RU2351817C1 - Mechatronic module for linear displacement - Google Patents

Mechatronic module for linear displacement Download PDF

Info

Publication number
RU2351817C1
RU2351817C1 RU2007140122/11A RU2007140122A RU2351817C1 RU 2351817 C1 RU2351817 C1 RU 2351817C1 RU 2007140122/11 A RU2007140122/11 A RU 2007140122/11A RU 2007140122 A RU2007140122 A RU 2007140122A RU 2351817 C1 RU2351817 C1 RU 2351817C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
roller
thread
nut
nuts
support
Prior art date
Application number
RU2007140122/11A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вячеслав Васильевич Козырев (RU)
Вячеслав Васильевич Козырев
Original Assignee
Владимирский государственный университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Владимирский государственный университет filed Critical Владимирский государственный университет
Priority to RU2007140122/11A priority Critical patent/RU2351817C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2351817C1 publication Critical patent/RU2351817C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: machine building.
SUBSTANCE: present invention pertains to machine building and instrument making, particularly to mechatronic modules for linear displacement, and can be used for precision conversion of rotation of the magnetic field of a stator to translational displacement of an output member of nano-technological equipment, adaptive optical systems, measuring instruments etc. The mechatronic module for linear displacement has an electric motor, a controller for controlling motion of the motor, transmission, comprising slide (4) and support (2, 3) nuts and threaded roller (1). Threaded roller (1) is rigidly joined to ferromagnetic rolling rotors (5). Stator coils (7) and permanent magnets, creating rotating asymmetric magnetic field, are rigidly joined to support nuts (2, 3). The support parts of roller (1) have matching threads with support nuts (2, 3), for which the thread angle has the same value but opposite sign. Slide nut (4) has matching threads with the moving part of roller (1) with different thread angles on the slide nut and the moving part of the roller.
EFFECT: increased accuracy and smoothness of operating a mechatronic module with reduced costs of making it.
3 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и приборостроению, в частности к мехатпронным модулям линейного перемещения, и может быть использовано для точного преобразования вращения магнитного поля статора в поступательное перемещение выходного звена нанотехнического оборудования адаптивных оптических систем, измерительных машин, станков, медицинской техники и т.п.The invention relates to mechanical engineering and instrumentation, in particular to mechatronic linear displacement modules, and can be used to accurately convert the rotation of the stator magnetic field to the translational movement of the output link of nanotechnological equipment of adaptive optical systems, measuring machines, machine tools, medical equipment, etc.

Известны мехатронные модули на базе планетарных передач винт-гайка с резьбовыми роликами типа SR и SV, выпускаемые в нашей стране на производстве технологического оборудования (ОАО «АвтоВАЗ») и за рубежом фирмами SKF (Швеция) и INA (Германия) (SKFR roller screws. Catalogue n°4351/7 E. June 2002. Printed in France. 62 p.).Known mechatronic modules based on planetary screw-nut gears with threaded rollers of type SR and SV, manufactured in our country by the production of technological equipment (AvtoVAZ OJSC) and abroad by SKF (Sweden) and INA (Germany) (SKF R roller screws . Catalog n ° 4351/7 E. June 2002. Printed in France. 62 p.).

Одним из недостатков таких мехатронных модулей является малая редукция передач, то есть невозможность получения за оборот электродвигателя стабильных, постоянных по величине перемещений, существенно меньших шага резьбы. Такие медленные и плавные перемещения требуются в прецизионных мехатронных модулях, в частности, нанотехнологического оборудования, микроэлектроники и адаптивных оптических систем.One of the drawbacks of such mechatronic modules is a small reduction in gears, that is, the impossibility of obtaining stable, constant in magnitude displacements per revolution of the electric motor, significantly smaller than the thread pitch. Such slow and smooth movements are required in precision mechatronic modules, in particular, nanotechnological equipment, microelectronics and adaptive optical systems.

