CN203130950U - 一种具有低摩擦特性的贴片式超声波丝杠 - Google Patents

Abstract

一种具有低摩擦特性的贴片式超声波丝杠，本实用新型属于利用螺纹副形式的螺旋传动件领域。它是为了改善滑动丝杠由于螺母与螺杆处于滑动摩擦状态所带来的摩擦阻力大、传动效率低、低速时易爬行、定位精度差、工作寿命短等问题。它的螺母基体的外圆面上设置有用于固定用的一个或多个法兰盘；在螺母基体的外圆面上，绕圆周方向设置有多个平面；每个平面上都设置有一片或多片它激式伸缩片，并使每片它激式伸缩片的一个平面都与平面连接，所述它激式伸缩片的伸缩方向与螺母基体的轴线平行或有夹角a；所述它激式伸缩片的它激频率在超声波频段内。本实用新型的丝杠具有低的摩擦系数，摩擦阻力可减少50%以上，传动效率可达80%以上。

Description

一种具有低摩擦特性的贴片式超声波丝杠

技术领域

本实用新型属于利用螺纹副形式的螺旋传动件领域。 

背景技术

基于螺纹副形式的螺旋传动主要是通过螺杆与螺母间的旋合传递运动和动力，按照螺杆与螺母间的摩擦状态可分为滑动丝杠和滚珠丝杠。滑动丝杠主要由螺母和螺杆两部分组成，具有结构简单、加工方便、运转平稳等特点，主要应用于机床的进给机构、线性驱动模组以及负载平台的传动机构等场合。但是由于滑动丝杠工作时的螺母与螺杆处于滑动摩擦状态，使得丝杠传动时螺母与螺杆两者之间存在摩擦阻力大的问题，这一问题导致滑动丝杠工作时存在传动效率低（一般为30%~60%）、定位精度差、易爬行、磨损快以及工作寿命短等缺点。为了解决滑动丝杠传动螺纹间存在的滑动摩擦阻力大的问题，相应出现了一种由螺母、螺杆和滚动体三部分组成的滚珠丝杠。与滑动丝杠相比，滚珠丝杠工作时滚动体在螺母与螺杆间的螺纹滚道内滚动，使得螺母和螺杆相对运动时成滚动摩擦状态，有效降低了二者之间的摩擦阻力，因此具有传动效率高（一般在80%以上）、定位精度高、使用寿命长等优点，但由于采用滚动体及相应结构所带来的结构复杂、制造困难、成本高、安装与维护烦琐等问题也同样明显。 

发明内容

为了改善滑动丝杠由于螺母与螺杆处于滑动摩擦状态所带来的摩擦阻力大、传动效率低、低速时易爬行、定位精度差、工作寿命短等问题，本实用新型提出了一种具有低摩擦特性的贴片式超声波丝杠。 

所述一种具有低摩擦特性的贴片式超声波丝杠，由螺母基体、多片它激式伸缩片、螺杆组成；螺母基体的外圆面上设置有用于固定用的一个或多个法兰盘；螺母基体的内圆面上设置有内螺纹，螺母基体的内螺纹中旋转连接有螺杆，内螺纹的螺纹升角小于内螺纹与螺杆连接螺纹副间的当量摩擦角；在螺母基体的外圆面上，绕圆周方向设置有多个平面；每个平面上都设置有一片或多片它激式伸缩片，并使每片它激式伸缩片的一个平面都与平面连接，所述它激式伸缩片的伸缩方向与螺母基体的轴线平行或有夹角a，其夹角a的绝对值小于90度；所述它激式伸缩片的它激频率在超声波频段内。 

