CN201705878U - 一种伸缩式机械结构 - Google Patents

Abstract

一种伸缩式机械结构，由多节粗细不同的段节、传动丝杠、限位装置和滚珠组成，利用各段节限位装置的自动限位和自动解除功能，结合传动丝杠的螺帽脱杠使用技术，机械结构的各段节能够逐节伸出而变长，也能够逐节缩回而变短。本机械结构能够大范围的伸展和收缩，在伸出和缩回的过程中，能够承受较大的轴向压力或拉力，并且驱动简单，数据精准，适合用于空间受限的环境、自动化控制作业的需求，可作为一个模块和基础结构应用于各种机械装置或设备。

Description

一种伸缩式机械结构

技术领域

本实用新型涉及一种伸缩式机械结构，利用各段节限位装置的自动限位和自动解除功能，结合传动丝杠的螺帽脱杠使用技术，机械结构的各段节能够逐节伸出而变长，也能够逐节缩回而变短。

背景技术

在工作时需要最大范围伸展，在搬运和转场时需要尽量少占用空间的实际应用中，一般采用折叠结构。比如混凝土泵车的布料杆，转场或运输时，各节杆折叠在一起，需要工作时，各采用液压支撑方式，把布料杆一节一节撑开到需要的长度。它采用昂贵的液压***，笨重且耗费空间，且支撑时靠短臂支撑长臂，费力耗能。汽车起动机，采用的是伸缩方式伸出吊臂，其臂架内部采用液压驱动，钢丝绳传动的方式，来实现吊臂的伸长和缩短。这种方式传动复杂，没有精准数据，无法实现自动化作业。

在空间环境受限情况下，要求机械结构伸开以后要尽量长，收回以后要尽量短；工作位置经常变动要求收回要短而紧凑，便于搬运；要实现数字***控制下的自动化作业，则要求机械结构响应快速，传动精准，上述结构和技术均难以满足需求。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种伸缩式机械结构，这种结构可以广泛应用在室内或室外环境中、工业及农业生产中、数控和自动化领域中。这种机械结构能够以伸缩的方式，提供最大长度以适应大工作范围，最小长度的以耗费最小的空间，快速响应和精准传动以适应自动化要求。为了达到这种目标，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种伸缩式机械结构，采用金属管状结构，包括第一段节1、第二段节2、基本段节3、第末段节4、轴承装置5、螺帽6、传动丝杠7、限位装置8，基本段节3可采用一段或多段，其结构完全相同；第一段节1固定安装在承载结构上，第二段节2、基本段节3和第末段节4都能够在其上一段节的内腔之中伸出和缩回；第一段节1起始端内部固定安装轴承装置5；第二段节2、基本段节3和第末段节4起始端内部固定安装螺帽6；每段节末端外部有加固法兰12；传动丝杠7包括无丝部分7-1和有丝部分7-2，无丝部分7-1端部安装在轴承装置5中，有丝部分7-2伸入机械结构内腔中；第二段节2、基本段节3和第末段节4的外表面有滚珠轨道9；基本段节3和第末段节4的滚珠轨道9的起始端有滚珠限位窝10；第一段节1、第二段节2和基本段节3靠近加固法兰12位置表面有滚珠通过孔11，滚珠通过孔11与滚珠轨道9相对应，滚珠通过孔11外部安装有限位装置8；限位装置8由滑动限位套管8-1、弹簧8-6、滚珠8-7构成，滚珠8-7能从滚珠通过孔11中通过；机械结构处于最短状态时，第末段节4的螺帽6与传动丝杠7的有丝部分7-2相啮合，第二段节2、基本段节3的螺帽6处于传动丝杠7的无丝部分7-1；机械结构由最短变长时，传动丝杠7首先驱动第末段节4伸出，第末段节4伸出到位后，其相邻的上一基本段节3的限位装置8生效，该基本段节3开始伸出；每一段节伸出到位时，其上一段节的限位装置8生效，之后上一段节开始伸出；第二段节2伸出到位时，机械结构达到最大长度；机械结构达到最大长度时，传动丝杠7与第二段节2的螺帽6啮合，基本段节3和第末段节4的螺帽6处于脱离传动丝杠7状态；当机械结构由最长变短时，第二段节2首先缩回第一段节1内腔之中，第二段节2缩回到位时，其限位装置8限位解除，下一基本段节3开始缩回第二段节2内腔之中；每一段节缩回到位时，其限位装置8解除，下一段节开始缩回其内腔之中，直到第末段节4完全缩回到位，机械结构达到最短长度。

