本發明涉及一種軌道自適應運動小車調整裝置及其使用方法，具體涉及一種大行程的直線或圓弧滑軌且采用齒輪齒條傳動的傳動系統，屬于運動控制領域。

背景技術：

齒輪齒條傳動由于其傳遞動力大、工作平穩、壽命長、可靠性高等優點，一直被廣泛的應用在運動控制領域，但齒輪齒條傳動過程中齒側間隙很難保持恒定，其安裝精度要求較高，整體的結構剛性要求較高，在一定程度上限制了其進一步的應用，尤其是當傳動距離增大時或者直線齒條與圓弧齒條相互拼接時，很難保證直線齒條的直線度以及圓弧齒條的圓弧度；另外，當運行在上述軌道上時，運動機構的設計也顯得尤為重要，倘若考慮不周到，很可能造成設備運動過程中卡住或發生脫軌等問題。

如今調節齒輪齒條的齒側間隙和改善傳動精度常用的方法有增加調整墊片和雙薄片齒輪錯齒調整法。增加調整墊片相對比較靈活，在齒輪端調整比較方便，但對于長距離的齒條來說，想要保證其安裝精度是幾乎不可能的；雙薄片齒輪錯齒調整法是通過彈簧的拉力來消除齒側間隙的，其傳遞轉矩要受到彈簧拉力的限制，該方法不適用于傳動負載較大的場合。對于運動機構，目前最常用的是設計特定的轉向機構，通過控制該轉向機構來達到適應軌道變化的目的，該方法結構比較復雜，成本較高。

以上限制條件和改善方法均是運動控制領域面臨的嚴重問題，要想在長距離的或龐大的結構下采用齒輪齒條傳動，必須發明一種簡單可行的機構，使其能夠改善傳動方式，更好地適應多種工作狀況，降低成本，提高傳動效率。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種軌道自適應運動小車調整裝置及其使用方法，解決了運動控制過程中運動機構出現卡住、齒輪齒條傳動出現脫齒或啃齒使得中心距不能保持基本恒定的問題，

本發明提供了一種軌道自適應運動小車調整裝置，包括運動軌道、移動小車和控制裝置；

所述運動軌道包括底板、內軌道、外軌道和齒條，底板通過地腳螺栓固定在地面上，內軌道設置在底板的內側，外軌道設置在底板的外側，齒條位于底板上，固定在底板的中部；

所述移動小車包括移動平板、隨動板和傳動裝置，傳動裝置包括主動齒輪、主動齒輪傳動軸、從動齒輪、從動齒輪傳動軸、第一導向輪、第一導向輪導向軸、第一滾動輪、第二滾動輪、第三滾動輪、第二導向輪、第二導向輪導向軸、第三導向輪、第三導向輪導向軸；所述隨動板為三角形板，在隨動板的三個角上分別設有主動齒輪、從動齒輪和第一導向輪，主動齒輪位于主動齒輪傳動軸上，從動齒輪為雙聯齒輪，主動齒輪與從動齒輪的上部齒嚙合，從動齒輪的下部齒與齒條嚙合；隨動板在移動平板的下方，與移動平板無配合關系，其通過軸承與主動齒輪傳動軸配合；整個隨動板能繞主動齒輪傳動軸做小角度的擺動，用于調整齒輪齒條的嚙合間隙，保證齒輪齒條的中心距基本恒定；第一滾動輪通過y形連接件和連接塊與移動平板連接，y形連接件與連接塊之間安裝有彈簧，運動過程中第一滾動輪處是浮動的，自適應軌道的變化，避免了小車由直線段進入圓弧段或在圓弧段運行時卡住的現象；第二滾動輪、第三滾動輪是以外軌道為基準安裝的，第二導向輪和第三導向輪分別與各自的滾動輪平行，且四個輪將外軌道抱死，距離不變；所述的第一、第二、第三滾動輪由兩個圓錐臺對接而成；

所述控制裝置包括電機和減速器；減速器連接主動齒輪傳動軸，減速器通過該傳動軸將動力傳給主動齒輪，齒輪齒條嚙合將電機的旋轉運動轉換為沿齒條的直線或圓弧運動。

上述裝置中，電機通過內六角螺釘與減速器連接，電機和減速器下設有墊板，墊板通過螺栓固定在移動平板上；電機為整個裝置的動力源，減速器用于降低電機的轉速，同時提高輸出轉矩。

