DE102009044602A9

DE102009044602A9 - Kompakter Linearaktor und Verfahren zur Herstellung desselben

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Publication number: DE102009044602A9
Application number: DE102009044602A
Authority: DE
Inventors: Edward A. Neff; Toan M. Vu; Karl G. Stocks; David D. Huang; Naoyuki Okada; Tiep T. Le; Gary J. Ring; Mark A. Cato; Jaime S. Ruiz
Original assignee: SMAC Inc
Current assignee: SMAC Inc
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2011-12-15
Also published as: CN101917111B; JP2010178614A; US20100133924A1; CN101917111A; DE102009044602A1; CN104506014A

Abstract

Offenbart hierin sind Verfahren und Vorrichtungen für eine geführte Einzelphase oder Multiphasen Linearmotoraktor mit einem zusammensteckbaren Aufbau. Einige Ausführungsformen umfassen die Fähigkeit, die verrichtet Arbeit anzuzeigen und/oder einzustellen, aber mit Kosten, die vergleichbar zu denen von Nocken oder pneumatischen Vorrichtungen sind. In einer Ausführungsform ist eine Spule an einer Spulenkörperbaugruppe befestigt ist, die hinter dem Kolben gesichert ist. Um Drehung des Kolbens während des Betriebs zu verhindern kann ein Keillager verschieblich an einer oder mehrerer von Keilwellen befestigt sein, die in der Kolbenbaugruppe angeordnet sind. Ein oder mehrzylindrische Magneten, die die Spule umgeben, betätigen den Kolben basierend auf der Richtung, in der der Strom durch die Spule fließt. Da die elektromotorische Kraft, die erzeugt wird, bezüglich der Keilwelle linear ist, können ungewollte Seitenkräfte, die auf die Keilwelle wirken, reduziert oder eliminiert werden.

Description

Verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-amerikanischen provisorischen Patentanmeldung mit der Seriennummer 61/117,047, die am 21. November 2008 eingereicht wurde, und deren Inhalt hierein durch Bezugnahme eingebunden wird.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Drehspulenaktoren und insbesondere kompakte Linearaktoren und Verfahren zur Herstellung derselben.
Hintergrund der Erfindung
Konventionelle Technologieen in der Automation (solche wie Nocken oder pneumatische Vorrichtungen) mangeln an Flexibilität und Intelligenz, die erforderlich ist, um zu wissen, ob ein Arbeitsgang korrekt ausgeführt wurde oder nicht. Jedoch haben diese Technologien häufig den Vorteil geringer Kosten.
Im Gegensatz dazu wurden elektrische Linearservomotoren im Laufe der Jahre entwickelt, die versuchen, die Flexibilität vorzusehen, die in der Automationsindustrie gewünscht wird. Einige Linearmotoren versuchen z. B. die Arbeitsgänge anzuzeigen, die ausgeführt werden, so wie die LA-Serie von Drehspulen-Linearmotoren, die von der SMAC Corporation hergestellt werden. Diese Vorrichtungen haben allerdings Betriebskosten im Bereich von tausenden Dollar, ein Faktor, der häufig fünf bis zehnmal größer ist, als die Kosten von Nocken oder pneumatischen Vorrichtungen. Daher wurde der weitverbreiteten Verwendung von Linearmotoren stark durch die damit verbundenen signifikanten Kosten beschränkt.
Daher besteht ein Bedarf für eine Linearmotorvorrichtung, die flexibel ist und die Fähigkeit besitzt, die getätigten Arbeitsgänge anzuzeigen und/oder einzustellen, aber gleichzeitig Kosten hat, die mit denen von Nocken oder pneumatischen Vorrichtungen vergleichbar sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind daher auf einen Linearmotoraktor gerichtet, der jedes der vorstehenden Bedürfnisse erfüllt. Insbesondere sind verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf einen Linearmotoraktor gerichtet, der vergrößerte Fähigkeiten besitzt, aber kostengünstig zu benutzen und/oder zu fertigen ist.
Entsprechend verschiedenen Ausführungsformen können die Kosten in einer Vielzahl von Möglichkeiten gesteuert werden. Z. B. können die Herstellungskosten durch Verwendung einer CNC-Drehmaschinenfertigung mit einem Aufbau reduziert werden. Die Montagekosten können durch Herstellen einer zusammensteckbaren Vorrichtung mit einer relativ einfachen Montage reduziert werden. Die Teilekosten können durch Verwendung einer einfacheren Gestaltung reduziert werden, die innerhalb des Linearmotoraktors weniger Komponenten erfordert. Die Wiederherstellungskosten können durch Verwendung einer Gestaltung reduziert werden, die eine schnelle und einfache Modifikation der Aktorgestaltung ermöglicht, wenn sich die Bedürfnisse des Käufers ändern.
In vielen Ausführungsformen kann die Ausführung des Aktors der von älteren Technologien (insbesondere hinsichtlich Geschwindigkeit) vergleichbar sein oder diese übertreffen. Zusätzlich können einige Ausführungsformen eine Anzahl von Merkmalen (z. B. programmierbare Positionierung, Geschwindigkeit oder Kraft und/oder die Fähigkeit zu realisieren, dass eine oder mehrere Aufgaben erfolgreich abgeschlossen werden), die einen großen Nutzen in der Automation ebenso wie einen breiten Bereich von anderen Anwendungen haben.
