CN113258745B - 一种高速直线运动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速直线运动装置，其包括相互配合的定子单元和动子单元，所述定子单元上设置有导轨，所述动子单元能够沿所述导轨在定子单元中进行直线运动。所述导轨包括平行设置的第一导轨、第二导轨，所述第一导轨分别设置在定子单元上部、下部，所述动子单元的上、下端分别设置有第一导向滚轮组件、第二导向滚轮组件，所述第一导向滚轮组件、第二导向滚轮组件分别与第一导轨、第二导轨配合。本发明提供的技术方案可以大幅度提高直线运动装置的行程、速度和承载能力。

Description

一种高速直线运动装置

技术领域

本发明具体涉及一种高速直线运动装置，属于机电设计领域。

背景技术

目前在直线运动领域，滚动丝杠、液压直线驱动、直线电机占据了很大的比例，但是由于其自身结构的特点，特别是轴承自身条件的限制，这类直线运动装置速度大多达不到5m/s。随着某些领域对于直线运动高速度要求的提升（尤其是10m/s以上的速度），传统的直线运动结构已不能满足要求，所以对于高速直线运动装置的研究势在必行。

业界普遍认为，直线电机较其他形式具有巨大的潜力，但是当前工业领域应用的直线电机大多具有行程短、速度低、承载能力小、结构简单等特点。对于更高要求的直线电机而言，现有直线电机的机械结构将面临很大的挑战。具体而言，现有直线电机由于其应用滚珠滑动轴承，限制了其高速滑动和承载能力，且其简单的结构特性，难以加工制造出长行程的整体机械结构。

近年来，有一些研究者提出了一些改进的直线电机设计方案。例如，CN107380476A提供了一种长初级短次级感性式三相交流电机，包括短电机、长电机、折叠机构、次级板、锁定机构和激光测距传感器的机械结构。但这些方案仍存在一些缺陷，未能很好的满足高速度直线运动等方面的需求。

如何发展出一种高速直线运动的装置，已然成为本领域渴求解决的难题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高速直线运动的装置，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明的一些实施例提供了一种高速直线运动装置，包括相互配合的定子单元和动子单元，所述定子单元上设置有导轨，所述动子单元能够沿所述导轨在定子单元中进行直线运动；

所述导轨包括平行设置的第一导轨和第二导轨，所述第一导轨为两根并对称分布在定子单元上部，所述第二导轨分布在定子单元下部；

所述动子单元上部的两侧对称设置有两组第一导向滚轮组件，每一组第一导向滚轮组件与相应的一根第一导轨配合，其中一组第一导向滚轮组件包括多个第一滚轮和多个第二滚轮，多个该第一滚轮和多个该第二滚轮沿所述动子单元的运动方向交替设置，多个该第一滚轮的轴线均沿水平方向设置且与动子单元的运动方向相互垂直，其中至少一个第一滚轮的外缘部与相应第一导轨的内壁顶部保持滚动接触，至少另一个第一滚轮的外缘部与相应第一导轨的内壁底部保持滚动接触，多个该第二滚轮的轴线均沿竖直方向设置，且多个该第二滚轮的外缘部均与相应第一导轨的内壁侧部保持滚动接触；

所述动子单元下部设置有一组第二导向滚轮组件，一组该第二导向滚轮组件包括多个第三滚轮和多个第四滚轮，多个该第三滚轮和多个该第四滚轮沿所述动子单元的运动方向交替设置，并且所述第三滚轮和第四滚轮的轴线均沿竖直方向设置，其中所述第三滚轮的外缘部与第二导轨的一侧内壁保持滚动接触，所述第四滚轮的外缘部与第二导轨的另一侧内壁保持滚动接触。

在一些实施方式中，每一组第一导向滚轮组件中分布在动子单元两端处的两个滚轮均为第一滚轮且两个该滚轮的外缘部均与相应第一导轨的内壁顶部保持滚动接触，其余第一滚轮的外缘部均与相应第一导轨的内壁底部保持滚动接触。

