бесконтактная магнитная дифференциальная передача

Формула изобретения

1. Бесконтактная магнитная передача, содержащая винт и гайку, участки резьбы которых выполнены из ферромагнитного материала, канавки резьбы винта и гайки заполнены твердым немагнитным материалом, в гайке выполнен подводящий канал, предназначенный для подачи сжатой текучей среды от внешнего источника в радиальный зазор, образованный первыми аэростатическими подшипниками, отличающаяся тем, что передача снабжена размещенной между гайкой и винтом дифференциальной гайкой с резьбами различного шага, на наружной поверхности дифференциальной гайки - для взаимодействия с гайкой и на внутренней поверхности дифференциальной гайки - для взаимодействия с винтом, канавки резьбы дифференциальной гайки заполнены твердым немагнитным материалом, а участки резьбы дифференциальной гайки выполнены из ферромагнитного материала на внутренней и внешней поверхностях разрывными винтовыми линиями на магнитопроводах, обращенных друг к другу торцами с расположенным между ними соосно кольцевым постоянным магнитом с осью намагниченности вдоль оси винта, вторыми аэростатическими подшипниками, установленными в выточках магнитопроводов внутри дифференциальной гайки на ее краях и создающими радиальный зазор между винтом и дифференциальной гайкой, сквозным перепускным каналом в теле дифференциальной гайки, предназначенным для подачи сжатой текучей среды из зазора между гайкой и дифференциальной гайкой в радиальный зазор между винтом и дифференциальной гайкой.

2. Бесконтактная магнитная передача по п.1, отличающаяся тем, что гайка, дифференциальная гайка и винт по отдельности в любых сочетаниях или вместе могут быть выполнены из разных материалов в виде коаксиальных частей, жестко соединенных между собой и образующих детали передачи.

3. Бесконтактная магнитная передача по п.1, отличающаяся тем, что винт выполнен полым, передача снабжена установленным внутри полого винта вторым винтом с резьбой, противоположной по направлению резьбе полого винта, гайкой-балансиром, свободно перемещающейся внутри полого винта по резьбе второго винта, причем пары "гайка-балансир и гайка", "полый винт и второй винт" установлены с возможностью только совместного вращения.

4. Бесконтактная магнитная передача по п.1, отличающаяся тем, что дифференциальная гайка снабжена более чем одним постоянным магнитом с осями намагниченности вдоль оси винта и полюсами намагниченности, направленными встречно, разделенными соосными магнитопроводами и жестко закрепленными между собой с участками резьбы, образующими винтовые линии на внешней и внутренней поверхностях дифференциальной гайки.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к прецизионному машиностроению и может быть использовано при создании сверхточного линейного привода, применяемого в станкостроении, метрологии, оптике и электронной промышленности, как элемент устройств с преобразованием сверхмалых линейных перемещений во вращательные или наоборот.

Уровень техники

Известно дифференциальное отсчетное устройство Гончаренко Н.Н. (RU 20225622, МПК F 16 H 25/20, опубл. 1994), содержащее корпус со шкалой, дифференциальный винт с разнонаправленными резьбами и установленным на нем цилиндрическим барабаном и каретку, установленную на дифференциальном винте. Устройство отличается тем, что, с целью расширения диапазона чувствительности, оно снабжено полым винтом с разнонаправленными резьбами на наружной и внутренней поверхностях соответственно, причем резьба на наружной поверхности предназначена для взаимодействия с корпусом, а резьба на внутренней поверхности - для взаимодействия с дифференциальным винтом, и средствами периодической фиксации полого винта относительно корпуса и дифференциального винта соответственно.

Это устройство предназначено только для измерительных целей и не позволяет использовать его в приводах, так как требует попеременной фиксации элементов устройства.

