CN103199649A - 机电一体化直线驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直线驱动装置，目的是提供一种性能可靠，结构简单，装配方便，成本节约的机电一体化直线驱动装置，包括输出轴和丝杠副，输出轴与丝杠副的丝杠连接，所述的装置包括缸体，缸体内部固定定子组件；所述丝杠副的丝杠螺母为长筒形，与所述定子组件配合的转子组件固定于丝杠螺母外部。本发明将“电机”的转子组件设计到丝杠副的丝杠螺母上，即电机转子组件与丝杠螺母作为一个整体，形成电机的转子，电机转子置于直线驱动装置内部，将电机定子组件和缸体作为一个整体，形成电机的定子，从而实现直线驱动装置的机电一体化集成。实现了性能可靠，结构简单，装配方便，成本节约的目的。

Description

机电一体化直线驱动装置

技术领域

本发明涉及一种直线驱动装置，具体涉及运用丝杠副的直线驱动装置。

背景技术

随着我国工业的稳步发展，用直线驱动装置对物体进行推、拉、升降的使用场合越来越多，直线驱动装置的使用领域也在不断地扩大。从汽车行业，到矿山机械，航空航天，医疗设备，工业控制，数控机床，到太阳能发电行业，处处都见直线驱动装置的身影。但同时，随着运用行业的深入，对直线驱动装置的精度要求也越来越高，诸如机床设备、航空航天行业，不但要求直线驱动装置具有很高的传动精度和较高的传动效率，而且要求其具有长寿命、低成本的特征。对于直线驱动装置行业而言，如何发展高性价比的产品，是摆在我们面前的一道难题。

现有的直线驱动装置，按其丝杠副结构形式，可以分为三种，分别是：梯形丝杠型直线驱动装置、滚珠丝杠型直线驱动装置和行星滚柱丝杠型直线驱动装置。

三种直线驱动装置的功用和基本传动原理基本相似，其原理是将电机的旋转动作，转化为输出轴的直线运动，从而实现对物体的推、拉、提升和下降等功用。

梯形丝杠型直线驱动装置的丝杠采用梯形丝杠，加工简单，成本较低，但其传动效率很低，并且一般难以进行大推力的传递。

滚珠丝杠型直线驱动装置的丝杠采用滚珠丝杠，传动精度高，传动效率高，但其加工困难，成本较高，并且同样难以进行大推力的传递。

行星滚柱丝杠型直线驱动装置作为三者中性能最优的新型直线驱动装置，其丝杠采用行星滚柱丝杠，具有传动精度高，传动效率高，可以实现大推力的传递。但面临着加工困难，成本高的困窘局面，因而未能在工业上大量应用，降低了其存在的巨大价值。主要表现在：

1.一般的行星滚柱丝杠直线驱动装置，除了丝杠副结构与梯形丝杠副、滚珠丝杠副结构有所差异外，整个直线驱动装置本身的结构和运行原理，与其它两种直线驱动装置一致。一般而言，这种直线驱动装置除了丝杠副以外，还包含了电机、减速机或齿轮、同步带等零件构成的减速机构，联轴器、轴承、输出轴、缸体、制动器（梯形丝杠型直线驱动装置视其自锁情况而决定是否使用）、接头、密封圈等设备和零件。

2.基于第1条所述的直线驱动装置较为复杂的结构，其整个传动路线较为复杂，若某个零件的精度无法得到保证，则整个直线驱动装置的传动精度将大大降低，因此对每个传动零件的精度都提出了高的要求。

3.基于第1条所述的直线驱动装置结构，其零件众多，装配复杂，则意味着加工成本和采购成本居高不下，这也是一般的行星滚柱丝杠型直线驱动装置虽然性能优异，但一直无法大量使用的主要原因。

4.因为设备结构复杂，零部件精密度高，因此设备的维护保养也很复杂。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种性能可靠，结构简单，装配方便，成本节约的直线驱动装置。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：

一种机电一体化直线驱动装置，包括输出轴和丝杠副，输出轴与丝杠副的丝杠固接，所述的装置包括缸体，缸体内部固定定子组件；所述丝杠副的丝杠螺母为长筒形，与所述定子组件配合的转子组件固定于丝杠螺母外部。