Diese und andere Ausführungsformen werden durch den Fachmann leichter unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren und die detaillierte Beschreibung, die hierin vorgesehen ist, geschätzt.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine Explosionsansicht eines beispielhaften Ein-Drehspulenlinearmotoraktors entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine teilweise Explosionsansicht eines beispielhaften Dreidrehspulenlinearmotoraktors entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
3A ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Magnetgehäuses entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3B ist eine Frontansicht des Magnetgehäuses, das in 3A gezeigt ist.
3C ist eine Querschnittsansicht des Magnetgehäuses entlang der Linie A-A in 3B.
3D ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Magnetgehäuses entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3E ist eine Frontansicht des Magnetgehäuses, das in 3D gezeigt ist.
3F ist eine Querschnittsansicht des Magnetgehäuses entlang der Linie B-B in 3E.
4A ist eine Frontansicht einer beispielhaften Kolbenbaugruppe entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4B ist eine schräge Ansicht der Kolbenbaugruppe, die in 4A gezeigt ist.
4C ist eine Seitenansicht der Kolbenbaugruppe, die in 4A gezeigt ist.
5A ist eine Frontansicht eines beispielhaften Aktorgehäuses entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5B ist eine erste Querschnittsansicht des Aktorgehäuses entlang der Linie A-A in 5A.
5C ist eine zweite Querschnittsansicht des Aktorgehäuses entlang der Linie A-A aus 5A.
5D ist eine Seitenansicht des beispielhaften Aktorgehäuses, das in 5A gezeigt ist.
6A ist eine perspektivische Ansicht eines Liniearmotoraktors, der eine Lineargeber-Rückmeldervorrichtung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst.
6B ist eine perspektivische Ansicht des Linearmotoraktors, der in 6A dargestellt ist.
6C ist eine Seitenansicht des Linearmotoraktors, der in 6A dargestellt ist.
6D ist eine Draufsicht des Linearmotoraktors, der in 6A dargestellt ist.
7 ist eine Tabelle, die die Ergebnisse eines Kraftwiederholungstestes zeigt, der an einem Linearmotoraktor entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
8 ist eine Kurve, die die Ergebnisse eines Hitzetestes zeigt, der an einem Linearmotoraktor entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
9 ist ein Graph, der die Ergebnisse eines Kraftauflösungstestes zeigt, der an einem Linearmotoraktor entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde.
10 ist ein Graph, der die Ergebnisse eines Reibungstestes zeigt, der an einem Linearmotoraktor entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde.
Detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen
1 ist eine Explosionsansicht eines Ein-Spulenlinearmotoraktors 100 entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt ist, kann der Aktor 100 vier Komponenten umfassen: eine Hauptgehäusebaugruppe 150 (die ein Hauptgehäuse 152, ein Keillager bzw. Profillager (kurz: Keillager) 156 und ein Keilwellengehäuse 158 umfasst); eine Kolbenbaugruppe 130 (die eine Spule 144, eine Keilwelle 136 und eine Lineargebermessskala 140 umfasst); eine Geberbaugruppe 170 (die ein Gebergehäuse 172 und einen Lineargeber 174 umfasst); und eine Magnetgehäusebaugruppe 110 (die ein Magnetgehäuse 112, einen oder mehreren Magneten 118 und eine mittigen Schaft bzw. Pol (kurz: Pol) 116 umfasst).
In einigen Ausführungsformen können alle hergestellten Teile auf einer CNC Drehmaschine, so wie das Hardinge Modell RS51MSY, bearbeitet werden. Jedes Teil kann in einem einzelnen Arbeitsgang auf der Drehmaschine hergestellt werden, wobei die Notwendigkeit für zweite Arbeitsdinge reduziert und/oder eliminiert wird. Diese zweiten Arbeitsgänge bedingen zusätzliche Kosten und können auch die Qualität durch wachsende Maßabweichungen verringern.
In einigen Ausführungsformen können die Bauteile des Aktors 100 aus Aluminium oder aus Stahlstäben gefertigt sein. Es ist allerdings anzumerken, dass eine Unzahl von anderen Materialien entsprechend dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. In einer Ausführungsform hat die CNC-Drehmaschine die Fähigkeit, beide Enden einer Komponente (z. B. über eine Subspindelübertragung) zu bearbeiten, ebenso wie die Fähigkeit Fräs- oder Abtragsarbeit zu leisten.
In einigen Ausführungsformen kann der Aktor 100 eine zusammensteckbare Gestaltung umfassen, die keine Einstellung bezüglich der Teilepositionierung während der Montage des Aktors 100 erfordert. Eine zusammensteckbare Gestaltung kann daher die Qualität sicher stellen und ebenso in geringen Montagekosten resultieren. Bezüglich der in 1 dargestellten Ausführungsform ist es wert zu erwähnen, dass in 100 Satz-Versuchen Montagezeiten unter 10 Minuten wiederholt erreicht wurden, ohne dass Güteprobleme oder strukturelle Probleme auftraten, die entdeckt wurden während weiterer Teste der Aktoren 100.
