CN109904991A - 直线旋转电机及其位移和旋转角度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直线旋转电机及其位移和旋转角度测量方法。该直线旋转电机为双自由度电机，可同时实现直线运动与旋转运动，该直线旋转电机包括线光栅尺与码盘光栅尺。直线光栅尺与码盘光栅尺均沿电机输出轴方向设置，从而可以直接对电机输出轴直线运动位移量及旋转角度进行测量，并且简化了直线旋转电机的布局，降低了直线运动定位精度的控制难度，有效提升了直线旋转电机的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种直线旋转电机，尤其涉及可多自由度运动的单个电机，属于直线电机技术领域。
背景技术
现有的直线旋转电机分离式布局，分离式直线旋转电机将直线电机与旋转电机通过机械结构组合，以传动的方式同时完成直线与旋转运动，该布局内部结构复杂，机械传动导致定位精度不高，本质上分离式直线旋转电机是由两个电机组合而成。而且，这种布局的直线电机的负载较大，增大了直线运动定位精度的控制难度。而且，直线运动位移测量单元以及旋转角度测量单元的引入会使得直线旋转电机的布局更为复杂，也更难以控制电机的体积，并且，由于输出轴可以同时进行直线和旋转运动，因此，如何提高直线旋转电机的直线运动的位移测量和控制的准确度也成为了本领域的技术难题。
发明内容
本发明旨在提出一种带直线运动位移测量单元和旋转运动角度测量单元的直线旋转电机，该直线旋转电机为双自由度电机，可同时实现直线运动与旋转运动，该直线运动位移测量单元和旋转运动角度测量单元直接对电机输出轴直线运动位移量及旋转角度进行测量，从而简化了直线旋转电机的布局，提高了直线运动位移的测量准确度，降低了直线运动定位精度的控制难度，有效提升了直线旋转电机的性能。
本发明一方面提供了一种直线旋转电机，其特征在于，所述直线旋转电机包括：动子、输出轴、直线导轨、滑块；所述滑块设置于所述直线导轨上，所述滑块与所述输出轴固定连接；所述动子与所述输出轴连接，所述动子用于驱动所述输出轴直线和旋转运动；所述直线旋转电机还包括直线运动位移测量单元、旋转运动角度测量单元；至少部分所述直线运动位移测量单元固定设置于所述滑块上，从而所述直线运动位移测量单元用于测量所述输出轴的直线位移；至少部分所述旋转运动角度测量单元固定设置于所述输出轴上，从而所述旋转运动角度测量单元用于测量所述输出轴的旋转角度。
可选的，所述直线运动位移测量单元为直线光栅尺或者直线磁栅。
可选的，所述旋转运动角度测量单元为码盘光栅尺或者圆形磁栅。
可选的，所述直线光栅尺包括直线光栅尺条和直线光栅尺读数头，所述直线光栅尺条安装在所述直线导轨的滑块上；或者，所述直线磁栅包括磁栅尺条和磁头，所述磁栅尺条安装在所述直线导轨的滑块上。
可选的，所述码盘光栅尺包括码盘光栅尺盘、码盘光栅尺读数头，所述码盘光栅尺盘固定在电机输出轴上，并且与所述电机输出轴同轴心；或者，所述圆形磁栅包括磁栅尺盘和磁头，所述磁栅尺盘固定在电机输出轴上，并且与所述电机输出轴同轴心。
可选的，所述动子的表面固定有磁体部件，或者所述动子包含有磁体材料。
可选的，所述磁体部件是永磁体，或者所述磁体材料为永磁体材料。
可选的，所述直线旋转电机还包括内定子、外定子、电机外壳；所述内定子位于所述动子内部，所述外定子位于所述动子外部以及所述电机外壳内部；所述内定子用于驱动所述动子作直线运动，所述外定子用于驱动所述动子作旋转运动；或者，所述内定子用于驱动所述动子作旋转运动，所述外定子用于驱动所述动子作直线运动。
可选的，当所述电机输出轴作直线运动时，所述电机输出轴通过与其固定连接的轴承限位器带动轴承与基座作直线运动，从而带动与基座固定连接的滑块进行直线运动。
