一種應(yīng)用機(jī)械臂的具有空心軸電機(jī)的無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)刷直流伺服定位系統(tǒng)，具體來(lái)說(shuō)，是一種應(yīng)用機(jī)械臂的具有空心軸電機(jī)的無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)，采用空心軸電機(jī)，并通過(guò)兩個(gè)增量式碼盤(pán)唯一確定空心軸電機(jī)所處的絕對(duì)位置。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)中采用無(wú)刷直流電機(jī)，具有良好的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。具有機(jī)電常數(shù)小，啟動(dòng)電壓低的特點(diǎn)。無(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。無(wú)刷直流電機(jī)以電子換向取代機(jī)械換向，無(wú)機(jī)械摩擦，無(wú)磨損，無(wú)電火花，且具有低電壓特性好，轉(zhuǎn)矩過(guò)載特性強(qiáng)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流小的特點(diǎn)。無(wú)刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在汽車(chē)、工具、工業(yè)工控、自動(dòng)化以及航空航天等方面。
[0003]機(jī)械臂中的無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)，通常采用實(shí)心軸電機(jī)，其絕對(duì)位置通過(guò)直流伺服定位系統(tǒng)進(jìn)行確定。目前，無(wú)刷直流電機(jī)的絕對(duì)位置確定通常采用一個(gè)絕對(duì)編碼器和一個(gè)增量式編碼器的組合，增量式編碼器一般與電機(jī)輸出軸同軸連接；而對(duì)于絕對(duì)編碼器，由于常見(jiàn)的絕對(duì)編碼器無(wú)法直接安裝在電機(jī)輸出軸上，通常采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)將電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)角連接在絕對(duì)編碼器上，這樣的結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，齒輪傳動(dòng)帶來(lái)的誤差也影響了絕對(duì)位置的確定。且由于絕對(duì)式編碼器受到其自身結(jié)構(gòu)的限制，無(wú)法適應(yīng)具有空心軸無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)中，以及空間受限的環(huán)境和任務(wù)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種應(yīng)用機(jī)械臂的具有空心軸電機(jī)的無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)，采用空心軸電機(jī)，并通過(guò)雙增量碼盤(pán)的設(shè)計(jì)，通過(guò)雙碼盤(pán)配合確定具有空心軸的無(wú)刷直流電機(jī)的位置、轉(zhuǎn)速等信息，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的PID控制。
[0005]一種應(yīng)用機(jī)械臂的具有空心軸電機(jī)的無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)，包括輸出法蘭軸、空心軸電機(jī)、諧波減速器、雙碼盤(pán)定位機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)電路板。
[0006]所述輸出法蘭軸為輸出法蘭和輸出軸兩部分構(gòu)成的一體結(jié)構(gòu)；輸出法蘭與輸出軸前端同軸相接；其中，輸出軸采用空心結(jié)構(gòu)，方便內(nèi)部走線(xiàn)；輸出軸上由前至后依次同軸套有諧波減速器、空心軸電機(jī)與雙碼盤(pán)定位機(jī)構(gòu)。
[0007]上述諧波減速器固定于輸出法蘭上；空心軸電機(jī)通過(guò)熱套配合與外殼固定，電機(jī)定子前后兩端通過(guò)外殼內(nèi)壁周向上設(shè)計(jì)的軸肩定位；空心軸前端連接諧波減速器的輸入端；空心軸的前后兩端上分別套有前端蓋與后端蓋；前端蓋、諧波減速器與外殼三者間固定；后端蓋與外殼固定；前端蓋和后端蓋上分別通過(guò)深溝球軸承與空心軸前端和后端相連。
