电动致动器的制作方法

电动致动器


背景技术：

1.下文的讨论仅仅是针对一般的背景信息而提供的，不旨在用于帮助确定权利要求主题的范围。
2.测试机器或设备用于测试材料、部件、消费品、电子器件以及医疗装置和其他装置(即测试样本)的参数和/或性能。典型地，测试机器包括一个或多个致动器，以提供输入载荷和位移。


技术实现要素：

3.本文的发明内容和摘要用以通过简化的形式介绍概念选集，在下文的具体实施方式中会进一步说明这些概念。本发明内容和摘要不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。所要求保护的主题不限于解决背景技术中所指出的任何或所有缺点的实施方式。
4.一个一般方面包括一种用于向测试样本施加载荷的电动致动器。电动致动器包括固定支撑件和引导系统，该引导系统具有接合至该固定支撑件的单个固定引导件，该单个固定引导件具有轴线。致动器还包括紧固至固定支撑件的固定组件。移动组件可以在引导件上相对于固定支撑件移动，其中，该移动组件和该固定组件提供至少两组相互作用的磁场，该至少两组相互作用的磁场以相等的角度间隔设置在引导件周围。测试样本支撑件接合至移动组件并且设置在固定支撑件的一侧上，以便随着移动组件的移动而沿轴线移动，该轴线延伸穿过测试样本支撑件。
5.前述方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个特征。在一个实施例中，移动组件可以包括线圈，而固定组件包括磁体。移动组件包括在引导件上被引导的一个轴承且优选地第一轴承和第二轴承，这些轴承彼此间隔开。移动组件可以包括由支撑轨道支撑的扁平线圈，第一轴承和第二轴承接合至该支撑轨道。轴承和第二轴承中的每一者可以包括轴承表面、轴承支撑件以及挠曲部，该轴承表面与引导件直接或间接接触，该挠曲部将该轴承表面接合至该轴承支撑件，该挠曲部对于绕与引导件正交的轴线的力矩是顺从的，并且对于沿与引导件正交的轴线的力是刚性的。
6.电动致动器并且可以包括接合至移动组件的辅助力产生装置。引导件可以包括孔，并且辅助力产生装置可以包括可以在该孔中的从动构件。辅助力产生装置可以是弹簧、比如机械弹簧(压缩弹簧、张紧弹簧等)。此外或在替代方案中，孔和从动构件形成填充有气体的密封腔室。
7.防旋转轴承组件可以联接至移动组件和固定组件。防旋转轴承组件可以包括引导表面结构和轴承元件，该引导表面结构接合至移动组件以与之一起移动，该轴承元件接合至固定部件，或反之亦然。
8.另一个一般方面包括一种电动致动器，其具有固定支撑件和接合至该固定支撑件的固定引导件。固定组件紧固至该固定支撑件。第一轴承和与该第一轴承间隔开的第二轴承各自在引导件上被引导。移动组件紧固至第一轴承和第二轴承，并且与该第一轴承和该
第二轴承一起在引导件上相对于固定支撑件可移动，其中，每个轴承可以包括轴承表面、轴承支撑件以及可移动联接件，该轴承表面与引导件直接或间接接触，该可移动联接件将该轴承表面接合至该轴承支撑件，该移动组件紧固至轴承支撑件中的每一个。
9.前述方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个特征。在电动致动器中，可移动联接件对于绕与引导件正交的轴线的力矩是顺从的、并且对于沿与引导件正交的轴线的力是刚性的。可移动联接件可以包括挠曲部。
附图说明
10.图1是电动致动器的立体图。
11.图2是电动致动器处于第一位置的立体图。
12.图3是电动致动器处于第二位置的立体图。
13.图4是电动致动器的局部立体图，其中一些部件被去除。
