CN111200349B - 一种高精度定位的复合式电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于高精度电机技术领域，公开了一种高精度定位的复合式电机。该复合式电机包括：外壳、粗定位组件、中空输出轴、精密定位组件、动力切换装置和控制器。粗定位组件中的步进电机负责复合电机的粗定位，精密定位组件中的环形行波超声电机负责复合电机的末端精确定位。控制器实现环形行波超声电机与步进电机之间的动力输出切换。本发明有效地解决了环形行波超声电机长时间连续运行寿命短的问题，在保证较高定位精度的同时，延长电机使用寿命。

Description

一种高精度定位的复合式电机

技术领域

本发明涉及机械设计与电机控制技术领域，具体涉及一种高精度定位的复合式电机。

背景技术

现阶段行波超声电机广泛应用于精密定位仪器中。行波超声电机与传统电机相比具有低速大力矩输出、运行工噪小和保持力矩大的特点，保持力矩大的宏观表现为电机的启停控制好。且行波超声电机运动精度可以达到纳米级。由于行波超声电机是依靠过定子与转子工作面间的摩擦作用转化成转子的直线运动或旋转运动，所以其不受外界电磁场变化的影响，但是摩擦运动会导致电机发热量增加以至于不能够长时间连续工作，连续工作会大大降低电机使用寿命及定位精密度。因此，寻找一种既能保证定位精度，又能保证长时间连续有效运行的复合电机是一个亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种高精度定位的复合式电机，该复合式电机在保证定位精度的同时，解决了传统的行波超声电机无法长时间连续运行问题。

为解决以上问题，本发明提供了一种高精度定位的复合式电机，所述复合式电机包括：外壳、粗定位组件、中空输出轴、精密定位组件、动力切换装置和控制器；

所述粗定位组件包括步进电机和第一中空转轴，所述步进电机固定设置在所述壳体的底部，所述第一中空转轴垂直设置在所述步进电机上且一端与所述步进电机的输出轴连接；

所述中空输出轴通过第一轴承组件转动连接于所述第一中空转轴的外周，所述第一轴承组件包括至少一个轴承；

所述精密定位组件包括环形行波超声电机和第二中空转轴，所述环形行波超声波电机包括转子和定子，所述第二中空转轴通过第二轴承组件转动连接于所述中空输出轴的外周，所述第二轴承组件包括至少一个轴承，所述转子设置在所述第二中空转轴底部边缘外侧，所述定子设置在所述壳体的底部与所述转子相配合的位置；

所述动力切换装置包括至少两组连接转换组件，所述连接转换组件包括金属连接轴、第一电磁连接机构和第二电磁连接机构，所述金属连接轴水平穿设于所述中空输出轴侧壁上开设的通孔内，所述第一电磁连接机构包括贯穿开设在所述第一中空转轴侧壁上的第一固定槽和设置在所述第一固定槽槽底的第一电磁铁，所述第一电磁铁内嵌有第一激光距离传感器；所述第二电磁连接机构包括贯穿开设在所述第二中空转轴侧壁上的第二固定槽和设置在所述第二固定槽槽底的第二电磁铁，所述第二电磁铁内嵌有第二激光距离传感器；所述第一固定槽和所述第二固定槽分别与所述金属连接轴的两端配合，以通过向所述第一电磁铁或所述第二电磁铁通电，使金属连接轴在第一电磁铁的吸力作用下水平横向滑动至一端与所述第一固定槽契合实现所述第一中空转轴对所述中空输出轴的传动，或在第二电磁铁的吸力作用下水平横向滑动至一端与所述第二固定槽契合，实现第二中空转轴对所述中空输出轴的传动；

所述外壳、中空输出轴、第一中空转轴和第二中空转轴均为中空圆柱体；

所述控制器与所述步进电机、环形行波超声电机、第一激光距离传感器和第二激光距离传感器信号连接。

优选的，所述动力切换装置包括对称设置的两组连接转换组件。

优选的，所述第一固定槽和所述第二固定槽槽口的内槽孔的形状与所述金属连接轴两端的形状一致，且槽口的孔径略大于内槽孔的孔径。

优选的，所述金属连接轴长度为第二中空转轴内径与第一中空转轴外径的差值。

与现有技术相比，本发明提出的高精度定位复合电机，基于步进电机和环形行波超声电机配合工作，可以实现两电机之间相互配合定位，在需要电机大行程转动的情况下，复合电机可以依靠步进电机实现大行程快速转动，完成目标定位位置的粗略定位；在需要电机精密的情况下，复合电机可以依靠环形行波超声电机完成目标定位位置的快速精密定位，环形行波超声电机连续工作时间大大缩短，拓宽了环形行波超声电机的应用场景，为大行程精密定位提供了解决方案。本发明提供的复合电机动力切换机械结构简单容易实现且重复性好，控制电路控制逻辑简单稳定性佳。在复杂作业情况下适应性强。