[0008]所述雙碼盤(pán)定位機(jī)構(gòu)包括速度增量編碼器與位置增量編碼器；速度增量編碼器與位置增量編碼器均為中空結(jié)構(gòu)的光柵編碼器；速度增量編碼器具有一個(gè)停止位，輸出信號(hào)為A、B、Z三相差分信號(hào)。速度編碼器的中空部分周向上具有三個(gè)中心角不同的扇形槽，分別與空心軸電機(jī)的空心軸上周向設(shè)計(jì)的三個(gè)扇形鍵配合定位后，通過(guò)螺釘同軸固定于空心軸后端部；且在速度編碼器安裝完畢后，需保證速度增量編碼器Z相停止位與無(wú)刷直流電機(jī)中電機(jī)轉(zhuǎn)子的一相對(duì)齊。
[0009]位置增量編碼器通過(guò)周向上設(shè)計(jì)非均布安裝孔，由螺釘將位置增量編碼器同軸固定于編碼器連接座上；編碼器連接座同軸固定在輸出軸自由端端部。
[0010]驅(qū)動(dòng)電路板設(shè)置于速度增量編碼器與位置增量編碼器之間，驅(qū)動(dòng)電路板的兩側(cè)面上分別安裝有速度增量編碼器讀頭與位置增量編碼器讀頭，分別實(shí)時(shí)讀取速度增量編碼器與位置增量編碼器產(chǎn)生的差分信號(hào)。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0012](I)本發(fā)明無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)，采用帶有空心軸電機(jī)相比實(shí)心軸電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布局方便等特點(diǎn)，在輕型機(jī)械領(lǐng)域有很好的實(shí)用性；
[0013](2)本發(fā)明無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)，采用中空式的增量編碼器，有利于與中空式的減速器和中空式的電機(jī)軸連接；
[0014](3)本發(fā)明無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)，采用單獨(dú)設(shè)計(jì)的增量式編碼器，而不采用絕對(duì)編碼器，省去了一級(jí)齒輪傳動(dòng)，節(jié)省空間，結(jié)構(gòu)更加緊湊；
[0015](4)本發(fā)明無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速編碼器除了用作電機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)外，與電機(jī)輸出軸唯一確定的位置關(guān)系，使得所述的轉(zhuǎn)速編碼器可以代替霍爾傳感器，用作無(wú)刷直流電機(jī)的換向，省去了霍爾傳感器，節(jié)省空間，降低成本；
[0016](5)本發(fā)明無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)，位置編碼器采用增量式編碼器，利用其與減速器輸出軸唯一確定的位置關(guān)系和特別的編碼器設(shè)計(jì)能夠在系統(tǒng)上電時(shí)確定當(dāng)前電機(jī)所在的位置；且采用增量式編碼器可以降低成本，節(jié)省空間。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)中輸出法蘭軸結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)中空心軸電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4為本發(fā)明無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)中雙碼盤(pán)定位機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)示意圖；
[0021]圖5為雙碼盤(pán)定位機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)中速度增量傳感器示意圖；
[0022]圖6為空心軸電機(jī)的空心軸端部扇形鍵示意圖；
[0023]圖7為本發(fā)明無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)中位置增量傳感器示意圖；
[0024]圖8為本發(fā)明無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)框圖。
[0025]圖中:
[0026]1-輸出法蘭軸2-空心軸電機(jī)3-諧波減速器