Известны электродвигатели с катящимся ротором, обеспечивающие малые частоты вращения (Кацман М.М., Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических систем: Учебник для техникумов / Под ред. Ф.М.Юферова. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. школа, 1979. - 261 с. ил.).Known electric motors with a rolling rotor, providing low speeds (Katsman M.M., Yuferov F.M. Electric machines of automatic systems: Textbook for technical schools / Edited by F.M. Yuferov. - 2nd ed., Revised and add.- M .: Higher school, 1979.- 261 pp. ill.).

Одним из недостатков этих двигателей является необходимость специального устройства для передачи вращения с вала ротора на выходной вал.One of the drawbacks of these engines is the need for a special device for transmitting rotation from the rotor shaft to the output shaft.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является мехатронный модуль на базе электродвигателя и планетарной передачи винт-гайка с длинными резьбовыми роликами (Патент РФ № 2292502, кл. F16H 1/34, F16H 25/22, 2004). В этом мехатронном модуле базовая (отработанная) конструкция передачи включает винт, длинные резьбовые ролики, опорные гайки по концам блока роликов с винтом, ходовую гайку между опорными гайками. Причем ролики выполнены с разными числами заходов резьбы на ходовом и опорном участках и сопряжены с винтом с соответствующими числами заходов резьбы на его ходовом и опорном участках при выполнении условий сборки передачи. Эта конструкция обеспечивает получение за оборот электродвигателя постоянных по величине перемещений ходовой гайки, существенно меньших величины шага резьбы, что дает преимущества этой передаче перед другими известными аналогами. Однако в этой конструкции минимально возможная постоянная величина перемещения ходовой гайки за оборот винта (двигателя) S ограничена величиной 0,1 Р, а в наиболее технологичном варианте величиной 0,25 Р, где Р - шаг резьбы. Это ограничивает дальнейшее повышение точности и плавности работы мехатронного модуля. К тому же длина длинных роликов ограничена величиной l 2/d2<40, где d2 и l2 - средний диаметр резьбы и длина ролика. Это связано с тем, что с увеличением длины нескольких длинных тонких роликов и винта растет стоимость изготовления передачи. Это ограничивает максимальную величину перемещения ходовой гайки. Наличие резьбового сопряжения длинного ролика с винтом вносит пусть небольшую, но все же дополнительную кинематическую погрешность.The closest analogue to the proposed invention is a mechatronic module based on an electric motor and planetary gear screw-nut with long threaded rollers (RF Patent No. 2292502, CL F16H 1/34, F16H 25/22, 2004). In this mechatronic module, the basic (used) transmission design includes a screw, long threaded rollers, support nuts at the ends of the screw roller unit, and a running nut between the support nuts. Moreover, the rollers are made with different numbers of thread starts on the running and supporting sections and are coupled to a screw with the corresponding numbers of thread running on its running and supporting sections when the transmission assembly conditions are met. This design ensures that, per revolution of the electric motor, displacements of the running nut that are constant in magnitude are significantly smaller than the thread pitch, which gives the advantage of this transmission over other known analogues. However, in this design, the smallest possible constant value of the displacement of the spindle nut per revolution of the screw (motor) S is limited to 0.1 P, and in the most technologically advanced version to 0.25 P, where P is the thread pitch. This limits a further increase in the accuracy and smoothness of the mechatronic module. In addition, the length of the long rollers is limited to l 2 / d 2 <40, where d 2 and l 2 are the average diameter of the thread and the length of the roller. This is due to the fact that with the increase in the length of several long thin rollers and screws, the cost of manufacturing the transmission increases. This limits the maximum amount of movement of the travel nut. The presence of a threaded coupling of a long roller with a screw makes a small, but still additional kinematic error.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение точности и плавности работы мехатронного модуля линейного перемещения при снижении стоимости его изготовления.The problem solved by the invention is to increase the accuracy and smoothness of the mechatronic linear displacement module while reducing the cost of its manufacture.

