CN102931760A - 一种紧凑型直线位移电动伺服机构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种紧凑型直线位移电动伺服机构，包括支承座、滑动轴承、电机连接件、电机、电机壳体、调心滚子轴承、丝杠支撑壳体、滚珠丝杆、滚珠丝杠螺母、丝杠滚子、导向件、输出轴和滑动轴承端盖。本发明通过丝杠与电机的组合设计，保证了电机结构的整体性，电机无需单独设计，降低了电机的设计难度，电机直接与滚柱丝杆相连，实现直接驱动，电机旋转时，丝杠螺母向前后运动，因此丝杠螺母不需要采用长螺纹孔的结构，并且在丝杠螺母上设计出导向槽与导向件配合使用，实现了直线位移的精确伺服控制，同时使机构的直线输出不再需要外部结构的辅助作用。

Description

一种紧凑型直线位移电动伺服机构

技术领域

本发明涉及一种紧凑型直线位移电动伺服机构，属于伺服机构技术领域。

背景技术

现代飞行控制伺服机构正逐步面临性能高、尺寸小、重量轻、可长时间工作、使用维护简便等综合要求，机电伺服机构日益广泛地应用于飞行器飞行控制。常规机电伺服机构结构复杂，难以实现小型化，机械部件(齿轮、轴承、丝杠等)长时间工作卡死的故障率较高，而且由于传动环节多，造成伺服机构间隙大、惯量高，动态跟随性能难以提高，限制了伺服系统性能的提升。

国内传统的直线位移伺服机构，一体化结构低，通过齿轮或其它中间环节驱动滚珠丝杠副运动，由此带来了机构体积增大，且中间环节增多，导致伺服机构间隙增大、转动惯量变高，因此动态性能难以提高。

国外的紧凑型直线位移机电伺服机构如图1所示，电机转子固定在丝杠螺母上，而电机的定子固定在外壳上，由于丝杠螺母与前后轴承内圈配合使用，其自身可以与电机转子一同旋转，丝杆与丝杠滚子保持轴向的相对静止，在自由状态下，丝杆同时发生旋转与直线运动，通过关节轴承在输出端约束其旋转运动，因此实现机构的直线运动。该型结构由于丝杠螺母为多头螺纹，长螺纹孔的加工工艺及丝杠装配较为困难；丝杠结构与电机一体化设计，提高了一体化程度并降低了重量，但破坏了电机结构的整体性，增大了电机设计的难度；丝杠结构的丝杆需要借助于外部的结构约束其旋转自由度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种电机设计简单、丝杠螺母加工装配方便、电机结构与丝杠结构连接精度高、工艺性好、无需外部的结构约束的紧凑型直线位移机电伺服机构。

本发明的技术解决方案：一种紧凑型直线位移电动伺服机构，包括支承座、滑动轴承、电机连接件、电机、电机壳体、调心滚子轴承、丝杠支撑壳体、滚珠丝杆、滚珠丝杠螺母、丝杠滚子、导向件、输出轴和滑动轴承端盖，支承座下端与电机连接件后端通过滑动轴承连接，并通过滑动轴承的上端凸缘和滑动轴承端盖实现电机连接件在滑动轴承轴向上定位，电机固定装在电机壳体内，电机壳体后端与电机连接件前端连接，电机壳体前端与丝杠支撑壳体后端连接，电机的输出轴与滚珠丝杆的后端通过传动销连接，调心滚子轴承通过锁紧螺母安装在滚珠丝杆上，调心滚子轴承内圈压紧在滚珠丝杆上，外圈压紧丝杠支撑壳体的内壁，调心滚子轴承后端与电机壳体的前端压紧，实现调心滚子轴承的轴向定位，滚珠丝杆通过丝杠滚子与滚珠丝杠螺母后端连接，导向件安装在滚珠丝杠螺母上，并通过滚珠丝杠螺母上加工的滑槽实现与滚珠丝杠螺母的滑动配合，导向件与丝杠支撑壳体的前端固定连接，滚珠丝杠螺母的前端与输出轴连接。通过滚珠丝杆和丝杠滚子传动，实现滚珠丝杠螺母在丝杠支撑壳体内直线运动。

