带有集成力传感器的机电气缸的制作方法

本发明涉及机电致动器或气缸的领域。更具体地，本发明涉及配备有一个或多个力传感器的机电气缸的领域。

背景技术：

机电气缸通常包括外壳、安装成相对于所述壳体纵向移动的致动杆、电动机和例如滚珠或滚子螺杆类型的机构，该机构用于将电动机的旋转运动转换成致动杆的线性平移运动。

为了旋转地引导并支撑电动机，通常在壳体的前部或后部安装有一对轴向安装且彼此抵靠的滚动轴承。

为了将力传感器集成到机电气缸中，一种解决方案是将传感器安装在这两个滚动轴承之一的外圈上，以便能够在致动杆运动期间测量该圈的轴向变形。

然而，在这种布置中，为了测量两个轴向方向上的变形，力传感器必须承受轴向预紧力，该轴向预紧力在组装期间施加到滚动轴承上。因此，力传感器的灵敏度将根据致动杆推动负载并进行压缩的运动以及该杆拉推动负载并进行牵引的运动而有所不同，并且根据机电气缸与其外部环境的固定情况也将有所不同。

用于将力传感器集成到机电气缸中的另一种解决方案是将力传感器安装在致动杆的前端部上。对于该解决方案的更多细节，例如可以参考专利申请ep-a1-1587205(transrol)。

在机电气缸的组装操作期间，致动杆旋转，这也可能导致将力传感器连接到处理传输信号的电子卡的电气连接电缆的旋转。这可能会损坏电缆。

另外，在气缸的操作期间，电气连接电缆在致动杆的运动期间不断地运动。这也会导致电气连接电缆的损坏。

技术实现要素：

本发明旨在克服这些缺陷。

本发明涉及一种机电气缸，包括：壳体；安装成相对于所述壳体纵向移动的致动杆；具有可旋转转子轴的电动机；用于将所述电动机的转子轴的旋转运动转换成所述致动杆的线性平移运动的机构；以及至少一个轴承，所述至少一个轴承用于相对于所述壳体旋转地引导所述电动机的转子轴并用于支撑所述转子轴。

根据总体特征，所述气缸还包括套筒，该套筒固定在所述壳体上并且所述轴承安装在所述套筒内。

根据另一总体特征，所述气缸还包括以及至少一个力传感器，所述至少一个力传感器安装在所述套筒上并相对于所述轴承轴向偏移。

一个或多个传感器安装在径向地位于壳体和轴承之间的中间套筒上，以及这个(这些)传感器相对于(多个)轴承轴向偏移，这能克服与施加在(多个)轴承上的轴向预紧力有关以及与组装过程中可能存在的变形有关的问题。

(多个)力传感器安装在套筒的一部分上，该部分相对于套筒上安装轴承的部分轴向偏移。

这大大提高了测量精度。另外，(多个)力传感器可以在两个方向上轴向工作，并同时保持相同的灵敏度。

此外，由于未将一个或多个力传感器安装在气缸的滑动致动杆上，因此提高了气缸随时间变化的可靠性。

有利地，至少在所述壳体的孔和所述套筒上安装有所述轴承与所述传感器的部分之间设置有环形径向间隙。

因此，通过力传感器所测量的套筒的轴向变形不受可能存在于壳体和套筒上一个或多个力传感器及一个或多轴承所在区域之间的摩擦的影响。这进一步提高了测量的准确性。

优选地，所述套筒包括：轴向管状部分，其内安装有所述轴承,并支撑所述力传感器；以及径向凸缘，用于将所述套筒固定至所述壳体。

所述壳体包括管状主体以及分别安装在所述主体一端的前凸缘和后凸缘，所述致动杆延伸穿过所述前凸缘，并且所述轴承轴向位于所述电动机和所述前凸缘之间。

有利地，所述套筒的凸缘被轴向地夹持在所述壳体的所述主体和所述前凸缘之间。这使得将套筒快速且容易地附接到壳体上。另外，这还能够实现套筒的管状部分的浮动安装。

为此，在所述壳体的孔与所述套筒上的位于与所述凸缘轴向相对的端部之间设置环形的轴向间隙。

根据一个特定设计，在所述套筒的径向厚度中形成有通孔，所述力传感器在圆周方向上设置在两个连续的通孔之间。通过这种设计，套筒的可变形性质得到利用，因此有利于通过一个或多个力传感器获得的测量结果具有良好精度。