本实用新型的丝杠具有低的摩擦系数，摩擦阻力可减少50%以上，传动效率可达80%以上。它的低摩擦力特性的获得主要利用相对摩擦副间的高频微幅振动（频率一般大于1000 Hz，振幅一般小于1 μm）所产生的减摩效应来实现。具体来说，通过激发滑动丝杠螺母处于超声频率内（频率一般大于13 kHz）的微幅振动，基于超声振动所导致的超声减摩效应降低螺母与螺杆间的摩擦系数，进而达到降低二者之间的摩擦阻力的目的。由于本实用新型所提出的具有低摩擦力特性的滑动丝杠处于工作状态时其螺母处于微幅的超声振动状态，因此本实用新型中命名基于高频振动减摩原理的丝杆为超声波丝杠，英文名可译成Ultrasonic Screw Shaft，简称为USS。与传统滑动丝杠相比，超声波丝杠（USS）具有摩擦阻力小（相比于同类传统滑动丝杠，摩擦阻力可减少50%以上）、传动效率高（可达80%以上）、定位精度高等优点；与传统的滚珠丝杠相比，具有结构简单，制造成本低、安装与维护简易等优点，因此超声波丝杠（USS）在各种工业设备和精密仪器领域有着广泛的应用前景。 

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图； 

图2是图1中A-A向剖视结构示意图；

图3是具体实施方式二、具体实施方式三和具体实施方式四的结构示意图；

图4是图3中B-B向剖视结构示意图；

图5是具体实施方式五的结构示意图；

图6是图5中C-C向剖视结构示意图；

图7是具体实施方式六的结构示意图；

图8是图7中D-D向剖视结构示意图；

图9是具体实施方式七的结构示意图；

图10是图3中E-E向剖视结构示意图；

图11是具体实施方式八的结构示意图；

图12是具体实施方式八的结构示意图；

图13是具体实施方式九的结构示意图；

图14是具体实施方式九的结构示意图；

图15是具体实施方式十的结构示意图；

图16是图15中F-F向剖视结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1～图16进行说明，本具体实施方式由螺母基体1、多片它激式伸缩片2、螺杆1-3组成； 

螺母基体1的外圆面上设置有用于固定用的一个或多个法兰盘3；螺母基体1的内圆面上设置有内螺纹1-2，螺母基体1的内螺纹1-2中旋转连接有螺杆1-3，内螺纹1-2的螺纹升角小于内螺纹1-2与螺杆1-3连接螺纹副间的当量摩擦角；在螺母基体1的外圆面上，绕圆周方向设置有多个平面1-1；每个平面1-1上都设置有一片或多片它激式伸缩片2，并使每片它激式伸缩片2的一个平面都与平面1-1连接，所述它激式伸缩片2的伸缩方向与螺母基体1的轴线平行或有夹角a，其夹角a的绝对值小于90度；所述它激式伸缩片2的它激频率在超声波频段内。

所述螺母基体1的内螺纹1-2和螺杆1-3的外螺纹可为梯形螺纹、三角形螺纹、矩形螺纹、锯齿形螺纹、管螺纹或非标螺纹。所述它激式伸缩片2为压电伸缩片、磁致伸缩片、光致伸缩片或热致伸缩片。所述它激式伸缩片2在为压电伸缩片时，其驱动频率与螺母基体1的共振频率相吻合或相近，以此激发螺母基体1处于超声振动状态；压电伸缩片的驱动电信号波形可为正弦波形交流电信号、方波形交流电信号、三角波形交流电信号或锯齿形交流电信号。 

具体实施方式二：参见图1～图4进行说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于螺母基体1的外圆面上只设置有一个用于固定用的法兰盘3；所述法兰盘3具体设置在螺母基体1的左侧端头部，所述平面1-1为两两相对；每个平面1-1上都只设置有一片它激式伸缩片2；所有它激式伸缩片2的伸缩方向与螺母基体1的轴线平行；多片它激式伸缩片2的它激驱动方式为行波激振工作模式或驻波激振工作模式；所述行波激振工作模式为每两个相对平面1-1上的它激式伸缩片2的驱动相位差180度，每两个相对平面1-1上的它激式伸缩片2以圆周相邻依次驱动，圆周相邻平面1-1上的它激式伸缩片2的驱动相位差90度；所述驻波激振工作模式为每个或几个它激式伸缩片2可单独或成组驱动，每个或每组它激式伸缩片2的驱动相位差可为0度。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。 

