电控的线性泵驱动致动器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在宽范围的分配容积和负荷内具有大体均匀的精密程度和稳定性的用于操作流体分配泵的电控的线性泵驱动致动器。
【背景技术】
[0002]精密液体分配泵用于许多需要分配精确地测定的液体量的环境中。在食品、化妆品、制药、化工和电池工业中发现了此类应用的示例。
[0003]美国专利号N0.5，312，233中描述了线性液体分配泵。这里，泵的活塞往复运动而旋转。通过与步进电机的转子连接的柔性联接装置来实现旋转。该联接装置允许转子轴线与活塞轴线之间的轻微对准偏差。美国专利出版物2006/0203609中描述了具有伺服电机驱动的泵的设备的一个不同示例。在这两种现有技术设计中，伺服电机驱动的泵和通过泵的往复移动而操作的分配单元构成单个机械单元。该设备的尺寸由于同一个往复运动的致动器可适于全部集成在组合的泵和分配单元中的多个缸-柱塞泵单元而增大。该特性使得清洁耗时而困难，并且它不必要地影响设备内的线性致动器。此外，该设计具有增加的长度和体积并且难以操纵。
[0004]一种具有伺服电机驱动的致动器的现有技术计量泵中应用了不同的方案，所述致动器为可从加拿大Richmond Hill的Hibar Systems Limited购得的2S型致动器。该系统在图1和2中示意性地示出。主要部件为伺服电机驱动的线性致动器20，该线性致动器的任务是提供具有圆柱形的中空正面孔的致动器元件的非常准确的线性移位。除了致动器元件精确受控的引导的线性轴向运动外，该致动器元件不沿任何其它方向旋转或移动。致动器组件20的前部具有可释放的适配器插座，单独的分配单元10可附连至该适配器插座。分配单元10在与主致动器组件20的插座联接时具有柱塞，该柱塞插入致动器的圆柱形的正面孔中以使得柱塞跟随致动器进行精确的往复线性运动。分配单元10的柱塞与缸筒协作并且在移动的各个阶段它计量添入缸筒内的液体的精确调节的体积。主致动器组件20与分配单元10之间的可释放连接使得针对不同粘度和/或体积的液体的计量设计的各种分配单元可与同一个致动器单元连接，并且使用者可自由选择最适合他的实际分配任务的分配单元。
[0005]该单独的伺服电机驱动组件的问题主要在于它的较大尺寸，并且为了它的最佳操作，必须使用各自独立的庞大电源单元和控制单元，所述电源单元和控制单元全部用线连接在一起以保持工作性能。此外，在该已知的致动器中，伺服电机使滚珠丝杠单元的轴旋转，所述滚珠丝杠单元具有引导成用于致动器元件中的线性移动的协作的滚珠丝杠螺母，因此螺母不能旋转。
[0006]在伺服电机驱动的线性致动器的情况下，最广泛采用的方案是使用定制的伺服电机。旋转运动通常借助包括轴和螺母的滚珠丝杠系统转化成线性移动，其中使用将电机的转子与滚珠丝杠单元的旋转轴连接的单独的联接元件。这里，增加了转子、联接元件和滚珠丝杠的长度，这导致相当长的几何尺寸，尤其是长度。
