紧凑型线性致动器及其制造方法

专利名称：紧凑型线性致动器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种动圈式致动器，具体而言，涉及紧凑型线性致动器及其制造方法。
背景技术：
自动化领域的传统技术(比如凸轮或者气动装置)缺乏灵活性和需要了解工作是 否已正确完成的信息。然而，这些技术通常具有低成本的优势。相反，线性伺服电机已经过多年的发展，其试图提供自动化工业所期望的灵活性。 例如，一些线性电机试图检测已经完成的工作，如SMAC公司生产的LA系列动圈式线性电 机。然而，这些装置花费的费用在数千美元的范围内——这通常比凸轮或者气动装置的费 用高五到十倍。因此，线性电机的广泛应用受到了所涉及的高额费用的严重限制。因此，需要灵活的并拥有检测和/或调整工作已经完成的能力的线性电机装置， 且同时具有与凸轮和气动装置相当的成本。

发明内容
因此本发明的多个实施例提供一种满足各个前述需求的线性电机致动器。更具体 地，本发明的各个实施例提供一种拥有提高的性能且使用和/或制造不昂贵的线性电机致 动器。根据一些实施例，可以通过多种方法进行成本控制。例如，可以通过使用一种配 置CNC车床制造来降低制造成本。可以通过生产一种具有相对简单的组件的“快速组合 (snap-together) ”装置来降低装配成本。可以通过利用在线性电机致动器中需要更少部件 的较简单的设计来降低零件的费用。可以通过利用当客户需要改变时能够快速且简单地修 改致动器结构的设计来降低更换费用。在许多实施例中，致动器的性能可以是类似地或超过那些较老的技术(尤其是在 速度方面)。此外，一些实施例包括在自动控制领域以及在广泛的其它应用领域具有重要实 用性的许多特征(例如，可编程的定位、速度，或力，和/或检验一项或多项任务已经成功完 成的能力)。参照在此提供的附图和详细描述，本领域的普通技术人员将更容易地理解这些和 其它实施例。


图1是根据本发明一个实施例的示例性的单线圈线性电机致动器的分解视图。图2是根据本发明一个实施例的示例性的三线圈线性电机致动器的部分分解视图。图3A是根据本发明一个实施例的示例性的磁体外壳的横截面图。图3B是图3A描述的磁体外壳的主视图。图3C是沿图3B中A-A线截取的该磁体外壳的横截面图。图3D是根据本发明一个实施例的示例性的磁体外壳的横截面图。图3E是图3D描述的磁体外壳的主视图。图3F是沿图3E中B-B线截取的该磁体外壳的横截面图。图4A是根据本发明一个实施例的示例性的活塞组件的主视图。图4B是图4A中描述的活塞组件的斜视图。图4C是图4A中描述的活塞组件的侧视图。图5A是根据本发明一个实施例的示例性的致动器壳的主视图。图5B是沿图5A中A-A线截取的该致动器壳的第一横截面图。图5C是沿图5A中A-A线截取的该致动器壳的第二横截面图。图5D是图5A中描述的示例性的致动器壳的侧视图。图6A是根据本发明一个实施例的含有线性编码器反馈装置的线性电机致动器的 透视图。图6B是图6A中示出的线性电机致动器的透视图。图6C是图6A中示出的线性电机致动器的侧视图。图6D是图6A中示出的线性电机致动器的俯视图。图7是示出了在根据本发明一个实施例的线性电机致动器上实施的力重复性试 验的结果的表格。图8是示出了在根据本发明一个实施例的线性电机致动器上实施的热试验的结 果的曲线图。图9是示出了根据本发明一个实施例的在线性电机致动器上实施的力的分解试 验的结果的曲线图。图10是示出了在根据本发明一个实施例的线性电机致动器上实施的摩擦试验的 结果的曲线图。