本发明还提供了一种直线旋转电机的位移测量方法，其特征在于：所述直线旋转电机为如前所述任一种的直线旋转电机；当所述电机输出轴做直线旋转运动时，所述电机输出轴带动所述直线导轨的滑块沿直线导轨方向作直线运动，从而所述滑块带动固定在所述滑块上的所述至少部分直线位移测量单元作直线运动；根据所述直线位移测量单元的读数单元读出所述直线旋转电机的电机输出轴的位移。
可选的，所述直线位移测量单元为直线光栅尺，所述直线光栅尺包括直线光栅尺条以及直线光栅尺读数头；所述直线光栅尺条安装在所述直线导轨的滑块上；所述电机输出轴带动所述直线导轨的滑块沿直线导轨方向作直线运动，从而所述滑块带动固定在所述滑块上的所述直线光栅尺条作直线运动；根据所述直线光栅尺读数头读出所述直线旋转电机的电机输出轴的位移；或者，所述直线位移测量单元为直线磁栅，所述直线磁栅包括磁栅尺条和磁头；所述磁栅尺条安装在所述直线导轨的滑块上；所述电机输出轴带动所述直线导轨的滑块沿直线导轨方向作直线运动，从而所述滑块带动固定在所述滑块上的所述磁栅尺条作直线运动；根据所述磁头读出所述直线旋转电机的电机输出轴的位移。
本发明还提供了一种直线旋转电机的旋转角度测量方法，其特征在于：所述直线旋转电机为如前所述任一种的直线旋转电机；当所述电机输出轴作旋转运动时，固定设置于所述输出轴上的所述至少部分所述旋转运动角度测量单元随所述电机输出轴作旋转运动；根据所述旋转运动角度测量单元的读数单元读出所述直线旋转电机的电机输出轴的旋转角度。
可选的，所述旋转运动角度测量单元为码盘光栅尺，所述码盘光栅尺包括码盘光栅尺盘、码盘光栅尺读数头，所述码盘光栅尺盘固定在电机输出轴上，并且与所述电机输出轴同轴心；当所述电机输出轴作旋转运动时，所述码盘光栅尺盘随所述电机输出轴作旋转运动；根据所述码盘光栅尺读数头读出所述直线旋转电机的电机输出轴的旋转角度；或者，所述旋转运动角度测量单元为圆形磁栅，所述圆形磁栅包括磁栅尺盘和磁头，所述磁栅尺盘固定在电机输出轴上，并且与所述电机输出轴同轴心；当所述电机输出轴作旋转运动时，所述磁栅尺盘随所述电机输出轴作旋转运动；根据所述磁头读出所述直线旋转电机的电机输出轴的旋转角度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明的直线旋转电机的结构示意图(侧视图)。
图2为本发明的直线旋转电机的结构示意图(俯视图)。
具体实施方式
下面参照附图对本发明作进一步描述。
如图1和图2所示，本发明的直线旋转电机包括：电机输出轴1，码盘光栅尺读数头2，直线光栅尺读数头3，滑块4，，直线光栅尺条5，码盘光栅尺盘6，码盘光栅尺安装底座7，轴承8，基座9，电机外壳10，直线导轨11。其中，滑块4安装于直线导轨11上，并且与直线导轨11通过菱形辊子连接。
该直线旋转电机是双自由度电机，直线运动与旋转运动共用一个电机输出轴，直线运动位移测量单元以及旋转运动角度测量单元均沿电机输出轴方向设置。这种共用一个电机输出轴的直线旋转电机可以包括内定子、外定子、电机外壳；所述内定子位于所述动子内部，所述外定子位于所述动子外部以及所述电机外壳内部；所述内定子用于驱动所述动子作直线运动，所述外定子用于驱动所述动子作旋转运动；或者，所述内定子用于驱动所述动子作旋转运动，所述外定子用于驱动所述动子作直线运动。或者，也可以是本领域任何一种共用电机输出轴的直线旋转电机。
图1以及图2使用直线光栅尺来测量直线运动位移，使用码盘光栅尺来测量旋转运动角度，然而，也可以使用其他直线运动位移测量单元来测量直线运动位移，比如直线磁栅，也可以使用其他旋转运动角度测量单元来测量旋转运动的角度，比如圆形磁栅。
如图1所示，电机外壳10为固定端。轴承8与基座9进行固定连接，且轴承8在电机输出轴1上并与电机输出轴1同轴心。
码盘光栅尺盘6左侧与码盘光栅尺安装底座7右侧进行固定连接，码盘光栅尺盘6与码盘光栅尺安装底座7均与电机输出轴1进行固定连接并与电机输出轴1同轴心，当电机输出轴1作直线旋转运动时，码盘光栅尺盘6与码盘光栅尺安装底座7随电机输出轴1作直线旋转运动。码盘光栅尺读数头2与基座9内表面进行固定连接，且码盘光栅尺读数头2与码盘光栅尺盘6相对设置，其安装位置可接收到码盘光栅尺盘6反馈的旋转角度信号。
