CN1513641A - 电动夹具 - Google Patents

Abstract

一种有外壳的电动夹具，电动机连接到外壳，电动机经由驱动带驱动球状螺杆，球状螺杆驱动连杆的一端，这样连杆旋转连接连杆另一端的输出轴。电动机和驱动带在旋转输出轴到夹持位置的完全伸展位置与旋转输出轴到释开位置的完全收缩位置之间驱动球状螺杆。内部计算机监视并控制夹具。夹具也可以由远端附属部分监视并控制。外壳和远端附属部分上的指示灯传输夹具状态信息。夹具可编程，能够记住夹持和释开位置。夹具利用速度和位置反馈来决定适当的驱动方式。转矩监视器和计时器确定夹具是否被卡住。

Description

电动夹具

本发明是美国专利申请US09/887,293的续列申请，该申请的申请日为2001年6月22日，申请名称为电动夹具，在这里提出以供参考。

技术领域

本发明涉及动力夹具，更特别地，涉及由电动机驱动的夹具。夹具用于固定一个物件以便组装或者从一处传送到另一处的过程中将其固持。

背景技术

机器人技术和自动控制工业主要依赖于动力夹具，电动夹具用于固定象机械或电子元件这样的物体，以便那些元件可以和某一装置结合成一体或者从一个装置位置移到另一个位置。不同类型、形状和结构的夹具用于固定小到电路板大到整个汽车车体的尺寸范围内的物体。夹具可以由相对的部件组成，但更普遍的是安装到工作面上，并用一个臂将物件扣在工作面上。

目前用于自动工业的夹具大部分是气动驱动的。这主要是由于与现有同尺寸的电动夹具相比，从空气驱动夹具可以获得明显更大的动力。现有电动夹具的缺陷包括尺寸庞大、复杂，易出故障和昂贵。

发明内容

本发明创造性地设计制造了一个夹持力量大、即小又相对便宜的电动夹具。在一个实施例中，本发明的夹具包括带外壳的电动夹具、连接到外壳的电动机、经传动带由电动机驱动的球状螺杆、通过球状螺杆驱动一端的连杆，以致连杆带动连接连杆另一端的输出轴旋转。电动机和传动带在旋转输出轴到夹持位置的完全伸展位置与旋转输出轴到释开位置的完全收缩位置之间驱动球状螺杆。内建控制器控制和监视夹具。也可通过远端附属部分控制和监视夹具。外壳和远端附属部分上的指示灯传输夹具状态信息。夹具可编程，能够记忆夹持和释开位置。夹具利用速度和位置反馈来决定适当的驱动方式。转矩监视器和计时器确定夹具是否被卡住。

附图说明

为了获得并详细理解所讨论的特征、优点和本发明的目标及其它将会变得更明显的东西，参照构成说明书一部分的附图说明的实施例，可以更详细地讨论上面本发明的简述。但是要注意，附图仅仅说明了本发明的典型优选实施例，因而没有限定本发明的范围，本发明可以有其它等效的实施例。

图1是根据本发明的一个实施例构造的电动夹具的侧视图，显示处于夹持状态的夹具。

图2是图1的夹具的侧视图，但显示的夹具处于释开状态。

图3是图2的沿截面3-3的截面图。

图4是图1的夹具卸去盖子的顶视图。

图5是图1的夹具带盖子和远端附属部分的顶视图。

图6是图1的夹具的端视图。

图7是用于图1的夹具的电学示意图。

图8是根据本发明第二实施例构造的夹具的侧视图，显示夹具处于夹持状态。

图9是图8的电动夹具的驱动系统的部分等大图。

图10是根据本发明第三实施例构造的电动夹具的侧视图，显示夹具处于夹持状态。

图11是图10的夹具的侧视图，但显示夹具处于释开状态。

图12是根据本发明第4实施例构造的电动夹具的侧视图，显示夹具处于夹持状态。

图13是图12的夹具的侧视图，但显示夹具处于释开状态。

具体实施方式

图1和2图解了电动夹具10。电动夹具10有外壳12，用作安装在其内部及其上的其它结构元件的基础。外壳12保护封装的元件。外壳12可以由任何耐用的轻便材料制成，但优选金属或其它可以电接地的导电材料。理想的外壳12易于形成复杂外形，使得各种元件达到空间有效的整合。