In einigen Ausführungsformen kann ein zusammensteckbarer Aktor 100 durch Verzahnen einer oder mehrerer Dimensionen bis zu einer gegebenen Größe bzw. Bezugsgröße (kurz: gegebene Größe), die auf der Hauptgehäuseanordnung 150 angeordnet ist, erzeugt werden. Die gegebene Größe kann aus einer genau gefertigten flachen Oberfläche 166 und einem Rand 162 bestehen, der senkrecht zu dieser Oberfläche ist, wie beispielsweise in 1 gezeigt ist. Zusätzliche Merkmale an dem Gehäuses können eine Frontbohrung 154 und eine Lagerzentrierbohrung 160 umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann die flache Oberfläche 166 flach innerhalb einer speziellen Toleranz von 10 μm sein, während der Rand 162 auch mit einer Toleranz von 10 μm senkrecht zu der flachen Oberfläche 166 gehalten werden kann. Die Bohrung 154 kann innerhalb von 10 μm des genannten Außendurchmessers gehalten werden und parallel zu den gegebenen Größenkomponenten innerhalb einer Toleranz von 25 μm. Die Bohrungsmitte kann innerhalb von 20 μm zu seinen genannten Dimensionen zu der flachen Oberfläche 166 gehalten werden, während die rückwärtige Bohrung 168 der Hauptgehäusebaugruppe 150 konzentrisch mit der vorderen Bohrung 154 innerhalb einer Toleranz von 25 μm sein kann.
In einigen Ausführungsformen kann das Keilwellengehäuse 158 innerhalb der Hauptgehäusebaugruppe 150 verwendet werden, um die Keilwelle 136 und das Keillager 156 aufzunehmen, das verwendet werden kann, um die Keilwelle 136 vom Drehen abzuhalten. In einer Ausführungsform kann das Keillager 156 eine Linearführungsbaugruppe umfassen, die durch IKO Inc. (#MAG8C1THS2/N) hergestellt wird. Es ist anzumerken, dass seine Unzahl von anderen Strukturen/Führungsbaugruppen entsprechend dem Schutzbereich der Erfindung benutzt werden kann.
In einigen Ausführungsformen kann die Linearführungsbaugruppe innerhalb der vorderen Bohrung 154 durch einen Positionierstift positioniert sein, der durch das Hauptgehäuse 152 geführt ist. Dies kann sicherstellen, dass eine umlaufende Kugelführung, die mit dem Keillager 156 verbunden ist, parallel zu der flachen Oberfläche 166 innerhalb eines spezifischen Toleranzbereiches (z. B. innerhalb 20 μm über ihre Länge) bleibt.
Wie bei 1 gezeigt ist, kann die Kolbenbaugruppe 130 des Linearmotoraktors 100 einen Kolben 132, eine Kolbenwellenbohrung 134, eine Gebermessskalaoberfläche 138, eine Keilwelle 136, und eine Gleichstromspule 144 umfassen. Die Kolbenbaugruppe 130 kann in einem einzelnen Aufbau auf der Drehmaschine genau gefertigt werden, wobei Kosten reduziert werden und die Qualität der Ausführung steigt.
Zusätzlich kann die Gebermessskalaoberfläche 138 flach gegenüber sich selbst innerhalb 10 μm über ihre Länge gefertigt und positioniert sein. Die Kolbenwellenbohrung 134 kann in einer Abweichung von 10 μm im Durchmesser gehalten sein und eine Mitte umfassen, die innerhalb einer Toleranz von 20 μm zu der Gebermessskalaoberfläche 138 gehalten ist. Die Keilwelle 136 kann in der Kolbenwellenbohrung 136 angeordnet und unter Verwendung einer Halterung, die eine oder mehrere Wellennuten 146 in einer Orientierung anordnet, die parallel zu der Gebermessskalaoberfläche 138 innerhalb von 20 μm ist, an der Stelle gesichert.
Die Magnetgehäusebaugruppe 110 kann auch ein Magnetgehäuse 112 umfassen, einen oder mehrere Magneten 118, einen Mittelpol bzw. einen Mittelstab (kurz: Mittelpol) 116. Entsprechend einer Ausführungsform kann das Magnetgehäuse 112 einen Zapfen- bzw. einen Haupt-Durchmesser (kurz: Hauptdurchmesser) 114 umfassen, der außerhalb der rückwärtigen Bohrung 168 des Hauptgehäuse 152 führt, um eine dichte bzw. enge Beziehung der Bohrung 168 und zum Hauptgehäuse 152 sicherzustellen.
Der Mittelpol 116 kann auch einen Hauptdurchmesser für sein genaues Positionierung am Magnetgehäuse 112 umfassen. Dies kann sicherstellen, dass der Mittelpol 116 in dem Magnetgehäuse 112 mit einer spezifischen Toleranz (z. B. innerhalb eines Bereichs von +/–20 μm) zentriert ist. In einigen Ausführungsformen können die Außen- und Innendurchmesser des Mittelpols 116 des Magnetgehäuses 112 zur Mitte der vorderen Bohrung 154 und/oder der rückwärtigen Bohrung 168 (z. B. innerhalb eines Bereichs von +/–40 μm) gehalten werden.
Wie in 1 gezeigt ist, kann die Geberbaugruppe 170 ein Gebergehäuse 172 und einen Lineargeber 174 aufweisen, der in einer Gebermontagehalterung 176 angeordnet ist. Die Geberbaugruppe 170 kann auch einen Referenzrand und -Abflachung aufweisen, der bzw. die es zu der gegebenen Größenpositionen innerhalb einer vorbestimmten Abweichung in jeder der x-, y- und z-Richtungen (z. B. +/–20 μm) positioniert.
Wenn die Kolbenbaugruppe 130 in dem Hauptgehäuse 152 angeordnet ist, kann die Kolbenbaugruppe 130 durch die Keilwelle 136 angeordnet werden, die den Keillagerbahnen folgt. Dies kann in engen Toleranzstapeln für eine oder mehrere Variablen resultieren, die mit der Aktorbaugruppe verbunden sind.
