CN113315331B - 一种用于z轴的二自由度电机及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于Z轴的二自由度电机及其装配方法，该电机包括竖直设置的空心轴、由上到下依次套设在空心轴上的直线部环磁体和旋转部筒形磁轭，以及周向排布在旋转部筒形磁轭外侧壁上的多个旋转部磁条；直线部环磁体设有多个且彼此首尾相接，多个旋转部磁条所围成的圆筒结构的外径与直线部环磁体的外径相同；还包括驱动旋转部磁条旋转的旋转部定子绕组、驱动直线部环磁体移动的直线部定子绕组，和分别设于空心轴两端以供其旋转和轴向滑动的两轴座，以及用以固定旋转部定子绕组和直线部定子绕组的筒状机壳；本发明通过将直线和旋转运动部件集成到一体，使直线旋转电机的结构更加紧凑，同时实现旋转和直线运动。

Description

一种用于Z轴的二自由度电机及其装配方法

技术领域

本发明涉及电机驱动技术领域，特别涉及一种用于Z轴的二自由度电机及其装配方法。

背景技术

直线旋转电机由于能实现直线运动和旋转运动，被广泛应用于工业生产中，但是现有的直线旋转电机多为分离式布局，分离式直线旋转电机将直线电机与旋转电机通过轴连器类的机械结构组合，以传动的方式完成直线或旋转运动，内部和外部的结构都很复杂，而且体积较大，不止如此，大多数都仅仅形似二自由度电机，但实质上并不具备旋转和直线同步进行的功能，在旋转的时候直线部分停机，在直线运动的时候旋转部分停机，在本质上由两个电机组成，这种布局的电机负载较大。

而另外一些而自由度电机虽然将旋转部分和直线部分嵌合在一起，但是这又将导致两部分之间的连接需要很多零部件来连接，而且旋转和直线部分两者之间还会产生很大的耦合，加大了控制定位的难度，对于控制精度的干扰也会随之加大，而且对制造加工的难度也很大，特别是在装配时，内部复杂交错的结构对于安装精度的要求非常高，这导致组装效率很低，进而导致销售价格居高不下，此便是影响目前市面上的二自由度电机价格高昂的原因之一，此外由于高精度加工的要求也会导致不良品返货率居高不下，不利于企业的生产经营。

鉴于此，本领域亟需一种新的二自由度电机以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于Z轴的二自由度电机及其装配方法,该用于Z轴的二自由度电机及其装配方法可以很好地解决上述问题。

为达到上述要求本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种用于Z轴的二自由度电机，包括竖直设置的空心轴、由上到下依次套设在所述空心轴上的直线部环磁体和旋转部筒形磁轭，以及周向排布在所述旋转部筒形磁轭外侧壁上的多个旋转部磁条；所述直线部环磁体设有多个且彼此首尾相接，装配到位时，多个所述旋转部磁条所围成的圆筒结构的外径与所述直线部环磁体的外径相同；还包括驱动所述旋转部磁条旋转的旋转部定子绕组、驱动所述直线部环磁体移动的直线部定子绕组，和分别设于所述空心轴两端以供其旋转和轴向滑动的两轴座，以及用以固定所述旋转部定子绕组和所述直线部定子绕组的筒状机壳；两所述轴座分别与所述筒状机壳的两端可拆卸连接，所述旋转部磁条和所述旋转部筒形磁轭的轴向长度相同，所述旋转部筒形磁轭的轴向长度大于所述旋转部定子绕组的轴向长度，装配到位时，所述旋转部定子绕组与所述直线部定子绕组之间留有缓冲腔。。

本发明所述的用于Z轴的二自由度电机，其中，所述空心轴的有效行程为多个所述直线部环磁体的轴向总长度与所述直线部定子绕组的轴向长度的差值。

本发明所述的用于Z轴的二自由度电机，其中，所述空心轴上设有定位所述直线部环磁体和所述旋转部筒形磁轭的定位件，所述定位件设有两个且分别位于所述直线部环磁体和所述旋转部筒形磁轭彼此背离的一侧。

本发明所述的用于Z轴的二自由度电机，其中，所述轴座包括供所述空心轴轴向滑动的轴套，和固定套设在所述轴套上的轴承，以及固定所述轴承的外圈的端盖；所述端盖与所述筒状机壳可拆卸连接。