电动夹具10还包括电动机14。电动机14是传统的安装到外壳12上的电驱动电动机，用来驱动电动机齿轮16。事实上电动机14可以是任何类型的电动机。不同的运用可以要求适合用交流电动机或者直流电动机、步进电机、感应电机、无刷电动机或其它不常用的电动机类型。直流电动机具有费用低和控制要求简单的优点，但其它需求可用其它电动机类型。越大的夹具需要越大的电动机。

电动机齿轮16在电动机14的输出轴17上，与球状螺母齿轮18(图3)啮合。球状螺母齿轮18响应电动机齿轮16连接并驱动球状螺母毂20。毂20连接并驱动球状螺母22。球状螺母22受毂20驱动转动就位时，穿过球状螺母22的螺纹轴“球状螺杆24”循球状螺母22的旋转方向而前进或后退。可以选择电动机齿轮16和球状螺母齿轮18的齿轮比，以产生一个所需的球状螺母22的转矩或者转速。从而决定球状螺杆24前进/后退的动力或速度。

球状螺杆24的一端枢轴连接到连杆26的一端。连杆26的另一端枢轴连接到连杆28的一端，夹具输出轴30坚固地连接到连杆28的另一端。夹具臂31(用虚线显示)装到夹具输出轴30上。可以根据使用者的需要连接不同尺寸的夹具臂。

在图1的实施例中，从动电机32用于产生附加转矩。从动电机32与电动机14并联以协助电动机14。两个电动机电压相同。从动电机32通过其输出轴33驱动电动机齿轮34，电动机齿轮34驱动球状螺母齿轮18，在运作上分别与电动机14、输出轴17、和电动机齿轮16一样。

图1的夹具10的基本操作中，向电动机14和32供电驱动电动机齿轮16和34。该等齿轮驱动球状螺母齿轮18，球状螺母齿轮驱动毂20。毂20旋转球状螺母22。球状螺母22驱动球状螺杆24，球状螺杆驱动连杆26和28，根据球状螺母22的旋转方向，使夹具输出轴30转到完全夹持位置(图1)或者完全释开位置(图2)。

图2显示了一个可选择的、连接到从动电机32的电动机轴33上的制动器37，它可用于停止从动电机32，因而停止夹具10的运动。如果使用旋转惯性高或非常重的大夹具臂，会需要制动器37。在那种情况下，即使没有通电，惯性或力矩也会导致夹具10向夹持或释开位置运动。制动器37防止这种偏移。

虽然上述结构元件充分描述了夹具10的基本构型和操作，但还有很多增加其功能的其他元件。编码器38装到电动机14上。图1所示的编码器38连接电动机14的电动机轴17。编码器38提供位置反馈的电动机角度信息。电动机角度信息说明电动机14已经从夹持或释开位置旋转了多远，因而决定了夹具臂31的位置。可以使用绝对式或增量式编码器，也可以使用其它类型的电动机位置传感器，例如分解器。

球状螺母22由止推轴承40支撑。止推轴承40安装在外壳12和球状螺母22之间，承受在夹持过程中产生的止推负载。类似的，球状螺杆24由支撑轴承42支撑。轴承42安装在外壳12和球状螺杆24之间，防止在极端负载情况下横向负载被传送到球状螺杆24。与护圈环44相联的轴承42也充当防止润滑油从连杆26、28进入球状螺母22附近的屏障。

止动套环46可调整地安装到球状螺杆24上，一旦止动套环46与轴承42接触，就实质上阻碍了球状螺杆24的进一步收缩。该特征有助于防止夹具10开得太大。当夹具10附近的物件干涉到夹具10运动的整个范围时，特别是使用较长的夹具臂时，通常需要有所限制。

图4显示了附着于从动电机32的电动机轴上的拇指轮48。轮48允许不用电可以移动夹具10。当没有电能可用时这是有用的，例如在初始安装期间，或者当驱动控制电子装置(下面将说明)失效时。当夹具10被严重卡住或电子装置本身失效时就会如此。如图5所示，通常轮48受到入口盖50的遮蔽和保护。

图5也示出了夹具按钮52和54。按钮52、54分别允许使用者驱动夹具10到夹持或释开位置。产生的运动在两个方向上相对缓慢，只有按钮被压下时才可移动夹具10。按钮52、54位于盖板58的凹进部分56(图1)。凹进部分56被盖住，以防止污染物渗透和按钮52、54的不慎启动。需要指定的工具如螺丝起子来开动按钮52、54。