Известна также бесконтактная магнитная винтовая передача (RU 2183773, МПК F 16 Н 25/24, опубл. 2002, вариант 1 по пункту 1 формулы изобретения), содержащая винт и гайку, взаимодействующие друг с другом через радиальный зазор. В гайке установлены постоянный магнит и полюсные наконечники с резьбой. На винте и полюсных наконечниках выполнена мелкомодульная резьба, канавки которой заполнены твердым немагнитным материалом заподлицо с вершинами гребней резьбы. В передачу введены два магнитопровода в виде соосных колец. Постоянный магнит выполнен в виде кольца, намагниченного вдоль оси гайки, и установлен между обращенными друг к другу торцами магнитопроводов. Полюсные наконечники выполнены в виде втулок, каждая из которых жестко соединена с внутренней поверхностью соответствующего магнитопровода. Каждый аэростатический подшипник установлен в выточках магнитопровода, примыкает к торцу соответствующего полюсного наконечника и соединен с подводящим каналом, который образован отверстием, выполненным в магнитопроводе. Винт и гайка взаимодействуют между собой через радиальный зазор, в который через аэростатические дроссельные узлы, установленные на краях гайки, по подводящим выполненным в гайке каналам подается сжатая текучая среда от внешнего источника.

Однако эта винтовая передача имеет недостаточную точность, ограничивающуюся точностью поворота винта, и скорость передачи, ограниченную шагом резьбы. Конструкция не обеспечивает обратное преобразование перемещений линейно перемещающейся компоненты передачи во вращательное движение другой компоненты передачи без остановки основного движения, то есть имеет место или перемещение, как основная функция устройства, или преобразование перемещений.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является передача (SU 1219850, МПК F 16 Н 25/24, опубл. 1986), которая содержит винт и гайку, взаимодействующие друг с другом через воздушный радиальный зазор. Винт снабжен радиальным и радиальноопорным аэростатическими подшипниками. В гайке установлены постоянный магнит и полюсные наконечники с резьбой. Канавки резьбы винта и гайки заполнены немагнитным материалом. Винт и гайка имеют участки резьбы, выполненные из ферромагнитного материала. В гайке или винте выполнены радиальные отверстия для подачи сжатой текучей среды к зазору между винтом и гайкой. Возможны иные конструктивные оформления - размещение постоянных магнитов и отверстий для подачи сжатого газа в зазор, именно: магниты и отверстия - в гайке; магниты и отверстия - в винте; магниты - в винте, отверстия - в гайке; магниты - в гайке, отверстия - в винте.

Однако известная магнитная винтовая передача имеет недостаточную кинематическую точность и жесткость передачи, технологически сложное конструктивное выполнение и большие габаритные размеры.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения - создание бесконтактной магнитной дифференциальной передачи (МДП) с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Технический результат - повышение точности и скорости передачи при малых габаритных размерах. Кроме того, обеспечивается возможность обратного преобразования перемещений линейно перемещающихся компонент передачи во вращательное движение другой компоненты передачи с измерением отклонений в перемещениях в процессе работы устройства.

Это достигается тем, что бесконтактная магнитная передача, содержащая винт и гайку, участки резьбы которых выполнены из ферромагнитного материала, канавки резьбы винта и гайки заполнены твердым немагнитным материалом, в гайке выполнен подводящий канал, предназначенный для подачи сжатой текучей среды от внешнего источника в радиальный зазор, образованный первыми аэростатическими подшипниками, в отличие от известной, снабжена размещенной между гайкой и винтом дифференциальной гайкой с резьбами различного шага на наружной и внутренней поверхностях соответственно. Резьба на наружной поверхности предназначена для взаимодействия с гайкой, а резьба на внутренней поверхности - для взаимодействия с винтом. Канавки резьбы дифференциальной гайки заполнены твердым немагнитным материалом. Участки резьбы выполнены из ферромагнитного материала на внутренней и внешней поверхностях разрывными винтовыми линиями на магнитопроводах, обращенных друг к другу торцами с расположенным между ними соосно кольцевым постоянным магнитом с осью намагниченности вдоль оси винта. Передача снабжена также вторыми аэростатическими подшипниками, установленными в выточках магнитопроводов внутри дифференциальной гайки на ее краях и создающими радиальный зазор между винтом и дифференциальной гайкой, сквозным перепускным каналом в теле дифференциальной гайки, предназначенным для подачи сжатой текучей среды из зазора между гайкой и дифференциальной гайкой в радиальный зазор между винтом и дифференциальной гайкой.