优选的，所述的定子组件包括定子铁心，定子铁心上设置定子绕组；所述的转子组件包括转子绕组，转子绕组的绕线结构为分绕线式或鼠笼式。

优选的，所述丝杠螺母前端和后端通过轴承固定在缸体上，输出轴前端通过轴承固定在缸体前端，后端和丝杠副的丝杠通过螺纹联接固定。

优选的，所述的丝杠副包括丝杠和丝杠螺母之间的滚柱，滚柱沿丝杠周围平行设置多个，滚柱两端固定在圆环形的滚柱保持架上；所述的丝杠螺母内壁的螺纹与滚柱上的螺纹啮合，滚柱上的螺纹与丝杠上的螺纹啮合；丝杠和滚柱两端的螺纹上设置相啮合的外齿。

优选的，所述的丝杠螺母、滚柱、丝杠中，至少滚柱上的螺纹的牙形为弧形螺纹。

优选的，所述的缸体前后两端分别设置前端盖和后端盖，前端盖和后端盖之间通过连接杆固接。

优选的，所述的缸体两端内径大、中间内径小，所述的定子组件位于缸体后端内径大的位置，定子组件与后端盖之间设置定位套，后端盖与定位套构成对定子组件的限位结构。

优选的，所述与丝杠螺母前端相连的轴承位于缸体前端内径大的位置，前端盖构成对该轴承的限位结构；所述与丝杠螺母后端相连的轴承位于后端盖内；丝杠螺母两端的轴承分别设置两个，所述轴承为角接触球轴承或圆锥滚子轴承或推力角接触球轴承。

优选的，所述的前端盖和后端盖与缸体联接处设置O形密封圈；所述的丝杠螺母与前端盖之间设置油封；所述的输出轴与前端盖相连的轴承为调心轴承，调心轴承由锁紧螺母固定在前端盖上。

优选的，所述的后端盖内腔设置控制丝杠螺母转动角度的编码器和/或用于丝杠螺母制动的制动器。

本发明的工作原理是：定子组件和转子组件通电后因电磁感应的作用相对转动，而本发明的转子组件就可以带动丝杠螺母转动，丝杠螺母就带动丝杠和输出轴直线运动。从而省去了原有用于驱动直线驱动装置的电机。

本发明简化了原有直线驱动装置的结构，从而形成一种全新的直线驱动装置结构。本发明也可以理解为将“电机”的转子组件设计到丝杠副的丝杠螺母上，即电机转子组件与丝杠螺母作为一个整体，形成电机的转子，电机转子置于直线驱动装置内部。将电机定子组件和缸体作为一个整体，形成电机的定子，从而实现直线驱动装置的机电一体化集成设置。

本发明从而同时省去了多个零件，例如：减速机、联轴器、输出轴等。零件的省去，不但减少了直线驱动装置的装配工作量和工艺难度，降低了直线驱动装置的制造成本，而且减少了加工控制节点，提高了直线驱动装置的传动精度；避免传动链中，传动级数越多，传动误差越大，从而影响整机的传动精度。

将原有电机的安装位置从直线驱动装置外部转移到直线驱动装置的内部，有利于提高直线驱动装置整机的密封性能，提高直线驱动装置的IP等级，对于用在一些特殊场合，如野外多风沙场合，工厂多粉尘场合及海边盐雾腐蚀气体严重的场合都非常有用。并且减小了直线驱动装置整机的体积，减轻了直线驱动装置的重量。外形规则简单，结构紧凑，大大增加了装置的适用场合和范围。同时实现了性能可靠，结构简单，装配方便，成本节约的目的。其密封性能优异和结构紧凑的特点尤其适合在动车、高铁、航空航天、发电等场合使用。

