[发明专利]位移转换机构和致动器

说明书

技术领域

本发明涉及位移转换机构，并且具体地涉及旋转到平动位移的转换以及使用这种机构的致动器。

背景技术

用于使被驱动元件产生机械位移的致动器在各种各样的工业应用中被广泛使用。这些应用包括机械控制机构，包括阀和连接件、机器人、修复术、摄像光学器件、泵、制动器和电动工具等一些例子。所需的位移可以是旋转的、线性的或其他的平移并且可以是短行程或长行程的位移。位移可以是具有单独的返回机构例如弹簧的单向位移或者是包括往复运动的双向位移。用于特定应用的致动器的选择经常取决于使用的致动器所处的环境。

用于使被驱动对象产生线性位移或其他平动位移的多种形式的致动器是现有技术中公知的。这些致动器包括直接操作的气动和液压活塞装置以及最近发展起来的被称为“气动肌肉”的设备，其中气囊的充气造成外金属套以类似于活动肌肉收缩的方式收缩。其他形式的线性致动器有电磁式的例如螺线管和音圈电机。这些设备具有的伸展能力有限。

电机例如步进电机或伺服电机也是用于致动器设备的很方便的驱动器，但是要产生线性位移，它们的旋转输出必须通过适当的转换机构被转化为线性动作。很多这样的机构例如齿条和齿轮传动机构和导螺杆都已经被用于该用途。在后一种情况下，短螺纹的螺母被沿着由电机转动的长螺纹轴杆平移并且被连接至要被驱动的元件例如印刷头。通过适当地选择螺距或使用附加齿轮，就能够增加这种类型的机构的机械效益以针对少量旋转产生相对较大的伸展。

由复位弹簧偏置的凸轮轴和从动件也被广泛使用，特别是在常规的发动机中使用，用于产生往复的线性移动，而类似的凸轮从动件和弹簧装置也被用于电动工具中以由常规的电机驱动轴产生往复动作。

但是，对于简单的旋转到平移动作的转换机构仍有改进空间，使其能够产生用于有限旋转角度的大伸展并且对于容忍不利环境有足够的鲁棒性。本发明提供了这样的机构。

用于通过互补形状的盘状楔块或凸轮来产生所需静态线性位移的可调节垫片或衬套装置也是现有技术中公知的。这样的装置在美国专利(J.C.Morris)“可调节的延伸凸轮垫片”和英国公开的专利申请2331568(A.Szmidla)“楔块及其设置”中进行了介绍。

发明内容

根据本发明的第一种应用，提供了一种位移转换机构，包括两个嵌套螺旋弹簧的组件，在它们相对的表面上具有凸轮装置，凸轮装置被设置为作用在螺旋弹簧的线匝上以将螺旋弹簧相对于彼此的旋转位移与跟线圈组件的长度变化有关的平动位移相联系。

尽管本发明机构的预期用途是将有限的角度旋转输入转换为平移例如线性位移，但是在理论上也可以反过来操作该机构以使得平动的输入位移产生有限的角度旋转位移输出。

但是，在本发明的优选形式中，螺旋弹簧被驱动的相对旋转位移促使凸轮装置接合并改变螺旋弹簧线匝的间距，由此改变组件的长度并产生相关的平动位移。

该机构具有明显的机械效益，因为由单次增量旋转产生的平动位移并不仅仅是单个凸轮的平移动作而是所有凸轮位移的累积总和。换句话说，实际效果要乘以线圈的匝数并使得弹簧组件能够在长度上翻倍。

优选的机构使用拉簧以使组件长度被拉长，但是同样可以使用压缩弹簧以使组件长度可以随着弹簧的相对旋转而收缩。

弹簧线圈由整体原料成形是优选的，线圈的线匝被按段成形以提供凸轮装置。基本分段为了更大的强度可以是圆形或方形的，并且可以通过任意合适的方法例如压制而被成形为一定的轮廓形状。根据负载和应用，金属和塑料材料都可以被用于构成弹簧。弹簧钢是合适的金属材料，碳化钨也是。聚酰胺例如尼龙是合适的塑料材料。

优选的凸轮装置包括在至少一个弹簧的线匝表面上的斜凸轮表面。这样的斜凸轮表面理想地被应用在两个线圈的相对部分上并且在相应的线圈上斜率相反。但是，可选地，也可以在其中一个线匝上使用简单的凸轮从动件例如螺栓。为了使位移最大化，斜凸轮表面延伸在线匝表面的整个高度上。

还是优选地，特别是如果需要进行比例控制，那么一个或多个凸轮表面的斜率是一致的。但是，应该意识到也可以使用弧形或其他的非线性凸轮表面。

优选一致斜率的凸轮表面优选地通过在线匝的一面上凸出成形的三角形齿的边缘设置，但是也可以被设置为成形的隆起或凸缘。

为了分散负载并且也是为了增加机械效益，在线圈的每一匝上都可以设置若干个齿或斜凸轮表面。每个线圈线匝的齿数在此范围内确定了凸轮面的斜角，由此根据每一次旋转角的伸展百分比来确定机构的机械效益。如果凸轮表面也延伸在线匝的整个高度上，那么线圈的部分旋转就能够形成组件的完全伸展。