本发明所述的用于Z轴的二自由度电机，其中，所述空心轴的外侧壁上轴向设置有导向槽，所述轴套的内侧壁上设有配合所述导向槽的导向条。

本发明所述的用于Z轴的二自由度电机，其中，所述筒状机壳内设有识别所述直线部环磁体轴向移动的位置的第一识别组件，以及识别所述空心轴的旋转角度的第二识别组件。

本发明所述的用于Z轴的二自由度电机，其中，所述空心轴上位于旋转部筒形磁轭和直线部环磁体相背离的一侧均设有防撞缓冲件。

还提供一种用于Z轴的二自由度电机的装配方法，该方法包括以下步骤：

第一步：将固定于筒状机壳上的直线部定子绕组与旋转部定子绕组自筒状机壳的两端装入并到位，进一步将设于筒状机壳内的第一识别组件固定在直线部定子绕组背离旋转部定子绕组的一端上；

第二步：将位于空心轴上的两定位件中其一装到空心轴一端上，依次将旋转部筒形磁轭和直线部环磁体装到空心轴上，将旋转部磁条固定在旋转部筒形磁轭上，进一步将另一个定位件装到空心轴另一端上使旋转部定子绕组和直线部定子绕组紧贴；

第三步：将组装好的空心轴穿过筒状机壳使旋转部筒形磁轭和直线部环磁体分别到位，将设于筒状机壳内的第二识别组件固定在轴座上，进一步将两轴座固定在筒状机壳两端。

本发明的有益效果在于：本发明公开一种用于Z轴的二自由度电机，直线部环磁体和直线部定子绕组形成直线运动部，旋转部筒形磁轭和旋转部磁条以及旋转部定子绕组形成旋转运动部，通过将直线部环磁体和旋转部筒形磁轭以及旋转部磁条通过空心轴集成到一体，空心轴直接作为旋转运动部和直线运动部的动子进行旋转和直线运动，进而同时实现直线旋转复合式运动，其内部结构更加紧凑且简洁，相对传统轴连器直线旋转电机直线和旋转负载更小，稳定性更强，直线运动部和旋转运动部之间耦合更小，动态响应更快，更加便于控制，而且旋转运动部和直线运动部采用串接的方式设置在空心轴上，两部分之间不需要专门的连接结构连接，降低了组装和加工的难度，对于加工误差的调整以及装配也极其方便，同时也限制了动子的直径过大，大大减小了动子的停机或开机惯量，使得动态响应性能进一步提升，此外将直线运动部和旋转运动部的绕组作为定子设置在筒状机壳上，将直线部环磁体和旋转部磁条以及旋转部筒形磁轭作为动子旋转，动子运动的整个过程不需要电的接入，不会产生火花和电刷磨损等问题，使用寿命长，在后期维护工作中只需要将轴座与筒状机壳拆卸开即可轻松拆卸，完成拆卸的步骤简单易操作，组装时也是如此，大大提升了生产效率，同时也降低了时间和劳动力成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图：

图1是本发明用于Z轴的二自由度电机的整体结构爆炸图。

图2是本发明用于Z轴的二自由度电机的正面图。

图3是图2的等轴测剖视图。

图4是本发明用于Z轴的二自由度电机的背面图。

图5是图4的等轴测剖视图。

图6是图5的局部放大图。

图7是本发明用于Z轴的二自由度电机的装配方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明较佳实施例的用于Z轴的二自由度电机，如图1-6所示，包括竖直设置的空心轴1、由上到下依次套设在空心轴1上的直线部环磁体2和旋转部筒形磁轭3，以及周向紧凑排布在旋转部筒形磁轭3外侧壁上的多个旋转部磁条4；直线部环磁体2设有多个且彼此首尾相接，装配到位时，多个旋转部磁条4所围成的圆筒结构的外径与直线部环磁体2的外径相同；还包括驱动旋转部磁条4旋转的旋转部定子绕组5、驱动直线部环磁体2旋转的直线部定子绕组6，和分别可拆卸设于空心轴1两端以供其旋转和轴向滑动的两轴座7，以及用以固定旋转部定子绕组5和直线部定子绕组6的筒状机壳8，具体的，筒状机壳8的侧壁上设有固定孔18和走线孔19；本电机混合了直线伺服电机系统100，旋转伺服电机系统200和磁弹簧系统300三种结构，通过直线部环磁体2和直线部定子绕组6形成直线运动部，以对应直线伺服电机系统100，旋转部筒形磁轭3和旋转部磁条4以及旋转部定子绕组5形成旋转运动部，以对应旋转伺服电机系统200，通过将直线部环磁体2和旋转部筒形磁轭3以及旋转部磁条4通过空心轴1集成到一体，空心轴1直接作为旋转运动部和直线运动部的动子进行旋转和直线运动，进而同时实现直线旋转复合式运动，其内部结构更加紧凑且简洁，相对传统轴连器直线旋转电机直线负载更小，稳定性更强，直线运动部和旋转运动部之间耦合更小，动态响应更快，更加便于控制，而且旋转运动部和直线运动部采用串接的方式设置在空心轴1上，两部分之间不需要专门的连接结构连接，降低了组装和加工的难度，对于加工误差的调整以及装配也极其方便，同时也限制了动子的直径过大，大大减小了动子的停机或开机惯量，使得动态响应性能进一步提升，此外将直线运动部和旋转运动部的绕组作为定子设置在筒状机壳8上，将直线部环磁体和旋转部磁条以及旋转部筒形磁轭作为动子旋转，动子运动的整个过程不需要电的接入，不会产生火花和电刷磨损等问题，使用寿命长，在后期维护工作中只需要将轴座7与筒状机壳8拆卸开即可轻松拆卸，完成拆卸的步骤简单易操作，组装时也是如此，大大提升了生产效率，同时也降低了时间和劳动力成本。