[0027]4-雙碼盤(pán)定位機(jī)構(gòu) 5-驅(qū)動(dòng)電路板6-外殼
[0028]7-扇形槽8-扇形鍵101-輸出法蘭
[0029]102-輸出軸201-電機(jī)定子202-電機(jī)轉(zhuǎn)子
[0030]203-空心軸204-前端蓋205-后端蓋
[0031]401-速度增量編碼器402-位置增量編碼器403-編碼器連接座
[0032]404-速度增量編碼器Z相停止位 405-位置增量編碼器Z相停止位
[0033]406-位置增量編碼器讀頭407-速度增量編碼器讀頭
[0034]501-主控模塊502-信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊 503-電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
[0035]504-電源模塊
【具體實(shí)施方式】
[0036]本發(fā)明無(wú)刷直流伺服雙碼盤(pán)定位系統(tǒng)，如圖1所示，包括輸出法蘭軸1、空心軸電機(jī)2、諧波減速器3、雙碼盤(pán)定位機(jī)構(gòu)4與驅(qū)動(dòng)電路板5，如圖1所示。
[0037]所述輸出法蘭軸為輸出法蘭101和輸出軸102兩部分構(gòu)成的一體結(jié)構(gòu)，如圖2所示，輸出法蘭101與輸出軸102前端同軸相接。其中，輸出軸102輸出軸采用空心結(jié)構(gòu)，方便內(nèi)部走線(xiàn)；輸出軸102上由前至后依次同軸套有諧波減速器2、空心軸電機(jī)3與雙碼盤(pán)定位機(jī)構(gòu)4。上述諧波減速器3、空心軸電機(jī)2、雙碼盤(pán)定位機(jī)構(gòu)4均位于全銷(xiāo)合金的外殼6內(nèi)，通過(guò)外殼6進(jìn)行保護(hù)；為了便于雙碼盤(pán)定位機(jī)構(gòu)5的更換與維護(hù)，將外殼6設(shè)計(jì)為具有后蓋的結(jié)構(gòu)。
[0038]上述諧波減速器3通過(guò)螺釘固定于輸出法蘭101上?？招妮S電機(jī)2為空心軸無(wú)刷直流電機(jī)，如圖3所示，具有電機(jī)定子201、電機(jī)轉(zhuǎn)子202與空心軸203，如圖2所示?？招妮S電機(jī)2通過(guò)熱套配合與外殼6固定，電機(jī)定子201前后兩端通過(guò)外殼6內(nèi)壁周向上設(shè)計(jì)的軸肩定位?？招妮S203前端通過(guò)螺釘連接在諧波減速器3的輸入端，實(shí)現(xiàn)空心軸電機(jī)2的軸向定位?？招妮S203的前后兩端上分別套有前端蓋204與后端蓋205 ;如圖1所示，前端蓋204、諧波減速器3與外殼6三者間通過(guò)螺釘固定；后端蓋205直接通過(guò)螺釘與外殼6間固定；并使前端蓋204與后端蓋205分別和電機(jī)定子201前后兩端間具有一定間隙，為電機(jī)定子201提供一個(gè)加工裕度。前端蓋204和后端蓋205上分別通過(guò)深溝球軸承與空心軸203前端和后端相連，保證空心軸203能夠平穩(wěn)順暢的轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)在前端蓋204與空心軸203間還安裝有油封，防止諧波減速器2中的油液進(jìn)入到其他部分中。通過(guò)上述結(jié)構(gòu)，空心軸電機(jī)2工作，空心軸203轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)諧波減速器2減速后，帶動(dòng)輸出法蘭101轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0039]所述雙碼盤(pán)定位機(jī)構(gòu)4包括速度增量編碼器401、位置增量編碼器402與編碼器連接座403，如圖4所示。速度增量編碼器401、位置增量編碼器402均為中空結(jié)構(gòu)的光柵編碼器；速度增量編碼器401用于空心軸電機(jī)2的轉(zhuǎn)速檢測(cè)和換向檢測(cè)，具有一個(gè)速度增量編碼器Z相停止位404，輸出信號(hào)為A、B、Z三相差分信號(hào)，如圖5所示。速度增量編碼器401的中空部分周向上具有三個(gè)中心角不同的扇形槽7，分別與空心軸電機(jī)2的空心軸203上周向設(shè)計(jì)的三個(gè)扇形鍵8配合定位后，通過(guò)螺釘同軸固定于空心軸203后端部，使速度增量編碼器401與空心軸203具有唯一確定的位置關(guān)系，如圖5、圖6所示，且在速度增量編碼器401安裝完畢后，需保證速度增量編碼器Z相停止位404與電機(jī)轉(zhuǎn)子202的一相對(duì)齊，此時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子202相對(duì)于電機(jī)定子201的位置為速度增量編碼器401的零位。由此，本發(fā)明中速度增量