С целью экономии материала и повышения технологичности гайка, дифференциальная гайка и винт по отдельности в любых сочетаниях или вместе могут быть выполнены из разных материалов в виде коаксиальных частей, жестко соединенных между собой и образующих детали передачи.

Для осуществления динамической балансировки передачи винт может быть выполнен полым, передача может быть снабжена установленным внутри полого винта вторым винтом с резьбой, противоположной по направлению резьбе полого винта, гайкой-балансиром, свободно перемещающейся внутри полого винта по резьбе второго винта, причем пары "гайка-балансир и гайка", "полый винт и второй винт" установлены с возможностью только совместного вращения.

С целью повышения осевой жесткости передачи дифференциальная гайка может быть снабжена более чем одним постоянным магнитом с осями намагниченности вдоль оси винта и полюсами намагниченности, направленными встречно, разделенными соосными магнитопроводами и жестко закрепленными между собой с участками резьбы, образующими винтовые линии на внешней и внутренней поверхностях дифференциальной гайки.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематично в аксонометрической проекции изображена бесконтактная магнитная дифференциальная передача, на фиг.2-3 - вариант ее конструктивного исполнения в аксонометрии и в сечении вдоль оси вращения.

Осуществление изобретения

Передача содержит винт 1, промежуточную дифференциальную гайку 2 с резьбами различного шага на наружной и внутренней поверхностях соответственно и внешнюю гайку 3. Винт 1 и обе гайки снабжены полюсными наконечниками с резьбами 4, 5, 6, 7, соответственно на наружных поверхностях винта и дифференциальной гайки 2, внутренней поверхности дифференциальной гайки 2, внутренней поверхности гайки 3, постоянным магнитом 8, выполненным в виде кольца с направлением намагничивания вдоль оси гайки. Гребни резьб винта, дифференциальной и внешней гаек выполнены из ферромагнитного материала разрывными винтовыми линиями, а канавки резьб заполнены твердым немагнитным материалом. Винт 1 и дифференциальная гайка 2 взаимодействуют между собой через радиальный зазор, образованный аэростатическими подшипниками 9. Дифференциальная гайка 2 взаимодействует с гайкой 3 через радиальный зазор, образованный аэростатическими подшипниками 10, установленными с двух сторон по краям гайки 3. Сжатая текучая среда подается на подшипники 10 от внешнего источника через подводящий канал 11 в гайке 3, а затем из кольцевого зазора между гайкой 3 и дифференциальной гайкой 2 по радиальному зазору между винтом 1 и дифференциальной гайкой 2 перепускается через выполненные в ее теле сквозные отверстия 12 (перепускные каналы) на подшипники 9. Постоянный магнит 8 установлен между двумя магнитопроводами 13, выполненными в виде соосных колец. В выточках магнитопроводов 13, выполненных с внутренней стороны по краям дифференциальной гайки 2, установлены аэростатические подшипники 9. На винте 1 и внутренней поверхности магнитопроводов 13 дифференциальной гайки 2 выполнены резьбы 4 и 6 с шагом К1, канавки которой заполнены твердым немагнитным материалом заподлицо с вершинами гребней резьбы. Аналогичные резьбы 5 и 7, но с шагом К2 выполнены на наружной поверхности магнитопроводов 13 и внутри гайки 3 соответственно. Магнитопроводы 13 обращены друг к другу торцами. Кольцевые зазоры 14 и 15, соответственно между внутренней и наружной цилиндрическими поверхностями постоянного магнита 8, соединенные между собой перепускными каналами 12, выравнивают давление сжатой текучей среды для подачи в аэростатические подшипники 9 и 10. В качестве аэростатических подшипников могут использоваться дроссельные элементы в виде колец из пористого материала, жиклеры, калиброванные щелевые отверстия.