具体实施方式三：参见图1～图4进行说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于螺母基体1的外圆面上只设置有一个用于固定用的法兰盘3；所述法兰盘3具体设置在螺母基体1的左侧端头部，所述平面1-1的总个数为≤4，并两两相对；每个平面1-1上在设置有多个它激式伸缩片2时，这个面上的所有它激式伸缩片2都沿螺母基体1的轴线方向排列；所有它激式伸缩片2的伸缩方向与螺母基体1的轴线平行；多片它激式伸缩片2的它激驱动方式为行波激振工作模式或驻波激振工作模式；所述行波激振工作模式为每两个相对平面1-1上的它激式伸缩片2的驱动相位差180度，每个平面1-1上的相邻它激式伸缩片2的驱动相位差180度，每两个相对平面1-1上的它激式伸缩片2以圆周相邻依次驱动，圆周相邻平面1-1上的它激式伸缩片2的驱动相位差90度；所述驻波激振工作模式为每个或几个它激式伸缩片2可单独或成组驱动，每个或每组它激式伸缩片2的驱动相位差可为0度。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。 

具体实施方式四：参见图1～图4，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于螺母基体1的外圆面上只设置有一个用于固定用的法兰盘3；所述法兰盘3具体设置在螺母基体1的左侧端头部，每个平面1-1上在设置有多个它激式伸缩片2时，这个面上的所有它激式伸缩片2都沿螺母基体1的轴线方向排列；所有它激式伸缩片2的伸缩方向与螺母基体1的轴线平行；同一圆周上的所有它激式伸缩片2可单独或成组驱动，在成组驱动时其驱动相位相同，每个平面1-1上的相邻它激式伸缩片2的驱动相位差180度。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。 

具体实施方式五：参见图1、图5、图6进行说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于螺母基体1的外圆面上只设置有一个用于固定用的法兰盘3；所述法兰盘3具体设置在螺母基体1的左侧端头部，每个平面1-1上在设置有多个它激式伸缩片2时，这个面上的所有它激式伸缩片2都沿螺母基体1的轴线方向排列；所有它激式伸缩片2的伸缩方向与螺母基体1的轴线之间有夹角a，且同一列队中的相邻它激式伸缩片2以夹角a为正角度、负角度的方位形式间隔排列；同一圆周上的所有它激式伸缩片2可单独或成组驱动，在成组驱动时其驱动相位都相同，每个平面1-1上的相邻它激式伸缩片2的驱动相位相同。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。 

具体实施方式六：参见图7、图8进行说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于螺母基体1的外圆面上只设置有一个用于固定用的法兰盘3；所述法兰盘3具体设置在螺母基体1的中间部位；每个平面1-1上在设置有多个它激式伸缩片2时，这个面上的所有它激式伸缩片2都沿螺母基体1的轴线方向排列；所有它激式伸缩片2的伸缩方向与螺母基体1的轴线平行；同一圆周上的所有它激式伸缩片2可单独或成组驱动，在成组驱动时其驱动相位相同，每个平面1-1上的相邻它激式伸缩片2的驱动相位差180度，所述法兰盘3两侧驱动它激式伸缩片2的个数相等、相对位置相对称和驱动相位都对称相同。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。 

具体实施方式七：参见图9、图10进行说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于螺母基体1的外圆面上只设置有一个用于固定用的法兰盘3；所述法兰盘3具体设置在螺母基体1的中间部位；所有它激式伸缩片2都沿螺母基体1的轴线方向排列；所有它激式伸缩片2的伸缩方向与螺母基体1的轴线之间有夹角a，且同一列队中的相邻它激式伸缩片2以夹角a为正角度、负角度的方位形式间隔排列；还要使法兰盘3两侧所共同驱动的它激式伸缩片2的个数相等、相对位置反向对称和驱动相位都对称相同；同一圆周上的所有它激式伸缩片2可单独或成组驱动，在成组驱动时其驱动相位都相同，每个平面1-1上的相邻它激式伸缩片2的驱动相位相同。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。 

