CN107040165B - 多层叠压电陶瓷大扭力矩单向直驱电机 - Google Patents

多层叠压电陶瓷大扭力矩单向直驱电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及大扭力矩单向直驱电机行业技术领域，特别涉及多层叠压电陶瓷大扭力矩单向直驱电机，包括固定板，牙轮组件包括有牙轮、牙轮轴、小单向轴承、固定轴和限位垫片；推杆组件包括有推杆、大单向轴承、轴承内圈端盖和轴承外圈端盖，大单向轴承外圈与推杆相连接；大单向轴承内圈与牙轮轴相连接；轴承外圈端盖通过螺丝固定在推杆一端的前端面上；轴承内圈端盖通过螺丝固定在牙轮轴另一端的前端面上；压电陶瓷电机组件的顶端通过振动头与推杆另一端相连接；牙轮的齿牙与传送带相啮接。本发明有益效果为：实现了速度可调可控的微步距的高速传动；实现了高速大扭力的直接驱动；本发明具有结构简单，设置合理，制作成本低等优点。

Description

多层叠压电陶瓷大扭力矩单向直驱电机
技术领域
本发明涉及大扭力矩单向直驱电机行业技术领域，特别涉及多层叠压电陶瓷大扭力矩单向直驱电机。
背景技术
目前，现有的伺服或步进电机普遍只能提供大扭矩低速的驱动或者高速小扭矩的驱动。在一定功率的情况下，电机若要驱动较大的负载，必须要通过减速机构进行减速，而一般电机的减速机构的结构相对复杂，传动效率较低，对于传动终端需要大扭矩且高速传动的场合，此类电机已经满足不了要求。而且一般情况下，现有的步进电机的转角步距是固定的，传动进给的精度不可调，缺少了灵活性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单，设计合理、使用方便的多层叠压电陶瓷大扭力矩单向直驱电机。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明所述的多层叠压电陶瓷大扭力矩单向直驱电机，包括固定板、传送带、推杆组件和牙轮组件，所述牙轮组件包括有牙轮、牙轮轴、小单向轴承、固定轴和限位垫片，所述固定轴和限位垫片均通过螺丝固定在固定板的表面上，限位垫片设置在固定轴一端和固定板的表面之间；所述固定轴的轴身嵌套在小单向轴承的内圈上；所述小单向轴承的外圈紧固嵌套在牙轮轴的内孔上；所述牙轮轴一端的凸台后端面通过螺丝与牙轮相固定连接，所述牙轮设置在固定板的表面和凸台后端面之间；
所述推杆组件包括有推杆、大单向轴承、轴承内圈端盖和轴承外圈端盖，大单向轴承外圈上的键槽通过第一平键与推杆内孔壁上的键槽相连接；
大单向轴承内圈上的键槽通过第二平键与牙轮轴外壁的键槽相连接；所述轴承外圈端盖通过螺丝固定在推杆一端的前端面上；所述轴承内圈端盖通过螺丝固定在牙轮轴另一端的前端面上；
所述固定板的表面上设置有压电陶瓷电机组件、阻力控制组件和传感器组件，传感器组件位于推杆一端的正下方，所述传感器组件一端与牙轮的外圆周线相交；所述压电陶瓷电机组件的顶端通过振动头与推杆另一端相固定连接；所述牙轮的齿牙与传送带相啮接，所述阻力控制组件一端紧抵压着牙轮的端面。
进一步地，它还包括有垫块，所述压电陶瓷电机组件包括有电机安装架、压电陶瓷电机、上顶紧螺丝头、下顶紧螺丝头和锁紧螺母，所述电机安装架一端通过垫块设置在固定板的表面上，上顶紧螺丝头和下顶紧螺丝头分别与电机安装架内框的上下螺孔相螺纹连接，所述压电陶瓷电机是由多层压电陶瓷叠加制成；
所述压电陶瓷电机的两端分别通过上顶紧螺丝头、下顶紧螺丝头和锁紧螺母锁紧在电机安装架的内框中，所述压电陶瓷电机的顶端与振动头相连接。
进一步地，所述阻力控制组件包括有扭簧旋转轴、安装座、扭簧和摩擦片，所述安装座和扭簧旋转轴均固定在固定板的表面上，所述扭簧的弹簧圏段套设在扭簧旋转轴上，所述扭簧一端扭条固定设置在安装座上，所述扭簧另一端扭条与摩擦片一端相固定连接，摩擦片另一端紧抵压着牙轮的端面。