Поставленная задача решается с помощью мехатронного модуля линейного перемещения, состоящего из электродвигателя, включающего статор с двухполюсной обмоткой и с несимметричным магнитным полем и катящийся ротор, контроллера, управляющего движением двигателя, передачи, включающей ходовую и опорные гайки и резьбовой ролик, при этом электродвигатель выполнен из двух половин, расположенных по краям мехатронного модуля и состоящих из статоров, жестко соединенных с опорными гайками, и ферромагнитных катящихся роторов, жестко соединенных с роликом и расположенных или встык с торцами ролика, или внутри полого ролика по его концам, по краям обмоток статоров установлены постоянные магниты, создающие унитарное магнитное поле, а средний диаметр резьбы гаек больше среднего диаметра резьбы ролика на величину, равную или большую, чем рабочая высота профиля резьбы, опорные участки ролика, расположенные по концам ролика, находятся в резьбовом сопряжении с опорными гайками, причем углы подъема резьбы на опорных гайках выполнены равными по величине и противоположными по знаку, ходовой участок ролика находится в резьбовом сопряжении с ходовой гайкой, а числа заходов и средние диаметры резьбы ходовой гайки и ходового участка ролика связаны с величиной перемещения S4 ходовой гайки за один оборот магнитного поля статора выражениемThe problem is solved using a mechatronic linear displacement module, consisting of an electric motor, including a stator with a two-pole winding and with an asymmetric magnetic field and a rolling rotor, a controller that controls the movement of the motor, a gear, including the running and support nuts and a threaded roller, while the electric motor is made of two halves located at the edges of the mechatronic module and consisting of stators rigidly connected to the support nuts, and ferromagnetic rolling rotors rigidly connected to Permanent magnets are installed along the ends of the roller or located along the ends of the roller or inside the hollow roller at the ends of the stator windings, creating a unitary magnetic field, and the average diameter of the thread of nuts is greater than the average diameter of the thread of the roller by an amount equal to or greater than the working height of the thread profile, the supporting sections of the roller located at the ends of the roller are threadedly coupled with the supporting nuts, and the angles of the thread on the supporting nuts are made equal in magnitude and opposite in sign, running the roller section is in threaded conjugation with the running nut, and the number of entries and the average thread diameters of the running nut and the running section of the roller are related to the displacement S 4 of the running nut per revolution of the stator magnetic field by

Figure 00000001
Figure 00000001

где Р - шаг резьбы; z1, z4 - соответственно числа заходов резьбы ходового участка ролика и ходовой гайки; d1, d4 - соответственно средние диаметры резьбы ходового участка ролика и ходовой гайки, а числа заходов и средние диаметры резьбы опорных участков роликов и опорных гаек связаны соотношениемwhere P is the thread pitch; z 1 , z 4 , respectively, the number of times the thread of the running section of the roller and the running nut; d 1 , d 4 - respectively, the average diameter of the thread of the running section of the roller and the running nut, and the number of approaches and the average diameter of the thread of the bearing sections of the rollers and the bearing nuts are related

Figure 00000002
Figure 00000002

где z10, z20 - соответственно числа заходов резьбы опорного участка ролика и опорной гайки; d1, d2 - соответственно средние диаметры резьбы опорного участка ролика и опорной гайки.where z 10 , z 20 - respectively, the number of times the thread of the bearing of the supporting section of the roller and the supporting nut; d 1 , d 2 - respectively, the average diameter of the thread of the support section of the roller and the support nut.

На чертеже изображен общий вид мехатронного модуля линейного перемещения (фиг.1), состоящего из резьбового ролика 1, опорные участки резьбы которого сопряжены с резьбами опорных гаек 2 и 3 при одинаковых углах подъема резьбы опорных гаек с углами подъема резьбы соответствующих опорных участков роликов. Причем углы подъема резьбы на разных опорных гайках 2 и 3 выполнены равными по величине и различными по знаку. Ходовая гайка 4 имеет резьбовое сопряжение с ходовым участком ролика, а угол подъема резьбы на ходовой гайке отличается от угла подъема резьбы на ходовом участке ролика.The drawing shows a General view of the mechatronic linear displacement module (Fig. 1), consisting of a threaded roller 1, the supporting sections of the thread of which are mated with the threads of the supporting nuts 2 and 3 at the same angles of thread of the supporting nuts with the angles of thread of the corresponding supporting sections of the rollers. Moreover, the angles of thread lifting on different supporting nuts 2 and 3 are made equal in magnitude and different in sign. The running nut 4 has a threaded connection with the running gear of the roller, and the angle of the thread on the running nut is different from the angle of the thread on the running gear of the roller.