Die Lineargebermessskala 140 und der Lesekopf des Lineargebers 174 können in einem Abstand von +/–40 μm (z. B. zentriert und positioniert bei ungefähr 40% der speziellen Toleranz entsprechend einigen anderen Ausführungsformen) getrennt sein. Zusätzlich können sowohl die Lücken zwischen der Spule 144 und der Mittelpol 116 als auch die Lücken zwischen der Spule 144 und den Magneten 118 auf +/–50 μm gehalten werden. In einer Ausführungsform kann die Lücke ungefähr 600 μm messen, sodass die Toleranzschwankung nur ein Sechstel des spezifizierten Bereichs annehmen kann.
Daher kann durch Halten enger Toleranzen und Halten der Anzahl der Teile auf einem Minimum eine zusammensteckbare Gestaltung mit hoher Verlässlichkeit erreicht werden. Mustertests haben gezeigt, dass ein Aktor 100 gebildet werden kann, der Toleranzen auf ein Drittel der gesamten Spezifizierten hält. Lebenstests haben angezeigt, dass solche Aktoren 100 hundert Millionen Zyklen ohne strukturelle oder Betriebsfehler überschreiten können.
In einigen Ausführungsformen kann Hubvariation und Geberauflösung einfach eingestellt werden, wobei die Kosten reduziert werden, die mit der Rekonfigurierung und/oder dem Ersetzen des Aktors verbunden sind. Wo der Hub eine Funktion von drei Baugruppen (der Magnetbaugruppe 110, der Kolbenbaugruppe 130 und der Hauptgehäusegruppe 150) ist, kann eine austauschbare Magnetgehäusebaugruppe 100 verwendet werden, um die Länge des Hubs zu vergrößern, aber ohne das Austauschen von teureren Komponenten zu erfordern, die in allen Hubvariationen einsatzfähig sind (z. B. Kolbenbaugruppe 130 oder Hauptgehäusebaugruppe 150). Zum Beispiel kann die Magnetgehäusebaugruppe 110 (wie in 1 abgebildet) durch eine längere Magnetgehäusebaugruppe 210 (wie in 2 abgebildet) ausgetauscht werden, wobei ein längerer Aktorhub ermöglicht wird.
Durch Vorsehen eines Schlitzes zwischen der Feder 144 und der Vorderseite des Kolbens 132, der lang genug ist, um einen Hub eines speziellen Maximumbereichs abzudecken, kann der Kolben einsatzfähig sein, um alle Hubvariationen abzudecken. Es sei angemerkt, dass die Hauptgehäusebaugruppe 150 auch gestaltet sein kann, um lang genug zu sein, um alle Hubvariationen abzudecken. Auf diese Weise müssen weniger Komponenten ersetzt werden, wenn die Länge des Hubs des Aktors eine Veränderung erfordert. Diese Gestaltung kann auch dazu dienen, die Anzahl und/oder die Verschiedenartigkeit von Teilen zu reduzieren, die erforderlich sind, um gelagert zu werden ebenso wie die Auslieferung von Aktorkomponenten zu beschleunigen.
Der Linearmotoraktor 100 kann auch in einer Dreispulenvielpolanordnung betrieben werden. Zum Beispiel ist 2 eine teilweise Explosionsansicht eines Dreispulenlinearmotoraktors 200 entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie durch 2 gezeigt wird, kann der Dreispulenlinearmotoraktor 200 ein längeres Magnetgehäuse 212 umfassen, das einen seperaten Satz von Magneten 218 und Mittelpol 216 umfasst, ebenso wie einen Kolben 232, der eine Dreispulenbaugruppe umfasst. Die Magneten 218 innerhalb des Magnetgehäuses 212 können alternativ durch das ganze Gehäuse 212 magnetisiert sein (z. B. NS, SN, etc.). Der Fachmann wird erkennen, dass das Magnetgehäuse 212 und der Kolben 232 unter Verwendung von Standardbearbeitungsprozessen implementiert sein kann.
Es ist anzumerken, dass beispielhafte Gestaltungen der Aktoren 100 und 200 in einem breiten Bereich von Anwendungen verwendet werden können. Zum Beispiel kann der in 1 abgebildete Einpolaktor 100 für kurzen Hub-, hohe Geschwindigkeits- und geringe Kostenanwendungen verwendet werden, während der in 2 abgebildete Dreispulenaktor 200 geeigneter für lange Hübe sein kann, die hohe Kräfte umfassen. Eine Unzahl anderer Anwendungen für Aktoren 100, 200 können entsprechend dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung auch möglich sein.
Zusätzlich kann der Aktor 100, 200 eine Anzahl an programmierbaren Betriebsarten zum Einstellen zum Beispiel der Position, Kraft und Geschwindigkeit umfassen. Zusätzlich kann das Geberfeedback mit der Position, die die Verifikation der abgearbeiteten Arbeit ermöglicht, abgeglichen werden, durch Überprüfen der Position des Kolbens 132, 232 während des Hubs.
In einigen Ausführungsbeispielen, (so wie die Ausführungsbeispiele, die in den 1 und 2 abgebildet sind) kann die Spule oder können die Spulen 144, 244 eine mittlere Linearführung umgeben. Dies kann jegliches Moment auf die Führung entfernen und die Kraftwiederholbarkeit verbessern, was sehr sinnvoll in präzisen Kraftanwendungen, so wie kleine elektronische Teilebaugruppen und Präzisionsglasriefen, ist. Tests haben eine Wiederholbarkeit von weniger als 0,0005 N über einen Kraftbereich von 0,1 bis 8 N (wie in 7 beschrieben und die entsprechende Beschreibung unten z. B.) angezeigt.