进一步地，所述传感器组件包括有传感器和定位板，所述定位板一端固定在固定板的表面上，所述定位板另一端固定着传感器。
采用上述结构后，本发明有益效果为：
1、本装置利用了压电陶瓷电机的振动幅度微小，振动频率以及振幅连续性可调的特点，实现了速度可调可控的微步距的高速传动。
2、本发明的多层叠的压电陶瓷电机具有较大的扭力矩，实现了高速大扭力的直接驱动。
3、本发明具有结构简单，设置合理，制作成本低等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的局部剖视图；
图3是图2中A部位放大图；
图4是本发明的第一视角立体图；
图5是本发明的第一视角立体透视图；
附图标记说明：
1、固定板； 2、压电陶瓷电机组件；2-1、电机安装架；
2-2、压电陶瓷电机；2-3、上顶紧螺丝头；2-4、下顶紧螺丝头；
2-5、锁紧螺母；
31、扭簧旋转轴；32、安装座；33、扭簧； 34、摩擦片； 4、垫块；
5、振动头；
61、推杆；62、大单向轴承；63、轴承内圈端盖；64、轴承外圈端盖；
71、牙轮；72、牙轮轴；73、小单向轴承；74、固定轴；
8、传送带； 9、传感器组件； 101、第一平键； 102、第二平键；
111、限位垫片；
a、传送带的进给步距； b、压电陶瓷电机的振动幅度；
D、牙轮公称直径； L、振动的作用力臂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1至图5所示，本发明所述的多层叠压电陶瓷大扭力矩单向直驱电机，包括固定板1、传送带8、推杆组件和牙轮组件，所述牙轮组件包括有牙轮71、牙轮轴72、小单向轴承73、固定轴74和限位垫片111，所述固定轴74和限位垫片111均通过螺丝固定在固定板1的表面上，限位垫片111设置在固定轴74一端和固定板1的表面之间；所述固定轴74的轴身嵌套在小单向轴承73的内圈上；所述小单向轴承73的外圈紧固嵌套在牙轮轴72的内孔上；所述牙轮轴72一端的凸台后端面通过螺丝与牙轮71相固定连接，所述牙轮71设置在固定板1的表面和凸台后端面之间。
所述推杆组件包括有推杆61、大单向轴承62、轴承内圈端盖63和轴承外圈端盖64，大单向轴承62外圈上的键槽通过第一平键101与推杆61内孔壁上的键槽相连接，第一平键101与键槽为过盈装配方式。
大单向轴承62内圈上的键槽通过第二平键102与牙轮轴72外壁的键槽相连接；第二平键102与键槽为过盈装配方式。
所述轴承外圈端盖64通过螺丝固定在推杆61一端的前端面上；所述轴承内圈端盖63通过螺丝固定在牙轮轴72另一端的前端面上。
所述固定板1的表面上设置有压电陶瓷电机组件2、阻力控制组件和传感器组件9，传感器组件9位于推杆61一端的正下方，所述传感器组件9一端与牙轮71的外圆周线相交；所述压电陶瓷电机组件2的顶端通过振动头5与推杆61另一端相固定连接；所述牙轮71的齿牙与传送带8相啮接，所述阻力控制组件一端紧抵压着牙轮71的端面。
进一步地，它还包括有垫块4，所述压电陶瓷电机组件2包括有电机安装架2-1、压电陶瓷电机2-2、上顶紧螺丝头2-3、下顶紧螺丝头2-4和锁紧螺母2-5，所述电机安装架2-1一端通过垫块4设置在固定板1的表面上，上顶紧螺丝头2-3和下顶紧螺丝头2-4分别与电机安装架2-1内框的上下螺孔相螺纹连接，所述压电陶瓷电机2-2是由多层压电陶瓷叠加制成；
所述压电陶瓷电机2-2的两端分别通过上顶紧螺丝头2-3、下顶紧螺丝头2-4和锁紧螺母2-5锁紧在电机安装架2-1的内框中，所述压电陶瓷电机2-2的顶端与振动头5相连接。
进一步地，所述阻力控制组件包括有扭簧旋转轴31、安装座32、扭簧33和摩擦片34，所述安装座32和扭簧旋转轴31均固定在固定板1的表面上，所述扭簧33的弹簧圏段套设在扭簧旋转轴31上，所述扭簧33一端扭条固定设置在安装座32上，所述扭簧33另一端扭条与摩擦片34一端相固定连接，摩擦片34另一端紧抵压着牙轮71的端面。