[0007]存在几种可用作线性致动器的已知伺服电机驱动器。Kobayashi等人的US2009/0056485 Al中描述了在转子与滚珠丝杠之间不使用单独的联接元件的一个示例，其中伺服电机的转子与轴向的滚珠丝杠轴机械地连接成使得在滚珠丝杠轴的后延伸部处形成陡台阶，并且转子具有用于接纳滚珠丝杠轴的端部的一致地呈台阶状的中空内部。轴与转子的最后部附连。转子的前部具有较大直径的中空开口，以使得不旋转的滚珠丝杠螺母行进进出该开口，并且该线性地移动的螺母构成驱动器的致动器元件。一个问题在于滚珠丝杠轴的极薄和长的设计以及转子的一致的中空设计，这提供了一定程度的不稳定和难以质量平衡的特征。又一个问题在于旋转的滚珠丝杠的重量，所述滚珠丝杠在附连至转子时导致旋转部件的重量的有效增加和因此相应地更高的转子惯性。由于分配泵的令人满意的操作需要伺服电机的迅速加速、减速和旋转方向的改变，所以更高的转子惯性变成关键的速度限制因素。又一个问题与大的不旋转螺母在转子的中空开口中的行进一其中引导是难以解决的——有关。所使用的伺服电机属于具有用于旋转移动的标准轴承设计的常规类型，并且此类轴承耐受线性致动器中不可避免地存在的轴向力的能力较低。在该设计中，转子的前、后轴承之间的轴向距离是短的，并且后轴承由于转子端部的狭窄设计而具有减小的直径。由于此类结构限制，轴向力和任何轴向失准可增加作用在轴承上的负荷，由此降低它们的使用寿命和控制准确度。
[0008]也颁发给Kobayashi等人的美国专利8，020，462 B2中示出了类似的设计,其中与上述设计相比的差别在于，滚珠丝杠轴能以可释放的方式连接在转子最后部的中空腔体中。
[0009]EP I 182 765 Al中描述了缸筒伺服电机,该缸筒伺服电机是独立的单兀,该缸筒伺服电机具有构成输出元件的线性地往复运动的轴。在该文献中，伺服电机与滚珠丝杠驱动器一体地设置，其中螺母固定在转子中并且带螺纹的轴引导成用于线性移动。该伺服电机具有包括径向孔的前部，在所述径向孔中两个滚珠被弹簧偏压至在滚珠丝杠轴的带螺纹的前部中加工出的线性凹槽。滚珠压靠在具有V形截面的凹槽上，并且滚珠的作用是防止轴的扭转。轴上的螺纹与凹槽相交，并且通过选择适当的滚珠尺寸和滚珠之间的距离来解决相关的引导问题。虽然这种系统在轴向负荷比较小的情况下正常工作，但作用在引导元件上的扭力随着负荷增大而增大。在较高扭力的情况下，凹槽的壁趋于将滚珠从凹槽推出，并且滚珠会由于弹簧偏压而沿径向方向移动。由此导致的任何误差将降低系统的角位置调节的准确度。当滚珠与螺纹交叉时可出现相似的角位置误差，因为这里凹槽与滚珠之间的摩擦面积将改变，从而导致角游隙的出现。
[0010]与所述设计有关的又一个问题在于伺服电机的轴承未设计成抵抗更高的轴向力。此外，该滚珠丝杠驱动器无法为作为滚珠丝杠轴的延伸部的致动器轴提供正确和有效的线性引导，因为滚珠丝杠的轴向长度是小的。如果这种致动器与任何要求轴向移动的装置联接，则需要非常准确的轴向联接或单独的联接元件。单独的联接元件(如前文所述)降低了角位置控制的准确度。
[0011]根据该现有技术文献的致动器不适合用于在宽范围的不同负荷内要求相同的精度和准确度的液体分配器。
[0012]当正如上述HIBAR 2S型致动器的情况下那样单独的致动器用于分配泵时，可自由选择由致动器操作的分配泵的设计，只要它可与致动器连接。优选的是致动器可用于利用具有宽范围的粘度值的液体工作的分配泵，并且其中此类分配泵应该能够分配精确地调节但不同的液体体积。当在单个冲程分配的输出体积增大时，并且尤其在应该分配更高粘度的液体的情况下，泵单元的柱塞的移动将需要更高的力，该更高的力带来应该通过致动器的力克服的增加的轴向负荷。在更高的轴向负荷的情况下，将存在致动器单元中旋转的滚珠丝杠轴应该传递至伺服电机的转子的相称的高转矩。
[0013]如果如Kobayashi等人的出版物中所述的这种类型的致动器用于允许使用宽范围的