在一实施例中，所述力传感器安装在套筒的外表面上。可替代地，所述力传感器可以被安装在套筒的孔中。

所述机电气缸还包括至少一个电气连接电缆，其连接到所述力传感器并且安装在所述套筒上。出于径向紧凑性的原因，所述电连接电缆可以至少部分地在形成于套筒上的至少一个凹槽内延伸。

在一特定实施例中，机电气缸还包括电子卡，所述电子卡连接至所述电气连接电缆并且安装在固定至所述壳体的外壳内。

所述滚动轴承可包括安装在套筒的孔中的外圈，安装在电动机的转子轴上的内圈，以及布置在形成于所述圈上的滚道之间的至少一排滚动元件。

优选地，气缸包括至少两个滚动轴承，它们在套筒内部彼此轴向接触地安装。轴承的滚动元件行可以以o或x形布置。在一个实施例中，一个或多个轴承可以是角接触球类型。

根据一种有利的设计，所述运动转换机构包括与所述致动杆成一体且设置有外螺纹的螺杆，以及多个纵向滚子，所述纵向滚子和所述螺杆的外螺纹及所述转子轴的内螺纹啮合。所述机构是倒置的卫星滚子螺杆类型。这提高了机电气缸的整体径向紧凑性。

然而，可替代地，运动转换机构可以是其他设计。例如，其可以包括设置有外螺纹的螺杆，设置在该螺杆周围的螺母，该螺母包括内螺纹并且与致动杆成一体，以及与外螺纹啮合且在螺杆和螺母内的多个纵向滚子。该机构是卫星滚子螺杆类型。

可替代地，更换滚子，可将珠子啮合在螺杆和螺母的内外螺纹内。

在该机构的另一替代实施例中，可以使螺杆的外螺纹与螺母的内螺纹直接啮合。

附图说明

通过研习实施例的详细描述将更好地理解本发明，实施例通过非限定性示例的方式并通过附图进行了说明，其中：

图1是根据本发明示例性实施例的机电气缸的截面图，

图2是图1种机电气缸的沿另一剖切面的局部截面图，

图3是图2的细节图，以及

图4是图1和图2中机电气缸的套筒的透视图。

具体实施方式

在图1中，具有纵轴线x-x'的机电气缸(整体被标记为附图标记10)被显示为处于假设是水平的位置上。

气缸10包括：壳体12、可轴向移动并且与轴线x-x'同轴的致动杆14、电动机16和用于将所述电动机的旋转运动转换成杆14沿着轴线x-x'线性平移运动的机构18。机构18径向地插在电动机16和致动杆14之间。

电动机16和机构18完全容纳在壳体12内。致动杆14轴向延伸穿过壳体12并向外突出。

电动机16包括固定在壳体12上的定子20和转子(未示出)。定子20固定在壳体的孔24中。转子具有管状转子轴26和由所述轴支撑的多个永磁体(未示出)。转子轴26在定子20的任一侧轴向延伸。电动机16可以为无刷型。

在所示的示例性实施例中，壳体12包括管状主体12a以及分别固定至所述主体的轴向端的前凸缘12b和后凸缘12c。致动杆14延伸穿过前凸缘12b并突出到壳体12的外部。主体12a界定出壳体的孔24的主要部分。