На обоих концах ролика закреплены катящиеся ферромагнитные роторы 5. Оси роторов совпадают с осью ролика.Rolling ferromagnetic rotors 5 are fixed at both ends of the roller. The axes of the rotors coincide with the axis of the roller.

В корпусе 6 модуля жестко закреплены опорные гайки 2 и 3 и статоры 7 с электромагнитными обмотками. Ходовая гайка 4 закреплена от вращения относительно корпуса 6 и имеет возможность линейного перемещения относительно корпуса 6.Support nuts 2 and 3 and stators 7 with electromagnetic windings are rigidly fixed in the housing 6 of the module. The driving nut 4 is fixed from rotation relative to the housing 6 and has the ability to linearly move relative to the housing 6.

На фиг.2 изображен первый вариант электромагнитной системы на одном из торцов мехатронного модуля.Figure 2 shows the first version of the electromagnetic system at one of the ends of the mechatronic module.

В корпусе 6 закреплен статор 7 с двухфазной электромагнитной обмоткой, постоянные магниты 8 и ферромагнитные тороиды 9. На торце резьбового ролика 1, имеющего резьбовое сопряжение с опорной гайкой 3, соосно ролику устроен ферромагнитный катящийся ротор 5. Несимметричное магнитное поле статора получается за счет наложения двухполюсного поля Φ2 двухфазной обмотки статора 7 на униполярное поле Φ1 постоянных магнитов 8.A stator 7 with a two-phase electromagnetic winding, permanent magnets 8 and ferromagnetic toroids 9 are fixed in the housing 6. At the end of the threaded roller 1, which is threadedly coupled to the support nut 3, a ferromagnetic rolling rotor 5 is arranged coaxially to the roller. The asymmetric magnetic field of the stator is obtained by applying a bipolar field Φ 2 of a two-phase stator winding 7 on a unipolar field Φ 1 of permanent magnets 8.

На фиг.3 изображен второй вариант электромагнитной системы на одном из концов мехатронного модуля. Между корпусом 6 и опорной гайкой 3 закреплен статор 7 с двухфазной электромагнитной обмоткой, постоянные магниты 8 и ферромагнитные тороиды 9. Внутри полого резьбового ролика 1 на одном из его концов закреплен катящийся ротор 5.Figure 3 shows a second variant of the electromagnetic system at one end of the mechatronic module. A stator 7 with a two-phase electromagnetic winding, permanent magnets 8 and ferromagnetic toroids 9 are fixed between the housing 6 and the supporting nut 3. Inside the hollow threaded roller 1, a rolling rotor 5 is fixed at one of its ends.

При вращении несимметричного магнитного поля статора ролик 1 вместе с ротором 5 катится по резьбовым поверхностям ходовой гайки 4, опорных гаек 2,3 и перемещает ходовую гайку 4 в осевом направлении относительно опорных гаек 2 и 3.When rotating the asymmetric magnetic field of the stator, the roller 1 together with the rotor 5 rolls along the threaded surfaces of the spindle nut 4, the support nuts 2,3 and moves the spindle nut 4 in the axial direction relative to the support nuts 2 and 3.

Скорость перемещения и усиление на выходном звене (гайке 4) мехатронного модуля регулируется контроллером.The speed of movement and amplification at the output link (nut 4) of the mechatronic module is regulated by the controller.

