1.本发明属于电动缸技术领域，具体涉及一种游离式推杆多级电动缸及其设计方法。
背景技术：
2.目前，伺服电动缸广泛应用于各行业，并发展出多种结构形式的电动缸。单级或两级传动的电动缸，工作行程由于受缸体本身尺寸的限制，无法来满足较大工作行程需要。传统方法设计的两级及以上电动缸由于内部结构复杂，设计繁琐，难以得到广泛应用。
技术实现要素：
3.本发明的目的是提供一种游离式推杆多级电动缸及设计方法，本发明基于一体化丝杠螺母，采用游离式推杆设计多级电动缸，安装空间小，行程大，设计过程简单，适应性强。
4.本发明的技术方案是，一种游离式推杆多级电动缸，其特征是包括电机、减速器、传动箱、电动缸本体，其中电动缸本体包括轴承座，主轴承，主丝杠，二级及以上螺母丝杠，末级螺母推杆、除末级外的其他级推杆、缸筒、导向z形键、导向支撑、各级丝杠堵头、各级推杆压盖、顶端连接铰；各级推杆为游离式装配关系，即推杆与丝杆之间并没有法兰连接，轴向可以自由移动；各级推杆之间均有导向z形键，用于轴向运动的导向与防转；同时在各级推杆间设有聚四氟乙烯环形导向支撑，用于推杆轴向运动的支撑，保证推杆运动过程中的同轴度；导向z形键与环形导向支撑分别位于推杆的两头；各级推杆及缸筒前端设有推杆压盖，推杆压盖为阶梯状结构，上有螺纹孔，导向z形键置于推杆压盖内部槽中，通过螺栓将导向z形键压紧；二级及以上传动丝杠为一体化螺母丝杠，其螺母部分与上一级丝杠组成螺母丝杠副进行传动，丝杠部分与下一级的螺母部分组成螺母丝杠副进行传动；末级螺母推杆置于丝杠和推杆之间，发挥螺母与推杆的双重作用；电机通过减速器降速增扭后，经传动箱将动力传递至主丝杠、主丝杠将扭矩逐级传递至二级及以上螺母丝杠，最终到达末级螺母推杆；在螺母丝杠副传动及导向z形键的共同作用下，电动缸内部二级及以上螺母丝杠依次直线运动前伸或者回收，末级螺母推杆直线运动伸出后将依次带动各级推杆伸出，反向运动则带动推杆回收。
5.进一步地，与导向z形键配合的键槽为外键槽，游离式推杆的限位通过导向z形键以及其键槽长度实现。
6.进一步地，各级丝杠端头为具有半球形端面外形的丝杠堵头，从而保证回收时各级丝杠之间压力的均匀平稳，同时具有机械限位的作用。
7.一种游离式推杆多级电动缸的设计方法，其特征是，首先对各级螺母丝杠副选型及尺寸配置，螺母丝杠副采用传动级数越高套合长度越小的方式布置来保证轴向及径向承载的要求，降低安装空间的尺寸；其次对各级丝杠间的套合长度以及各级推杆的套合长度进行优化设计；最后设计游离式推杆多级电动缸设计中的总行程。
8.进一步地，游离式推杆多级电动缸设计中的总行程由各级丝杆的有效运动长度和各级推杆的有效运动长度共同决定，为保证轴向承载力主要由丝杠与螺母来承担，则需满足：主丝杠有效运动长度和二级以上螺母丝杠有效运动长度之和大于各级推杆有效运动长度之和，从而保证除末级螺母推杆受力外，其他各级推杆均不受轴向载荷，满足其游离式的设计要求，其伸出状态由各级的轴向运动效率来确定。
9.进一步地，其中各级丝杠间的套合长度以及各级推杆的套合长度的优化设计，在满足单级承载的尺寸基础上，总体的尺寸规划原则需满足：主丝杠有效运动长度大于等于二级螺母丝杠有效运动长度，二级螺母丝杠有效运动长度大于等于三级螺母丝杠有效运动长度，三级螺母丝杠有效运动长度大于等于四级螺母丝杠有效运动长度，依次类推；一级推杆有效运动长度大于等于二级推杆有效运动长度，二级推杆有效运动长度大于等于三级推杆有效运动长度，三级推杆有效运动长度大于等于四级推杆有效运动长度，依次类推；一级推杆套合长度大于等于二级推杆套合长度，二级推杆套合长度大于等于三级推杆套合长度，三级推杆套合长度大于等于四级推杆套合长度，依次类推；主丝杠套合长度大于等于二级螺母丝杠套合长度，二级螺母丝杠套合长度大于等于三级螺母丝杠套合长度，三级螺母丝杠套合长度大于等于四级螺母丝杠套合长度，依次类推。