在一些实施方式中，每一组第一导向滚轮组件中分布在动子单元两端处的两个第一滚轮的轴线所处高度高于其余第一滚轮的轴线所处高度。

在一些实施方式中，一组第二导向滚轮组件中的多个第三滚轮和多个第四滚轮沿S型曲线分布。

在一些实施方式中，所述定子单元包括一个或多个定子组件模块，多个所述定子组件模块沿长度方向依次拼接。

进一步的，所述定子单元包括一个或多个第一定子组件模块和/或一个或多个第二定子组件模块；其中多个第一定子组件模块相互拼接，或者，多个第二定子组件模块相互拼接，或者，至少一个第一定子组件模块与至少一个第二定子组件模块相互拼接。

进一步的，所述第一定子组件模块为设置于定子单元一端的端部组件，所述第二定子组件模块为设置于定子单元两端之间的中部组件。

在一些实施方式中，多个所述定子组件模块之中相邻两个定子组件模块的定子铁芯通过榫槽结构无缝拼接。

在一些实施方式中，所述定子组件模块包括对称设置的第一定子模块和第三定子模块，并且所述第一定子模块与第三定子模块之间分布有可供所述动子单元进行所述直线运动的空间；或者，所述定子组件模块包括对称设置的两个第二定子模块，并且两个该第二定子模块之间分布有可供所述动子单元进行所述直线运动的空间。

在一些实施方式中，所述定子单元的两端还设置有与动子单元配合的运动缓冲机构。

与现有技术相比，本发明以上实施例提供的技术方案通过对直线运动装置的定子、动子以及导轨等组件进行整体设计，可以大幅度提高直线运动装置的行程、速度和承载能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例中一种高速直线运动装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例中一种动子单元的结构示意图；

图3是本发明一实施例中一种高速直线运动装置内导轨的结构示意图；

图4是本发明一实施例中一种第一定子组件模块的结构示意图；

图5是本发明一实施例中一种第二定子组件模块的结构示意图；

图6是本发明一实施例中第一定子模块的结构示意图；

图7是本发明一实施例中第二定子模块的结构示意图；

图8是本发明一实施例中第三定子模块的结构示意图；

图9是本发明一实施例中一个第一定子模块与相应第二定子模块无缝拼接的示意图；

附图标记说明：定子单元1、动子单元2、第一滚轮3、第二滚轮4、第三滚轮5、第四滚轮6、第一导轨7、第二导轨8、第一定子组件模块9、第二定子组件模块10、第一定子模块11、第二定子模块12、第三定子模块13、运动缓冲机构14。

具体实施方式

如前所述，鉴于现有技术的不足，本案发明人经长期研究和时间，得以提出本发明的技术方案，如下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图3所示，本发明一实施例提供的一种高速直线运动装置包括相互配合的定子单元1和动子单元2，该定子单元1上设置有导轨，该动子单元2能够沿所述导轨在定子单元1中进行直线运动。其中，所述导轨沿定子单元1的长度方向延伸，故而该动子单元2能够沿定子单元1的长度方向运动。该定子单元1可以被认为是一种直线定子。

进一步的，所述导轨包括平行设置的第一导轨7和第二导轨8，所述第一导轨7为两根并对称分布在定子单元1上部，所述第二导轨8分布在定子单元1下部。

其中，第一导轨7采用具有C型纵向截面的直线导轨，而第二导轨8采用具有U型槽状纵向截面的直线导轨。该第二导轨8可以设置在定子单元的两边之间，特别是定子单元下部中央处。

