PL249167B1

PL249167B1 - Linear actuator with reduced number of degrees of freedom

Info

Publication number: PL249167B1
Application number: PL447052A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Dębowski; Elżbieta Jarzębowska; Adam Chełchowski
Original assignee: Wojskowa Akademia Techniczna Im. Jarosława Dąbrowskiego; Politechnika Warszawska
Priority date: 2023-12-11
Filing date: 2023-12-11
Publication date: 2026-03-09
Also published as: PL447052A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest siłownik liniowy o zmniejszonej liczbie stopni swobody, składający się ze stojana będącego korpusem (1) silnika krokowego, którego częścią są uzwojenia cewek (2), w którym to korpusie (1) umieszczony jest wirnik (8) zintegrowany z nakrętką (12), połączoną gwintowo ze śrubą pociągową (5), gdzie śruba pociągowa (5) zawiera kanał prowadzący (11), wewnątrz którego umieszczony jest trzpień prowadzący (6) osadzony w nakrętce i połączony z nią mechanicznie na stałe; wirnik (8) jest podparty na łożyskach (7) oraz (9), a przestrzeń w której się znajduje jest zamknięta pokrywami (3) i (10) oraz nakrętką (4) do kasowania luzu łożyska (7).The subject of the application is a linear actuator with a reduced number of degrees of freedom, consisting of a stator being the body (1) of a stepper motor, part of which are coil windings (2), in which the body (1) is placed a rotor (8) integrated with a nut (12) threadedly connected to a lead screw (5), wherein the lead screw (5) comprises a guide channel (11) inside which is placed a guide pin (6) mounted in the nut and mechanically permanently connected to it; the rotor (8) is supported on bearings (7) and (9), and the space in which it is located is closed by covers (3) and (10) and a nut (4) for eliminating the clearance of the bearing (7).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest siłownik liniowy typu non-captive o zmniejszonej liczbie stopni swobody.The subject of the invention is a non-captive linear actuator with a reduced number of degrees of freedom.

Wynalazek należy do dziedziny techniki inżynieria mechaniczna.The invention belongs to the technical field of mechanical engineering.

Wynalazek rozwiązuje problem techniczny, którym jest konieczność unieruchamiania ruchu obrotowego śruby, aby możliwy był ruch liniowy śruby.The invention solves the technical problem of having to immobilize the rotational movement of the screw in order to enable the linear movement of the screw.

Ze stanu techniki znany jest wzór użytkowy W.112056 dotyczący elektromechanicznego siłownika liniowego, który zawiera silnik elektryczny, śrubę napędową połączoną z jego wałem oraz suwak w postaci rury współosiowo osadzonej elementem nagwintowanym na śrubie napadowej, charakteryzujący się tym, że suwak jest na końcu zamknięty i wypełniony substancją smarną.The prior art includes utility model W.112056 relating to an electromechanical linear actuator that comprises an electric motor, a drive screw connected to its shaft and a slider in the form of a tube coaxially mounted with a threaded element on the drive screw, characterized in that the slider is closed at the end and filled with a lubricant.

Z amerykańskiego patentu US6603229 znany jest siłownik liniowy z gwintowaną tuleją mocującą, niewypadającą śrubą pociągową i regulacją napięcia wstępnego sprężyny zawierający: przednie i tylne elementy blokujące, stojan wirnika, posiadając odpowiednio łożyska osadzone czopowo we wnękach utworzonych w wewnętrznych powierzchniach elementów blokujących, tuleję chwytającą, której bliższy koniec jest gwintowany włożony we wnękę utworzoną w zewnętrznej powierzchni przedniego elementu blokującego. Wszystkie powyższe elementy są ustawione współosiowo, aby umożliwić wprowadzenie przez nie śruby pociągowej.US patent US6603229 discloses a linear actuator with a threaded mounting sleeve, a captive lead screw, and a spring preload adjustment, comprising: front and rear locking elements, a rotor stator having bearings journaled in recesses formed in the inner surfaces of the locking elements, and a gripping sleeve whose proximal end is threaded and inserted into a recess formed in the outer surface of the front locking element. All of the above elements are coaxially arranged to allow insertion of a lead screw therethrough.