10.进一步地，游离式推杆的壁厚设计需考虑自重和径向载荷，同时各级推杆上设计有外键槽，其端头安装的导向z形键也承受扭矩，因此推杆壁厚需要保证导向z形键与键槽的侧边受力面积。
11.进一步地，游离式推杆的设计除末级外的其他级推杆不受轴向外载荷力，轴向载荷集中在内部各级丝杠螺母及末级螺母推杆，受力集中。
12.本发明具有以下有益效果1、本发明结构形式紧凑、适用于安装空间受限下的大行程需求；2、本发明螺母丝杠一体化结构减小了径向尺寸，同时不影响承载要求；3、各级推杆为游离式，无连接法兰，减少占用轴向空间；4、导向z形键设计，降低加工工艺成本；5、半球形端面丝杠堵头保证回收时各级丝杠之间压力的均匀平稳；6、丝杠螺母副可根据需求设计为梯形丝杠或者滚珠丝杠，应用广泛。
附图说明
13.图1是游离式推杆两级电动缸结构图；图2是一体化螺母丝杠结构模型剖切图；图3是螺母推杆结构模型剖切图；图4是导向z形键结构模型图；图5是半球形端面丝杠堵头结构模型图；图6是推杆压盖外形结构模型图；
图7是游离式推杆四级电动缸结构；图8是游离式推杆四级电动缸各级套合长度规划图。
14.附图标号说明：电机1、减速器2、传动箱3、电动缸本体4、两级缸用轴承座4.1、两级缸用主轴承4.2、两级缸用主丝杠4.3、两级缸用二级螺母丝杠4.4、两级缸用二级螺母推杆4.5、两级缸用一级推杆4.6、两级缸用缸筒4.7、两级缸用导向z形键4.8、两级缸用导向支撑4.9、两级缸用丝杠堵头4.10、两级缸用推杆压盖4.11、两级缸用顶端连接铰4.12、四级缸用主轴承5、四级缸用主丝杠6、四级缸用二级螺母丝杠7、三级螺母丝杠8、四级螺母丝杠9、四级螺母推杆10、四级缸用一级推杆11、二级推杆12、三级推杆13、四级缸用缸筒14、四级缸用导向z形键15、四级缸用推杆压盖16、四级缸用丝杠堵头17、四级缸用导向支撑18、四级缸用顶端连接铰19、四级缸用轴承座20。
具体实施方式
15.如图1、图7所示，本发明实施例提供的一种游离式推杆多级电动缸，包括电机1、减速器2、传动箱3、电动缸本体4、四级缸用主轴承5、四级缸用主丝杠6、四级缸用二级螺母丝杠7、三级螺母丝杠8、四级螺母丝杠9、四级螺母推杆10、四级缸用一级推杆11、二级推杆12、三级推杆13、四级缸用缸筒14、四级缸用导向z形键15、四级缸用推杆压盖16、四级缸用丝杠堵头17、四级缸用导向支撑18、四级缸用顶端连接铰19、四级缸用轴承座20。
16.其中电动缸本体4是本发明的核心结构部件，主要包括两级缸用轴承座4.1，两级缸用主轴承4.2，两级缸用主丝杠4.3，两级缸用二级螺母丝杠4.4、两级缸用二级螺母推杆4.5、两级缸用一级推杆4.6、两级缸用缸筒4.7、两级缸用导向z形键4.8、两级缸用导向支撑4.9、两级缸用丝杠堵头4.10、两级缸用推杆压盖4.11、两级缸用顶端连接铰4.12。
17.两级缸用主轴承4.2置于两级缸用轴承座4内，并安装在两级缸用主丝杠4.3的一端，起到支撑和旋转的作用；两级缸用主丝杠4.3旋转，通过丝杠螺母副带动两级缸用二级螺母丝杠4.4旋转，驱动两级缸用二级螺母推杆4.5向前或向后轴向移动；螺母推杆移动到位后通过两级缸用导向z形键4.8带动两级缸用一级推杆4.6继续轴向移动；两级缸用导向z形键4.8由两级缸用推杆压盖4.11固定在两级缸用缸筒4.7或者两级缸用一级推杆4.6的端部；两级缸用导向支撑4.9套在丝杠的前端，并通过两级缸用丝杠堵头4.10压紧在丝杠上；两级缸用顶端连接铰4.12为鱼耳形结构，一头为鱼耳，可根据需求装配关节轴承，另一头为法兰止口加螺纹孔结构，可通过螺栓固定在二级推杆前段部。