具体实施方式八：参见图5、图6、图11、图12进行说明，本实施方式是在具体实施方式五的基础上它的螺母基体1的外圆面上增加有多条应力变形结构4，多条应力变形结构4设置在螺母基体1绕圆周方向上，所述应力变形结构4为一条深槽4-1或一列小孔4-2；所述多条应力变形结构4设置在所有平面1-1与螺母基体1的右侧端的端面之间，多条应力变形结构4均沿螺母基体1的外圆面螺旋线设置。其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。 

具体实施方式九：参见图7、图8、图13、图14进行说明，本实施方式是在具体实施方式六的基础上它的螺母基体1的外圆面上增加有多条应力变形结构4；多条应力变形结构4设置在螺母基体1绕圆周方向上，所述应力变形结构4为一条深槽4-1或一列小孔4-2；其中一半数量的多条应力变形结构4设置在平面1-1与螺母基体1的右侧端面之间，其中另一半数量的多条应力变形结构4设置在平面1-1与螺母基体1的左侧端面之间；多条应力变形结构4均沿螺母基体1的外圆面螺旋线设置。其它组成和连接关系与具体实施方式六相同。 

具体实施方式十：参见图15、图16进行说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于螺母基体1的外圆面上设置有两个用于固定用的法兰盘3；在螺母基体1的外圆面上，绕圆周方向设置有多个平面1-1；每个平面1-1上都只设置有一片它激式伸缩片2，并使每片它激式伸缩片2的一个平面都与平面1-1连接，所述它激式伸缩片2的伸缩方向与螺母基体1的轴线平行；两个法兰盘3的位置分别在每个它激式伸缩片2伸缩方向的两端附近；所述它激式伸缩片2的它激频率在超声波频段内；多片它激式伸缩片2的它激驱动方式为行波激振工作模式或驻波激振工作模式；所述行波激振工作模式为每两个相对平面1-1上的它激式伸缩片2的驱动相位差180度，每两个相对平面1-1上的它激式伸缩片2以圆周相邻依次驱动，圆周相邻平面1-1上的它激式伸缩片2的驱动相位差90度；所述驻波激振工作模式为每个或几个它激式伸缩片2可单独或成组驱动，每个或每组它激式伸缩片2的驱动相位差可为0度。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。 

工作原理：具有低摩擦特性的贴片式超声波丝杠主要是通过它激式伸缩片激励螺母处于高频率（频率一般大于1000 Hz）的微幅振动状态，利用高频振动所产生的减摩效应降低螺母与螺杆间的摩擦系数，进而达到降低二者之间的摩擦阻力的效果。由超声频率内（频率一般大于13 kHz）的微幅振动所导致的超声减摩效应是高频振动的减摩效应中的一种，主要是指在两个运动副处于摩擦状态时，通过超声振动的施加使得其中一个或两个接触表面处于超声振动状态而导致接触面间摩擦系数减小的现象，目前这一现象已经被大量的实验研究所证实，本实用新型主要利用高频振动产生的减摩效应这一原理进行工作。

Claims (10)

1.一种具有低摩擦特性的贴片式超声波丝杠，其特征在于它是由螺母基体（1）、多片它激式伸缩片（2）、螺杆（1-3）组成；

螺母基体（1）的外圆面上设置有用于固定用的一个或多个法兰盘（3）；螺母基体（1）的内圆面上设置有内螺纹（1-2），螺母基体（1）的内螺纹（1-2）中旋转连接有螺杆（1-3），内螺纹（1-2）的螺纹升角小于内螺纹（1-2）与螺杆（1-3）连接螺纹副间的当量摩擦角；在螺母基体（1）的外圆面上，绕圆周方向设置有多个平面（1-1）；每个平面（1-1）上都设置有一片或多片它激式伸缩片（2），并使每片它激式伸缩片（2）的一个平面都与平面（1-1）连接，所述它激式伸缩片（2）的伸缩方向与螺母基体（1）的轴线平行或有夹角a，其夹角a的绝对值小于90度；所述它激式伸缩片（2）的它激频率在超声波频段内。