В отличие от прототипа предлагаемое изобретение позволяет получить перемещение ходовой гайки за оборот винта меньше, чем S4=0,1 Р, например при числе заходов резьбы на ходовом участке ролика z1=1 и на ходовой гайке z4=1, при соотношении средних диаметров резьбы гаек и ролика d4/d1=21/20 получаем S4=0,05 P.In contrast to the prototype, the present invention allows to obtain the movement of the lead nut per revolution of the screw less than S 4 = 0.1 P, for example, when the number of thread starts on the running section of the roller z 1 = 1 and on the running nut z 4 = 1, with the average ratio the diameters of the threads of the nuts and roller d 4 / d 1 = 21/20 we get S 4 = 0,05 P.

Высокая редукция способствует повышению точности и плавности работы мехатронного модуля. Два последовательных резьбовых сопряжения, а именно ходовой гайки с роликом и ролика с опорными гайками, вместо трех последовательных резьбовых сопряжений в прототипе сокращает кинематическую цепь и обеспечивает дополнительное повышение точности и плавности работы мехатронного модуля.High reduction helps to improve the accuracy and smoothness of the mechatronic module. Two consecutive threaded joints, namely a running nut with a roller and a roller with supporting nuts, instead of three consecutive threaded joints in the prototype, reduces the kinematic chain and provides an additional increase in the accuracy and smoothness of the mechatronic module.

Применение одного ролика (вместо как минимум трех роликов и винта в прототипе) упрощает конструкцию и снижает стоимость ее изготовления, а также позволяет увеличивать длину ролика и величину максимального перемещения ходовой гайки при одинаковых радиальных габаритах.The use of one roller (instead of at least three rollers and a screw in the prototype) simplifies the design and reduces the cost of its manufacture, and also allows you to increase the length of the roller and the maximum movement of the travel nut with the same radial dimensions.

Claims (1)

Мехатронный модуль линейного перемещения, состоящий из электродвигателя, включающего статор с двухполюсной обмоткой и с несимметричным магнитным полем и катящийся ротор, контроллера, управляющего движением двигателя, передачи, включающей ходовую и опорные гайки и резьбовой ролик, отличающийся тем, что электродвигатель выполнен из двух половин, расположенных по краям мехатронного модуля и состоящих из статоров, жестко соединенных с опорными гайками, и ферромагнитных катящихся роторов, жестко соединенных с роликом и расположенных или встык с торцами ролика, или внутри полого ролика по его концам, по краям обмоток статоров установлены постоянные магниты, создающие унитарное магнитное поле, а средний диаметр резьбы гаек больше среднего диаметра резьбы ролика на величину, равную или большую, чем рабочая высота профиля резьбы, опорные участки ролика, расположенные по концам ролика, находятся в резьбовом сопряжении с опорными гайками, причем углы подъема резьбы на опорных гайках выполнены равными по величине и противоположными по знаку, ходовой участок ролика находится в резьбовом сопряжении с ходовой гайкой, а числа заходов и средние диаметры резьбы ходовой гайки и ходового участка ролика связаны с величиной перемещения S4 ходовой гайки за один оборот магнитного поля статора выражением
Figure 00000003

где Р - шаг резьбы; z1, z4 - соответственно числа заходов резьбы ходового участка ролика и ходовой гайки; d1, d4 - соответственно средние диаметры резьбы ходового участка ролика и ходовой гайки, а числа заходов и средние диаметры резьбы опорных участков роликов и опорных гаек связаны соотношением
Figure 00000004

где z10, z20 - соответственно числа заходов резьбы опорного участка ролика и опорной гайки; d1, d2 - соответственно средние диаметры резьбы опорного участка ролика и опорной гайки. Mechatronic linear displacement module, consisting of an electric motor, including a stator with a two-pole winding and with an asymmetric magnetic field and a rolling rotor, a controller that controls the movement of the motor, a transmission, including the running and support nuts and a threaded roller, characterized in that the electric motor is made of two halves, located along the edges of the mechatronic module and consisting of stators rigidly connected to the support nuts and ferromagnetic rolling rotors rigidly connected to the roller and located either in the junction with the ends of the roller, or inside the hollow roller at its ends, along the edges of the stator windings, permanent magnets are installed that create a unitary magnetic field, and the average diameter of the thread of nuts is greater than the average diameter of the thread of the roller by an amount equal to or greater than the working height of the thread profile, supporting sections of the roller located at the ends of the roller are threadedly coupled with the support nuts, and the angles of the thread on the support nuts are made equal in magnitude and opposite in sign, the running portion of the roller is in p zbovom coupling with a lead nut, and the number of entries and the average diameters of the thread spindle nut and threaded portion of the roller connected to the travel S 4 spindle nut in one revolution of the magnetic field of the stator expression
Figure 00000003