状态灯62、64也位于盖板58上。夹持状态灯62变亮时表示夹具10非常靠近程控夹持位置。(可编程的方面下面讨论)。类似的，当夹具10非常靠近程控释开位置时，释开状态灯64亮着。另外，在外壳12内的控制电路板68(图2)上有指示灯66(图6)。指示灯66通过窗口70(图1)可以看到，提供给操作者夹具10的操作状态的信息。

首先通过控制电缆72(图6)供电给夹具10，控制电缆固定到盖板58上，并与外壳12内的电子装置的电线束电连接。电力可以是直流电、交流电、24伏特或48伏特，优选实施例使用24伏特直流电。可以使用更高电压，如110或220交流电压，但由于顾及安全，通常不能接受。通过外部电源提供的电力典型的电流量足够供给几个夹具用。

其它电信号，如来自使用者的指令信号或夹具状态信号，也通过控制电缆72传送。外壳12内的电子装置包括控制电路板68(图1)。控制板68有控制夹具10所需的电路。

图7概念性地显示了电子元件，包括控制板68。电源状态器74用于供给控制板68清晰的5伏特和15伏特直流电信号。装在控制板68上的CPU76控制夹具10的动作的各个方面。CPU76包括计时器、计数器、输入输出端口、存储器组件、和用于调整运动规则、错误矫正、状态告示、测试显示、极限调节和按钮控制的可编程指令。指示灯66连接CPU76。

夹具10的外壳12的外部有按钮79、81、83、85，在CPU76接到夹持或释开的指令时，容许使用者调整CPU76将要求电动机移到的位置。也有一个按钮78，当电动机停转时使CPU76试探并记住基于此的夹持位置。这是比通过使用按钮79、81、83、85更快的设定程控夹持位置的方式。所有这些按钮78、79、81、83、85和夹持/释开按钮52、54都呈示在图7中。

CPU76控制电动机驱动电路80和启动电路82。电路80、82供应驱动电流到从动电机32和电动机14。因为电动机驱动电路80易被逻辑上不协调的电输入损坏，所以用启动电路82独立确保符合逻辑的电输入。如果电流监视器84检测到过电流，例如发生夹具停止或卡住，就会阻止电动机驱动电路80的输出。使用者可以使用过流电路86设定过流限值。

上述所有使用者界面也可以在远端附属部分88中看到(图5)。这样，远端附属部分88使得使用者可以在距夹具10一段距离的地方操作夹具10。如果夹具10被深深地放置在自动控制工具中从而使得界面难以看到，这是有用的。在远端附属部分88上可以看到与指示灯66等效的灯90，所以可以观察到夹具状态信息。远端附属电源91(图5)通过远端附属部分88经由盖板58上的连接器93供电到夹具10。如果不能用常规电源，这是有用的，在建立自动控制系统的早期经常出现这种情况。使用远端附属部分88，按钮92、94、96、98、100、102和104与按钮78、54、52、85、83、81和79的功能分别相同。

用于自动工业的夹具通常与其他数百夹具联合使用，每个夹具按照仔细设计的方式执行特定的功能。中央控制器经常在适当的时间向各个夹具发出命令来控制多数夹具。夹具10通过界面106(图7)接收这种外部控制指令。典型的是用光频隔离器108将夹具10与外部控制器隔离，然而，也可以用简单的灯或者发光二极管(LEDs)。灯或发光二极管可以传达必要的状态信息，如夹持、释开或故障状态。这种信号也可以被传到中央控制器。

现在参照图8，描写了本发明的一个替换实施例的夹具210。和前面的实施例一样，除了夹具臂231和远端附属部分(未示出)，夹具210的元件完全设置在它的外壳212里面。夹具210与图1和2的夹具10之间的不同之处主要是夹具210利用了传动带驱动组件201(图9)。这样，夹具210与夹具10非常类似，但在本发明的这个实施例中，传动带驱动组件201代替了图1-3所示的夹具10的齿轮-齿轮直接驱动组件。传动带驱动组件201使用了至少一个驱动链齿轮(示出两个：216，234)、一个驱动带207和一个中心链齿轮218。链齿轮216、234和218有与驱动带207内槽啮合的外齿。驱动链齿轮216、234啮合并驱动带207，跟着驱动中心链齿轮218。链齿轮216、234安装到驱动轴217、233，驱动轴分别由电动机214、232延伸出来。这些元件类似或等同于上述实施例描述的驱动轴17、33和电动机14、32。