14.图5是电动致动器的另一个局部立体图，其中一些部件被去除。
15.图6是移动组件的立体图。
16.图7是移动组件的轴承的立体图，其中一些部件被去除。
17.图8是移动组件的轴承的另一个立体图，其中一些部件被去除。
18.图9是轴承的立体图。
19.图10是图9的轴承的立体图，其中一些部件被去除。
20.图11是图9的轴承的另一个立体图，其中一些部件被去除。
21.图12是轴承的示意图，该轴承可在引导件上移动，而不对引导件的弯曲运动向轴承提供补偿。
22.图13是轴承和引导件的示意图，其中轴承对引导件的弯曲运动进行补偿。
23.图14是电动致动器的另一个局部立体图。
24.图15是电动致动器的局部俯视平面图，其中一些部件被去除。
25.图16是具有第二力产生装置的电动致动器的示意图。
26.图17是具有第二力产生装置的电动致动器的局部立体图。
具体实施方式
27.本公开内容提供了一种能够线性位移的电动致动器20。致动器20可以用于许多不同的应用。在一个非限制性的但有利的实施例中，电动致动器20设置在测试机器中，以向测试样本(比如但不限于吸震器)赋予所期望的载荷或位移。这种测试机器是众所周知的，并且在一个实施例中，测试机器包括横向载头，该横向载头经由横向载头驱动器(马达、齿轮减速器、传动带等)可在竖直柱上移动，其中，这些柱则由基部支撑。图1至图3中展示的具有本文所描述的方面的电动致动器20典型地但不限于安装在测试机器的基部中，但也可以安装在横向载头中。在替代性实施例中，测试机器可以具有由桌面支撑的大小。应理解，致动器20可以根据其使用在的应用场合按需取向。如本领域技术人员所理解的，下文描述的电动致动器20的部件的大小可以根据需要确定，以赋予所期望的载荷。
28.通常，致动器20包括固定支架(mount)或框架21、安装至固定支架21的固定组件24、以及通过磁场的相互作用相对于固定组件24移动的移动组件26，移动组件26沿由引导
件28限定的轴线27移动。在致动器20中，引导件28包括、优选地包括单个引导件，比如在各端部处被固定至支架21的杆。通过仅使用单个引导杆28(其上引导至少一个轴承)，引导系统(引导杆/(多个)轴承)不会过度约束沿轴线27的线性移动。在常规致动器中，两个或更多个间隔开的引导组件沿间隔开的引导路径或轴线移动。因为在致动器中为移动构件的单个线性被引导运动提供了两个或更多个引导路径，所以间隔开的引导路径实现了过度约束的引导系。例如由于致动器的运输过程、致动器元件的热膨胀、和/或正常磨损，引导路径或轴线通常彼此不完全平行、或者可能容易歪斜或不平行，因此这种致动器的操作存在困难。由于使用单个引导杆28，这些问题被最小化。
29.优选地，致动器20包括至少两组相互作用的磁场，其中，第一组相互作用的磁场设置在轴线27和引导件28的一侧，第二组相互作用的磁场设置在相反侧(即关于轴线27旋转过180度)。每组相互作用的磁场包括固定部件34和移动部件36，固定部件形成固定组件24的一部分，移动部件形成移动组件26的一部分。每个相关联对中的固定部件34和移动部件36中的至少一者是具有线匝的线圈，线圈可以选择性地通电，而固定部件34和相关联的移动部件36中的另一者可以由永磁体或其他线圈形成。在所展示的实施例中，移动部件36中的每一个是线圈，而固定部件34中的每一个包括以连续方式布置以与轴线27和引导件28平行的多个磁体。因为移动部件线圈36的质量小于固定部件磁体34，所以致动器20可以具有更好的响应性，但是线圈和磁体的这种布置不应被认为是限制性的。