上述裝置中，所述主動齒輪、從動齒輪和第一導向輪分別通過主動齒輪傳動軸、從動齒輪傳動軸和第一導向輪導向軸連接隨動板，且主動齒輪、從動齒輪和第一導向輪位于隨動板的同一側。

上述裝置中，所述的底板為直線段和圓弧段拼接而成，直線段長度為2m，圓弧段組成的半圓半徑為3.22m；所述的內軌道、外軌道和齒條也都是由直線段和圓弧段拼接而成；拼接而成的軌道接縫處會有間隙，在接縫處墊上墊片，保證軌道的平整。

上述裝置中，為了適應軌道的變化，所述的第一、第二、第三滾動輪的形狀與沙漏類似，所述的第二滾動輪、第三滾動輪是以外軌道為基準安裝，第二導向輪和第三導向輪分別與各自的滾動輪平行，且四個輪將外軌道抱死，使其距離不變；內側滾動輪通過y形連接件和連接塊與移動平板連接，y形連接件與連接塊之間安裝有彈簧，故運動過程中內側滾動輪處是浮動的，通過彈簧的彈性變形可自適應軌道的變化，避免了小車由直線段進入圓弧段或在圓弧段運行時卡住的現象。

上述裝置中，主動齒輪傳動軸較長，其上部通過聯軸器、平鍵與減速器相連，下部通過平鍵與主動齒輪相連，中間與隨動板配合部分為軸承支撐；整個隨動板能繞主傳動軸做小角度的擺動，當齒輪齒條間隙增大時，傳動機構能夠左右擺動，確保齒輪齒條的緊密嚙合，使傳動平穩。

上述裝置中，所述的主動齒輪、從動齒輪和第一導向輪的位置關系為：第一導向輪與齒條的背面貼合，從動齒輪的上部齒輪與主動齒輪嚙合，下部齒輪與固定在底板上的齒條嚙合。

上述裝置中，l形連接件通過三個螺釘固定在移動平板上，用于連接移動平板和導向輪；l形連接件上開有長圓形通孔，所述的滾動輪導柱與該孔配合且與移動平板連接；l形連接件上開有鍵槽，且移動平板與其對應位置也開有鍵槽，通過鍵連接確保導向輪與滾動輪在一條直線上；導向輪導柱通過過盈配合安裝在l形連接件的另一端；該結構較靈活，便于安裝、拆卸。

本發明提供了所述的軌道自適應運動小車調整裝置的使用方法：通過控制裝置驅動電機使運動小車在軌道上運動，當運動小車在直線段運行時，齒輪傳動機構中的導向輪與齒條背面接觸，保證齒輪齒條的中心距基本恒定；運動機構中外部兩個滾動輪始終抱緊外軌道，內側滾動輪由于有彈簧預緊力的作用，也緊抱內軌道，機構運行平穩；當運動小車由直線段進入圓弧段時，齒輪傳動機構可繞主傳動軸擺動，導向輪以齒條背面為基準，迫使從動齒輪向圓弧切向方向偏轉，確保齒輪機構順利通過過渡段；運動小車進入圓弧段后，整個設備受到向心力的作用，內側滾動輪處彈簧壓力增大，變形量增大，適應軌道的不同變化。

本發明的原理及工況簡介如下：

本發明應用于大行程的直線或圓弧滑軌且采用齒輪齒條傳動的傳動系統中，本發明中的傳動結構采用三輪式，由主動齒輪、雙聯齒輪（從動齒輪）、導向輪和隨動板組成，隨動板呈三角形，三個輪安裝在隨動板的三個角上，主動齒輪與雙聯齒輪上部齒嚙合，雙聯齒輪下部齒與齒條嚙合；隨動板只與上方的移動小車平板接觸，其定位依靠主動齒輪傳動軸，主動齒輪傳動軸較長，與減速器連接，主動齒輪傳動軸與隨動板、移動平板之間安裝有軸承，故整個隨動板可繞主傳動軸做小角度擺動，當齒條由直線段進入圓弧段時，在導向輪的作用下，整個隨動機構向圓弧的切線方向偏轉，使傳動能夠平穩進行。

本發明中的運動機構也采用三輪式結構，與外軌道配合的有兩個滾動輪，與內軌道配合的有一個；三個滾動輪均做成沙漏型的，將軌道包裹起來，三個輪的安裝是以外軌道為基準的；與外軌道上的滾動輪相對的有兩個導向輪，導向輪與外軌道內側接觸，以上四個輪將外軌道抱緊，他們之間的距離不變；內滾動輪與連接塊之間安裝有彈簧，即內滾動輪處是浮動的，當軌道的形狀發生改變時，依靠彈簧的彈性變形，使運動機構能夠平穩的過渡，避免了運動過程中出現卡住的問題。