具体实施例方式图1是根据本发明一个实施例的示例性的单线圈线性电机致动器100的分解视 图。如图1所示，该致动器100可包含四个部分主壳体组件150 (包含主壳体152、花键 轴承156和花键轴套158)；活塞组件130 (包含线圈144、花键轴136和线性编码器刻度尺 140)；编码器组件170 (包含编码器外壳172和线性编码器174)；和磁体外壳组件110 (包 含磁体外壳112、一个或多个磁体118和中心杆116)。在一些实施例中，所有生产的组件如哈丁模型RS51MSY都可以在CNC车床上加工。 每个部件可以由车床的一次操作来制造，因此减少和/或排除了二次加工的必要。这些二 次加工造成额外的费用并且由于增加了尺寸偏差也可能降低了质量。在一些实施例中，致动器100的部分可以由铝或钢条制造。然而需要注意的是，根 据本发明范围，无数的其它材料可以使用。在一个实施例中，该CNC车床具有加工部件的两端的能力(例如，通过副轴)，也具有构件加工的能力。在一些实施例中，致动器100可以包含“快速组合”设计，其在致动器100的装配 期间不需要调整部件位置。快速组合设计因此可以在保证质量的同时产生低的装配成本。 相对图1所述的实施例，值得注意的是在一百批的试验中，重复地达到了低于十分钟的装 配时间，在致动器100的进一步地测试时也没有发现性能或结构的问题。在一些实施例中，快速组合致动器100可以通过锁定一个或多个部件到位于主壳 体组件150上的基本基准部来实现。例如，如图1所示，该基准部可以由精确的加工平面 166和垂直于该平面162的边组成。该壳的附加特征可以包括前孔154和轴承中心孔160。在一些实施例中，平面166可在10微米的给定公差内被放平，同时边162可以也 在10微米公差内与该平面166保持垂直。孔154可以保持在所谓外径的10微米范围内且 在25微米公差内平行于基准部件。孔中心可以相对于平面166上的其所谓外尺寸的距离 保持在20微米范围内，同时主壳体组件150的后孔168可以在公差25微米内而与前孔154 同心。在一些实施例中，主壳体组件150中的花键轴套158可以用于容纳花键轴136和 花键轴承156，花键轴承156用于防止花键轴136旋转。在一个实施例中，花键轴承156可 以包含由IKO公司生产的线性导向组件(#MAG8C1THS2/N)。然而，需要注意的是，根据本发 明范围，大量的其它结构/导向组件均可被使用。在一些实施例中，线性导向组件可以通过导向主壳体152的定位销定位在前孔 154内。这可以保证与花键轴承156相关联的循环滚珠轨道在规定的公差范围内与平面166 保持平行(例如，在超出其长度20微米内)。如图1所示，线性电机致动器100的活塞组件130可以包含活塞132、活塞轴孔 134、编码器刻度尺表面138、花键轴136和DC线圈144。活塞组件130可以在车床的单一 装置中精确地制造出来，因此降低了成本并增加了工作质量。此外，编码器刻度尺表面138可被加工并在超过其长度10微米的范围内被放平。 活塞轴孔134直径可以保持在10微米公差范围内，并且包括中心，该中心到编码器刻度尺 表面138保持在20微米的公差范围内。花键轴136可被定位在活塞轴孔134中，并且采用 夹具锁定，该夹具在平行于编码器刻度尺表面138的方位上的20微米范围内定位一个或多 个轴槽146。磁体外壳组件110可以包含磁体外壳112、一个或多个磁体118和中心杆116。根 据一个实施例，磁体外壳112可以包含导向直径114，其为了保证孔168与主壳体152的紧 密联系而导向远离主壳体152的后孔168。中心杆116也可以包含导向直径以将其精确地定位到磁体外壳112。这可以保证 中心杆116在给定公差的范围内(例如，在+/-20微米范围内)位于磁体外壳112中间。在 一些实施例中，磁体外壳112的中心杆116的外径和内径可以保持在前孔154和/或后孔 168的中心(例如，在+/-40微米范围内)。如图1所示，编码器组件170可以包含定位在编码器固定架176内的编码器外壳 172和线性编码器174。编码器组件170还可以包含在x、y和ζ各自方向上的给定公差(例 如，+/"20微米)范围内把其定位到基准位置的基准边和平面。当活塞组件130被设置在主壳体152内时，活塞组件130可以通过根据花键轴承