Die 3A bis 3F stellen beispielhafte Magnetgehäuse 112, 212 entsprechend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die 3A–3C stellen ein Magnetgehäuse 112 für einen Einpol-Einspulenlinearaktor dar, während die 3D–3F ein Magnetgehäuse 212 für einen Vielpoldreispulenlinearaktor darstellen.
Wie in den beispielhaften Magnetgehäusen 112 und 212 aus 3A bzw. 3D gezeigt kann die Endplatte 142, 242 an einem Ende des Magnetgehäuse 112, 212 positioniert sein. Die Endplatte 142, 242 kann zumindest teilweise in der Position gesichert sein durch Ausbildung derart, dass sie an dem mittigen Pol 116, 216 befestigt ist, der senkrecht zu der Endplatte 142, 242 und durch die Mitte des Magnetgehäuse 112, 212 verläuft. Es ist anzumerken, dass während die Endplatte 142, 242 derart geformt sein kann, wie es in den 3A, 3C, 3D und 3F gezeigt ist, eine breite Vielzahl von Formen für die Endplatte 142, 242 entsprechend dem Schutzbereich der Erfindung verwendet werden kann.
In einigen Ausführungsformen kann das Magnetgehäuse 112, 212 einen oder mehrere Magnete 118, 218 (z. B. im Wesentlichen zylindrische Magnete oder kreisförmige Magnetsegmente) umfassen, um das magnetische Feld bereitzustellen, das für die Bewegung des Kolbens 132, 232 in linearer Richtung notwendig ist. Der eine oder die mehreren Magneten 118, 218 können leicht in dem Magnetgehäuse 112, 212 während der Fertigung mit verschiedenen Klebstoffen oder Schrauben befestigt werden. Ferner kann der mittige Pol 116, 216 mit einem Gewinde versehen sein und in ein Ende des Magnetgehäuses 112, 212 eingeschraubt sein.
Die 4A–4C zeigen verschiedene Winkel einer beispielhaften Kolbenbaugruppe 132 entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Kolbenbaugruppe 132, umfassend den Spulenkörper 145, kann als ein einzelnes, einheitliches Stück gebildet sein. Als ein beispielhafter Vorteil kann ein einzelnes, einheitliches Stück eine Gestaltung des Aktors 100, 200 machen, die weniger kompliziert ist und schneller zu montieren ist, da es dabei weniger Teile gibt. Darüberhinaus kann die Verwendung eines einzelnen einheitlichen Teils kosteneffektiver sein, da ein einzelnes Teil weniger kostenintensiv zu fertigen sein kann, als mehrere einzelne Teile. Ein einzelnes, einheitliches Teil kann auch weniger wiegen als eine Vielteilekolbenspulenträgerbaugruppe, da solch eine Baugruppe zusätzliche Befestigungselemente und/oder Hardware erfordern kann, um die verschiedenen Teile aneinander zu befestigen.
Weiter zu den 3A–3F und den 4A–4C kann ein Ausschnitt 148 genutzt werden, um die Endplatte 142, 242 vom Drehen zurückzuhalten, wenn die Kolbenbaugruppe 130 verschieblich mit dem Magnetgehäuse 112 gekoppelt ist. Die Endplatte 142, 242 kann seitlich befestigt sein, wie in 3A–3D gezeigt ist, aber eine seitliche Bewegung der Kolbenbaugruppe 130 entlang des gesamten Bereichs des Ausschnitts 148 relativ zu dem Magnetgehäuse 112 erlauben.
In einigen Ausführungsformen kann eine Wellensicherung 147 verwendet werden, um eine leichte Austauschbarkeit von verschiedenen Typen von Keilwellen 136 zu erlauben, abhängt von der speziellen Anwendung des Aktors 100, 200. Die Keilwelle 136 kann einen Satz von einer oder mehreren Nuten 146 umfassen, die einer Form eines Lagers 156 entspricht, um eine ungewünschte Drehung der Welle 136 zu vermeiden.
Zusätzlich kann eine lineare Gebermesssskala 140 auf der Kolbenbaugruppe 130 abgebildet sein, die durch einen optischen linearen Geber 174 gelesen werden kann (wie unten bezüglich 6 erörtert wird), um die gegenwärtige Position der und/oder wie weit die Kolbenbaugruppe 130 bewegt wurde zu bestimmen. Dabei kann die gegenwärtige Position der Kolbenbaugruppe 130 und/oder andere Positionsinformationen als Rückmeldung an ein (nicht gezeigtes) elektronisches Steuergerät vorgesehen sein.
In Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen kann die Kolbenbaugruppe 130 als ein einzelnes integrales Stück gebildet sein. In einer Ausführungsform kann der Kolben und der Doppelspulenkörperbereich durch ein Pressen und einen Bearbeitungsprozess gebildet sein. In dieser Hinsicht kann die Gestaltung und die Herstellung von Linearaktoren 100, 200 entsprechend verschiedener Ausführungsformen flexibel sein, da ein Wechsel von einer Gestaltung auf einer andere nicht erhebliche Werkzeug- oder Ausrüstungsveränderungen erfordert.
Die 5A–5D zeigen verschiedene Ansichten einer Hauptgehäusebaugruppe 150 für einen Linearmotoraktor 100, 200 entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in den 5A bis 5D gezeigt ist, kann die Hauptgehäusebaugruppe 150 ein Hauptgehäuse 152, einen Aufnahmering bzw. Halterungsring 153, ein Keilwellengehäuse 158, ein Keilwellenpositionsmerkmal 157 und einen Federring 155 umfassen.