进一步地，所述传感器组件9包括有传感器和定位板，所述定位板一端固定在固定板1的表面上，所述定位板另一端固定着传感器。
本发明的传动过程及工作原理：
压电陶瓷电机2-2通电后，压电陶瓷电机2-2的顶端产生上下振动，其振动的幅度为0～0.04mm, 振动频率为0～20kHz；由于电机安装架2-1的结构为框架形，故能够让电机安装架2-1实现微量拉伸和恢复。
当压电陶瓷电机2-2下端被固定时，压电陶瓷电机2-2上端顶住的振动头5，即振动头5同时产生上下振动。此振动使得与振动头5紧固连接的推杆组件围绕着牙轮轴72上下摆动，同时由于推杆组件的大单向轴承62的外圈与推杆61是通过第一平键101实现径向紧固连接定位的，因此大单向轴承62的外圈会绕牙轮轴72向前或向后旋转。
当振动头5向上运动时，大单向轴承62的外圈会向前旋转，由于该大单向轴承62的外圈在往逆时针方向运动时是与大单向轴承62的内圈锁死的，（单向轴承的特点是轴承外圈相对于轴承内圈在一个方向上可以自由转动，而在另一个方向上锁死的一种轴承），因此，大单向轴承62的内圈此时会由于被外圈锁死而向前旋转，此时与大单向轴承62的内圈通过第二个平键紧固连接的牙轮轴72也会向前旋转，同时紧固在牙轮轴72上的牙轮71也会向前旋转，从而牙轮71带动传送带8向前进给。
当振动头5向下运动时，大单向轴承62的外圈会向后旋转，由于该大单向轴承62的外圈在顺时针方向运动时是可与大单向轴承62的内圈自由地相对滚动的，因此，大单向轴承62的内圈不会受外圈的推动力而顺时针方向的旋转，与大单向轴承62紧固连接的牙轮轴72也不会受力往顺时针方向旋转；同时，由于该小单向轴承73的外圈是相对于内圈在顺时针方向紧锁的，而是小单向轴承73的内圈是固定在固定板1上的，故小单向轴承73的外圈是不能往顺时针方向转动的，于是紧固在小单向轴承73内圈上的牙轮轴72也不能往顺时针方向转动，故保证了紧固在牙轮轴72上的牙轮71也会依然停留在原位而不会向后旋转，啮合在牙轮71上的传送带8也停留在原位。
如图1所示，压电陶瓷电机2-2提供的一次振动就会推动传送带向前进给一个步距，该段距离可通过以下计算获得：传送带的进给步距a=压电陶瓷电机的振动幅度b×牙轮公称直径D÷振动的作用力臂L。
若牙轮公称直径D与振动的作用力臂L的比例是1：1，若此时压电陶瓷电机2-2的振动幅度为0.01mm，设控制传递系数f为1，则传送带8的进给步距为0.01mm，同时，由于压电陶瓷电机2-2的振动幅度可连续性调节，故传送带8的进给步距也同时可连续性调节，因此，压电陶瓷电机2-2的微振幅驱动实现了传送带8的微步距且连续性可调的进给功能。再通过压电陶瓷电机2-2的振动频率控制，即可实现传送带8进给速度的控制。本压电陶瓷电机2-2同时有反馈伺服控制***，牙轮71转动时，传感器可对牙轮71的位置作实时的检测并向压电陶瓷电机2-2提供反馈信号，压电陶瓷电机2-2通过反馈信号进行伺服控制和调节从而保证传动的终端位置精准度。另外，该压电陶瓷电机2-2可输出的作用力较大（最大为720kg）,该作用力通过推杆组件直接驱动传动终端，无减速机构，故可以推动较大的负载。本专利设计同时设计有阻力控制组件，通过更换不同弹力系数的扭簧33以及更换不同摩擦系数的摩擦片34，从而可以调节的阻力的大小，因此可以实现对牙轮71的不同的推动力输出。
本发明有益效果为：
1、本装置利用了压电陶瓷电机的振动幅度微小，振动频率以及振幅连续性可调的特点，实现了速度可调可控的微步距的高速传动。
2、本发明的多层叠的压电陶瓷电机具有较大的扭力矩，实现了高速大扭力的直接驱动。
3、另外，该结构简单、设计合理，制造成本低。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (3)