6轨道进行运动的花键轴136来定位。这可能导致与致动器组件相关联的一个或多个变量的 紧密度公差累积。线性编码器刻度尺140和线性编码器174的读头可以分开+/_40微米的距离(例 如，根据一些实施例，居中并定位在给定公差的约40% )。此外，线圈144与中心孔116间 的间隙和线圈144与磁体118间的间隙都可以保持在+/-50微米。在一个实施例中，该间 隙可以调节到大约600微米，因此公差波动只占用了给定范围的1/6。因此，通过保持小公差并使部件数量保持最小，可以获得高可靠性的快速组合设 计。抽样试验证明致动器100建造时可以保持公差在给定总量的1/3。寿命试验表明该致 动器100可以超过100，000, 000个周期而没有结构或工作故障。在一些实施例中，冲程变化和编码分辨率可以容易地调整，因此降低了与重新配 置和/或更换致动器相关的费用。冲程是三个组件(磁体外壳组件110、活塞组件130和主 壳体组件150)的作用，可更换的磁体外壳组件110可以用于增加冲程的长度，而不需更换 在所有冲程变化中耐用的更昂贵的部件(例如，活塞组件130和主壳体组件150)。例如，磁 体外壳组件110(如图1所描述)可以用更长的磁体外壳组件210(如图2所描述)更换， 因此能够具有更长的致动器冲程。通过在线圈144和足够长以覆盖给定最大范围的冲程的活塞132的前部之间提供 槽，活塞132适用于包含所有冲程变化。需要注意的是主壳体组件150也可被设计为足够 长以包含所有冲程变化。照这样，当致动器冲程的长度需要改变时，更少的部件需要更换。 该设计也可用于减少需要备有的零件的数量和/或种类，同时促进致动器部件的交付。线性电机致动器100也可以适用于三线圈、多电极的结构。例如，图2为根据本发 明一个实施例的三线圈线性电机致动器200的部分分解视图。如图2所示，三线圈线性电 机致动器200可以包含包括一组分离的磁体218和中心杆216的更长的磁体外壳212，以及 包括三线圈组件的活塞232。在磁体外壳212内的磁体218可以在整个外壳212内被交替 磁化(例如，NS, SN，等)。本领域的技术人员会意识到磁体外壳212和活塞232可以使用 标准生产过程来实现。需要注意的是，致动器100和致动器200的示例性结构可以应用于广泛的使用中。 例如，如图1所描述的单极致动器100可以应用于短冲程、高速和低成本的使用，而如图2 所描述的三线圈的致动器200会更适用于涉及更大力的更长冲程。根据本发明的范围，也 可以使用任何其它的致动器100和致动器200。此外，致动器100、200可以包括许多用于调节的可编程模式，例如，位置、力和速 度。此外，编码器的反馈可以与位置相匹配，使得能够在冲程期间通过检查活塞132、232的 位置确认已经完成的工作。在一些实施例中，(如图1和图2所描述的实施例)，线圈144、244可以围绕居中 的线性导轨。这能除去导轨上的任何力矩并提高力的重复性，这在诸如小电子零件装配和 精密玻璃蚀刻中的精确的力应用中是很有用的。试验表面在从0. IN到8N的范围内，可以 得到小于0. 0005N可重复性的力(例如，如图7所描述的和下面相应的描述)。图3A-3F描述了根据本发明实施例的示例性的磁体外壳112和212。图3A-3C描 述了单极、单线圈线性致动器的磁体外壳112，图3D-3F描述了多极、三线圈线性致动器的 磁体外壳212。
分别如图3A和3C所示的示例性的磁体外壳112和212，端板142、242可以设置在 磁体外壳112、212的一端。端板142、242通过被构成为连接到运行着垂直于端板142、242 且穿过磁体外壳112、212中心的中心杆116、216可以至少部分地固定在适当的位置。需要 注意的是，由于端板142、242可以制作成具有如图3A、3C、3D和3F所示的形状，根据本发明 的范围，端板142、242的多种多样形状是可以使用的。在一些实施例中，磁体外壳112和212可以包括一个或多个磁体118、218(例如， 实质上圆柱形的磁体或圆形的磁体段)以提供需要的用于在线性方向移动活塞132、232的 磁场。在制造过程中使用各种粘合剂或螺丝钉，一个或多个磁体118、218可以容易地固定 在磁体外壳112、212中。