附图说明

图1示出了本发明的一种高精度定位的复合式电机的三维示意图；

图2示出了本发明的一种高精度定位的复合式电机的侧向剖面示意图；

图3示出了图2中A处的放大结构示意图；

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、外壳；2、中空输出轴；3、步进电机；4、第一中空转轴；5、第二中空转轴；6、控制器；7、第一轴承组件；8、第二轴承组件；9、第三轴承组件；10、转子；11、定子；12、金属连接轴；130、第一固定槽；131、第二固定槽；140、第一电磁铁；141、第二电磁铁；150、第一激光距离传感器；151、第二激光距离传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

为解决现有技术中环形行波超声电机在大行程精密定位过程中无法长时间工作问题，本发明提供了一种高精度定位的复合式电机。

如图1至图3所示，该复合式电机包括：外壳1、粗定位组件、中空输出轴2、精密定位组件、动力切换装置和控制器6；粗定位组件包括步进电机3和第一中空转轴4，步进电机3固定设置在壳体1的底部，第一中空转轴4垂直设置在步进电机3上且一端与步进电机3的输出轴连接；步进电机3用于驱动第一中空转轴4的转动，中空输出轴2通过第一轴承组件7转动连接于第一中空转轴4的外周，第一轴承组件7包括至少一个轴承；精密定位组件包括环形行波超声电机和第二中空转轴5，环形行波超声电机用于驱动第二中空转轴5转动，环形行波超声波电机包括转子10和定子11，第二中空转轴5通过第二轴承组件8转动连接于中空输出轴2的外周，第二轴承组件8包括至少一个轴承，转子10设置在第二中空转轴5底部边缘外侧，定子11设置在壳体1的底部与转子10相配合的位置；动力切换装置包括至少两组连接转换组件，连接转换组件包括金属连接轴12、第一电磁连接机构和第二电磁连接机构，金属连接轴12水平穿设于中空输出轴2侧壁上开设的通孔内，第一电磁连接机构包括贯穿开设在第一中空转轴4侧壁上的第一固定槽130和设置在第一固定槽130槽底的第一电磁铁140，第一电磁铁140内嵌有第一激光距离传感器150；第二电磁连接机构包括贯穿开设在第二中空转轴5侧壁上的第二固定槽131和设置在第二固定槽131槽底的第二电磁铁141，第二电磁铁141内嵌有第二激光距离传感器151；第一固定槽130和第二固定槽131分别与金属连接轴12的两端配合，以通过向第一电磁铁140或第二电磁铁141通电，使金属连接轴12在第一电磁铁140的吸力作用下水平横向滑动至一端与第一固定槽130契合实现第一中空转轴4对中空输出轴2的传动，或在第二电磁铁141的吸力作用下水平横向滑动至一端与第二固定槽131契合，实现第二中空转轴5对中空输出轴2的传动；为实现此目的，对金属连接轴12的长度关系有一定要求，设第一中空转轴4内径与中空输出轴2外径的差值为n，第二中空转轴5内径与第一中空转轴4内径的差值为m，金属连接轴12长度为x，则x必须符合条件：n≤x＜m。该复合式电机中外壳1、中空输出轴2、第一中空转轴4和第二中空转轴5均为中空圆柱体；控制器6与步进电机3、环形行波超声电机、第一电磁铁140、第二电磁铁141、第一激光距离传感器150和第二激光距离传感器151信号连接。

如图2所示，复合式电机还包括第三轴承组件9，第三轴承组件9设置在第二中空转轴5的外侧壁与壳体1的内侧壁之间，第三轴承组件9包括至少一个轴承，第三轴承组件9发挥支撑作用，可以使第二中空转轴5的转动更加稳定。

可选的，如图2所示，该复合式电机可采用两组对称设置的连接转换组件，以保证粗定位组件或精密定位组件对中空输出轴2的动力传输均衡稳定。

可选的，如图3所示，第一固定槽130和第二固定槽131的内槽孔的形状与金属连接轴12两端的形状一致，且槽口的孔径略大于内槽孔的孔径，使得金属连接轴12可以快速精确地嵌入第一固定槽130或第二固定槽131，与之契合。

在本实施例中，复合式电机处于粗定位工作状态时，第一电磁铁140处于通电状态，金属连接轴12的一端在第一电磁铁140的吸力作用下嵌入第一固定槽130，步进电机3处于工作状态，通过输出轴带动第一中空转轴4转动，完成粗定位。

复合式电机处于精密定位工作状态时，第二电磁铁141处于通电状态，金属连接轴12的一端在第二电磁铁141的吸力作用下嵌入第二固定槽131，环形行波超声电机处于工作状态，通过转子10和定子11的配合运动，带动第二中空转轴5转动，完成精密定位。