Znany jest jeszcze wynalazek US2010308671 będący silnikiem z siłownikiem liniowym obejmującym zespół wirnika, który ma wkładkę uformowaną w niemagnetycznej tulei poprzez wiele otworów, która jest powstrzymywana przed obracaniem się w niemagnetycznej tulei przez co najmniej jeden otwór rozmieszczony wzdłuż długości niemagnetycznej tulei. Tuleja magnetyczna, która odpowiada co najmniej jednemu występowi utworzonemu przez uformowany materiał wkładki i zespół stojana mający wiele symetrycznych i wymiennych magnetycznych płytek biegunowych. Każda z wielu płytek nabiegunowych magnetycznych zawiera zasadniczo płaską część płytową z centralnym otworem i wieloma występami wystającymi z centralnego otworu i prostopadłymi do części płytowej. Występy magnetycznych płytek biegunowych tworzą otwór o wymiarach umożliwiających umieszczenie w nim zespołu wirnika. Na magnetycznych płytkach biegunowych uformowany jest materiał nieprzewodzący.Another known invention is US2010308671, which is a linear actuator motor including a rotor assembly having an insert molded into a non-magnetic sleeve through a plurality of holes, which is restrained from rotating within the non-magnetic sleeve by at least one hole spaced along the length of the non-magnetic sleeve. The magnetic sleeve corresponds to at least one projection formed by the molded insert material, and a stator assembly having a plurality of symmetrical and interchangeable magnetic pole plates. Each of the plurality of magnetic pole plates includes a generally flat plate portion with a central hole and a plurality of projections extending from the central hole and perpendicular to the plate portion. The projections of the magnetic pole plates define an opening sized to accommodate the rotor assembly. A non-conductive material is molded onto the magnetic pole plates.

Siłowniki liniowe są powszechnie stosowane w dziedzinie automatyzacji, jako urządzenia sterujące ruchem elementów maszyn i urządzeń. Istnieje kilka rodzajów siłowników liniowych, wśród których można wyróżnić przede wszystkim siłowniki liniowe hydrauliczne, pneumatyczne, elektromagnetyczne oraz elektryczne. Te ostatnie wykorzystują silniki elektryczne do generowania siły i przemieszczania się wzdłuż osi liniowo. Istnieje kilka rodzajów silników elektrycznych stosowanych w siłownikach liniowych, takie jak silniki krokowe, silniki prądu stałego lub silniki bezszczotkowe. Siłowniki liniowe elektryczne charakteryzują się precyzyjnym pozycjonowaniem i kontrolą ruchu dzięki stosowanym sterownikom.Linear actuators are commonly used in automation as devices that control the movement of machine elements and devices. There are several types of linear actuators, including hydraulic, pneumatic, electromagnetic, and electric linear actuators. Linear actuators utilize electric motors to generate force and linearly move axes. There are several types of electric motors used in linear actuators, such as stepper motors, DC motors, and brushless motors. Electric linear actuators are characterized by precise positioning and motion control thanks to the controllers used.

Poza silnikami szczotkowymi DC i BLDC do napędu siłowników liniowych wykorzystuje się silniki krokowe. Silniki krokowe są elektrycznymi silnikami o charakterystycznej budowie i sposobie działania. Składają się z rotoru magnetycznego, zwanych wirnikiem oraz stojana magnetycznego, który zawiera cewki. Podczas pracy silnika krokowego, zasilanie elektryczne jest podawane na odpowiednie cewki, co powoduje generowanie pól magnetycznych, które przyciągają wirnik. Poprzez sekwencyjne włączanie i wyłączanie cewek, wirnik obraca się o określony krok, dzięki czemu silnik krokowy może precyzyjnie kontrolować ruch obrotowy. Charakterystyczną cechą silnika krokowego jest możliwość utrzymywania wirnika w określonej pozycji z pełnym momentem trzymającym.In addition to brushed DC and BLDC motors, stepper motors are used to drive linear actuators. Stepper motors are electric motors with a distinctive design and operation. They consist of a magnetic rotor, called the rotor, and a magnetic stator containing coils. During stepper motor operation, electrical power is applied to the corresponding coils, generating magnetic fields that attract the rotor. By sequentially turning the coils on and off, the rotor rotates in a specific increment, allowing the stepper motor to precisely control its rotational motion. A characteristic feature of a stepper motor is the ability to hold the rotor in a specific position with full holding torque.