Weiter zu den 5A–5D kann das Keilwellengehäuse 158 ein Keillager 156 aufnehmen, das die Keilwelle 136 führt und geformt ist, um den Nuten 146 der Welle 136 zu entsprechen, wobei eine ungewünschte Drehung der Welle 136 gelindert wird. Ein Halterungsring 153 kann an der Hauptgehäuseeinrichtung 155 mit einem vorbestimmten Drehmoment in einer solchen Weise geschraubt oder ansonsten befestigt sein, um das Lager 156 an seiner Stelle zu halten, sodass es sich nicht axial bewegen kann.
Ein Keillagerpositionsmerkmal 157 der Gehäusebaugruppe 150 kann verwendet werden, um das Lager 156 auszurichten, bevor es an seiner Stelle mit dem Halterungsring 153 gesichert wird. Entsprechend einer Ausführungsform kann ein Federring 155 zwischen das Lager 156 und dem Halterungsring 153 gesetzt werden. Während das Lager 156 und der Halterungsring 153 als separate Teile in 5 dargestellt sind, wird ein Fachmann erkennen, dass diese Teile zusammen als eine einzelne Komponente gefertigt sein können, die in der Lage dazu ist, die Funktionen von sowohl dem Lager 156 als auch dem Halterungsring 153 auszuführen.
Die 6A–6D zeigen verschiedene Ansichten eines Aktors 100, 200 mit der Lineargeberbaugruppe 170, die daran befestigt ist, entsprechend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in den 6A–6D gezeigt ist, kann die Lineargeberbaugruppe 170 ein Lineargebergehäuse 172, einen Lineargeber 174 und eine Lineargeberhalterung 176 umfassen. Wie oben dargelegt wurde, kann der Lineargeber 174 verwendet werden, um der Linearbewegung des Kolbens 132, und daher der Welle 136, des Linearmotoraktor 100, 200 zu folgen. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Lineargeber 174 Informationen bezüglich der gegenwärtigen Position und/oder Bewegung des Kolbens 132 an ein (nicht gezeigtes) elektrisches Steuergerät senden.
Der Lineargeber 174 kann an dem Aktor 100, 200 an dem Hauptgehäuse 152 beispielsweise unter Verwendung einer Lineargeberhalterung 176 befestigt sein. Durch eine Öffnung in dem Hauptgehäuse 152 kann ein (nicht gezeigtes) Kabel Zugang zur Kolbenbaugruppe 130 haben. Die Lineargeberhalterung 176 kann eine im Wesentlichen flache Oberfläche umfassen und kann sicher an dem Hauptgehäuse 152 beispielsweise unter Verwendung von Schrauben befestigt sein. Der Boden der Lineargeberhalterung 176 kann geformt sein, um der im Wesentlichen flachen Oberfläche des Lineargebers 174 und/oder anderen Schaltkreiskomponenten zu entsprechen. Der Lineargeber 174 und/oder andere Schaltkreiskomponenten können fluchtend gegen die Lineargeberhalterung 176 gehalten werden, während ein Epoxidharz oder ein anderer Klebstoff z. B. um den Lineargeber 174 und die anderen Schaltkreiskomponenten derart eingeführt ist, dass der Lineargeber rundweg an der Lineargeberhalterung gesichert ist. Durch Sichern des oberen Teils des Lineargebers 174 rundweg an der Lineargeberhalterung 176 sind der Lineargeber 174 und/oder andere Schaltkreiskomponenten nicht einer Kompression aufgrund ihres Eigengewichts ausgesetzt, was den Lineargeber 176 dazu veranlassen kann, ungenaue Anzeigewerte zu erzeugen.
Entsprechend einigen Ausführungsbeispielen kann der Lineargeber 174 und die Linearhalterung 176 im Wesentlichen in einem Lineargebergehäuse zum zusätzlichen Schutz eingekapselt sein. Das Lineargebergehäuse 172 kann an dem Hauptgehäuse 152 des Aktors 100, 200 unter Verwendung von beispielsweise Schrauben befestigt sein.
Es ist anzumerken, dass die Aktoren 100, 200 die hierin beschrieben sind, schnell und kosteneffektiv gefertigt und montiert werden können. Weiter können die Aktoren 100, 200 relativ klein, leichtgewichtig und kompakt gefertigt werden. Optional kann eine optische Lineargeberbaugruppe 170 das Anzeigen und die Steuerung über 100% der Bewegung, die durch Aktoren 100, 200 bewirkt ist, vorsehen. Ferner stellt das individuelle Design der Hauptgehäusebaugruppe 150, der Magnetgehäusebaugruppe 110 und der Kolbenbaugruppe 130 Flexibilität und einfache Wiederherstellbarkeit während Herstellung bereit, so dass verschiedene Aktorgestaltungen hergesetellt werden können, um Spezifikationen von speziellen Projekten zu entsprechen.
Testergebnisse für verschiedene Aktoren wurden unten unter Bezugnahme auf die 7–10 durchgeführt. Die Tests wurden auf CAL36-010-51-FB-MODJ42 durchgeführt, was einen Spulenwiderstand von 35,7 Ohm, einen Hub von 10,4 mm, eine bewegte Masse von 50 g, eine Gesamtmasse von 42 kg, und Spitzenkräfte von 14 N, wenn zurückgezogen, von 15 N, wenn in der Mittelposition, und von 14 N, wenn ausgedehnt, hat. Die Kraftwiederholbarkeit, die Wärme, die Kraftauslösung, und die Reibung wurden jeweils überprüft. Die Ergebnisse dieser Tests sind in den 7, 8, 9 und 10 abgebildet.