2.根据权利要求1所述的一种具有低摩擦特性的贴片式超声波丝杠母，其特征在于螺母基体（1）的外圆面上只设置有一个用于固定用的法兰盘（3）；所述法兰盘（3）具体设置在螺母基体（1）的左侧端头部，所述平面（1-1）为两两相对；每个平面（1-1）上都只设置有一片它激式伸缩片（2）；所有它激式伸缩片（2）的伸缩方向与螺母基体（1）的轴线平行；多片它激式伸缩片（2）的它激驱动方式为行波激振工作模式或驻波激振工作模式；所述行波激振工作模式为每两个相对平面（1-1）上的它激式伸缩片（2）的驱动相位差180度，每两个相对平面（1-1）上的它激式伸缩片（2）以圆周相邻依次驱动，圆周相邻平面（1-1）上的它激式伸缩片（2）的驱动相位差90度；所述驻波激振工作模式为每个或几个它激式伸缩片（2）可单独或成组驱动，每个或每组它激式伸缩片（2）的驱动相位差可为0度。

3.根据权利要求1所述的一种具有低摩擦特性的贴片式超声波丝杠母，其特征在于螺母基体（1）的外圆面上只设置有一个用于固定用的法兰盘（3）；所述法兰盘（3）具体设置在螺母基体（1）的左侧端头部，所述平面（1-1）的总个数为≤4，并两两相对；每个平面（1-1）上在设置有多个它激式伸缩片（2）时，这个面上的所有它激式伸缩片（2）都沿螺母基体（1）的轴线方向排列；所有它激式伸缩片（2）的伸缩方向与螺母基体（1）的轴线平行；多片它激式伸缩片（2）的它激驱动方式为行波激振工作模式或驻波激振工作模式；所述行波激振工作模式为每两个相对平面（1-1）上的它激式伸缩片（2）的驱动相位差180度，每个平面（1-1）上的相邻它激式伸缩片（2）的驱动相位差180度，每两个相对平面（1-1）上的它激式伸缩片（2）以圆周相邻依次驱动，圆周相邻平面（1-1）上的它激式伸缩片（2）的驱动相位差90度；所述驻波激振工作模式为每个或几个它激式伸缩片（2）可单独或成组驱动，每个或每组它激式伸缩片（2）的驱动相位差可为0度。

4.根据权利要求1所述的一种具有低摩擦特性的贴片式超声波丝杠母，其特征在于螺母基体（1）的外圆面上只设置有一个用于固定用的法兰盘（3）；所述法兰盘（3）具体设置在螺母基体（1）的左侧端头部，每个平面（1-1）上在设置有多个它激式伸缩片（2）时，这个面上的所有它激式伸缩片（2）都沿螺母基体（1）的轴线方向排列；所有它激式伸缩片（2）的伸缩方向与螺母基体（1）的轴线平行；同一圆周上的所有它激式伸缩片（2）可单独或成组驱动，在成组驱动时其驱动相位相同，每个平面（1-1）上的相邻它激式伸缩片（2）的驱动相位差180度。

5.根据权利要求1所述的一种具有低摩擦特性的贴片式超声波丝杠母，其特征在于螺母基体（1）的外圆面上只设置有一个用于固定用的法兰盘（3）；所述法兰盘（3）具体设置在螺母基体（1）的左侧端头部，每个平面（1-1）上在设置有多个它激式伸缩片（2）时，这个面上的所有它激式伸缩片（2）都沿螺母基体（1）的轴线方向排列；所有它激式伸缩片（2）的伸缩方向与螺母基体（1）的轴线之间有夹角a，且同一列队中的相邻它激式伸缩片（2）以夹角a为正角度、负角度的方位形式间隔排列；同一圆周上的所有它激式伸缩片（2）可单独或成组驱动，在成组驱动时其驱动相位都相同，每个平面（1-1）上的相邻它激式伸缩片（2）的驱动相位相同。