所述的丝杠支撑壳体为变径的筒状结构，包括支撑壳体后端凸缘、台阶圆柱和支撑壳体前端凸环，筒状结构内部为变径的通孔，包括台阶圆柱大端内孔、台阶圆柱小端内孔和支撑壳体前端凸环内孔，支撑壳体后端凸缘与电机壳体前端机械连接，台阶圆柱大端内孔与调心滚子轴承的外圈配合，台阶圆柱小端内孔与滚珠丝杠螺母前端滑动配合，支撑壳体前端凸环与导向件机械连接，支撑壳体前端凸环内孔与滚珠丝杠螺母间隙配合。

所述的支承座包括上端凸台、中部凸缘和下部滑动轴，中部凸缘上加工安装孔，下部滑动轴与滑动轴承配合，实现滑动轴承绕下部滑动轴的轴线旋转运动。

所述的滚珠丝杆包括后端套筒、中间轴和螺纹杆，后端套筒上加工销孔，电机的输出轴插入后端套筒内，并通过销孔和传动销与后端套筒连接，中间轴与调心滚子轴承内圈配合，螺纹杆与丝杠滚子配合传动。

所述的滚珠丝杠螺母由前端轴、导向轴和后端凸环组成的柱状结构，柱状结构中心加工安装丝杠滚子的多头螺纹孔，导向轴上加工滑槽，前端轴顶端加工安装输出轴的通孔，后端凸环与丝杠支撑壳体内壁滑动配合。

所述的导向件由大圆台和小圆台组成的柱状台阶结构，中心加工内孔，内孔内加工与滚珠丝杠螺母配合的导向凸台，大圆台上加工导向安装孔。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明通过丝杠与电机的组合设计，保证了电机结构的整体性，电机无需单独设计，降低了电机的设计难度，电机直接与滚柱丝杆相连，实现直接驱动，电机旋转时，丝杠螺母向前后运动，因此丝杠螺母不需要采用长螺纹孔的结构，并且在丝杠螺母上设计出导向槽与导向件配合使用，实现了直线位移的精确伺服控制，同时使机构的直线输出不再需要外部结构的辅助作用；

(2)本发明采用滚柱丝杠副实现了直接驱动形式，不需要中间传动环节，从而显著降低了传动间隙与系统惯量；

(3)本发明采用调心滚子轴承固定滚柱丝杠的驱动端，有效解决了电机轴与丝杆不同轴的问题，使电机结构与丝杠结构连接精度提高，同时降低了电机结构与丝杠结构加工精度要求；

(4)本发明支承结构端采用滑动轴承，无需采用额外的机构限制丝杠结构的旋转自由度；

(5)本发明采用一体化设计，电机壳体一端与伺服机构尾端支承结构相连，另一方面与丝杠支撑壳体相连，传导运动过程中的推拉力。

附图说明

图1为现有紧凑型直线位移机电伺服机构结构示意图；

图2为本发明整体结构示意图；

图3为本发明装配关系示意图；

图4为本发明支承-电机端装配关系示意图；

图5为本发明丝杠端装配关系示意图；

图6为本发明支承端剖视图；

图7为本发明滚珠丝杆结构示意图；

图8为本发明装入丝杠滚子的滚珠丝杠螺母结构示意图；

图9为本发明导向件结构示意图；

图10为本发明丝杠支撑壳体结构示意图。

具体实施方式

本发明通过采用滚柱丝杠副实现了直接驱动形式，不需要中间传动环节，电机输出轴直接与滚珠丝杆连接，电机转速直接驱动滚珠丝杆旋转运动，在旋转运动过程中，调心滚子轴承固定在滚柱丝杠的驱动端，使得电机轴与滚珠丝杆旋转中实现了自动调节。滚珠丝杆通过丝杠滚子驱动丝杠螺母运动，由于导向件有效约束了滚珠丝杠螺母的旋转运动，因此实现了滚珠丝杠螺母精确的直线运动。以下结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。