Die Gestaltung für jeden der entsprechenden Tests wird nun beschrieben. Im Kraftwiederholungstest wurde die Einheit in der horizontalen Position positioniert. Die Welle war gestaltet, um den Kraftaufnehmer für fünf Sekunden zu drücken, und dann die Kraft für fünf Sekunden zu entlasten.
Im Wärmetest wurde das CAL36 in horizontaler Richtung positioniert. Die Einheit war gestaltet, um 8 N für drei Sekunden zu drücken, und dann 2 N für drei Sekunden. Der Prozess wurde dann entsprechend wiederholt. Der Temperaturwechsel am Rückende der CAL36 wurde angezeigt.
Bezüglich des Kraftauflösungstests wurde das LAC-1-Steuergerät verändert, um weniger als 5 g Kraftauflösung im QM1 Mode zu haben. Die erzeugte Kraftauflösung war ungefähr 4 g.
Für den Reibungstest wurde die Einheit horizontal angeordnet. Die Welle war gestaltet, um hin und her bewegt zu werden, wobei der Strom angezeigt wurde. Da die Welle das magnetische Feld anzieht, ist die relativ hohe Kraft am Beginn der Bewegung gesehen. Die Reibung war ungefähr 0,3 N.
Während verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, sollte verstanden werden, dass sie nur als Beispiel dargelegt wurden, und nicht als Begrenzung. Gleichermaßen können die verschiedene Diagramme ein Beispiel einer Baugestaltung oder anderer Konfigurationen für die Erfindung abbilden, was getan ist, um das Verständnis der Merkmale und Funktionalitäten, die von der Erfindung umfasst sein können, zu unterstützen. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten die Baugestaltung betreffenden Beispiele oder Gestaltungen beschränkt, sondern kann implementiert sein unter Verwendung von einer Vielzahl von alternativen Baustrukturen und Konfigurationen. Zusätzlich sollte verstanden werden, dass verschiedene Merkmale und Funktionalitäten die in einer oder mehreren der individuellen Ausführungsformen beschrieben sind nicht in ihrer Anwendung auf die spezielle Ausführungsform beschränkt ist, mit der sie beschrieben ist, sondern angewendet werden kann allein oder in gewisser Kombination mit einer oder mehreren der anderen Ausführungsformen der Erfindung unabhängig davon, ob solche Ausführungsformen beschrieben sind oder nicht beschrieben sind und unabhängig davon, ob solche Merkmale als Teile der beschriebenen Ausführungsform dargelegt sind, obwohl die Erfindung in Form von verschiedenen Beispielen und Anwendungen beschrieben wurde. Die Breite und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung soll nicht durch irgendeine von den oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein.

Claims

Ein Linearmotoraktor aufweisend: eine Kolbenbaugruppe, die eine Keilwelle, ein Wellengehäuse, das daran angepasst ist, die Keilwelle aufzunehmen, und einen Spulenkörper umfasst, der an dem Wellengehäuse angebracht ist; eine erste Gehäusebaugruppe, die einen oder mehreren Magneten für das Betätigen der Kolbenbaugruppe aufweist, wobei die erste Gehäusebaugruppe daran angepasst ist, einen Bereich der Kolbenbaugruppe aufzunehmen; eine zweite Gehäusebaugruppe, die daran angepasst ist, mit der ersten Gehäusebaugruppe verbunden zu werden, wobei die zweite Gehäusebaugruppe eine gegebene Größe für das Ermöglichen der Verbindung von zumindest einer der Kolbenbaugruppe, der ersten Gehäusebaugruppe, der zweiten Gehäusebaugruppe, und einer Geberbaugruppe innerhalb einer vorbestimmten Toleranz ermöglicht; und eine Geberbaugruppe, die daran angepasst ist, mit dem zweiten Gehäuse verbunden zu werden, wobei die Geberbaugruppe daran angepasst ist, einen Geber zum Bestimmen der Position der Kolbenbaugruppe aufzunehmen.
Linearaktormotor nach Anspruch 1, wobei jeder von der Kolbenbaugruppe, der ersten Gehäusebaugruppe, der zweiten Gehäusebaugruppe und der Geberbaugruppe auf einer Drehmaschine bearbeitet sind.
Linearmotoraktor nach Anspruch 1, wobei die gegebene Größe eine Oberfläche und einen Referenzrand umfasst, wobei die Oberfläche im Wesentlichen flach innerhalb einer ersten vorbestimmten Toleranz ist, und wobei der Referenzrand im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche innerhalb einer zweiten vorbestimmten Toleranz ist.
Linearmotoraktor nach Anspruch 3, wobei die zweite Gehäusebaugruppe eine vordere Bohrung aufweist, die daran angepasst ist, ein ringförmiges Keillager zu unterstützen, und wobei das Keillager daran angepasst ist, mit der Keilwelle entlang wenigstens einer Nut, die in der Keilwelle gebildet ist, gekoppelt zu werden.
Linearmotoraktor nach Anspruch 4, wobei die vordere Bohrung einen vorbestimmten Durchmesser aufweist.
Der Linearmotoraktor nach Anspruch 5, wobei die vordere Baugruppe im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche und dem Referenzrand innerhalb einer dritten vorbestimmten Toleranz angeordnet ist.