W przypadku zastosowania silników krokowych w siłownikach liniowych, ruch obrotowy silnika jest przekształcany na ruch liniowy zazwyczaj za pomocą połączenia śrubowego o różnych rodzajach gwintów.When using stepper motors in linear actuators, the rotary motion of the motor is converted into linear motion usually by means of a screw connection with different types of threads.

Istnieją różne rodzaje silników krokowych i można je dzielić ze względu na wykonywany ruch (obrotowe, liniowe), ze względu na liczbę segmentów (jedno- i wielosegmentowe), czy też ze względu na rodzaj uzwojeń (unipolarne i bipolarne). Natomiast na przykładzie rozwiązań już istniejących można dodatkowo podzielić je na sposób prowadzenia śruby pociągowej (non-caprive, external, captive). Siłownik liniowy typu non-captive posiada dwa stopnie swobody, a mianowicie ruch wzdłużny oraz obrotowy śruby. Oznacza to, że jeden z jej końców musi zostać unieruchomiony przed obracaniem się, aby siłownik zaczął wykonywać ruch liniowy. Silnik typu external posiada nakrętkę zewnętrzną. Śruba pociągowa jest tylko z jednej strony silnika. Aby był możliwy ruch liniowy, to nakrętka musi zostać przykręcona do nieobracającego się elementu, który będzie przesuwany. Ostatnim typem silnika jest typ captive. Siłownik taki posiada zewnętrzną tuleję prowadzącą śrubę. Wewnątrz niej znajduje się kanał prowadzący, natomiast śruba ma część wykonaną bez gwintu, w której znajduje się trzpień prowadzący, dzięki czemu śruba nie obraca się. Niegwintowana część śruby odpowiada długością całkowitemu możliwemu liniowemu przemieszczeniu. Taki siłownik nie tylko ma większe gabaryty, lecz także długość ruchu liniowego jest uzależniona od długości zewnętrznej tulei prowadzącej. Ponadto śruba jest wykonywana specjalnie do takiego siłownika.There are various types of stepper motors, and they can be classified based on the type of motion performed (rotary, linear), the number of segments (single- and multi-segment), or the type of winding (unipolar and bipolar). Using existing solutions as an example, they can be further divided by the method of guiding the lead screw (non-captive, external, captive). A non-captive linear actuator has two degrees of freedom: longitudinal and rotary movement of the screw. This means that one of its ends must be fixed against rotation for the actuator to perform linear motion. An external motor has an external nut. The lead screw is only on one side of the motor. To enable linear motion, the nut must be screwed to the non-rotating element that will be moved. The final type of motor is the captive type. This actuator has an external sleeve that guides the screw. Inside, there's a guide channel, while the screw has a threadless section that houses the guide pin, preventing the screw from rotating. The unthreaded section of the screw corresponds in length to the total possible linear displacement. This actuator not only has larger dimensions, but also the linear travel distance depends on the length of the external guide sleeve. Furthermore, the screw is custom-made for this type of actuator.

Istotą wynalazku jest siłownik liniowy o zmniejszonej liczbie stopni swobody składający się ze stojana będącego korpusem silnika krokowego, którego częścią są uzwojenia cewek, w którym to korpusie umieszczony jest wirnik zintegrowany z nakrętką połączoną gwintowo ze śrubą pociągową, gdzie śruba pociągowa zawiera kanał prowadzący, wewnątrz którego umieszczony jest trzpień prowadzący osadzony w nakrętce i połączony z nią mechanicznie na stałe. Wirnik jest podparty na łożyskach a przestrzeń w której się znajduje jest zamknięta pokrywami oraz nakrętką do kasowania luzu łożyska.The invention is based on a linear actuator with reduced degrees of freedom, consisting of a stator housing a stepper motor, which includes coil windings. The stator housing houses a rotor integrated with a nut threaded to a lead screw. The lead screw includes a guide channel, within which is located a guide pin embedded in the nut and mechanically connected to it. The rotor is supported on bearings, and the space within it is enclosed by covers and a nut to eliminate bearing play.

W rozwiązaniu według wynalazku prowadnica liniowa jest zintegrowana ze śrubą pociągową, a jedynym ograniczeniem długości liniowego ruchu jest długość samej śruby pociągowej. Dodatkowo śruba taka może być stosowana zamiennie w siłownikach non-capive z blokadą obrotu lub bez niej.In the solution according to the invention, the linear guide is integrated with the lead screw, and the only limitation on the linear travel distance is the length of the lead screw itself. Furthermore, such a screw can be used interchangeably in non-captive actuators with or without a rotation lock.