本发明如图2所示，包括支承座1、滑动轴承2、电机连接件3、电机4、电机壳体5、调心滚子轴承8、丝杠支撑壳体9、滚珠丝杆1O、滚珠丝杠螺母11、丝杠滚子12、导向件13、输出轴15和滑动轴承端盖16。

支承座1如图2、3、4、6所示，包括上端凸台24、中部凸缘25和下部滑动轴26，中部凸缘25上加工安装孔25-1。上端凸台24与伺服机构支架配合，安装孔25-1用于与伺服机构支架紧固螺钉时使用。下部滑动轴26与滑动轴承2配合，实现滑动轴承2绕下部滑动轴26的轴线旋转运动。

滑动轴承2如图2、3、4、6所示，其上端凸缘27与电机连接件3的凸耳28压紧，限制电机连接件3在滑动轴承2轴向方向上的窜动。滑动轴承端盖16也用于限制电机连接件3在滑动轴承2轴向方向上的窜动，其后端的滑动轴承垫片17用于锁紧整个滑动轴承2结构。锁紧螺母18与支承座1的下部滑动轴26配合使用，提供轴向预紧力。防松螺母19用于防止整个滑动轴承支承结构在振动等环境条件下松动。

电机4通过电机壳体5的孔31与之通过电机前端螺钉22联接成一个整体，电机壳体5后端的凸缘30，与电机连接件3的凸缘29，通过螺钉21与螺母20联接成一个整体，电机4的后端面34与电机连接件3的前端面35通过螺钉21压紧，进一步限制了电机4在电机壳体5中沿电机4轴向的窜动。电机4的输出轴32与滚珠丝杆10的后端套筒36配合，两者通过传动销6进行连接。

丝杠支撑壳体9如图2、3、5、10所示，为变径的筒状结构，包括支撑壳体后端凸缘39、台阶圆柱38和支撑壳体前端凸环40，筒状结构内部为变径的通孔，包括台阶圆柱大端内孔38-1、台阶圆柱小端内孔38-2和支撑壳体前端凸环内孔41，支撑壳体后端凸缘39与电机壳体5的前端孔31、电机4三者通过前端螺钉22联接成一个整体，台阶圆柱大端内孔38-1的后端与电机壳体5的前端凸环33导向配合使用，台阶圆柱大端内孔38-1与调心滚子轴承8的外圈配合，台阶圆柱小端内孔38-2与滚珠丝杠螺母11前端滑动配合，支撑壳体前端凸环40与导向件13机械连接，支撑壳体前端凸环内孔41与丝杠螺母11间隙配合。

调心滚子轴承8如图3、5所示，内圈通过锁紧螺母7压紧在滚珠丝杆10的中间轴37上，将滚珠丝杆10受到的轴向推拉力传递到调心滚子轴承8的外圈上，同时由于调心滚子轴承8的自调心功能，在运动过程中能够实现电机输出轴32和滚珠丝杆10之间转动不同轴的自动调节，并且调心滚子轴承具备较大的轴向、径向承载能力，使得传动过程十分紧凑。调心滚子轴承8的外圈被挤压在丝杠支撑壳体9的台阶圆柱大端内孔38-1内，同时通过电机壳体5的前端凸环33实现轴向压紧，由此将滚珠丝杆10的推拉力传递到电机壳体5上，实现了较为紧凑的力传递过程。

滚珠丝杠l0如图7所示，包括后端套筒36、中间轴37和螺纹杆49，后端套筒36上加工销孔47，销孔47用于滚珠丝杠10与电机输出轴32连接使用，螺纹49用于丝杠滚子12的相对轴向运动与旋转运动，中间轴37用于与调心滚子轴承8配合，加工精度要求6级以上，电机4的输出轴32插入后端套筒36内，并通过销孔47和传动销6与后端套筒36连接，中间轴37与调心滚子轴承8内圈配合，螺纹杆49与丝杠滚子12配合传动。