相应的，该动子单元2上部的两侧对称设置有两组第一导向滚轮组件，每一组第一导向滚轮组件与相应的一根第一导轨7配合，其中一组第一导向滚轮组件包括多个第一滚轮3和多个第二滚轮4，多个该第一滚轮3和多个该第二滚轮4沿所述动子单元2的运动方向交替设置。其中，多个该第一滚轮3的轴线均沿水平方向设置且与动子单元2的运动方向相互垂直，因此可以被认为是径向滚轮，其中一部分第一滚轮3的外缘部与相应第一导轨7的内壁顶部保持滚动接触，另一部分第一滚轮3的外缘部与相应第一导轨7的内壁底部保持滚动接触，如此可以利用这些第一滚轮3使动子单元2实现纵向定位，即在竖直方向上实现定位。多个该第二滚轮4的轴线均沿竖直方向设置，因此可以被认为是轴向滚轮，且多个该第二滚轮4的外缘部均与相应第一导轨7的内壁侧部保持滚动接触，这使得动子单元2上部实现横向定位，即在水平方向上实现定位。

进一步，可以将每一组第一导向滚轮组件中分布在动子单元两端处的两个滚轮采用第一滚轮3且两个该滚轮的外缘部均与相应第一导轨7的内壁顶部保持滚动接触，其余第一滚轮3的外缘部均与相应第一导轨7的内壁底部保持滚动接触。并且，每一组第一导向滚轮组件中分布在动子单元两端处的两个第一滚轮3的轴线所处高度高于其余第一滚轮3的轴线所处高度。

通过以上两组第一导向滚轮组件与两根第一导轨7的配合，既利于提高动子单元的运动速度，还能实现动子单元和定子单元在水平方向及竖直方向的定位，提高动子单元的承载能力和抗偏移能力。

其中，该动子单元2下部还设置有一组第二导向滚轮组件，一组该第二导向滚轮组件包括多个第三滚轮5和多个第四滚轮6，多个该第三滚轮5和多个该第四滚轮6沿动子单元2的运动方向交替设置，并且第三滚轮5和第四滚轮6的轴线均沿竖直方向设置，因此该两种滚轮也可以被认为是轴向滚轮。其中各第三滚轮5的外缘部与第二导轨8的一侧内壁保持滚动接触，各第四滚轮6的外缘部与第二导轨8的另一侧内壁保持滚动接触。通过该第二导向滚轮组件与第二导轨8的配合，还可进一步保障动子单元和定子单元在水平方向的定位。

进一步的，该第二导向滚轮组件中的多个第三滚轮5和多个第四滚轮6可以沿S型曲线分布。除此之外，该第二导向滚轮组件中的各个滚轮还可以采用其他可以两端错开的排布形式，使得动子单元下方的第三滚轮5和第四滚轮6可以起到两端支撑且正常运行的作用，进一步防止动子单元2横向偏移。

在另外的一些实施方式中，也可以将一组第一导向滚轮组件中的多个该第二滚轮4沿动子单元2的运动方向分为前后两组，而一组第二导向滚轮组件中的多个第三滚轮5和多个第四滚轮6被归属于同一中间组，在动子单元2的运动方向上，该中间组分布在上述前、后组之间。这样的设置形式，同样可以实现动子单元的水平定位。

通过前述第一导向滚轮组件、第二导向滚轮组件与第一导轨7、第二导轨8的配合，可以实现动子单元2与定子单元1的全方位定位，进而大幅度提高该直线运动装置的速度和承载能力等。采用这种组配方式，还可以降低动子单元2和定子单元1的装配难度，以及降低导向组件的加工制造难度。

在本实施例中，该定子单元1可以采用模块化设计，其包括一个或多个定子组件模块。若采用多个定子组件模块，则多个该定子组件模块可以沿长度方向依次拼接，使得定子单元长行程化，进而有利于大幅度提高直线运动装置的速度和承载能力。