为了旋转地引导并支撑转子轴26，气缸10还包括两个前滚动轴承30、32和后滚动轴承34。

后滚动轴承34径向地插入在转子轴26与壳体的后支撑件35之间，该壳体的后支撑件35轴向地插入在主体12a与后凸缘12c之间。滚动轴承34安装在电动机的转子轴26的外表面上，并且安装在后支撑件35的孔中。

如将在下面更详细地描述的那样，气缸10还包括形成套筒36的组件，在套筒36中安装有前滚动轴承30、32，并且该套筒36支撑着所述气缸的力传感器38(图2)。套筒36固定在壳体12上。套筒36在径向上介于壳体的孔24与轴承30、32之间。

在所示的示例性实施例中，机构18是倒置的卫星滚子螺杆类型的滚子螺杆机构。机构18包括螺杆40和多个纵向滚子42，螺杆40与致动杆14同轴，并固定到所述致动杆14且设有外螺纹(未标记)，多个纵向滚子42径向地设置在螺杆和电动机的转子轴26之间。转子轴26具有管状形状。与螺杆40同轴的转子轴26包括内螺纹(未标记)，该内螺纹的内径大于螺杆40的螺纹的外径。

滚子42彼此相同，并且规则地分布在螺杆40周围。每个滚子42沿着平行于螺杆轴线的轴线延伸，并且包括外螺纹(未标记)，与螺杆40的外螺纹和转子轴的内螺纹啮合。通过众所周知的方式，每个滚子42在每个端部上包括与螺杆40的同步齿相啮合的外齿，以及包括从该齿轴向向外延伸并容纳在安装于所述螺杆上的间隔环44、46中一个的镂空部分中的销。

致动杆14与滚子螺杆机构的螺杆40成一体。电动机的转子轴26的旋转被转换成螺杆40和致动杆14沿轴线x-x′的平移。

如上所述，轴承30、32支撑并确保电动机的转子轴26的旋转引导。轴承30、32被安装成轴向彼此抵靠。

如在图2中更清楚地示出的那样，每个轴承30、32包括外圈30a、32a，内圈30b，32b和多个滚动元件30c、32c，这里多个滚动元件以单排滚珠的形式生产，并径向地布置在这些圈上形成的滚道之间。每个轴承30、32还包括保持架(未示出)，用于保持滚动元件的规则的周向间隔。

每个轴承的内圈30b、32b安装在电动机的转子轴26的外表面上。每个轴承的外圈30a，32a安装在套筒36的孔内。

轴承30的内圈30b被安装成轴向地抵靠在转子轴的肩部26a上。该轴承30的外圈30a被安装成轴向地抵靠在套筒36的环形径向边缘36a上，此处借助于垫圈(未标记)。可替代地，可以在套筒的边缘36a和外圈30a之间提供直接接触。

为了在轴向上对一堆轴承30和32施加预紧力，气缸10包括两个锁紧螺母50、52，它们被安装成分别抵靠着轴承32的内圈32b和外圈32a，并在轴向上位于与另一个轴承30相对的一侧，此处，在每个螺母50、52和轴承32之间轴向地插入有垫圈(未标记)。可替代地，可以不设置这些垫圈。螺母50被拧到电动机的转子轴26的外表面上。螺母52被拧入套筒36的孔中。

如前所述，轴承30、32安装在套筒36的内部，套筒36也支撑力传感器38。套筒36是整体制成的。套筒36例如可以由金属材料，特别是钢制成。

套筒36包括限定出所述套筒的孔的轴向管状部分36b，轴承30、32安装在轴向管状部分中。在一轴向端，管状部分36b通过边缘36a径向向内延伸。在相对的轴向端，管状部分36b通过环形径向凸缘36c径向向外延伸。凸缘36c轴向地夹紧在壳体的主体12a和前凸缘12b之间。凸缘36c将套筒36固定到壳体12。

力传感器38被安装在套筒的管状部分36b上。力传感器38被安装在管状部分36b上，同时相对于轴承30和32轴向偏移，此处在凸缘36c侧偏移。传感器38不径向垂直地位于管状部分36b的一个区域，其中该区域的管状部分内部安装轴承30、32。换句话说，力传感器38被安装在管状部分36b上由轴承30、32空出的自由区域内。