where P is the thread pitch; z 1 , z 4 , respectively, the number of times the thread of the running section of the roller and the running nut; d 1 , d 4 - respectively, the average diameter of the thread of the running section of the roller and the running nut, and the number of approaches and the average diameter of the thread of the bearing sections of the rollers and the bearing nuts are related
Figure 00000004

where z 10 , z 20 - respectively, the number of times the thread of the bearing of the supporting section of the roller and the supporting nut; d 1 , d 2 - respectively, the average diameter of the thread of the support section of the roller and the support nut.
RU2007140122/11A 2007-10-29 2007-10-29 Mechatronic module for linear displacement RU2351817C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007140122/11A RU2351817C1 (en) 2007-10-29 2007-10-29 Mechatronic module for linear displacement

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007140122/11A RU2351817C1 (en) 2007-10-29 2007-10-29 Mechatronic module for linear displacement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2351817C1 true RU2351817C1 (en) 2009-04-10

Family

ID=41014996

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007140122/11A RU2351817C1 (en) 2007-10-29 2007-10-29 Mechatronic module for linear displacement

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2351817C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2546051C1 (en) * 2013-12-12 2015-04-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт стандартизации и унификации" (ФГУП "НИИСУ") Device for conversion of rotational motion into plane-parallel motion of article unit

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Козырев В.В. Прецизионные роликовинтовые передачи как исполнительные механизмы электромеханических приводов с микропроцессорной системой управления: достижения научной школы ВлГУ. - Мехатроника, автоматизация, управление. 2003, № 10, c.21-22. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2546051C1 (en) * 2013-12-12 2015-04-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт стандартизации и унификации" (ФГУП "НИИСУ") Device for conversion of rotational motion into plane-parallel motion of article unit

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI497881B (en) Motor driven linear actuator and electric motor thereof
CN101336507B (en) Hollow motor drive device
JP5849349B2 (en) Differential roller screw
US20140184002A1 (en) Planetary push-pull electric motor
US11391366B2 (en) Electromagnetically operated band brake
CN105375674A (en) Direct-driven precise motor displacement actuator
CN108036034B (en) Bidirectional output type harmonic speed reducer
RU2351817C1 (en) Mechatronic module for linear displacement
CN113954057B (en) Tendon-driven flexible mechanical arm capable of growing and changing rigidity and flexibility and driving method thereof
CN2896329Y (en) Automatic focusing device of hand-set pick-up lens
CN107834804B (en) Linear stepper motor for dot matrix image forming and haptic feedback
CN211449562U (en) High-precision two-axis movement device
JPH0348054A (en) Actuator
JP2601423B2 (en) Numerically controlled electromechanical precision drive
JP2005253186A (en) Spiral linear motor
JP3977100B2 (en) Linear actuator
SU955375A1 (en) Electric drive
WO2020013733A1 (en) Screw pair for an eccentric screw and nut gear
RU2312260C2 (en) Electric drive with higher efficiency reduction gear (versions)
CN113685520B (en) Integrated universal linear actuator and manufacturing process thereof
CN108194613A (en) Novel biharmonic transmission device
CN109826917A (en) A kind of double-shaft spiral synchronous feeding mechanism based on differential principle
CN217207596U (en) Compound transmission device
CN219247612U (en) High-torsion servo motor
RU195136U1 (en) ACTUATOR FOR INDEPENDENT OR JOINT COMMUNICATIVE AND ANGULAR MOVEMENTS

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20131030