30.参照图6和图14，每个移动部件36的线圈呈大致刨面(planer)叶片40的形式，其中，线圈被支撑在平面支撑件41上，该平面支撑件具有比该刨面支撑件41更硬的支撑轨道42。在一个实施例中，平面支撑件41和支撑轨道42是接合在一起的可能由不同材料制成的独立部件。然而，在替代性实施例中，比如在图14中最清楚展示的，平面支撑件41和轨道42是由单个整体本体一体地形成在一起的。
31.在所展示的实施例中，每个相关联的固定部件34包括至少一组并且优选地两组磁体43，其中第一组磁体43a被布置成面向平面支撑件41的第一主表面，第二组磁体43b被布置成面向平面支撑件41的第二主表面，该第二主表面与该第一主表面面向相反的方向。应注意到的是，可以在平面支撑件41上设置单组线圈，以便与第一组磁体43a和第二组磁体43b两者磁性耦合。替代性地，平面支撑件41可以支撑第一组线圈使其在平面支撑件41的一侧上以便面向第一组磁体43a，将第二组线圈支撑在平面支撑件41的相反侧上以便面向第二组磁体43b。每组磁体安装至u形支撑框架45的延伸支撑构件45a、45b，其中，u形支撑框架45的中央区段45c紧固至支架21。本文“磁性耦合单元”是在每个平面支撑件41上的(多个)磁性部件(磁体或线圈)，该(多个)磁性部件磁性耦合至其相关联的在固定部件34上的(多个)磁性部件(磁体或线圈)，如由每个u形支撑框架45所提供的。
32.与平面支撑件41一样，支撑框架45的支撑构件45a、45b和中央区段45c可以由单独的零件连结在一起而形成或由单个整体本体一体地形成。在示例性实施例中，固定部件34和对应的移动部件36成对地布置在轴线27的相反两侧，其中，如图14中所展示的，三对固定部件34和移动部件36(或六个独立的磁性耦合的操作单元，磁性耦合的操作单元是单个固定部件34和移动部件36)呈现为通常在轴线27的一侧上的第一组磁性耦合的操作单元50a和通常在轴线27的相反侧上的第二组磁性耦合的操作单元50b，以便不相对于轴线造成任何不平衡载荷；然而，这不应认为是限制性的，因为根据所期望的操作规范，可以给出多于
或少于三对。此外，在又一替代性实施例中，应注意到的是，磁性耦合的操作单元组(如组50a)同样可以绕轴线27以相同的角度间隔设置，以便不会相对于轴线造成任何不平衡载荷。例如，三组磁性联接的操作单元可以绕轴线27布置，以便彼此以大致120度间隔开。通常，如果在每个磁性耦合的操作单元中存在多个平面支撑件，则将存在关于轴线27等间距间隔开的多组等间距间隔开的平面支撑件(每组包括来自每组磁性耦合的操作单元的平面支撑件)，固定部件以同样的方式支撑相关联的磁性部件。因此，对于如图15中所展示的两组磁性耦合的操作单元50a、50b，每组具有三个平面支撑件41(叶片40)，多组等间距间隔开的平面支撑件的数量可以是三组，其中，第一组包括平面支撑件57a，第二组包括平面支撑件57b，第三组包括平面支撑件57c。呈叶片40形式的移动部件36和呈u形磁轨形式的固定部件34可从美国宾夕法尼亚匹兹堡aerotech公司获得。
33.如上所述，移动组件26由引导件28引导，引导件在本文中实施为引导杆。特别地，移动组件26包括相对于引导杆28可移动的至少一个(并且在一个实施例中包括两个)轴承组件70。在优选实施例中，轴承组件70彼此间隔开，每个轴承组件仅连接至移动部件36的(多个)支撑轨道42，而不是连接至(多个)支撑轨道42以外的单独结构。以此方式，因为除了叶片40外没有附加的结构与轴承70连接在一起，所以有利地减少了移动组件26的质量。