附图说明

图1为丝杠副和转子组件的装配图；

图2为丝杠、滚柱和滚柱保持架的零件图；

图3为缸体和定子组件的装配图；

图4为整个驱动装置的装配图；

附图标记：

1、后端盖，2、制动器，3、轴承，4、O形密封圈，5、定位套，6、定子铁心，7、定子绕组，8、转子绕组，9、丝杠螺母，10、缸体，11、连接杆，12、输出轴，13、轴承，14、油封，15、轴承，16、前端盖，17、锁紧螺母，18、O形密封圈，19、滚柱，20、螺母，21、编码器，22、丝杠，23、滚柱保持架。

具体实施方式

如图1到4所示的直线驱动装置，包括输出轴12和丝杠副，输出轴12与丝杠副的丝杠22通过螺纹联接固定，所述的装置包括缸体10，缸体10内部固定定子组件；所述丝杠副的丝杠螺母9为长筒形，与所述定子组件配合的转子组件固定于丝杠螺母9外部。至于要保证丝杠副工作，需要将丝杠副的丝杠螺母9用轴承固定，同时将需要轴向运动的输出轴12定位，则有很多实施方式可以实现。通常是：丝杠副的丝杠螺母9和输出轴12分别通过轴承定位；例如可以是两部件分别用轴承固定在缸体10内部，或者也可以固定在安装环境内，保证丝杠螺母9做回转运动，输出轴12在丝杠22的带动下做直线运动即可。该定位结构可以是使用者自行根据安装条件设置，也可以是集成在本发明的装置上。

所述的定子组件包括定子铁心6，定子铁心6上设置定子绕组7；所述的转子组件包括转子绕组8，转子绕组8的绕线结构为分绕线式或鼠笼式。转子组件还包括电刷、换向器等在不干涉转子绕组8转动的同时向转子绕组8供电的设施等，这是本领域技术人员根据本发明的说明容易实现的，不再赘述。转子组件与丝杠螺母9固定，与定子组件一起构成类似电机的结构；调整相应结构，还能设置成具有类似交流电机、直流电机、步进电机、伺服电机、变频电机等不同功能的结构。

工作时：定子绕组7和转子绕组8通电后因电磁感应的作用相对转动，转子绕组8就可以带动丝杠螺母9转动，丝杠螺母9就带动丝杠22和输出轴12直线运动。本发明省去了驱动直线驱动装置运动的电机。设备结构大为简化，不仅提高传动效率，而且提高传动精度、简化加工和安装工艺，降低加工、维护成本。

所述的丝杠副的结构形式可以有多种，可以是梯形丝杠结构、滚珠丝杠型结构或者行星滚柱丝杠型结构。优选的是：结合图2、3所示的，所述的丝杠副包括丝杠22和丝杠螺母9之间的滚柱19，滚柱19沿丝杠22周围平行设置多个，滚柱19两端固定在圆环形的滚柱保持架23上；所述的丝杠螺母9内壁的螺纹与滚柱19上的螺纹啮合，滚柱19上的螺纹与丝杠22上的螺纹啮合；丝杠22和滚柱19两端的螺纹上设置相啮合的外齿。所述的丝杠螺母9、滚柱19、丝杠22中，至少滚柱22上的螺纹的牙形为弧形螺纹。也就是三者都是采用弧形螺纹，或者也可以仅仅滚柱19上的螺纹牙形为弧形螺纹，而丝杠螺母9和丝杠22上的螺纹牙形为三角螺纹；或者滚柱22和另一部件上的螺纹牙形为弧形螺纹。

这样的丝杠副也可以看作是行星滚柱丝杠副。丝杠22与输出轴12固定连接在一起。如图2中（b）所示，滚柱19的中间有螺纹192，螺纹192的两端上还设有外齿191、193。如图2中（a）所示，丝杠22的中间有螺纹222，螺纹222的两端还设有外齿221、223。丝杠22和滚柱19一样长。为了加工方便也可以在螺纹段和螺纹外齿的复合段之间先加工环形退刀槽。丝杠螺母9的内壁上有相应的螺纹。滚柱19的螺纹分别与丝杠22和丝杠螺母9的外、内螺纹进行外、内啮合，两端的外齿191、193与丝杠22两端的外齿221、223进行外啮合。如图2中（c）所示，滚柱保持架23圆环形的盘状，盘面上设置多个通孔231。滚柱19通常为8～12根，由滚柱保持架23进行分度定位，滚柱保持架23与滚柱19通过通孔231用螺纹连接。滚柱保持架23上的通孔231孔径大于丝杠22的外径，避免干涉。