进一步的，请参阅图4，其中一种定子组件模块是第一定子组件模块9，其可以是设置于定子单元1一端的端部组件。

再请参阅图5，其中另一种定子组件模块是第二定子组件模块10，其可以为设置于定子单元1两端之间的中部组件。

通过采用模块化的设计，可以依据实际应用的需求而组配定子单元1，包括依据实际应用调整定子组件模块的规格和/或增减定子组件模块的数量，从而调整定子单元的长度。

具体的，定子单元1可以由第一定子组件模块9和/或第二定子组件模块10按照多种形式组配形成。例如，定子单元1可以由一个第一定子组件模块9与一个或多个第二定子组件模块10拼接形成。定子单元1可以由两个第一定子组件模块9拼接形成。定子单元1可以由两个或更多个第二定子组件模块10拼接形成。定子单元1可以由位于首尾两端的两个第一定子组件模块9与分布在两个该第一定子组件模块9之间的一个或多个第二定子组件模块10拼接形成。

在本实施例中，多个定子组件模块之中相邻两个定子组件模块的定子铁芯可以通过榫槽结构无缝拼接。

进一步的，可以在两个定子组件模块的拼接处采用有凹凸卡槽拼接结构，其中包含均匀分布的2-4个或更多个卡槽，各卡槽结构相同，使得定子组件模块加工简单，装配容易，保证定子单元的整体工艺性和直线运动装置的电磁性能。

其中，可以使相邻两个定子组件模块的定子铁芯通过榫槽结构无缝拼接。例如，可以在其中一个定子组件模块的定子铁芯的拼接面上设置突起的榫头结构，而在另一定子组件模块的定子铁芯的拼接面上设置与所述榫头结构配合的凹槽结构。或者，也可以使相邻两个定子组件模块的定子铁芯通过梯形卡槽结构、矩形卡槽结构或其它形式的可耦合的卡槽结构配合，以便于实现两个定子组件模块的无缝装配。

在本实施例中，各定子组件模块均为双边定子的结构，并包括间隔设置且彼此相对的两组定子模块，各定子模块包括定子铁芯和相应的线圈等组件。该两组定子模块之间留有可供动子单元2进行直线运动的空间。

进一步的，请参阅图4、图6和图8，前述第一定子组件模块9可以包括对称设置的第一定子模块11和第三定子模块13，该第一定子模块11和第三定子模块13只有一端面设置前述卡槽结构。

进一步的，请参阅图5和图7，前述第二定子组件模块10可以包括对称设置的两个第二定子模块12，各第二定子模块12两端均具有前述卡槽结构。

例如，请参阅图9，在将一个第一定子组件模块9与一个第二定子组件模块10拼接时，其中每一第一定子模块11的定子铁芯的一端部与相应一个第二定子模块12的定子铁芯的一端部通过梯形、矩形、三角形或其它形状的可耦合的卡槽结构配合形成无缝拼接。

通过前述卡槽结构，可以使第二定子模块12的两端面分别与第一定子模块11的一端面、第三定子模块13的一端面无缝装配，从而保证定子单元的整体工艺性和直线运动装置的电磁性能。

本实施例所采用的前述高速直线运动装置结构设计，具有降低装配难度、提高产品质量以及降低生产制造难度等优点。具体来说，采用这种组配方式，使原本大尺寸的零部件可实现小尺寸加工，从而明显改善加工难度，提高加工质量以及缩小加工时间；同时，通过使产品模块化，便于零部件装配，提高装配质量；以及，还可以提高检测质量。

在本实施例中，还可以在定子单元1的两端设置与动子单元2配合的运动缓冲机构14，该运动缓冲机构14可以选用弹簧、橡胶柱、橡胶垫等多种机构，以防止动子单元2与定子单元1端部碰撞而损坏该直线运动装置。

本实施例提供的高速直线运动装置也可以被认为是一种直线电机***，其至少具有如下优点：定子模块化，易于加工制造；长行程；速度高（在10m/s以上）、加速度大；承载能力大、抗偏移性能好。

需要说明的是，在本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当理解，以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高速直线运动装置，包括相互配合的定子单元（1）和动子单元（2），所述定子单元（1）上设置有导轨，所述动子单元（2）能够沿所述导轨在定子单元（1）中进行直线运动，其特征在于：