18.各级推杆为游离式装配关系，即推杆与丝杆之间并没有法兰连接，轴向可以自由移动；各级推杆之间均有导向z形键，用于轴向运动的导向与防转；同时在各级推杆间有聚四氟乙烯环形导向支撑，用于推杆轴向运动的支撑，保证推杆运动过程中的同轴度；导向z形键与环形导向支撑分别位于推杆的两头；如图4所示，导向z形键配合的键槽为外键槽，与一般电动缸所采用的内键槽工艺相比则更易于加工，成本与工时都极大的减少；游离式推杆的限位通过导向z形键以及其键槽长度实现；各级推杆及缸筒前端有推杆压盖，如图6所示，推杆压盖为阶梯状结构，上有螺纹孔，导向z形键置于推杆压盖内部槽中，通过螺栓可以将导向z形键压紧；如图2、图3所示，二级及以上传动丝杠为一体化螺母丝杠，其螺母部分与上一级丝杠组成螺旋副进行传动，丝杠部分与下一级的螺母部分组成螺旋副进行传动；末级螺母推杆置于丝杠和推杆之间，发挥螺母与推杆的双重作用；如图5所示，各级丝杠端头
为具有半球形端面外形的丝杠堵头，从而保证回收时各级丝杠之间压力的均匀平稳，同时具有机械限位的作用；在螺母丝杠副传动及导向z形键的共同作用下，电动缸内部二级及以上螺母丝杠依次直线运动前伸或者回收，末级螺母推杆直线运动伸出后将依次带动各级推杆伸出，反向运动则带动推杆回收。
19.动力由电机1通过减速器2降速增扭后，经传动箱3传递至四级缸用主丝杠6，主丝杠将扭矩逐级传递至二级及以上螺母丝杠，最终到达末级螺母推杆，即四级缸用主丝杠6逐级驱动四级缸用二级螺母丝杠7、三级螺母丝杠8、四级螺母丝杠9转动，通过丝杠螺母副的运动转换作用，各级螺母丝杠以及四级螺母推杆10将依次轴向伸出，同时四级螺母推杆10通过推杆压盖依次拖动各级推杆轴向伸出，完成整个行程。
20.一种游离式推杆多级电动缸的设计方法，主要包括各级丝杠螺母副的选型及尺寸配置方法，各级推杆的结构及长度优化方法。其中丝杠螺母副可依据载荷要求选型，同时调整各级之间的套合长度来保证轴向及径向承载的要求，采用传动级数越高套合长度越小的方式布置，降低安装空间的尺寸；各级推杆通过调整轴向尺寸和键槽长度实现套合长度的优化配置，满足结构的需求同时达到外观的协调统一；游离式推杆的设计保证了除末级外的其他级推杆不受轴向外载荷力，轴向载荷主要集中在内部各级丝杠螺母及末级螺母推杆，受力集中，承载性能好；推杆设计可在满足侧向承载要求的前提下，减小壁厚及径向尺寸，达到减重及减小外形尺寸的需求；根据载荷大小和行程不同，游离式推杆多级电动缸的设计方法可实现二到八级电动缸的结构设计需求。
21.如图8所示，实施案例中四级缸总安装长度为h，主丝杠有效运动长度h1、二级螺母丝杠有效运动长度为h2、三级螺母丝杠有效运动长度为h3、四级螺母丝杠有效运动长度h4、一级推杆有效运动长度h1、二级推杆有效运动长度h2、三级推杆有效运动长度h3、四级螺母推杆有效运动长度h4、一级推杆套合长度m1、二级推杆套合长度m2、三级推杆套合长度m3、四级螺母推杆套合长度m4、主丝杠套合长度n1、二级螺母丝杠套合长度n2、三级螺母丝杠套合长度n3、四级螺母丝杠套合长度n4。
22.游离式推杆多级电动缸设计中的总行程由各级丝杆的有效运动长度和各级推杆的有效运动长度共同决定，为保证轴向承载力主要由丝杠与螺母来承担，则需满足：h1+h2+h3+h4＞h1+h2+h3+h4从而保证除末级螺母推杆受力外，其他各级推杆均不受轴向载荷，满足其游离式的设计要求，其伸出状态由各级的轴向运动效率来确定，主要克服摩擦阻力。
23.多级缸设计除了满足短安装距离和大行程的需求外，还需要保证结构刚度，能够承受一定的径向载荷，因此各级丝杠间的套合长度以及各级推杆的套合长度都需要优化设计。在满足单级承载的尺寸基础上，总体的尺寸规划原则需满足：h1≥h2≥h3≥h4h1≥h2≥h3≥h4m1≥m2≥m3≥m4n1≥n2≥n3≥n4游离式推杆的壁厚设计需考虑自重和径向载荷，同时各级推杆上设计有外键槽，其端头安装的导向z形键也承受扭矩，因此推杆壁厚需要保证导向z形键与键槽的侧边受力面积。
24.以上所述，仅仅是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。