传动丝杠7的无丝部分7-1的直径小于等于有丝部分7-2的丝底直径；传动丝杠7的无丝部分7-1与轴承装置5构成转动副，传动丝杠7能够在轴承装置5中转动而其相对位置不变；传动丝杠7的有丝部分7-2能够与各段节的螺帽6构成传动副，即传动丝杠7本身位置固定，传动丝杠7在轴承装置5中转动，能够驱动螺帽6沿传动丝杠7向前或向后移动；因为螺帽6在各段节端部固定，因此传动丝杠7转动能够推动螺帽6带动该段节向前或向后移动。

第二段节2、基本段节3和第末段节4的外表面至少有2条相互平行的滚珠轨道9，滚珠轨道9平行于该段节的长度方向，轨道面为球面的一部分，能够与滚珠8-7完好吻合；滚珠轨道9起始端的滚珠限位窝10与滚珠8-7能够完好吻合。

限位装置8由滑动限位套管8-1、弹簧8-6、滚珠8-7构成，滑动限位套管8-1内径与所在段节的外径相同，能够套装在该段节的外表面并来回滑动；滑动限位套管8-1内部有两个不同深度的轨道，分别是滚珠进入限位窝前轨道8-2和滚珠进入限位窝后轨道8-3，两者通过压力斜面轨道8-4连接，滚珠进入限位窝前轨道8-2、滚珠进入限位窝后轨道8-3和压力斜面轨道8-4的轨道面都为球面，能够与滚珠8-7完好吻合；滑动限位套管8-1面向加固法兰12一侧有弹簧仓8-5，弹簧8-6一端固定安装在弹簧仓8-5中，一端固定到加固法兰12上。

滚珠8-7为球形钢珠，安装在各段节的滚珠通过孔11内，并被限制在滑动限位套管8-1和下一段节滚珠轨道9或滚珠限位窝10之间，防止伸缩结构各段节在其上一段节内腔之内相对转动；在进入滚珠限位窝10之前，滚珠8-7被紧密限制在滚珠进入限位窝前轨道8-2、压力斜面轨道8-4和下一段节滚珠轨道9之间滚动；在进入滚珠限位窝10之后，滚珠8-7被紧密限制在滚珠进入限位窝后轨道8-3和下一段节的滚珠限位窝10之间。

本实用新型的有益效果是：本机械结构能够大范围的伸展和收缩，在伸出和缩回的过程中，能够承受较大的轴向压力或拉力，并且驱动简单，数据精准，适合用于空间受限的环境、自动化控制作业的需求，可作为一个模块和基础结构应用于各种机械装置或数控设备。

附图说明

图1为本实用新型的总体原理结构图，为主视剖面图，也可作为摘要附图。

图2为第三段节刚开始伸出时的状态示意图。

图3为第三段节伸出过程示意图。

图4为第二段节伸出过程示意图。

图5为机械结构伸展到最长状态示意图。

图6为第二段节缩回到位时的状态示意图。

图7为第三段节缩回过程示意图。

图8为机械结构缩回到最短状态示意图。

图9为传动丝杠结构示意图。

图10为限位装置结构示意图

图11为限位装置限位生效时状态示意图

图12为限位装置未生效时或限位解除状态示意图

其中：

1、第一段节

2、第二段节

3、基本段节

4、第末段节

5、轴承装置

6、螺帽

7、传动丝杠

7-1、无丝部分

7-2、有丝部分

8、限位装置

8-1、滑动限位套管

8-2、滚珠进入限位窝前轨道

8-3、滚珠进入限位窝后轨道

8-4、压力斜面轨道

8-5、弹簧仓

8-6、弹簧

8-7、滚珠

9、滚珠轨道

10、滚珠限位窝

11、滚珠通过孔

12、加固法兰

13、驱动轮

图中箭头表示机械结构伸出或缩回运行方向。

具体实施方式

实施例1：

结合图1到图12，以整体机械结构设计为四节的情况为例，来详细说明本实用新型的具体实施方式，基本段节3只有一段，第末段节4即为第四段节。第一段节1、第二段节2、基本段节3、第末段节4采用厚壁钢管制造；第一段节1的起始端部安装轴承装置5，传动丝杠7固定到轴承装置5之中能够自由转动。第二段节2、基本段节3、第末段节4起始端部内部焊接螺帽6，螺帽6端部与该段节端部平齐。各个螺帽6能够在传动丝杠7上转动而旋入或旋出。在第一段节1、第二段节2、基本段节3靠近加固法兰12的相同位置，开滚珠通过孔11；在第二段节2、基本段节3、第末段节4表面加工滚珠轨道9，滚珠轨道9的数量和滚珠通过孔11的数量相同且排列位置对应。将滚珠8-7安装到各段节的滚珠通过孔11中，把滚珠限制在滑动限位套管8-1和下一段节滚珠轨道9之间。第一段节1为固定装置，一般将其固定在承载平台上；第二段节2能够在第一段节1管腔中伸出和缩回；基本段节3能够在第二段节2管腔中伸出和缩回，第末段节4能够在基本段节3中伸出和缩回。