其中，旋转部磁条4和旋转部筒形磁轭3的轴向长度相同，旋转部筒形磁轭3的轴向长度大于旋转部定子绕组5的轴向长度，以保证直线运动部动作时旋转运动部依然可以同步动作，避免旋转运动部的动子和定子脱磁，此外，旋转部磁条4的轴向长度大于旋转部定子绕组5的轴向长度还可以保证二者之间磁吸力足够强，起到在电机断电停机的时候将整个空心轴组件形成的动子悬浮起来的作用，进而形成磁弹簧系统300，避免停机或者意外断电时空心轴组件自由下落与其他结构发生碰撞，装配到位时，旋转部定子绕组5与直线部定子绕组6之间留有缓冲腔9，缓冲腔9的轴向长度至少大于空心轴1的轴向行程，以避免直线运动部和旋转运动部各自的动子进入到对方的定子内，进而产生磁通干扰，导致双方的运动产生互相影响

优选的，空心轴1的有效行程为多个直线部环磁体2的轴向总长度与直线部定子绕组6的轴向长度的差值，一般的，直线部环磁体2设有四个，以保证直线运动部的运动行程的同时使得占用空间更小，此外，空心轴1的轴向行程可根据不同数量的直线部环磁体2的数量来限定。

优选的，空心轴1上设有定位直线部环磁体2和旋转部筒形磁轭3的定位件10，定位件10设有两个且分别位于直线部环磁体2和旋转部筒形磁轭3彼此背离的一侧。

优选的，轴座7包括供空心轴1轴向滑动的轴套71，和固定套设在轴套71上的轴承72，以及固定轴承72的外圈的端盖73；端盖73与筒状机壳8可拆卸连接，以方便维修组装工作的进行，同时也方便分体加工各个零部件。

优选的，空心轴1的外侧壁上轴向设置有导向槽11，轴套71的内侧壁上设有配合导向槽11的导向条12，以进一步提升空心轴1在直线运动的时候轴向稳定性。

优选的，筒状机壳8内设有识别直线部环磁体2轴向移动的位置的第一识别组件13，以及识别空心轴1的旋转角度的第二识别组件14，具体的，第一识别组件13采用非接触类的位置传感器，第二识别组件14同理，具体采用磁性位置传感器，此外，也可采用其他可对空心轴1的位置进行位移信息采集的传感器，比如光电位置传感器，本方案优选选择第一识别组件为磁性直线运动传感器，第二识别组件14为常规的旋转编码器，进一步的，旋转编码盘设置在空心轴1下端的端盖73上，为了保护旋转编码盘，位于空心轴1下端的轴套71上设有防护盘15，旋转编码器设置在防护盘15的下方。

优选的，空心轴1上位于旋转部筒形磁轭3和直线部环磁体2相背离的一侧均设有防撞缓冲件16，具体的，两防撞缓冲件16分别设置在两定位件10相背离的一端上，防撞缓冲件16和定位件10可一体设置也可分体设置，可根据实际情况选择不同的设置方式，作为更优选的，本方案采用一体设置。

本发明较佳实施例的一种用于Z轴的二自由度电机的装配方法，如图7所示，该方法包括以下步骤：

第一步S10：将固定于筒状机壳上的直线部定子绕组与旋转部定子绕组自筒状机壳的两端装入并到位，进一步将设于筒状机壳内的第一识别组件固定在直线部定子绕组背离旋转部定子绕组的一端上；