6.根据权利要求1所述的一种具有低摩擦特性的贴片式超声波丝杠母，其特征在于螺母基体（1）的外圆面上只设置有一个用于固定用的法兰盘（3）；所述法兰盘（3）具体设置在螺母基体（1）的中间部位；每个平面（1-1）上在设置有多个它激式伸缩片（2）时，这个面上的所有它激式伸缩片（2）都沿螺母基体（1）的轴线方向排列；所有它激式伸缩片（2）的伸缩方向与螺母基体（1）的轴线平行；同一圆周上的所有它激式伸缩片（2）可单独或成组驱动，在成组驱动时其驱动相位相同，每个平面（1-1）上的相邻它激式伸缩片（2）的驱动相位差180度，所述法兰盘（3）两侧驱动它激式伸缩片（2）的个数相等、相对位置相对称和驱动相位都对称相同。

7.根据权利要求1所述的一种具有低摩擦特性的贴片式超声波丝杠母，其特征在于螺母基体（1）的外圆面上只设置有一个用于固定用的法兰盘（3）；所述法兰盘（3）具体设置在螺母基体（1）的中间部位；所有它激式伸缩片（2）都沿螺母基体（1）的轴线方向排列；所有它激式伸缩片（2）的伸缩方向与螺母基体（1）的轴线之间有夹角a，且同一列队中的相邻它激式伸缩片（2）以夹角a为正角度、负角度的方位形式间隔排列；还要使法兰盘（3）两侧所共同驱动的它激式伸缩片（2）的个数相等、相对位置反向对称和驱动相位都对称相同；同一圆周上的所有它激式伸缩片（2）可单独或成组驱动，在成组驱动时其驱动相位都相同，每个平面（1-1）上的相邻它激式伸缩片（2）的驱动相位相同。

8.根据权利要求5所述的一种具有低摩擦特性的贴片式超声波丝杠母，其特征在于它的螺母基体（1）的外圆面上增加有多条应力变形结构（4），多条应力变形结构（4）设置在螺母基体（1）绕圆周方向上，所述应力变形结构（4）为一条深槽（4-1）或一列小孔（4-2）；所述多条应力变形结构（4）设置在所有平面（1-1）与螺母基体（1）的右侧端的端面之间，多条应力变形结构（4）均沿螺母基体（1）的外圆面螺旋线设置。

9.根据权利要求6所述的一种具有低摩擦特性的贴片式超声波丝杠母，其特征在于它的螺母基体（1）的外圆面上增加有多条应力变形结构（4）；多条应力变形结构（4）设置在螺母基体（1）绕圆周方向上，所述应力变形结构（4）为一条深槽（4-1）或一列小孔（4-2）；其中一半数量的多条应力变形结构（4）设置在平面（1-1）与螺母基体（1）的右侧端面之间，其中另一半数量的多条应力变形结构（4）设置在平面（1-1）与螺母基体（1）的左侧端面之间；多条应力变形结构（4）均沿螺母基体（1）的外圆面螺旋线设置。

10.根据权利要求1所述的一种具有低摩擦特性的贴片式超声波丝杠母，其特征在于螺母基体（1）的外圆面上设置有两个用于固定用的法兰盘（3）；在螺母基体（1）的外圆面上，绕圆周方向设置有多个平面（1-1）；每个平面（1-1）上都只设置有一片它激式伸缩片（2），并使每片它激式伸缩片（2）的一个平面都与平面（1-1）连接，所述它激式伸缩片（2）的伸缩方向与螺母基体（1）的轴线平行；两个法兰盘（3）的位置分别在每个它激式伸缩片（2）伸缩方向的两端附近；所述它激式伸缩片（2）的它激频率在超声波频段内；多片它激式伸缩片（2）的它激驱动方式为行波激振工作模式或驻波激振工作模式；所述行波激振工作模式为每两个相对平面（1-1）上的它激式伸缩片（2）的驱动相位差180度，每两个相对平面（1-1）上的它激式伸缩片（2）以圆周相邻依次驱动，圆周相邻平面（1-1）上的它激式伸缩片（2）的驱动相位差90度；所述驻波激振工作模式为每个或几个它激式伸缩片（2）可单独或成组驱动，每个或每组它激式伸缩片（2）的驱动相位差可为0度。

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