图1的情况可视为第末段节4伸出的过程：第末段节4的螺帽6与传动丝杠7构成传动副；传动丝杠7转动，推动第末段节4从基本段节3中伸出。此时基本段节3的螺帽6处于传动丝杠7的无丝部分7-1，因此基本段节3不会被驱动伸出，第一段节1、第二段节2也是如此。此时基本段节3的滑动限位套管8-1处于靠近加固法兰12的位置，弹簧8-6被压缩，弹簧8-6的推力推动活动滑动限位套管8-1有向左运动的趋势，滚珠8-7被紧紧的限制在滚珠轨道9和滚珠进入限位窝前轨道8-2、压力斜面轨道8-4之间，从而保证了第末段节4在基本段节3内部平稳运行，并且不会相对转动。

图2显示了第末段节4伸展到位，基本段节3的限位装置8生效并开始伸展的情况。第末段节4一直向前运行，当基本段节3的滚珠8-7遇到第末段节4上的滚珠限位窝10时，由于滑动限位套管8-1的压力作用，滚珠8-7会被压入滚珠限位窝10，滑动限位套管8-1在弹簧8-6作用下弹出，并把滚珠8-7紧紧的压在滚珠限位窝10和滚珠进入限位窝后轨道8-3之间，此即为限位装置8生效状态。此时第末段节4和基本段节3被连接在一起，成为一体。第末段节4向前运行时，将带动基本段节3一起向前运行，并把基本段节3的螺帽6带入传动丝杠7的有丝部分7-2。基本段节3的螺帽6和第末段节4的螺帽6同时在传动丝杠7上向前运动。限位装置8限位生效时状态如图11所示。

图3显示了基本段节3伸出的过程。基本段节3的螺帽6和第末段节4的螺帽6同时在传动丝杠7上向前运动，运动一段距离以后，第末段节4的螺帽6脱离传动丝杠7。此时基本段节3的螺帽6仍然与传动丝杠7啮合，推动基本段节3和第末段节4一起向前运行。基本段节3伸出过程中，第二段节2的滑动限位套管8-1将其滚珠8-7限制在基本段节3的滚珠轨道9和滚珠进入限位窝前轨道8-2之间，保证基本段节3的平稳运行。

图4显示了第二段节2的伸展过程。如同上述情况一样，当第二段节2的滚珠8-7运行到基本段节3的滚珠限位窝10时，滚珠8-7进入滚珠限位窝10中，滑动限位套管8-1在弹簧8-6作用下弹出，并把滚珠8-7紧紧的压在滚珠限位窝10和滚珠进入限位窝后轨道8-3之间，从而将基本段节3和第二段节2连为一体。基本段节3继续前行，带动第二段节2一起向前运行，并把第二段节2的螺帽6带入传动丝杠7的有丝部分7-2。

第二段节2的螺帽6和基本段节3的螺帽6同时在传动丝杠7上向前运动，运动一段距离以后，基本段节3的螺帽6脱离传动丝杠7。此时第二段节2的螺帽6仍然与传动丝杠7啮合，推动第二段节2和基本段节3、第末段节4一起向前运行。

图5显示了机械结构伸展到最大长度的情况。第二段节2的滚珠轨道9没有滚珠限位窝，第一段节1的滚珠8-7始终被限制在滚珠轨道9和滑动限位套管8-1的滚珠进入限位窝前轨道8-2之间；当第二段节2一直向前运行，运行到第二段节2的滚珠轨道9尽头时，第二段节2无法继续向前运行，这时候机械结构伸展到了最大长度，完成了机械结构的伸出过程。

当机械结构要缩回时，因为第二段节2的螺帽6与传动丝杠7啮合而基本段节3、第末段节4的螺帽6都处于脱杠状态，因此当传动丝杠7反向转动时，第二段节2将首先缩回第一段节1内部。

传动丝杠7带动第二段节2向回运行，运行到一定距离时，基本段节3的螺帽6也与传动丝杠7啮合，两个螺帽一起在传动丝杠7上运动，因为此时第二段节2尚未缩回到位，基本段节3与第二段节2的限位装置尚未解除，因此基本段节3尚未向第二段节2内缩回。