34.移动组件26进一步包括测试样本支撑件76，样本在测试样本支撑件的端部22处连接至该测试样本支撑件。测试样本支撑件76延伸超过固定组件24或其支架21。在示例性实施例中，样本支撑件76包括两个支撑杆78、以及形成端部22的横向构件81。在横向构件81的相反两端处，支撑杆78接合至轴承组件70中的一个，同时，支撑杆78延伸穿过支架21中的孔口83。因为样本支撑件76和轴承组件70紧固至彼此而一起移动，所以致动器20的侧向载荷能力不随样本支撑件76从支架21延伸而变化，而在轴承组件被固定至对应的支架的常规致动器中，侧向载荷能力是变化的。以此方式，有利地，侧向载荷能力在移动组件26的整个行进长度上是恒定的。优选地，测试样本支撑件76被配置为使得轴线27延伸穿过测试样本支撑件76，使得附接至该测试样本支撑件的测试样本以轴线27为中心，并且支撑杆78关于轴线27等间距地间隔开(如果使用多个支撑杆78)。在替代性实施例中，支撑杆可以由单个元件(比如杆、圆柱体等)代替，该单个元件以轴线27为中心并且从轴承组件70中的一者沿轴线27背离两个轴承组件70或背离固定支架21延伸。
35.图7至图9展示了轴承组件70的有利结构，尤其是使用挠曲部84将(与引导杆28直接或间接接触的)轴承80与轴承支撑件82连接。轴承支撑件82被紧固至(多个)支撑轨道42，其中，样本支撑件76还接合至轴承支撑件82上部。
36.轴承80提供轴承表面，能够对径向载荷作出反应，这对于向用于特性测试的典型电动致动器提供引导系统是必要的。然而，挠曲部84提供了即使在引导杆弯曲的情况下也能使轴承表面的位置与引导杆28共线的机械手段。
37.参照图9，挠曲部84被配置为对于沿轴线90(“x”)和92(“y”)(这两条轴线与轴线27正交)以及沿轴线94(“z”)的线性力是大致刚性的。然而，挠曲部84对于绕轴线90和92的力矩是顺从的。这使轴承80能够按照需要随着引导杆28的任何弯曲旋转。在所展示的实施例中，挠曲部84是具有中心孔口的刨面，引导杆28延伸穿过该中心孔口。臂85将挠曲部安装至轴承支撑件82，例如被定位在轴承支撑件82的接合在一起的部分87与部分88之间。在挠曲部84的每个端部处的臂85之间设置切口97。使用用于引导杆28的扩大的孔口，切口97提供
了挠曲部84沿轴线90用作枢转件的小部分89(图10)。类似地，选择挠曲部84的宽度使得用于引导杆28的扩大的孔口也形成了沿轴线92用作枢转件的小部分91(图11)。在优选实施例中，轴承80穿过每个轴承80的质心安装至挠曲部84。挠曲部84的弯矩刚度显著地小于轴承80的纵摇刚度。
38.在图13中以夸大的方式示意性地展示了引导杆28和轴承80。当存在来自样本加载的侧向载荷时，侧向载荷通过轴承80传递并且在引导杆28上作出反应。作用在引导杆28上的载荷可能造成引导杆28的侧向和角向偏转，如图13中所展示的。然而，对于绕轴线90和92的力矩，挠曲部84的力矩刚度比轴承80的纵摇刚度小，所以与引导杆28直接或间接接触的轴承表面能够跟随引导杆28的角偏转。这使得轴承表面沿轴承80的长度与引导杆28保持大致共线，因此提供了最佳轴承载荷能力以对外部径向侧载荷作出反应。
39.图12示意性地展示了当不存在挠曲部84时可能发生的情况。在这种结构中，引导杆28弯曲，但由于轴承80不旋转，可能存在轴承边缘载荷，该轴承边缘载荷可以显著地降低致动器的侧向额定载荷。