基座9与直线导轨11的滑块4进行固定连接，直线导轨11固定在电机外壳10(固定端)上。当轴承8随电机输出轴1作直线旋转运动时，带动基座9与直线导轨11上的滑块4沿直线导轨方向作直线运动。直线光栅尺条5安装在直线导轨11的滑块上，直线光栅尺读数头3安装在电机外壳10上，且直线光栅尺读数头3与直线光栅尺条5相对设置，其安装位置可接收到直线光栅尺条5反馈的直线运动位移量。电机输出轴1与轴承限位器12进行固定连接且同轴心。
这里，由于本发明的电机是直线旋转电机，属于双自由度电机，因此，若将直线光栅尺条5安装在输出轴上，当输出轴同时做直线运动和旋转运动的时候，直线光栅尺条5将跟随输出轴做直线运动和旋转运动，而这种旋转运动将导致无法对直线光栅尺条5进行位移读数的读取。本发明将电机输出轴1右侧与直线导轨11的基座9上的轴承8同轴心进行固定连接，电机输出轴1与轴承限位器12进行固定连接且同轴心，因此当电机输出轴1作直线运动时，电机输出轴1上的轴承限位器12带动轴承8与基座9作直线运动，将电机输出轴1的直线位移量转化为直线导轨11上的滑块4的直线位移量，因此安装在电机外壳10上的直线光栅尺读数头3可检测到安装在直线导轨滑块4上的直线光栅尺条5的相对直线位移量，从而检测到直线导轨滑块4的相对直线位移量，从而检测到电机输出轴1的相对直线位移量。
而且，当电机输出轴搭载负载同时作直线旋转运动时，直线光栅尺和码盘光栅尺的引入，也可以对电机输出轴起到支持及限位功能。通过这种直线光栅尺与码盘光栅尺的串联设置，还使得直线光栅尺和码盘光栅尺均可以直接对电机输出轴直线运动位移量及旋转角度进行测量，简化了直线旋转电机的布局，降低了直线运动定位精度的控制难度，有效提升了直线旋转电机的性能。
通过上述机械结构的紧凑设计，为直线旋转电机直线光栅尺与码盘光栅尺的安装提供了便利性，省去了传动环节，减小了电机输出轴的负载，实现实时位移与角度双闭环控制，具有较高的定位精度，为直线旋转电机光栅尺布局提供了新的机械结构方案。
并且，在测量过程中，还可以采集反馈信号传输至运动控制模块，实时位移与角度双闭环控制可大大提高电机直线运动与旋转运动定位精度。
以上的结构仅是举例，并不局限于上述轴承、轴承限位器以及基座的结构，只要将电机输出轴与滑块直接或间接的固定连接，使得电机输出轴可以带动滑块在直线导轨上运动，从而使得电机输出轴的直线位移量转化为滑块在直线导轨上的直线位移量，就可以实现本发明直线旋转电机的电机输出轴的直线位移量的测量。
本发明简化了直线光栅尺与码盘光栅尺在直线旋转电机中的安装布局，缩小了电机体积，为直线旋转电机在工业高精度产品加工设备领域的广泛应用提供了可能性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (13)
1.一种直线旋转电机，其特征在于，所述直线旋转电机包括：
动子、输出轴、直线导轨、滑块；所述滑块设置于所述直线导轨上，所述滑块与所述输出轴固定连接；
所述动子与所述输出轴连接，所述动子用于驱动所述输出轴直线和旋转运动；
所述直线旋转电机还包括直线运动位移测量单元、旋转运动角度测量单元；
至少部分所述直线运动位移测量单元固定设置于所述滑块上，从而所述直线运动位移测量单元用于测量所述输出轴的直线位移；
至少部分所述旋转运动角度测量单元固定设置于所述输出轴上，从而所述旋转运动角度测量单元用于测量所述输出轴的旋转角度。
2.如权利要求1所述的一种直线旋转电机，其特征在于：
所述直线运动位移测量单元为直线光栅尺或者直线磁栅。
3.如权利要求1所述的一种直线旋转电机，其特征在于：
所述旋转运动角度测量单元为码盘光栅尺或者圆形磁栅。
4.如权利要求2所述的一种直线旋转电机，其特征在于：
所述直线光栅尺包括直线光栅尺条和直线光栅尺读数头，所述直线光栅尺条安装在所述直线导轨的滑块上；或者，