如图6所示，当第二段节2继续缩回，其螺帽6行进到传动丝杠7的无丝部分7-1时，传动丝杠7继续转动，第二段节2不再继续缩回。传动丝杠7带动基本段节3向回运动，在这个过程中，第一段节1加固法兰12逐步压缩第二段节2的限位装置8之弹簧8-6，滑动限位套管8-1离开原来位置，逐步向其加固法兰12靠近，对滚珠8-7的压力逐步解除，滚珠8-7从滚珠限位窝10中离开，并被限制到滚珠进入限位窝前轨道8-2和基本段节3的滚珠轨道9之间，基本段节3与第二段节2的限位装置8处于解除状态，此后基本段节3一直向回运行。基本段节3缩回过程如图7所示。限位装置8限位解除时的状态如图12所示。

第末段节4的缩回与基本段节3的情况相同：基本段节3带动第末段节4向回运行，运行到一定距离时，第末段节4的螺帽6旋入传动丝杠7，两个螺帽一起在传动丝杠7上运动，直到基本段节3的螺帽6到达传动丝杠7的无丝部分7-1，基本段节3无法继续缩回。传动丝杠7带动第末段节4向回运动，这个过程中，基本段节3的滚珠8-7从第末段节4的滚珠限位窝10中离开，并被压缩到活动滑动限位套管8-1的滚珠进入限位窝前轨道8-2和第末段节4的滚珠轨道9之间，第末段节4与基本段节3的限位装置8被自动解除。之后第末段节4在传动丝杠7带动下向回运行，一直运行到最短状态。

如图8所示，当机械结构缩回到最短状态时，第末段节4缩回基本段节3内部，基本段节3缩回第二段节2内部，第二段节2缩回第一段节1内部。第二段节2、基本段节3的螺帽6到达传动丝杠7的无丝部分7-1，第末段节4的螺帽6仍然与传动丝杠7的有丝部分7-2啮合。

实施例2

当机械结构需要更长的长度时，可通过增加为更多段节及其限位装置来实现。具体实施时，第一段节与本实施例中第一段节1结构完全相同，第二段节与本实施例中第二段节2的结构完全相同，最末段节与本实施例中第末段节4的结构完全相同，中间的若干段节与本实施例中基本段节3的结构完全相同，中间各段节相应设置限位装置8。设计段节粗细及滚珠直径变化，使各段节正好耦合；设计传动丝杠有丝部分和无丝部分的长度，使之满足螺帽旋入和旋出时的位置要求。

实施例3

本实用新型可简化为三节使用：当三节应用时，第一段节的结构同本实施例中的第一段节1完全相同，第二段节的结构同本实施例中的第二段节2完全相同，第三段节的结构同本实施例中的第末节即第末段节4完全相同，第二段节2需要相应的限位装置8，第三段节不再需要限位装置、滚珠通过孔等，结构更加简化。

实施例4

本实用新型可简化为二节使用：当二节应用时，只要本实施例中的第一段节1、第二段节2即可，且第二段节2不再需要限位装置、滚珠通过孔等，结构更加简化。

在具体应用中，根据实际需要的长度来选择机械结构的节数和各节的长度、粗细，各段节之间的相对滑动采用直线轴承来减少摩擦力和活动间隙；采用步进电机或伺服电机带动驱动轮，使其按照数据控制正向反向运行，能够精确的控制机械结构的伸长和缩短，实现自动化控制场合应用。采用普通电机或手摇驱动，可以应用在一些普通的需要伸缩杆的场合。

Claims (5)

