the first shaft (3) is both functionally intoxicated by the roller and the wheels (14) second and on the other hand, for its guidance in the aura of the first shaft (3), the support rollers (10) are provided with support rollers (10). flat·! (9).

Bechenleauo transmission according to claim 1, characterized in that the rolling kinetic roll is formed by toothed ridges (12) which is provided with (12) engaging and toothing (13) disks (14) of the second shaft (15).

3. A transmission echanisaue according to claim 1, characterized in that the rolling kinetic coupling is formed by two elastic links. by means of the roller belts (17), and that the belt (18) is connected, grazed through the belt tensioners (18). the knees of each other (14) of the second shaft (15).

4. The transmission aechanleau according to claim 1, characterized in that the rolling kinetic linkage is a formed two-piece chain (19) joined together. for chain tensioners (21) with attic (8), wound! opposite shafts (20) of the disks (14) of the second shaft (15).