为保持适当的分离，链齿轮216、234在径向上分开足够间隔(相对于它们的旋转轴)，以便不与中心链齿轮218直接接触，中心链齿轮设置在链齿轮216、234的中间。中心链齿轮218被安装到并驱动具有内螺纹的球状螺母毂220。随着球状螺母毂220由中心链齿轮218旋转，球状螺杆224循球状螺母222的旋转方向前进或者后退。球状螺杆224是穿过球状螺母毂220的螺纹轴，用另一种方式产生与上述球状螺杆24相同的作用。选择链齿轮216、234、218和带207的齿数比来产生所需的球状螺母毂220转矩或者转速，决定球状螺杆224前进/后退的力量和速度。除了带驱动组件201使用和操作的元件，夹具210应用了与前面讨论的实施例相同的元件和相同的方式，例如，电动机214上的传感器或编码器238。球状螺杆224连接到连杆226以操作输出轴230和夹具臂231。

现在参照图10和11，描写了本发明的第三实施例的电夹具310。电夹具310有外壳312和完全封装在外壳312内的其它数个元件包括引导螺杆324。夹具310与前面的实施例在很多方面类似，但是主要在操纵输出轴330和夹具臂331的方式上不同。特别地，夹具310使用单一电动机314来使穿过电动机314轴向延伸的引导螺杆324前进或者后退，电动机314优选线性驱动器。因此，不需要分开的球状螺母毂或球状螺母。

引导螺杆324穿过如连杆326和活塞333等元件连接到输出轴330上。活塞333安装到位于外壳312内的腔335内。在该例中，活塞和腔并不是在常规意义上一定处于密封关系。而且这几个术语用来表示元件之间的相对运动，即允许活塞于腔内轴向移动的同时，通过腔实质限制活塞的径向运动。该实施例表示电动机314、引导螺杆324和活塞333是同轴的。活塞333连接到引导螺杆324和输出轴330上，这样由电动机314驱动的引导螺杆324的轴向运动驱动活塞333在腔335内轴向移动，通过一系列运动移动输出轴330和夹具臂331。前面讨论的用于前面实施例联合的其它元件同样可被夹具310使用。在本发明的实施例中，电动夹具310的控制电路368位于外壳312的上部。

现在参照图12和13，描写了本发明第四实施例的电动夹具410。夹具410利用了很多前面实施例的元件和特征，包括外壳412和带驱动轴417的电动机414，驱动轴绕着轴旋转。在本描写实施例中，电动机414安装到外壳412的外部，驱动轴417穿进外壳412。螺旋连接器415安装到驱动轴417，并连接球状螺母毂(未示出)。球状螺杆424穿过球状螺母毂轴向延伸，以便球状螺母424通过球状螺母毂的旋转而轴向前进和后退。球状螺杆424完全封装于外壳412内。外壳412也包括一个和驱动轴417同轴的腔435。活塞433位于腔435内，活塞433连接球状螺杆424，以便球状螺杆424由电动机414引起的运动在腔435内轴向移动活塞433。

输出轴430也安装到外壳412上。输出轴430有连接到活塞433以随其运动的连杆426和可移动元件(夹具臂431)的安装部分，安装部分使得可移动元件至少部分地从外壳412伸出，并在夹持和释开位置之间移动夹具臂431。和上面讨论的实施例一样，夹具410也有位于外壳412上部内以控制电动机414的控制电路468和传感器438，例如编码器，它提供信号给控制电路，指示夹具臂431的当前位置。传感器438经由一组齿轮444连接到驱动轴417，提供给控制电路的信号是驱动轴417旋转位置的指示。夹具410进一步包括与上面讨论的相同的远端附属部分(未示出)。

本发明相对于现有技术有很多优点。内部安装控制夹具的电器组件是一个明显的优点。符合工业尺寸标准的同时，使用两个电动机串联是个新的有用的安排以制造一个动力更大的电动夹具。远端附件提供的远程控制是另一个新的优点，在用不到正常电力时，通过远端附属部分提供能够驱动夹具的电力。为了更聪明、更易于改变控制，使用编码器而不用限制开关。使用拇指轮能够手动移动夹具，使得可以快速矫正卡住或控制状态不正常。对夹持和释开位置进行编程的能力是新的有用的，当感觉到被卡住后，有能力使用软件命令夹具停止。夹具可自动识别编程的夹持和释开位置，如果需要的话，允许使用者微调那些位置。

虽然参照优选的和替换的实施例已经部分披露和探讨了本发明，但是本领域普通技术人员可以理解，在没有脱离本发明的精神和范围的情况下，形式和细节可作各种变化。

Claims (18)