1.一种伸缩式机械结构，采用金属管状结构，其特征在于：包括第一段节(1)、第二段节(2)、基本段节(3)、第末段节(4)、轴承装置(5)、螺帽(6)、传动丝杠(7)和限位装置(8)，基本段节(3)可采用一段或多段，其结构完全相同；第一段节(1)固定安装在承载结构上，第二段节(2)、基本段节(3)和第末段节(4)都能够在其上一段节的内腔之中伸出和缩回；第一段节(1)起始端内部固定安装轴承装置(5)；第二段节(2)、基本段节(3)和第末段节(4)起始端内部固定安装螺帽(6)；每段节末端外部有加固法兰(12)；传动丝杠(7)包括无丝部分(7-1)和有丝部分(7-2)，无丝部分(7-1)端部安装在轴承装置(5)中，有丝部分(7-2)伸入机械结构内腔中；第二段节(2)、基本段节(3)和第末段节(4)的外表面有滚珠轨道(9)；基本段节(3)和第末段节(4)的滚珠轨道(9)的起始端有滚珠限位窝(10)；第一段节(1)、第二段节(2)和基本段节(3)靠近加固法兰(12)位置表面有滚珠通过孔(11)，滚珠通过孔(11)与滚珠轨道(9)相对应，滚珠通过孔(11)外部安装有限位装置(8)；限位装置(8)由滑动限位套管(8-1)、弹簧(8-6)、滚珠(8-7)构成，滚珠(8-7)能从滚珠通过孔(11)中通过；机械结构处于最短状态时，第末段节(4)的螺帽(6)与传动丝杠(7)的有丝部分(7-2)相啮合，第二段节(2)、基本段节(3)的螺帽(6)处于传动丝杠(7)的无丝部分(7-1)；机械结构由最短变长时，传动丝杠(7)首先驱动第末段节(4)伸出，第末段节(4)伸出到位后，其相邻的上一基本段节(3)的限位装置(8)生效，该基本段节(3)开始伸出；每一段节伸出到位时，其上一段节的限位装置(8)生效，之后上一段节开始伸出；第二段节(2)伸出到位时，机械结构达到最大长度；机械结构达到最大长度时，传动丝杠(7)与第二段节(2)的螺帽(6)啮合，基本段节(3)和第末段节(4)的螺帽(6)处于脱离传动丝杠(7)状态；当机械结构由最长变短时，第二段节(2)首先缩回第一段节(1)内腔之中，第二段节(2)缩回到位时，其限位装置(8)限位解除，下一基本段节(3)开始缩回第二段节(2)内腔之中；每一段节缩回到位时，其限位装置(8)解除，下一段节开始缩回其内腔之中，直到第末段节(4)完全缩回到位，机械结构达到最短长度。

2.根据权利要求1所述的伸缩式机械结构，其特征是：传动丝杠(7)的无丝部分(7-1)的直径小于等于有丝部分(7-2)的丝底直径；传动丝杠(7)的无丝部分(7-1)与轴承装置(5)构成转动副，传动丝杠(7)能够在轴承装置(5)中转动而其相对位置不变；传动丝杠(7)的有丝部分(7-2)能够与各段节的螺帽(6)构成传动副，即传动丝杠(7)本身位置固定，传动丝杠(7)在轴承装置(5)中转动，能够驱动螺帽(6)沿传动丝杠(7)向前或向后移动；因为螺帽(6)在各段节端部固定，因此传动丝杠(7)转动能够推动螺帽(6)带动该段节向前或向后移动。

3.根据权利要求1所述的伸缩式机械结构，其特征是：第二段节(2)、基本段节(3)和第末段节(4)的外表面至少有2条滚珠轨道(9)，滚珠轨道(9)平行于该段节的长度方向，轨道面为球面的一部分，能够与滚珠(8-7)完好吻合；滚珠轨道(9)起始端的滚珠限位窝(10)与滚珠(8-7)能够完好吻合。

4.根据权利要求1所述的伸缩式机械结构，其特征是：限位装置(8)的滑动限位套管(8-1)内径与所在段节的外径相同，能够套装在该段节的外表面并来回滑动；滑动限位套管(8-1)内部有两个不同深度的轨道，分别是滚珠进入限位窝前轨道(8-2)和滚珠进入限位窝后轨道(8-3)，两者通过压力斜面轨道(8-4)连接，滚珠进入限位窝前轨道(8-2)、滚珠进入限位窝后轨道(8-3)和压力斜面轨道(8-4)的轨道面都为球面，能够与滚珠(8-7)完好吻合；滑动限位套管(8-1)面向加固法兰(12)一侧有弹簧仓(8-5)，弹簧(8-6)一端固定安装在弹簧仓(8-5)中，一端固定到加固法兰(12)上。

5.根据权利要求1所述的伸缩式机械结构，其特征是：限位装置(8)的滚珠(8-7)为球形钢珠，安装在各段节的滚珠通过孔(11)内，并被限制在滑动限位套管(8-1)和下一段节滚珠轨道(9)或滚珠限位窝(10)之间，防止伸缩结构各段节在其上一段节内腔之内相对转动；在进入滚珠限位窝(10)之前，滚珠(8-7)被紧密限制在滚珠进入限位窝前轨道(8-2)、压力斜面轨道(8-4)和下一段节滚珠轨道(9)之间滚动；在进入滚珠限位窝(10)之后，滚珠(8-7)被紧密限制在滚珠进入限位窝后轨道(8-3)和下一段节的滚珠限位窝(10)之间。

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