本發明的有益效果：本發明結構簡單、新穎，設計加工容易，成本較低，可靠性較高。一方面擴展了齒輪齒條的應用范圍，另一方面通過對傳動機構和運動機構的設計，整個裝置運動時可以自適應各種變化，確保裝置的運動平穩性，大大降低了加工和安裝的成本。

附圖說明

圖1為一種軌道自適應運動小車調整裝置的三維結構圖。

圖2為圖1的后視圖。

圖3為移動小車和控制裝置的三維結構圖。

圖4為圖3的仰視圖。

圖5為驅動裝置的三維結構圖。

圖6為齒輪傳動部分（與隨動板連接部分）的三維結構圖。

圖7為內側滾動輪與y形連接件部分的三維結構圖。

圖8為外側滾動輪與導柱部分的三維結構圖。

圖9為導向輪與l形連接件部分的三維結構圖。

圖10為滾動輪的三維結構圖（三個滾動輪相同）。

圖11為運動軌道的三維結構圖。

圖12為本發明裝置的運行流程圖。

圖中：1驅動部分、11電機、12內六角螺栓、13減速器、14聯軸器、15墊塊、16墊板，17軸承；2小車移動平臺、21移動平板；3導向輪和連接件、31l形連接件、32導向軸襯套、33鍵槽、34第一導向輪導向軸、35第一導向輪；4外側滾動輪與導柱、41外側滾動輪導柱、42鎖緊墊圈，43外側滾動輪、44軸端蓋；5傳動機構、51隨動板、52主傳動軸、53平鍵、54從動齒輪、55主動齒輪、56第二導向輪、57第二導向輪導向軸、58卡簧、59從動齒輪傳動軸、510從動齒輪軸承、511導向輪襯套；6內側滾動輪與連接件、61y形連接件、62內側滾動輪導柱、63內側滾動輪；7彈簧；8連接塊；9螺釘；10運動軌道、101底板、102內軌道、103外軌道、104齒條。

具體實施方式

下面通過實施例來進一步說明本發明，但不局限于以下實施例。

實施例：

圖1—圖2為本發明軌道自適應運動小車調整裝置不同角度下的結構圖；圖3—圖4為本發明軌道自適應運動小車調整裝置移動小車部分的結構圖，由圖可以看出其組成包括三部分，分別為：驅動部分1、小車移動平臺2和傳動機構5。其中，驅動部分1包括電機11、減速器13、墊塊15、墊板16，電機11通過內六角螺栓12與減速器13相連，減速器13通過內六角螺栓安裝在墊塊15和墊板16上，墊板16通過螺釘固定在移動平板21上，減速器13下部安裝有聯軸器14和軸承17，聯軸器14用于與主傳動軸52相連，將動力傳遞給傳動機構5。電機11為整個裝置的動力源，減速器13用于降低電機的轉速，同時提高輸出轉矩。由此，裝置可將電機的旋轉運動轉化為齒輪齒條的直線運動。

小車移動平臺2包括移動平板21、導向輪和連接件3、外側滾動輪與導柱4、內側滾動輪與連接件6、彈簧7、連接塊8。其中移動平板21為基準，所有的部件都安裝在移動平板21上。導向輪和連接件3有兩個，其組成包括：l形連接件31、導向輪導向軸34、導向輪35、導向輪導向軸襯套32以及軸承，l形連接件31通過螺釘與移動平板21連接，l形連接件31上開有鍵槽33，通過普通平鍵與移動平板21配合，實現第一導向輪35的定位，第一導向輪導向軸34通過過盈配合與l形連接件31相連，第一導向輪35通過導向軸襯套32和軸承與第一導向輪導向軸34連接，端部由卡簧限位。外側滾動輪與導柱4，其組成包括：導柱41、外側滾動輪43、軸端蓋44、鎖緊墊圈42和軸承，導柱41通過螺釘與移動平板21連接，導柱41為階梯軸，軸承與導柱41配合，且外部安裝外側滾動輪43，端部由軸端蓋44和鎖緊墊圈42限位。內側滾動輪與連接件6，其組成包括：y形連接件61、導柱62、內側滾動輪63、軸端蓋44、鎖緊墊圈和軸承，y形連接件61與連接塊8為過盈配合，連接塊8通過螺釘9與移動平板21連接，彈簧7安裝在y形連接件61與連接塊8之間，內側滾動輪63通過軸承與導柱62配合，可繞該導柱旋轉，端部利用軸端蓋44、鎖緊墊圈限位。