这样的结构在工作时，滚柱19在丝杠螺母9的转动带动下回转，同时也绕丝杠螺母9进行公转，同时还和丝杠22一起进行轴向运动。丝杠22只作轴向运动而不转动。外齿191、193与外齿221、223的啮合，可以防止滚柱19和丝杠22啮合螺纹的侧向力，避免滚柱19的轴线与丝杠22的轴线发生扭转，保持二者的轴线始终平行。

如图2中（d）所示，所述的丝杠螺母9、滚柱19、丝杠22中，如果滚柱19上的螺纹的牙形为弧形螺纹。就可以减少“平面－平面”接触产生的摩擦力，变为现在的“平面－弧面”接触，将面与面的滑动摩擦变为面与滚动件的滚动摩擦。将三个部件上的螺纹都设置为弧形螺纹，这样摩擦更小，设备更耐久。

为了进一步便于设备的安装和使用，如图4所示的，所述丝杠螺母9前端和后端通过轴承固定在缸体10上，输出轴12前端通过轴承固定在缸体10前端，后端和丝杠副的丝杠22通过螺纹联接固定。这样就无需使用时再单独固定轴承等部件，也无需再单独进行调心等操作。

进一步的，所述的缸体10前后两端分别设置前端盖16和后端盖1，前端盖16和后端盖1之间通过连接杆11固接。具体来说前端盖16和后端盖1的相应位置设置通孔，然后连接杆11端头设置螺纹，利用螺母将连接杆11锁紧在通孔上即可。这样的连接杆11通常均匀设置三个或4个。这样前端盖16和后端盖1结构简单，连接可靠，直线驱动装置的密封性能更好，也便于轴承等部件的固定。

优选的，所述的缸体10两端内径大、中间内径小，所述的定子组件位于缸体10后端内径大的位置，定子组件与后端盖1之间设置定位套5，后端盖1与定位套5构成对定子组件的限位结构。这样定子组件安装定位方便。

优选的，所述与丝杠螺母9前端相连的轴承13位于缸体10前端内径大的位置，前端盖16构成对该轴承13的限位结构；所述与丝杠螺母9后端相连的轴承3位于后端盖1内；丝杠螺母9两端的轴承3、13分别设置两个，所述轴承3、13为角接触球轴承或圆锥滚子轴承或推力角接触球轴承。这样可以加强密封，同时降低对轴承3、13的压力和摩擦，确保转动部件转动的稳定性。

所述的前端盖16、后端盖1与缸体10联接处分别设置O形密封圈4和O形密封圈18；所述的丝杠螺母9与前端盖16之间设置油封14；所述的输出轴12与前端盖16相连的轴承为调心轴承15，调心轴承15由锁紧螺母17固定在前端盖16上。这样装置的密封性能更加可靠，增加了装置的适用范围。

所述的后端盖1内腔设置控制丝杠螺母9转动角度的编码器21和/或用于丝杠螺母9制动的制动器2。编码器21可以对电机转子，也就是丝杠螺母9的转动角度进行精确控制。装置停止转动时制动器2抱闸，装置制动闭锁；当设备需要重新工作时，制动器2通电，制动器2松开抱闸，丝杠螺母9开始转动，带动丝杠22转动和输出轴12运动。

此外本发明的直线驱动装置还可加配诸如安装座、头部连接附件、限位开关、防护罩、导向杆等配件，这些配件的安装方式与普通的梯形丝杠型、滚珠丝杠型和行星滚柱丝杠型直线驱动装置的功能一致，在此不再复述。

