Мехатронный модуль линейного перемещения

Изобретение относится к машиностроению и приборостроению, в частности к мехатронным модулям линейного перемещениями, может быть использовано для точного преобразования вращения магнитного поля статора в поступательное перемещение выходного звена нанотехнологического оборудования, адаптивных оптических систем, измерительных машин и т.п. Мехатронный модуль линейного перемещения содержит электродвигатель, контроллер, управляющий движением двигателя, передачу, включающую ходовую (4) и опорные (2, 3) гайки и резьбовой ролик (1). Резьбовой ролик (1) жестко соединен с ферромагнитными катящимися роторами (5). Обмотки статора (7) и постоянные магниты, обеспечивающие создание вращающегося асимметричного магнитного поля, жестко соединены с опорными гайками (2, 3). Опорные участки ролика (1) имеют резьбовые сопряжения с опорными гайками (2, 3), у которых углы подъема резьбы одинаковы по величине и противоположны по знаку. Ходовая гайка (4) имеет резьбовое сопряжение с ходовым участком ролика (1) при разных углах подъема резьбы на ходовой гайке и ходовом участке ролика. Изобретение позволяет повысить точность и плавность работы мехатронного модуля при снижении стоимости его изготовления. 3 ил.

 

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.

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) (SKF^R roller screws. Catalogue 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.

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.).

Одним из недостатков этих двигателей является необходимость специального устройства для передачи вращения с вала ротора на выходной вал.

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.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение точности и плавности работы мехатронного модуля линейного перемещения при снижении стоимости его изготовления.

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 выражением

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

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.

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.

На обоих концах ролика закреплены катящиеся ферромагнитные роторы 5. Оси роторов совпадают с осью ролика.

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.

На фиг.2 изображен первый вариант электромагнитной системы на одном из торцов мехатронного модуля.

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.

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.

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.

Скорость перемещения и усиление на выходном звене (гайке 4) мехатронного модуля регулируется контроллером.

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.

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.

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.

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

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

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.