所述直线磁栅包括磁栅尺条和磁头，所述磁栅尺条安装在所述直线导轨的滑块上。
5.如权利要求1所述的一种直线旋转电机，其特征在于：
所述码盘光栅尺包括码盘光栅尺盘、码盘光栅尺读数头，所述码盘光栅尺盘固定在电机输出轴上，并且与所述电机输出轴同轴心；或者，
所述圆形磁栅包括磁栅尺盘和磁头，所述磁栅尺盘固定在电机输出轴上，并且与所述电机输出轴同轴心。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种直线旋转电机，其特征在于：
所述动子的表面固定有磁体部件，或者所述动子包含有磁体材料。
7.如权利要求6所述的一种直线旋转电机，其特征在于：所述磁体部件是永磁体，或者所述磁体材料为永磁体材料。
8.如权利要求1所述的一种直线旋转电机，其特征在于：所述直线旋转电机还包括内定子、外定子、电机外壳；
所述内定子位于所述动子内部，所述外定子位于所述动子外部以及所述电机外壳内部；
所述内定子用于驱动所述动子作直线运动，所述外定子用于驱动所述动子作旋转运动；或者，所述内定子用于驱动所述动子作旋转运动，所述外定子用于驱动所述动子作直线运动。
9.如权利要求1所述的一种直线旋转电机，其特征在于：
当所述电机输出轴作直线运动时，所述电机输出轴通过与其固定连接的轴承限位器带动轴承与基座作直线运动，从而带动与基座固定连接的滑块进行直线运动。
10.一种直线旋转电机的位移测量方法，其特征在于：
所述直线旋转电机为如权利要求1-8任一项所述的直线旋转电机；
当所述电机输出轴做直线旋转运动时，所述电机输出轴带动所述直线导轨的滑块沿直线导轨方向作直线运动，从而所述滑块带动固定在所述滑块上的所述至少部分直线位移测量单元作直线运动；
根据所述直线位移测量单元的读数单元读出所述直线旋转电机的电机输出轴的位移。
11.如权利要求10所述的一种直线旋转电机的位移测量方法，其特征在于：
所述直线位移测量单元为直线光栅尺，所述直线光栅尺包括直线光栅尺条以及直线光栅尺读数头；所述直线光栅尺条安装在所述直线导轨的滑块上；所述电机输出轴带动所述直线导轨的滑块沿直线导轨方向作直线运动，从而所述滑块带动固定在所述滑块上的所述直线光栅尺条作直线运动；根据所述直线光栅尺读数头读出所述直线旋转电机的电机输出轴的位移；
或者，所述直线位移测量单元为直线磁栅，所述直线磁栅包括磁栅尺条和磁头；所述磁栅尺条安装在所述直线导轨的滑块上；所述电机输出轴带动所述直线导轨的滑块沿直线导轨方向作直线运动，从而所述滑块带动固定在所述滑块上的所述磁栅尺条作直线运动；根据所述磁头读出所述直线旋转电机的电机输出轴的位移。
12.一种直线旋转电机的旋转角度测量方法，其特征在于：
所述直线旋转电机为如权利要求1-9任一项所述的直线旋转电机；
当所述电机输出轴作旋转运动时，固定设置于所述输出轴上的所述至少部分所述旋转运动角度测量单元随所述电机输出轴作旋转运动；
根据所述旋转运动角度测量单元的读数单元读出所述直线旋转电机的电机输出轴的旋转角度。
13.如权利要求12所述的一种直线旋转电机的旋转角度测量方法，其特征在于：
所述旋转运动角度测量单元为码盘光栅尺，所述码盘光栅尺包括码盘光栅尺盘、码盘光栅尺读数头，所述码盘光栅尺盘固定在电机输出轴上，并且与所述电机输出轴同轴心；当所述电机输出轴作旋转运动时，所述码盘光栅尺盘随所述电机输出轴作旋转运动；根据所述码盘光栅尺读数头读出所述直线旋转电机的电机输出轴的旋转角度；
或者，所述旋转运动角度测量单元为圆形磁栅，所述圆形磁栅包括磁栅尺盘和磁头，所述磁栅尺盘固定在电机输出轴上，并且与所述电机输出轴同轴心；当所述电机输出轴作旋转运动时，所述磁栅尺盘随所述电机输出轴作旋转运动；根据所述磁头读出所述直线旋转电机的电机输出轴的旋转角度。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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