1.一种电动夹具，包含：

一外壳；

至少一个安装到外壳上的电动机，电动机有一驱动轴，一驱动链齿轮连接驱动轴以随其旋转；

一与驱动链齿轮径向隔开的中心链齿轮；

一在驱动链齿轮和中心链齿轮之间啮合并延伸的驱动带；

一安装到中心链齿轮以随其旋转的球状螺母毂；

一穿过球状螺母毂轴向延伸的球状螺杆，该球状螺杆循球状螺母毂的旋转而前进和后退，其中球状螺杆完全封装在外壳内；

一输出轴和一连接球状螺杆至输出轴的连杆，所述输出轴有一为可移动元件的安装部分，允许可移动元件从外壳至少部分伸出；和

一位于外壳内控制至少一个电动机的控制电路。

2.如权利要求1的电动夹具，其中至少一个电动机包含一对电机，每个电机有一驱动轴和一驱动链齿轮，其中中心链齿轮位于驱动链齿轮之间。

3.如权利要求1的电动夹具，还包括一连接到输出轴并从外壳至少部分伸出的的夹具臂。

4.如权利要求3的电动夹具，还包括一提供信号给控制电路指示夹具臂当前情况的传感器。

5.如权利要求1的电动夹具，还包括一固定连接至少一个电动机的驱动轴的拇指轮，该拇指轮可从外壳的外部使用，以手动旋转驱动轴。

6.如权利要求1的电动夹具，还包括一由远端附属控制电缆连接到外壳并电连接到控制电路上的远端附属部分。

7.如权利要求1的电动夹具，还包括一个或多个安装到外壳上的电开关，致动发动电机向夹持位置和释开位置中的至少一个位置驱动输出轴。

8.一种电动夹具，包含：

一外壳；

一安装到外壳的电动机；

一穿过电动机轴向延伸的引导螺杆，该引导螺杆由电动机驱动而前进和后退，电动机和引导螺杆同轴，其中引导螺杆完全封装在外壳内；

一输出轴和一连接引导螺杆至输出轴的连杆，所述输出轴有一为可移动元件的安装部分，允许可移动元件从外壳至少部分伸出；和

一位于外壳内以控制电动机的控制电路。

9.如权利要求8的电动夹具，还包括一连接输出轴并从外壳至少部分伸出的夹具臂。

10.如权利要求9的电动夹具，还包括一提供信号给控制电路指示夹具臂当前位置的传感器，传感器包括一编码器，其中提供给控制电路的信号指示电动机的转动位置。

11.如权利要求8的电动夹具，其中连杆还包括一安装在外壳内的腔里的活塞，该活塞连接引导螺杆和输出轴，电动机驱动的引导螺杆的运动在腔内轴向移动活塞，移动输出轴通过一个移动范围。

12.如权利要求8的电动夹具，还包括一由远端附属控制电缆连接到外壳上并电连接到控制电路上的远端附属部分。

13.如权利要求8的电动夹具，还包括一个或多个安装到外壳上的电开关，致动发动电机向夹持位置和释开位置中的至少一个位置驱动输出轴。

14.一种电动夹具，包含：

一外壳；

一安装到外壳上的电动机，电动机具有带轴的驱动轴；

一连接驱动轴以随其旋转的球状螺母毂；

一穿过球状螺母毂轴向延伸的球状螺杆，该球状螺杆循球状螺母毂的旋转而前进和后退，其中球状螺杆完全封装在外壳内；

一位于外壳内并与驱动轴同轴的腔；

一位于腔内的活塞，该活塞连接球状螺杆，电动机驱动的球状螺杆的运动使得活塞在腔内轴向移动；

一具有连杆的输出轴，连杆连接到活塞以随其运动，一为可移动元件的安装部分，允许可移动元件从外壳至少部分延伸；和

一位于外壳内控制至少一个电动机的控制电路。

15.如权利要求14的电动夹具，还包括一连接到输出轴并从外壳至少部分伸出的夹具臂。

16.如权利要求15的电动夹具，还包括一提供信号给控制电路指示夹具臂当前情况的传感器。

17.如权利要求14的电动夹具，还包括一由远端附属控制电缆连接到外壳上并电连接到控制电路的远端附属部分。

18.如权利要求14的电动夹具，还包括一个或多个安装到外壳上以致动发动电机向夹持位置和释开位置中的至少一个位置驱动输出轴的电开关。

Images