傳動機構5包括隨動板51、主傳動軸52，普通平鍵53、從動齒輪（雙聯齒輪）54、主動齒輪55、第二導向輪56、第二導向輪導向軸57、卡簧58、從動齒輪傳動軸59、從動齒輪軸承510、導向輪襯套511和卡簧，整個傳動機構以主傳動軸52為基準，且該軸為階梯軸，主傳動軸52上端通過普通平鍵53與聯軸器14相連，中間部位有軸承支撐，下端通過平鍵與主動齒輪55連接；動齒輪55的限位由卡簧58完成，從動齒輪傳動軸59與隨動板51為過盈配合，從動齒輪（雙聯齒輪）54通過從動齒輪軸承510與從動齒輪傳動軸59配合，下端通過軸端蓋和鎖緊墊圈限位，第二導向輪導向軸57與隨動板51為過盈配合，第二導向輪56通過導向輪襯套511與第二導向輪導向軸57配合，下端由卡簧完成限位。

圖11為運動軌道，所述運動軌道10的組成包括底板101、內軌道102、外軌道103和齒條104，且均由直線段和圓弧段拼接而成，底板101通過地腳螺栓固定在地面上；內軌道102和外軌道103上開有沉孔，通過內六角螺栓安裝在底板的兩側，齒條104上也開有沉孔，通過內六角螺栓固定在底板的中間位置。

所述的傳動機構隨動板51呈三角形，主動齒輪55、從動齒輪（雙聯齒輪）54和第二導向輪56安裝在隨動板51的三個角上，要求第二導向輪56與齒條104的背面貼合，從動齒輪（雙聯齒輪）54的上部與主動齒輪55嚙合，下部與齒條104嚙合；主傳動軸52較長，下端通過普通平鍵與主動齒輪55連接，上端也通過普通平鍵53與減速器13相連，中間部分與隨動板51配合部分為軸承支撐；整個隨動板51可繞主傳動軸52做小角度的擺動，用于調整齒輪齒條的嚙合間隙，改善齒輪齒條的傳動條件，保證齒輪齒條運動平穩。

所述的三個滾動輪的形狀與沙漏類似，即由兩個圓錐臺對接而成；三個滾動輪將內軌道102和外軌道103抱住，整個小車的重量由三個滾動輪承受，其優點為小車運動過程中，不會出現脫軌的現象。

所述的兩個外側滾動輪43是以外軌道103為基準安裝的，兩個導向輪分別與各自的滾動輪平行，兩者距離不變，且這四個輪將外軌道103抱死；內側滾動輪63處安裝有彈簧7，故運動過程中內側滾動輪63處是浮動的，可自適應軌道的變化，避免了小車由直線段進入圓弧段或在圓弧段運行時卡住的現象。

所述的導向輪和連接件3如圖9所示，l形連接件31通過三個螺釘固定在移動平板21上，用于連接移動平板21和第一導向輪35；l形連接件中部開有長圓形通孔，所述的滾動輪導柱41與該孔配合且與移動平板21連接；l形連接件上開有鍵槽33，且移動平板21與其對應位置也開有鍵槽，通過鍵連接來調整第一導向輪35的位置，確保第一導向輪35與外側滾動輪43在一條直線上；導向輪導柱通過過盈配合安裝在l形連接件的另一端；

如圖12所示為本發明的運動流程圖，其具體操作如下：

機構安裝完畢，可驅動電機使設備在軌道上運動，本發明中有兩個自適應調整機構，一個為齒輪傳動機構，另一個為運動機構；當機構在直線段運行時，齒輪傳動機構中的導向輪與齒條背面接觸，保證齒輪齒條的中心距基本恒定；運動機構中外部兩個滾動輪始終抱緊外軌道，內側滾動輪由于有彈簧預緊力的作用，也緊抱內軌道，機構運行平穩。當機構由直線段進入圓弧段時，齒輪傳動機構可繞主傳動軸擺動，導向輪以齒條背面為基準，迫使動齒輪向圓弧切向方向偏轉，確保齒輪機構順利通過過渡段；運動機構進入圓弧段后，整個設備又受到向心力的作用，內側滾動輪處彈簧壓力增大，變形量增大，可適應軌道的不同變化，避免了運動卡住的問題。