在所示的示例性实施例中，力传感器38被安装在管状部分36b的外表面上。可替代地，可以在管状部分36b的孔中提供力传感器38的装配。此处，传感器38的数量为两个并且在径向相对位置上。可替代地，可以提供不同数量的传感器，例如单个传感器或至少三个传感器。在多个传感器的情况下，这些传感器优选地在圆周方向上彼此规则地间隔开。

力传感器38是应变仪，其电阻随着施加到套筒36上的轴向力而变化。力传感器38能够变形，从而能够测量套筒的管状部分的轴向压缩或伸长。在所示的示例性实施例中，两个相对的平坦部分形成在套筒的管状部分36b上，用于安装力传感器38。

如在图4中更清楚地示出那样，在套筒的管状部分36b的径向厚度中形成通孔54。提供这些通孔54以促进套筒的管状部分36b上力传感器38所在区域的变形。每个力传感器38在圆周方向上设置在两个连续的通孔54之间。力传感器38和通孔54位于相同的径向平面中。此处，力传感器38和通孔54轴向地布置在套筒的凸缘36c附近。

在所示的实施例中，在套筒的管状部分36b上还设有凹槽56、58，用于安装电气连接电缆(未示出)，该电气连接电缆将力传感器38连接到用于处理传输信号的电子气缸的电子卡60(图1)。凹槽56、58形成在套筒的管状部分36b的外表面上。在所示的实施例中，凹槽56在圆周方向上延伸并且是环形的。凹槽58轴向延伸并通向凹槽56。电气连接电缆可以通过任何合适的方式，例如通过胶粘，固定在凹槽56、58内。可替代地，可以不设置这种凹槽。

再次参照图1，电子卡60固定在外壳62的内部，外壳62本身固定到壳体12。在壳体12的主体12a的厚度上形成镂空部分64，用于电气连接电缆的通过。

参照图3，在壳体的孔24和套筒的管状部分36b之间设有环形径向间隙66。在轴承30、32和力传感器38的安装区域中，套筒的管状部分36b与壳体的孔24之间在径向上没有直接接触。此处，环形径向间隙66沿着套筒的整个管状部分36b设置。在壳体的孔24与套筒的凸缘36c之间还设有轴向间隙68。

套筒的管状部分36b相对于壳体12浮动地安装。此处，在套筒的管状部分36b与壳体的孔24之间在轴向和径向上没有直接接触。

操作中，在气缸的杆14推动负载并进行压缩工作的运动过程中，力由轴承32承受，然后由轴承30抵靠在套筒的边缘36a上承受，这导致所述套筒的管状部分36b伸长，尤其是在测量该伸长率的力传感器38的区域中。

相反地，在气缸的杆14拉动负载并进行牵引工作的运动过程中，力由轴承30承受，然后由轴承32抵靠在螺母52上承受，这导致套筒的管状部分36b压缩，其由力传感器38测量。

由于提供了安装有力传感器38的中间套筒36以及由于这些传感器相对于轴承30和32的位置，因此提高了测量的精度，并且无论施加在套筒上的力的方向如何以及无论机电气缸如何固定至其外部环境，都具有相同的灵敏度。

此处，已经通过包括角接触球类型的轴承30、32的气缸示出了本发明。可替代地，可以提供其他类型的滚动元件，例如滚子。

在所示的示例性实施例中，滚动元件布置为o形。可替代地，可以提供x形布置。

已经通过一种缸体对本发明进行了说明，该缸体包括多个轴承，这些轴承彼此轴向抵靠安装，并且每个轴承都包括单排滚动元件。可选地，例如可以提供包括至少两排滚动元件的单轴承，或者甚至提供更多数量的轴承，它们轴向堆叠并且每个轴承包括单排或多排滚动元件。