更进一步，中心杆116、216可被螺纹连接并被旋紧到磁体外壳112 和212的一端。图4A-4C示出了根据本发明一个实施例的示例性的活塞组件132的各个角度。包 括线轴145的活塞组件132可以形成为单一的整体件。典型的优点是因为部件更少，单一 的整体件能使致动器100、200的组成更不复杂和装配更快。此外，由于制造整体件比制造 多个分开的部件的花费更少，使用单一的整体件能有更高的成本效率。由于这样的组件需 要额外的固定件或硬件以把各个部分连接到一起，单一的整体件还比多个的活塞线轴组件 更轻。进一步参照图3A-3F和图4A-4C所示，当活塞组件130滑动地连接到磁体外壳112 时，切断148能用于阻止端板142、242旋转。端板142、242可以横向地固定，如图3A-3D所 示，还允许活塞组件130的沿着切断148的全部范围相对于磁体外壳112的横向运动。在一些实施例中，依靠致动器100、200的特殊应用，轴锁147可以用于允许各种型 号的花键轴136的容易的可交换性。花键轴136可以根据轴承156的形包括一套一个或多 个轴槽146，以避免花键轴136的不适当的旋转此外，线性编码器刻度尺140可以绘制到活塞组件130上，其可以由光学的线性编 码器174读取(如下所讨论的有关图6的)以确定电流位置和/或活塞组件130已经移动 了多远。在做这些的时候，活塞组件130的电流位置和/或其它位置信息可以作为反馈提 供给电子控制器(未示出)。根据各种实施例，活塞组件130可以形成单个集成件。在一个实施例中，活塞和双 重线轴部件可以通过挤压和加工过程形成。在这点上，由于从一种结构改变成另外一种不 需要改变重要的工具和设备，所以根据各种实施例的线性致动器100、200的设计和制造是 灵活的。图5A-5D示出了根据本发明一个实施例的线性电机致动器100、200的主壳体组件 150的各种视图。如图5A-5D所示，主壳体组件150可以包含主壳体152、固定环153、花键 轴套158、花键轴定位工件157和弹簧垫圈155。图5A-5D所示，花键轴套158可以容纳花键轴承156，该花键轴承156引导花键轴 136并具有与花键轴136的轴槽146相对应的形状，因此减少轴136的不适当的旋转。固定 环153可以旋紧或通过其它固定方式根据预先给定的转矩安装到主壳体组件150上，以这 种方式把轴承156锁定在适当的位置使其不能轴向运动。主壳体组件150的花键轴承定位工件157可以用于在其通过固定环153锁定在适 当的位置前，校准轴承156。根据一个实施例，弹簧垫圈155可以设置在轴承156和固定环153之间。在图5中，由于轴承156和固定环153示出为分离的部分，本领域的普通技术人 员可以意识到，这些部分可以加工到一起作为能够实现轴承156和固定环153两个功能的
单一部件。图6A-6D示出了根据本发明一个实施例的连接有线性编码器组件170的致动器 100,200的各种视图。如图6A-6D所示，线性编码器组件170可以包括编码器外壳172、线 性编码器174和线性编码器支架176。如上所述，线性编码器174可以用于追踪活塞132 的线性运动，并从而追踪线性电机致动器100、200的轴136的线性运动。在一些实施例中， 线性编码器174可以将关于电流位置和/或活塞132的运动的信息送到电子控制器(未示 出)。例如，线性编码器174可以使用编码器固定架176在主壳体152处固定到致动器 100、200上。通过主壳体152中的开口，电缆(未示出)能够接入活塞组件130。线性编码 器固定架176可以包括基本平坦的表面，且能用例如螺丝钉来安全地固定到主壳体152上。 线性编码器固定架176的底部可以具有与线性编码器174的基本平坦的上表面和/或其它 电路部件相对应的形状。例如当环氧的或其它粘合剂引入到线性编码器174和其它电路部 件的周围时，线性编码器174和/或其它电路部件可以相对于线性编码器固定架176保持 齐平，从而使得线性编码器174水平固定于线性编码器固定架176上。