Der Linearmotoraktor nach Anspruch 6, wobei die zweite Gehäusebaugruppe ferner eine rückwärtige Bohrung aufweist, die daran angepasst ist, einen Bereich der Kolbenbaugruppe aufzunehmen.
Der Linearmotoraktor nach Anspruch 7, wobei die rückwärtige Bohrung ungefähr konzentrisch zur vorderen Bohrung innerhalb einer vierten vorbestimmten Toleranz ist.
Der Linearmotoraktor nach Anspruch 4, wobei das Keillager eine Linearführungsbaugruppe aufweist, die innerhalb der vorderen Bohrung mittels eines Positionierungsstiftes positioniert ist, der durch die zweite Gehäusebaugruppe geführt ist.
Der Linearmotoraktor nach Anspruch 1, wobei die Kolbenbaugruppe eine Gebermessskalaoberfläche aufweist, die daran angepasst ist, eine Gebermessskala aufzunehmen, wobei der Geber daran angepasst ist, die Gebermessskala zu lesen, um die Position der Kolbenbaugruppe zu bestimmen.
Linearmotoraktor nach Anspruch 10, wobei die Gebermessskalaoberfläche eine Oberfläche aufweist, die im ungefähr flach innerhalb einer fünften vorbestimmten Toleranz ist.
Der Linearmotoraktor nach Anspruch 1, wobei das Wellengehäuse eine Bohrung aufweist, die daran angepasst ist, die Keilwelle aufzunehmen, wobei die Bohrung einen vorbestimmten Durchmesser aufweist.
Ein Linearmotoraktor aufweisend: eine Kolbenbaugruppe, die eine Welle, die mit dem Wellengehäuse in einem Kupplungsstellenbereich verbunden ist, und einen Spulenkörper aufweist, der mit dem Wellengehäuse verbunden ist und eine zentrale Achse aufweist, die annähernd kollinear mit der Welle ist; ein Aktorgehäuse, das daran angepasst ist, die Kolbenbaugruppe aufzunehmen, wobei das Aktorgehäuse eine Führung aufweist, die daran angepasst ist, die Welle vom Drehen abzuhalten; und ein lösbares Magnetgehäuse, das daran angepasst ist, mit dem Aktorgehäuse verbunden zu werden und einen oder mehrere Magneten für das Betätigen der Kolbenbaugruppe aufweist.
Der Linearmotoraktor nach Anspruch 13, ferner aufweisend eine Lineargebereinrichtung, wobei die Lineargebereinrichtung mit dem Aktorgehäuse verbunden ist, und wobei die Lineargebereinrichtung daran angepasst ist, eine Linearbewegung der Kolbenbaugruppe zu folgen.
Der Linearmotoraktor nach Anspruch 14, wobei die Lineargebereinrichtung daran angepasst ist, eine lineare Messskala zu lesen, um den Ort der Kolbenbaugruppe zu bestimmen.
Der Linearmotoraktor nach Anspruch 14, wobei zumindest einer von der Kolbenbaugruppe, dem Aktorgehäuse, dem lösbaren Magnetgehäuse und der linearen Gebereinrichtung für eine zusammensteckbare Baugruppe angepasst ist.
Der Linearmotoraktor nach Anspruch 13, wobei die Kolbenbaugruppe in einem einzigen Aufbau auf einer Drehmaschine fertigbar ist.
Der Linearmotoraktor nach Anspruch 13, wobei die Welle eine Keilwelle aufweist, die zumindest eine Nut für das Ankoppeln an die Führung umfasst.
Der Linearmotoraktor nach Anspruch 13, wobei die Führung ein Keillager aufweist, das daran angepasst ist, mit zumindest einer Nut gekoppelt zu werden, die in der Welle gebildet wird.
Der Linearmotoraktor nach Anspruch 13, wobei die Kolbenbaugruppe eine Kopplungsstelle für das Entlasten der Welle von dem Wellengehäuse aufweist.
Verfahren zum Montieren eines Linearmotoraktors für das Antreiben eines Kolbens mit einer reduzierten Seitenkraft, wobei das Verfahren aufweist: Vorsehen einer Kolbenbaugruppe, die eine Welle und einen Spulenkörper aufweist, wobei die zentrale Achse des Spulenkörpers annähernd kollinear mit der Welle ist; Einsetzen zumindest eines Bereichs der Kolbenbaugruppe innerhalb eines Aktorgehäuses, wobei das Aktorgehäuse eine Führung aufweist, die daran angepasst ist, die Welle aufzunehmen; und Verbinden eines Magnetgehäuses mit dem Aktorgehäuse, wobei das Magnetgehäuse einen oder mehrere Magneten aufweist, die daran angepasst sind, die Kolbenbaugruppe zu treiben.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Führung ein Keillager aufweist, das daran angepasst ist, zu verhindern, dass die Welle während einer Betätigung der Kolbenbaugruppe dreht.
Verfahren nach Anspruch 21, ferner aufweisend: Befestigen einer Lineargeberbaugruppe an dem Aktorgehäuse, wobei die Lineargeberbaugruppe daran angepasst ist, der Position der Welle zu folgen.
Verfahren nach Anspruch 21, ferner aufweisend: Fertigen zumindest eines der Kolbenbaugruppe, des Magnetgehäuses und des Aktorgehäuses in einem einzelnen Aufbau einer Drehmaschine.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Aktorgehäuse eine gegebene Größe aufweist, um die Montage des Linearmotoraktors innerhalb eines Satzes von vorbestimmten Toleranzen ermöglichen.