Siłownik liniowy typu non-captive, składa się silnika krokowego, przez który przechodzi śruba pociągowa. Ruch liniowy śruby pociągowej jest możliwy, jeżeli korpus silnika krokowego będzie utwierdzony oraz śruba pociągowa zostanie przymocowana przynajmniej z jednej strony do elementu, który się nie obraca. Proponowany siłownik liniowy non-captive o zmniejszonej liczbie stopni swobody nie wymaga mocowania śruby do elementu nieobracającego się. Składa się on z korpusu silnika krokowego, wirnika zintegrowanego z nakrętką, śruby pociągowej z kanałem prowadzącym trzpienia prowadzącego oraz nakrętki. Zastosowanie kanału prowadzącego w śrubie pociągowej w połączeniu z trzpieniem prowadzącym pozwala na unieruchomienie obrotu śruby bez konieczności jej mocowania w elemencie zewnętrznym, który będzie przemieszczany. Trzpień prowadzący jest zintegrowany z nakrętką.A non-captive linear actuator consists of a stepper motor through which a lead screw passes. Linear motion of the lead screw is possible if the stepper motor housing is fixed and the lead screw is attached to a non-rotating element on at least one side. The proposed non-captive linear actuator with reduced degrees of freedom does not require the screw to be attached to a non-rotating element. It consists of a stepper motor housing, a rotor integrated with a nut, a lead screw with a guide channel for the guide pin, and a nut. The use of a guide channel in the lead screw combined with a guide pin allows the screw to be immobilized without the need to attach it to an external element that will be moved. The guide pin is integrated with the nut.

Rozwiązanie według wynalazku zostało przedstawione na rysunku Fig. 1, który przedstawia rzut izometryczny siłownika liniowego.The solution according to the invention is presented in Fig. 1, which shows an isometric view of the linear actuator.

Rozwiązanie według wynalazku zostało zrealizowane jako siłownik liniowy składający się ze stalowego korpusu (1) silnika krokowego będącego stojanem, którego częścią są uzwojenia cewek (2). Wewnątrz umieszczony jest magnetyczny wirnik (8) zintegrowany z nakrętką (12) wykonaną z mosiądzu. Wirnik (8) osadzony jest na dwóch łożyskach (7) i (9) tocznych. Przestrzeń w której znajduje się wirnik (8) jest szczelnie zamknięta aluminiowymi pokrywami (3) i (10) połączonymi za pomocą śrub, oraz nakrętką (4). W nakrętce (4) wykonany jest otwór, w którym 5 osadzony jest trzpień prowadzący (6), którego końcówka znajduje się w kanale prowadzącym (11) śruby pociągowej (5) uniemożliwiając jej obrót. Śruba pociągowa (5) połączona jest z nakrętką (12) zintegrowaną z wirnikiem (8) za pomocą połączenia gwintowego. Obrót śruby pociągowej (5) blokowany jest za pomocą trzpienia prowadzącego (6).The solution according to the invention was implemented as a linear actuator consisting of a steel stepper motor housing (1) acting as a stator, which includes coil windings (2). Inside, a magnetic rotor (8) is integrated with a brass nut (12). The rotor (8) is mounted on two roller bearings (7) and (9). The space containing the rotor (8) is tightly closed by aluminum covers (3) and (10) connected by screws, and a nut (4). The nut (4) has a hole in which a guide pin (6) is mounted. The tip of the guide pin (6) is located, the tip of which is located in the guide channel (11) of the lead screw (5), preventing its rotation. The lead screw (5) is connected to the nut (12) integrated with the rotor (8) by means of a threaded connection. The rotation of the lead screw (5) is blocked by the guide pin (6).

Claims

Patent claim

1. A linear actuator with a reduced number of degrees of freedom consisting of a stator being the body (1) of a stepper motor, of which the coil windings (2) are a part, in which the body (1) is placed a rotor (8) integrated with a nut (12) threadedly connected to a lead screw (5), characterized in that the lead screw (5) comprises a guide channel (11) inside which is placed a guide pin (6) mounted in the nut (4) and mechanically permanently connected to it; the rotor (8) is supported on bearings (7) and (9), and the space in which it is located is closed by covers (3) and (10) and a nut (4) for eliminating the clearance of the bearing (7).