通过使线性编码器 174的顶部水平固定在线性编码器固定架176上，线性编码器174和/或其它电路部件不会 由于它们自身重量而受到任何压力，该压力能导致线性编码器174产生不精确的读数。根据一些实施例，线性编码器174和线性编码器固定架176可以基本上装入线性 编码器外壳172中，以得到附加的保护。例如，线性编码器外壳172可以通过螺钉紧固到致 动器100、200的主壳体152。需要注意的是，这儿所描述的致动器100、200可以快速制造和安装且成本有效。 此外，致动器100、200可以制造成相对小、轻和紧凑。可选地，光学线性编码器组件170可 以提供检测并控制由致动器100、200引起的100%的运动。此外，主壳体组件150、磁体外 壳组件110和活塞组件130的单独设计，在制造时提供了灵活性和易重新配置性，从而可以 生产多种致动器结构以符合特殊方案的规范。下面参照图7-10提供了各种致动器的试验结果。试验在 CAL36-010-51-FB-MODJ42上进行，其具有35. 7欧姆的线圈阻抗，10. 4mm的冲程，50克的运 动质量，0. 42kg的总质量，以及缩回时14N，中间位置时15N，伸长时14N的峰值力。力的可 重复性、热、力的分解和摩擦力每样均要检查。这些试验的结果分别在图7、8、9和10中描 述。现描述各试验中每个的配置。在力的可重复性试验中，该单元置于水平位置。轴 被构成为将测压元件推动5秒钟，接着将力释放5秒钟。在热试验中，CAL36置于水平方向。该单元配置为用8N推3秒钟，接着用2N推3 秒钟。接着相应地重复这个过程。监测CAL36后端的温度变化。关于力的分解试验，为了使QMI模式具有少于5克的分解力而修改LAC-I控制器。 得到的分解力约为4克。对于摩擦力试验，该单元水平放置。轴配置为向前和向后移动，并监测电流。由于 轴吸引磁场，移动开始时观测到相对大的力。摩擦力约为0. 3N。
虽然上文已经描述了本发明的各种实施例，应该认识到，它们仅仅是通过示例的 方法提出的，而并非限制。同样，各种图表可以描绘本发明示例的结构或其它配置，这些有 助于理解包含在本发明中的特征和功能。本发明不限于示例的结构或配置，但可以通过使 用各种可替换的结构和配置来实施。此外，虽然上文通过各种示例性的实施例和执行过程 描述本发明，但应当理解的是在一个或多个单独的实施例中描述的各种特征和功能不限于 它们在描述的特定实施例中的应用，而是单独或几个结合地应用于本发明的一个或多个其 它实施例中，无论这些实施例是否被描述且无论这些特征是否出现在所述实施例的部分 中。因此，本发明的宽度和范围应该不受上述任何示例性的实施例的限制。
权利要求
一种线性电机致动器，包含活塞组件，所述活塞组件包括花键轴、适于容纳花键轴的轴套、连接于轴套的线轴；第一壳体组件，所述第一壳体组件包括用于致动所述活塞组件的一个或多个磁体，其中所述第一壳体组件适于容纳所述活塞组件的一部分；第二壳体组件，所述第二壳体组件适于连接到所述第一壳体组件，其中所述第二壳体组件包括基准部，所述基准部用于能够使活塞组件、第一壳体组件、第二壳体组件、编码器组件中的至少一个在预定的公差范围内连接；以及所述编码器组件适于连接到第二壳体，其中所述编码器组件适于接收用于确定所述活塞组件位置的编码。
2.权利要求1所述的线性电机致动器，其中所述活塞组件、第一壳体组件、第二壳体组 件和编码器组件中的每一个都是在车床上加工的。
3.权利要求1所述的线性电机致动器，其中所述基准部包括表面和参考边，其中所述 表面在第一预定公差范围内是基本平坦的，且其中所述参考边在第二预定公差范围内近似 垂直于该表面。
4.权利要求3所述的线性电机致动器，其中所述第二壳体组件包括适于支撑环形花键 轴承的前孔，且其中所述花键轴承适于沿着在花键轴内形成的至少一个槽与花键轴连接。
5.权利要求4所述的线性电机致动器，其中所述前孔具有预定直径。
6.权利要求5所述的线性电机致动器，其中所述前孔在第三预定公差范围内近似平行 于所述表面和参考边。
7.权利要求6所述的线性电机致动器，其中所述第二壳体组件还包括适于容纳所述活 塞组件的一部分的后孔。