Дифференциальная гайка, внешняя гайка и винт по отдельности в любых сочетаниях или вместе могут быть выполнены из разных материалов в виде коаксиальных частей (фиг.2 и 3), жестко соединенных между собой и образующих детали передачи.

Винт 1 может быть выполнен полым (фиг.2 и 3), передача может быть снабжена установленным внутри полого винта вторым винтом 16 с резьбой, противоположной по направлению резьбе полого винта, гайкой-балансиром 17, свободно перемещающейся внутри полого винта по резьбе второго винта, причем пары "гайка-балансир и гайка", "полый винт и второй винт" установлены с возможностью только совместного вращения.

Для повышения кинематической осевой жесткости передачи дифференциальная гайка может быть снабжена более чем одним постоянным магнитом 8 с осями намагниченности вдоль оси винта и полюсами намагниченности, направленными встречно, разделенными соосными магнитопроводами 13 (на фиг.2 изображен вариант с тремя магнитами и соответственно четырьмя магнитопроводами) и жестко закрепленными между собой, с участками резьбы, образующими винтовые линии на внешней и внутренней поверхностях дифференциальной гайки.

Принцип работы МДП поясняется фиг.1 с воображаемой полярной системой координат, ось Z, которой совпадает с осью винта 1, а угол А есть поворот вокруг оси Z компонентов МДП. Угол А1 поворота винта 1 смещает дифференциальную гайку 2 на расстояние Z2. Поворот дифференциальной гайки 2 на угол А2 смещает гайку 3 на расстояние Z3. Относительный поворот гайки 2 относительно винта 1 составляет (А1-А2).

Так как шаг внутренней резьбы дифференциальной гайки равен К1, а внешней К2, то

Перемещение гайки 3 складывается из собственного смещения и смещения промежуточной дифференциальной гайки, то есть:

Z=Z2+Z3.

Подставляя (1) и преобразуя, получаем выражение перемещения гайки:

Z=A1·K1-A2·(K1-K2),

то есть реализацию разностного (дифференциального) принципа движения. При вращении винта 1 и дифференциальной гайки 2 в одном направлении смещения гаек являются встречными и обеспечиваются минимальные скорости перемещения внешней гайки 3. При вращении в разных направлениях смещения гаек происходят в одном направлении и скорость - максимальная. Высокие кинематические точности передачи обеспечиваются за счет усреднения локальных погрешностей резьбовых пар в магнитном зазоре по длине магнитного зацепления винтовых линий. Остаточная погрешность изготовления передачи по длине винта 1 и резьбы пары "гайка 3 - дифференциальная гайка 2" может быть учтена как индивидуальная постоянная функция конкретно изготовленного экземпляра МДП. При смещении гайки 3 на величину Z3 дифференциальная гайка отработает это смещение собственным разворотом:

A2=Z/(K1-K2),

который при близких значениях по шагу резьбы К1 и К2 обеспечивает очень высокий коэффициент преобразования. Шаг винта 1 выбирается из требуемых скоростных характеристик, шаг гайки 3 - из точностных. Вращение дифференциальной гайки 2 целесообразно осуществлять полностью бесконтактным способом, например магнитным шаговым двигателем, якорь которого размещен на дифференциальной гайке с требуемым числом зубцов, а статор установлен на внешней гайке 3 соосно с ней.

Таким образом, обеспечено получение технического результата - повышена точность и скорость передачи при малых габаритных размерах. Кроме того, конструкция обеспечивает возможность обратного преобразования перемещений линейно перемещающихся компонент передачи (с измерением отклонений в перемещениях в процессе работы устройства) во вращательное движение другой компоненты передачи. Преобразование движения позволяет создавать измерительные системы и механизмы с тактильными свойствами для контроля усилий касания перемещаемого компонента.

В частных конструктивных вариантах исполнения передачи осуществляется ее динамическая балансировка, экономия материала, повышается технологичность ее изготовления и осевая жесткость.