所述导轨包括平行设置的第一导轨（7）和第二导轨（8），所述第一导轨（7）为两根并对称分布在定子单元（1）上部，所述第二导轨（8）分布在定子单元（1）下部；

所述动子单元（2）上部的两侧对称设置有两组第一导向滚轮组件，每一组第一导向滚轮组件与相应的一根第一导轨（7）配合，并且每一组第一导向滚轮组件均包括多个第一滚轮（3）和多个第二滚轮（4），多个该第一滚轮（3）和多个该第二滚轮（4）沿所述动子单元（2）的运动方向交替设置，多个该第一滚轮（3）的轴线均沿水平方向设置且与动子单元（2）的运动方向相互垂直，其中至少一个第一滚轮（3）的外缘部与相应第一导轨（7）的内壁顶部保持滚动接触，至少另一个第一滚轮（3）的外缘部与相应第一导轨（7）的内壁底部保持滚动接触，多个该第二滚轮（4）的轴线均沿竖直方向设置，且多个该第二滚轮（4）的外缘部均与相应第一导轨（7）的内壁侧部保持滚动接触；

所述动子单元（2）下部设置有一组第二导向滚轮组件，一组该第二导向滚轮组件包括多个第三滚轮（5）和多个第四滚轮（6），多个该第三滚轮（5）和多个该第四滚轮（6）沿所述动子单元（2）的运动方向交替设置，并且所述第三滚轮（5）和第四滚轮（6）的轴线均沿竖直方向设置，其中所述第三滚轮（5）的外缘部与第二导轨（8）的一侧内壁保持滚动接触，所述第四滚轮（6）的外缘部与第二导轨（8）的另一侧内壁保持滚动接触。

2.根据权利要求1所述的高速直线运动装置，其特征在于：每一组第一导向滚轮组件中分布在动子单元两端处的两个滚轮均为第一滚轮（3）且两个该滚轮的外缘部均与相应第一导轨（7）的内壁顶部保持滚动接触，其余第一滚轮（3）的外缘部均与相应第一导轨（7）的内壁底部保持滚动接触。

3.根据权利要求2所述的高速直线运动装置，其特征在于：每一组第一导向滚轮组件中分布在动子单元两端处的两个第一滚轮（3）的轴线所处高度高于其余第一滚轮（3）的轴线所处高度。

4.根据权利要求1所述的高速直线运动装置，其特征在于：一组第二导向滚轮组件中的多个第三滚轮（5）和多个第四滚轮（6）沿S型曲线分布。

5.根据权利要求1所述的高速直线运动装置，其特征在于：所述定子单元（1）包括一个或多个定子组件模块，多个所述定子组件模块沿长度方向依次拼接。

6.根据权利要求5所述的高速直线运动装置，其特征在于：所述定子单元（1）包括一个或多个第一定子组件模块（9）和/或一个或多个第二定子组件模块（10）；其中多个第一定子组件模块（9）相互拼接，或者，多个第二定子组件模块（10）相互拼接，或者，至少一个第一定子组件模块（9）与至少一个第二定子组件模块（10）相互拼接。

7.根据权利要求6所述的高速直线运动装置，其特征在于：所述第一定子组件模块（9）为设置于定子单元（1）一端的端部组件，所述第二定子组件模块（10）为设置于定子单元（1）两端之间的中部组件。

8.根据权利要求5所述的高速直线运动装置，其特征在于：多个所述定子组件模块之中相邻两个定子组件模块的定子铁芯通过榫槽结构无缝拼接。

9.根据权利要求5所述的高速直线运动装置，其特征在于：所述定子组件模块包括对称设置的第一定子模块（11）和第三定子模块（13），并且所述第一定子模块（11）与第三定子模块（13）之间分布有可供所述动子单元（2）进行所述直线运动的空间；或者，所述定子组件模块包括对称设置的两个第二定子模块（12），并且两个该第二定子模块（12）之间分布有可供所述动子单元（2）进行所述直线运动的空间。

10.根据权利要求1所述的高速直线运动装置，其特征在于：所述定子单元（1）的两端还设置有与动子单元（2）配合的运动缓冲机构（14）。

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