1.多层叠压电陶瓷大扭力矩单向直驱电机，其特征在于：包括固定板(1)、传送带(8)、推杆组件和牙轮组件，所述牙轮组件包括有牙轮(71)、牙轮轴(72)、小单向轴承(73)、固定轴(74)和限位垫片(111)，所述固定轴(74)和限位垫片(111)均通过螺丝固定在固定板(1)的表面上，限位垫片(111)设置在固定轴(74)一端和固定板(1)的表面之间：所述固定轴(74)的轴身嵌套在小单向轴承(73)的内围上：所述小单向轴承(73)的外圈紧固嵌套在牙轮轴(72)的内孔上：所述牙轮轴(72)一端的凸台后端面通过螺丝与牙轮(71)相固定连接，所述牙轮(71)设置在固定板(1)的表面和凸台后端面之间；
所述推杆组件包括有推杆(61)、大单向轴承(62)、轴承内圈端盖(63)和轴承外圈端盖(64)；大单向轴承(62)外圈上的键槽通过第一平键(101)与推杆(61)内孔壁上的键槽相连；
大单向轴承(62)内圈上的键槽通过第二平键(102)与牙轮轴(72)外壁的键槽相连接；所述轴承外圈端盖(64)通过螺丝固定在推杆(61)一端的前端面上；所述轴承内圈端盖(63)通过螺丝固定在牙轮轴(72)另一端的前端面上；
所述固定板(1)的表面上设置有压电陶瓷电机组件(2)、阻力控制组件和传感器组件(9)，传感器组件(9)位于推杆(61)一端的正下方，所述传感器组件(9)一端与牙轮(71)的外圆周线相交；所述压电陶瓷电机组件(2)的顶端通过振动头(5)与推杆(61)另一端相固定连；所述牙轮(71)的齿牙与传送带(8)相啮接，所述阻力控制组件一端紧抵压着牙轮(71)的端面；
还包括有垫块(4)，所述压电陶瓷电机组件(2)包括有电机安装架(2-1)、压电陶瓷电机(2-2)、上顶紧螺丝头(2-3)、下顶紧螺丝头(2-4)和锁紧螺母(2-5)，所述电机安装架(2-1)一端通过垫块(4)设置在固定板(1)的表面上，上顶紧螺丝头(2-3)和下顶紧螺丝头(2-4)分别与电机安装架(2-1)内框的上下螺孔相螺纹连接，所述压电陶瓷电机(2-2)是由多层压电陶瓷叠加制成；所述压电陶瓷电机(2-2)的两端分别通过上顶紧螺丝头(2-3)、下顶紧螺丝头(2-4)和锁紧螺母(2-5)锁紧在电机安装架(2-1)的内框中，所述压电陶瓷电机(2-2)的顶端与振动头(5)相连接。
2.根据权利要求1所述的多层叠压电陶瓷大扭力矩单向直驱电机，其特征在于：所述阻力控制组件包括有扭簧旋转轴(31)、安装座(32)、扭簧(33)和摩擦片(34)，所述安装座(32)和扭簧旋转轴(31)均固定在固定板(1)的表面上，所述扭簧(33)的弹簧圈段套设在扭簧旋转轴(31)上，所述扭簧(33)一端扭条固定设置在安装座(32)上，所述扭簧(33)另一端扭条与摩擦片(34)一端相固定连接，摩擦片(34)另一端紧抵压着牙轮(71)的端面。
3.根据权利要求1所述的多层叠压电陶瓷大扭力矩单向直驱电机，其特征在于：所述传感器组件(9)包括有传感器和定位板，所述定位板一端固定在固定板(1)的表面上，所述定位板另一端固定着传感器。
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Registration number: Y2020980002673

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Denomination of invention: Multilayer laminated piezoelectric ceramic high torque unidirectional direct drive motor

Effective date of registration: 20231017

Granted publication date: 20190312

Pledgee: China Merchants Bank Limited by Share Ltd. Guangzhou branch

Pledgor: GUANGZHOU SIGNKING AUTOMATION CO.,LTD.

Registration number: Y2023980061143