本发明的将电机集成到直线驱动装置上，形成机电一体化直线驱动装置，设计思路具有开创性，产生了如下技术进步：

1、优化了产品的结构，减少了产品的零件，诸如减速机、联轴器、推杆等，同时减小了产品的体积。

2、因为产品零件的减小，缩短了产品的传动路线，减少了传动过程中的误差积累，所以提高了产品的传动精度。

3、产品结构的优化，使产品外部联接点减少，即密封数量减少，从而提高了产品的密封性能，提高了产品的抗外部因素侵蚀的能力，间接地提高了产品的使用寿命。

4、产品结构的优化，也减少了产品的装配工序，降低了装配的工艺难度，提高了生产效率，避免产品在装配过程中出现的不合格率。

5、产品结构的优化，无论是从产品结构本身的成本，还是产品的生产加工、装配制造的成本都大大下降，从而使产品的大范围推广成为可能。

6、因密封性能好、结构紧凑、外形规则简单，适合高铁、动车、航空、航天器等、高粉尘环境等特殊场合使用，解决了本领域长期以来的技术难题。

Claims (10)

1.一种机电一体化直线驱动装置，包括输出轴（12）和丝杠副，输出轴（12）与丝杠副的丝杠（22）固接，其特征在于：所述的装置包括缸体（10），缸体（10）内部固定定子组件；

所述丝杠副的丝杠螺母（9）为长筒形，与所述定子组件配合的转子组件固定于丝杠螺母（9）外部。

2.根据权利要求1所述的机电一体化直线驱动装置，其特征在于：所述的定子组件包括定子铁心（6），定子铁心（6）上设置定子绕组（7）；所述的转子组件包括转子绕组（8），转子绕组（8）的绕线结构为分绕线式或鼠笼式。

3.根据权利要求2所述的机电一体化直线驱动装置，其特征在于：所述丝杠螺母（9）前端和后端通过轴承固定在缸体（10）上，输出轴（12）前端通过轴承固定在缸体（10）前端，后端和丝杠副的丝杠（22）通过螺纹联接固定。

4.根据权利要求1所述的机电一体化直线驱动装置，其特征在于：所述的丝杠副包括丝杠（22）和丝杠螺母（9）之间的滚柱（19），滚柱（19）沿丝杠（22）周围平行设置多个，滚柱（19）两端固定在圆环形的滚柱保持架（23）上；所述的丝杠螺母（9）内壁的螺纹与滚柱（19）上的螺纹啮合，滚柱（19）上的螺纹与丝杠（22）上的螺纹啮合；丝杠（22）和滚柱（19）两端的螺纹上设置相啮合的外齿。

5.根据权利要求4所述的机电一体化直线驱动装置，其特征在于：所述的丝杠螺母（9）、滚柱（19）、丝杠（22）中，至少滚柱（19）上的螺纹的牙形为弧形螺纹。

6.根据权利要求3所述的机电一体化直线驱动装置，其特征在于：所述的缸体（10）前后两端分别设置前端盖（16）和后端盖（1），前端盖（16）和后端盖（1）之间通过连接杆（11）固接。

7.根据权利要求6所述的机电一体化直线驱动装置，其特征在于：所述的缸体（10）两端内径大、中间内径小，所述的定子组件位于缸体（10）后端内径大的位置，定子组件与后端盖（1）之间设置定位套（5），后端盖（1）与定位套（5）构成对定子组件的限位结构。

8.根据权利要求7所述的机电一体化直线驱动装置，其特征在于：所述与丝杠螺母（9）前端相连的轴承位于缸体（10）前端内径大的位置，前端盖（16）构成对该轴承的限位结构；所述与丝杠螺母（9）后端相连的轴承位于后端盖（1）内；丝杠螺母（9）两端的轴承分别设置两个，所述轴承为角接触球轴承或圆锥滚子轴承或推力角接触球轴承。

9.根据权利要求8所述的机电一体化直线驱动装置，其特征在于：所述的前端盖（16）和后端盖（1）与缸体（10）联接处设置O形密封圈；所述的丝杠螺母（9）与前端盖（16）之间设置油封（14）；所述的输出轴（12）与前端盖（16）相连的轴承为调心轴承，调心轴承由锁紧螺母（17）固定在前端盖（16）上。

10.根据权利要求6到9中任意一项所述的机电一体化直线驱动装置，其特征在于：所述的后端盖（1）内腔设置控制丝杠螺母（9）转动角度的编码器（21）和/或用于丝杠螺母（9）制动的制动器（2）。

Images