8.权利要求7所述的线性电机致动器，其中所述后孔在第四预定公差范围内与所述前 孔近似地同轴。
9.权利要求4所述的线性电机致动器，其中所述花键轴承包括线性导向组件，所述线 性导向组件通过定位销定位于前孔内，所述定位销被引导通过所述第二壳体组件。
10.权利要求1所述的线性电机致动器，其中所述活塞组件包括适于容纳编码器刻度 尺的编码器刻度尺表面，其中所述编码器适于读取编码器刻度尺以确定活塞组件的位置。
11.权利要求10所述的线性电机致动器，其中所述编码器刻度尺表面包括在第五预定 公差范围内近似平坦的表面。
12.权利要求1所述的线性电机致动器，其中所述轴套包括适于容纳花键轴的孔，其中 该孔包括预定直径。
13.一种线性电机致动器，包含活塞组件，所述活塞组件包括在接口区域连接到轴套的轴，以及连接到轴套且具有与 所述轴近似共线的中心轴线的线轴；适于容纳活塞组件的致动器壳体，其中所述致动器壳体包括适于防止所述轴旋转的导 向件；以及可拆卸磁体外壳，其适于连接到致动器壳体并包括用于致动活塞组件的一个或多个磁体。
14.权利要求13所述的线性电机致动器，进一步包括线性编码装置，其中所述线性编2码装置连接到所述致动器壳体，且其中所述线性编码装置适于追踪所述活塞组件的线性运 动。
15.权利要求14所述的线性电机致动器，其中所述线性编码装置适于读取线性刻度尺 以确定所述活塞组件的位置。
16.权利要求14所述的线性电机致动器，其中所述活塞组件、致动器壳体、可拆卸的磁 体外壳和线性编码装置中的至少一个适用于快速组合组件。
17.权利要求13所述的线性电机致动器，其中所述活塞组件在车床上能够用单一装置 制造。
18.权利要求13所述的线性电机致动器，其中所述轴包括花键轴，所述花键轴包括用 于连接所述导向件的至少一个槽。
19.权利要求13所述的线性电机致动器，其中所述导向件包括适于连接形成于所述轴 内的至少一个槽的花键轴承。
20.权利要求13所述的线性电机致动器，其中所述活塞组件包括用于使所述轴从轴套 释放的接口。
21.一种用于以减少的横向力驱动活塞的线性电机致动器的装配方法，所述方法包括 步骤提供包括轴和线轴的活塞组件，其中所述线轴的中心轴线与所述轴近似共线；在致动器壳体内插入活塞组件的至少一部分，其中所述致动器壳体包括适于容纳所述 轴的导向件；以及将磁体外壳连接到致动器壳体，其中所述磁体外壳包括适于驱动活塞组件的一个或多 个磁体。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述导向件包括适于在致动活塞组件期间防止 所述轴旋转的花键轴承。
23.根据权利要求21所述的方法，进一步包括将线性编码装置连接到致动器壳体的步 骤，其中所述线性编码装置适于追踪所述轴的位置。
24.根据权利要求21所述的方法，进一步包括在车床上用单一装置制造活塞组件、磁 体外壳和致动器壳体中的至少一个的步骤。
25.根据权利要求21所述的方法，其中所述致动器壳体包括用于使线性电机致动器处 于一组预定公差范围内的基准部。
全文摘要
在此公开了用于导向具有快速组合设计的单相或多相线性电机致动器的方法和装置。一些实施例包括监测和/或调节已完成工作的能力，还具有与凸轮或气动装置相当的成本。在一实施例中，线圈连接到在活塞后固定的线轴组件。为防止活塞在运行期间旋转，可以将花键轴承可滑动地安装到设置在活塞组件内的花键轴的一个或多个槽上。基于电流流过线圈的方向，围绕线圈的一个或多个圆柱形磁体驱动活塞。由于产生的电动势相对于花键轴是线性的，作用在花键轴上的不需要的横向力得以减小和/或消除。
文档编号B23P19/04GK101917111SQ200911000068
公开日2010年12月15日 申请日期2009年11月23日 优先权日2008年11月21日
发明者冈田直之, 加米·S·瑞兹, 加里·J·瑞英, 卡尔·G·斯托克斯, 戴维·D·黄, 爱德华·A·耐夫, 途恩·M·尤, 铁普·T·乐, 马克·A·卡托 申请人:史脉可有限公司