第二步S20：将位于空心轴上的两定位件中其一装到空心轴一端上，依次将旋转部筒形磁轭和直线部环磁体装到空心轴上，将旋转部磁条固定在旋转部筒形磁轭上，进一步将另一个定位件装到空心轴另一端上使旋转部定子绕组和直线部定子绕组紧贴；

第三步S30：将组装好的空心轴穿过筒状机壳使旋转部筒形磁轭和直线部环磁体分别到位，将设于筒状机壳内的第二识别组件固定在轴座上，进一步将两轴座固定在筒状机壳两端。

本方案结构排布合理更优化，配合上述装配方法便可使得生产制造过程简单易操作，不管是对于制造精度或是装配精度的要求都降低了至少两个数量级，大大提高了生产效率，相对应的也减少了企业的生产成本。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于Z轴的二自由度电机，其特征在于，包括竖直设置的空心轴、由上到下依次套设在所述空心轴上的直线部环磁体和旋转部筒形磁轭，以及周向排布在所述旋转部筒形磁轭外侧壁上的多个旋转部磁条；所述直线部环磁体设有多个且彼此首尾相接，装配到位时，多个所述旋转部磁条所围成的圆筒结构的外径与所述直线部环磁体的外径相同；还包括驱动所述旋转部磁条旋转的旋转部定子绕组、驱动所述直线部环磁体移动的直线部定子绕组，和分别设于所述空心轴两端以供其旋转和轴向滑动的两轴座，以及用以固定所述旋转部定子绕组和所述直线部定子绕组的筒状机壳；两所述轴座分别与所述筒状机壳的两端可拆卸连接，所述旋转部磁条和所述旋转部筒形磁轭的轴向长度相同，所述旋转部筒形磁轭的轴向长度大于所述旋转部定子绕组的轴向长度，装配到位时，所述旋转部定子绕组与所述直线部定子绕组之间留有缓冲腔。

2.根据权利要求1所述的用于Z轴的二自由度电机，其特征在于，所述空心轴的有效行程为多个所述直线部环磁体的轴向总长度与所述直线部定子绕组的轴向长度的差值。

3.根据权利要求1所述的用于Z轴的二自由度电机，其特征在于，所述空心轴上设有定位所述直线部环磁体和所述旋转部筒形磁轭的定位件，所述定位件设有两个且分别位于所述直线部环磁体和所述旋转部筒形磁轭彼此背离的一侧。

4.根据权利要求1所述的用于Z轴的二自由度电机，其特征在于，所述轴座包括供所述空心轴轴向滑动的轴套，和固定套设在所述轴套上的轴承，以及固定所述轴承的外圈的端盖；所述端盖与所述筒状机壳可拆卸连接。

5.根据权利要求4所述的用于Z轴的二自由度电机，其特征在于，所述空心轴的外侧壁上轴向设置有导向槽，所述轴套的内侧壁上设有配合所述导向槽的导向条。

6.根据权利要求1所述的用于Z轴的二自由度电机，其特征在于，所述筒状机壳内设有识别所述直线部环磁体轴向移动的位置的第一识别组件，以及识别所述空心轴的旋转角度的第二识别组件。

7.根据权利要求1所述的用于Z轴的二自由度电机，其特征在于，所述空心轴上位于旋转部筒形磁轭和直线部环磁体相背离的一侧均设有防撞缓冲件。

8.一种用于Z轴的二自由度电机的装配方法，根据权利要求1-7任意一项所述的用于Z轴的二自由度电机，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第一步：将固定于筒状机壳上的直线部定子绕组与旋转部定子绕组自筒状机壳的两端装入并到位，进一步将设于筒状机壳内的第一识别组件固定在直线部定子绕组背离旋转部定子绕组的一端上；

第二步：将位于空心轴上的两定位件中其一装到空心轴一端上，依次将旋转部筒形磁轭和直线部环磁体装到空心轴上，将旋转部磁条固定在旋转部筒形磁轭上，进一步将另一个定位件装到空心轴另一端上使旋转部定子绕组和直线部定子绕组紧贴；

第三步：将组装好的空心轴穿过筒状机壳使旋转部筒形磁轭和直线部环磁体分别到位，将设于筒状机壳内的第二识别组件固定在轴座上，进一步将两轴座固定在筒状机壳两端。

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