当复合式电机用于实现大行程精密定位时，需要重复粗定位状态向精密定位状态切换和精密定位状态向粗定位状态的切换，切换动作由控制器6控制执行，

当控制器6接收到外部输入切换信号(切换信号也可来自于程序设定)，首先判别复合式电机的中空输出轴2现在的动力来源，若动力来源来自于步进电机3，便控制步进电机3将第一中空转轴4的转动速度减速至2r/min，第二激光距离传感器151检测到金属连接轴12，控制器6立即控制步进电机3停止工作使第一中空转轴4停止转动，同时控制第一电磁铁140断电，第二电磁铁141处于通电状态，在第二电磁铁141的强大吸力左右下，金属连接轴12的一端从第一固定槽130中脱离，金属连接轴12的另一端嵌入第二固定槽131中，端面与第二电磁铁141紧密贴合。第二激光距离传感器151检测到金属连接轴12的末端移动至完全嵌入第一固定槽131中时，向控制器6发送信号，控制器6根据接受的信号，控制环形行波超声电机工作，进而带动第二中空转轴5转动，实现复合式电机由粗定位向精密定位的切换。若中空输出轴2的动力来源来自于环形行波超声电机，便控制环形行波超声电机将第二中空转轴5的转动速度减速至2r/min，第一激光距离传感器150检测到金属连接轴12，控制器6立即控制环形行波超声电机停止工作使第二中空转轴5停止转动，同时控制第二电磁铁141断电，第一电磁铁140处于通电状态，在第一电磁铁140的强大吸力左右下，金属连接轴12的一端从第二固定槽131中脱离，金属连接轴12的另一端嵌入第一固定槽130中，端面与第一电磁铁140紧密贴合。第一激光距离传感器150检测到金属连接轴12的末端移动至完全嵌入第一固定槽130中时，向控制器6发送信号，控制器6根据接受的信号，控制步进电机3工作，进而带动第一中空转轴4转动，实现复合式电机由精密定位向粗定位的切换。

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，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，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。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种高精度定位的复合式电机，其特征在于，所述复合式电机包括：外壳（1）、粗定位组件、中空输出轴（2）、精密定位组件、动力切换装置和控制器（6）；所述粗定位组件包括步进电机（3）和第一中空转轴（4），所述步进电机（3）固定设置在所述外壳（1）的底部，所述第一中空转轴（4）垂直设置在所述步进电机（3）上且一端与所述步进电机（3）的输出轴连接；所述中空输出轴（2）通过第一轴承组件（7）转动连接于所述第一中空转轴（4）的外周，所述第一轴承组件（7）包括至少一个轴承；所述精密定位组件包括环形行波超声电机和第二中空转轴（5），所述环形行波超声波电机包括转子（10）和定子（11），所述第二中空转轴（5）通过第二轴承组件（8）转动连接于所述中空输出轴（2）的外周，所述第二轴承组件（8）包括至少一个轴承，所述转子（10）设置在所述第二中空转轴（5）底部边缘外侧，所述定子（11）设置在所述外壳（1）的底部与所述转子（10）相配合的位置；所述动力切换装置包括至少两组连接转换组件，所述连接转换组件包括金属连接轴（12）、第一电磁连接机构和第二电磁连接机构，所述金属连接轴（12）水平穿设于所述中空输出轴（2）侧壁上开设的通孔内，所述第一电磁连接机构包括贯穿开设在所述第一中空转轴（4）侧壁上的第一固定槽（130）和设置在所述第一固定槽（130）槽底的第一电磁铁（140），所述第一电磁铁（140）内嵌有第一激光距离传感器（150）；所述第二电磁连接机构包括贯穿开设在所述第二中空转轴（5）侧壁上的第二固定槽（131）和设置在所述第二固定槽（131）槽底的第二电磁铁（141），所述第二电磁铁（141）内嵌有第二激光距离传感器（151）；所述第一固定槽（130）和所述第二固定槽（131）分别与所述金属连接轴（12）的两端配合，以通过向所述第一电磁铁（140）或所述第二电磁铁（141）通电，使金属连接轴（12）在第一电磁铁（140）的吸力作用下水平横向滑动至一端与所述第一固定槽（130）契合实现所述第一中空转轴（4）对所述中空输出轴（2）的传动，或在第二电磁铁（141）的吸力作用下水平横向滑动至一端与所述第二固定槽（131）契合，实现第二中空转轴（5）对所述中空输出轴（2）的传动；所述外壳（1）、中空输出轴（2）、第一中空转轴（4）和第二中空转轴（5）均为中空圆柱体；所述控制器（6）与所述步进电机（3）、环形行波超声电机、第一电磁铁（140）、第二电磁铁（141）、第一激光距离传感器（150）和第二激光距离传感器（151）信号连接。

2.根据权利要求1所述的复合式电机，其特征在于，所述动力切换装置包括对称设置的两组连接转换组件。

3.根据权利要求1所述的复合式电机，其特征在于，所述第一固定槽（130）和所述第二固定槽（131）槽口的孔径均略大于槽底的孔径。

4.根据权利要求1所述的复合式电机，其特征在于，所述金属连接轴（12）长度为第二中空转轴（5）内径与第一中空转轴（4）外径的差值。

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