40.应注意到的是，轴承80可以采取任何传统形式，比如但不限于具有或不具有润滑剂的(旋转或非旋转)接触轴承表面。然而，在优选实施例中，轴承80可以包括提供无摩擦、无接触空气轴承表面的空气轴承。参照图10和图11，圆柱形多孔空气衬套110的尺寸被确定成靠近引导杆28的外表面定位。上部外轴承壳体112和下部外轴承壳体114包围空气衬套110并且紧固在一起，从而将挠曲部84的环形部分夹在中间。美国宾夕法尼亚州阿斯顿的newway air bearings出售这种轴承。
41.返回参照图2和图3，防旋转轴承组件120优选地被提供以抑制由于引导件28是杆且轴承70具有圆柱形表面所引起的移动组件26绕轴线27的旋转。通常，防旋转轴承组件120和下文描述的替代方案径向地偏离轴线27且不产生过度约束的引导结构。在所展示的实施例中，轴承组件120包括与平行于轴线27的引导表面直接或优选地间接(例如空气轴承衬套)接触的轴承元件122(比如滚动元件或衬套)。在图2和图3中，轴承元件122接合至移动组件26以与之一起移动，而固定引导表面存在于固定组件24上。
42.图14和图15展示了另一个防旋转轴承组件130。防旋转轴承组件130包括接合至移动组件26以与之一起移动的引导表面结构132(比如轨道或盘)，而轴承元件134紧固至固定组件24、优选地在引导表面结构132的相反两侧上。优选地，轴承元件134安装在转动式联接件136上，该转动式联接件继而通过支架139固定至固定组件24。如果实施为空气衬套，则空气供应软管138从供应源(未示出)向轴承元件134供应空气或其他气体。防旋转轴承组件130可能比防旋转轴承组件120更为优选，因为空气供应软管138不必随着移动组件26的移动而移动或挠曲。
43.若产生高连续力，则空气芯线性电动致动器具有过热的倾向。因此，在一个实施例中，提供了图15和图16中所展示的辅助力产生装置150，以应对来自致动器20的期望的静态力或连续力。通常，辅助力产生装置150包括弹簧或其他力产生部件，以向移动组件26提供克服重力的向上的力。在一个实施例中，引导杆28包括：空腔或孔152，弹簧或其他力产生部件位于该空腔或孔中；以及从动元件154，该从动元件可操作地联接至该弹簧或其他力产生部件和移动组件26。从动元件154在本文中实施为杆，该杆延伸穿过引导杆28中的孔口28a(和支架21中的孔口158)并且以固定的方式或经由联接件而接合样本支撑件76，该联接件
允许相对于轴线27至少正交地受限移动，以便不再产生过度约束的引导的结构。从动元件154可以永久地紧固至样本支撑件76，以便总是随着该样本支撑件的移动而沿轴线27移动，或者以可解除联接的方式紧固至样本支撑件，使得在至少一些运动期间，移动组件26不包括从动元件154的质量。
44.辅助力产生装置150可以包括位于空腔或孔152中的机械弹簧、和/或空腔或孔152可以用作缸体，从动元件154用作在缸体中可移动的具有密封件155的活塞。机械弹簧增加了质量、摩擦，并且可能产生不期望的共振。活塞-缸体布置可以是气动的、油压氮(oil over nitrogen)等。油压氮系统增加了油惯性(移动质量)、油压力控制系统的需要和泄露的可能性等。空气增压系统典型地仅在最高至约100磅/平方英寸(psi)的情况下使用(以在碰巧有燃料源存在的情况下避免自燃)。基于氮气压力的系统允许更高的操作压力，其中，通风的或无约束的环境中的泄露(如果有的话)通常不成问题。虽然展示为单端活塞，但是应注意到的是，有效形成在缸体上方和下方的具有弹簧的双端部活塞杆允许双向静态支撑载荷。
45.虽然本文已经展示和描述了多个不同的实施例和示例，但是本公开内容仅仅是说明性的，并且在不背离本公开内容的范围的情况下可以对结构、布置和方法做出详细改变。