滚珠丝杠10将旋转运动传递到丝杠滚子12上，丝杠滚子l2驱动滚珠丝杠螺母11运动，该运动有两个方向，一个是绕滚珠丝杠轴向的旋转运动，一个是沿滚珠丝杠轴向的前后运动。在滚珠丝杠螺母11上设计滑槽42，与导向件13的导向凸台43配合使用，限制了滚珠丝杠螺母11的旋转运动，实现了精确的轴向前后运动。

滚珠丝杠螺母11如图8所示，由前端轴45、导向轴50和后端凸环44组成的柱状结构，柱状结构中心加工安装丝杠滚子12的多头螺纹孔，导向轴50上加工滑槽42，前端轴45顶端加工安装输出轴15的通孔，后端凸环44与丝杠支撑壳体9内壁滑动配合。

滚珠丝杠螺母11与丝杠支撑壳体9的支撑壳体前端凸环内孔41之间设计成间隙配合，利于其轴向运动。导向件13通过导向件螺钉14与丝杠支撑壳体9的支撑壳体前端凸环40连接成一个整体，滚珠丝杠螺母11的后端凸环44用于运动限位，通过导向件13防止其在运动过程中脱离整个机构。

滚珠丝杠螺母11的前端轴45上加工出与输出轴15配合的孔，输出轴15与输出轴螺母23实现输出轴的固定锁紧。将支承座1安装在固定位置，将输出轴15与被驱动装置连接接，从而实现高精度的直线位移伺服。

滚珠丝杠螺母11及其丝杠滚子12装配关系如图8所示，丝杠滚子12安装于滚珠丝杠螺母11内的多头螺纹孔中，并且两者之间只有相对的转动，在轴向上不发生相对运动，两者装配为一体结构。滚珠丝杠螺母11上有导向的滑槽42，其用于约束滚珠丝杠螺母11的旋转运动，导向轴50用于与导向件13配合。

导向件13如图9所示，由大圆台53和小圆台54组成的柱状台阶结构，中心加工内孔51，内孔51内加工与滚珠丝杠螺母11配合的导向凸台43，大圆台53上加工导向安装孔52。导向凸台43用于实现机构的导向作用，从而不需要在机构外部添加多余的约束，就能够输出轴向运动。导向安装孔52与导向件螺钉14实现导向件13与丝杠支撑壳体9的支撑壳体前端凸环40连接。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种紧凑型直线位移电动伺服机构，其特征在于：包括支承座(1)、滑动轴承(2)、电机连接件(3)、电机(4)、电机壳体(5)、调心滚子轴承(8)、丝杠支撑壳体(9)、滚珠丝杆(10)、滚珠丝杠螺母(11)、丝杠滚子(12)、导向件(13)、输出轴(15)和滑动轴承端盖(16)，支承座(1)下端与电机连接件(3)后端通过滑动轴承(2)连接，并通过滑动轴承(2)的上端凸缘(27)和滑动轴承端盖(16)实现电机连接件(3)在滑动轴承(2)轴向上定位，电机(4)固定装在电机壳体(5)内，电机壳体(5)后端与电机连接件(3)前端连接，电机壳体(5)前端与丝杠支撑壳体(9)后端连接，电机(4)的输出轴(32)与滚珠丝杆(10)的后端通过传动销(6)连接，调心滚子轴承(8)通过锁紧螺母(7)安装在滚珠丝杆(10)上，调心滚子轴承(8)内圈压紧在滚珠丝杆(10)上，外圈压紧丝杠支撑壳体(9)的内壁，调心滚子轴承(8)后端与电机壳体(5)的前端压紧，实现调心滚子轴承(8)的轴向定位，滚珠丝杆(10)通过丝杠滚子(12)与滚珠丝杠螺母(11)后端连接，导向件(13)安装在滚珠丝杠螺母(11)上，并通过滚珠丝杠螺母(11)上加工的滑槽实现与滚珠丝杠螺母(11)的滑动配合，导向件(13)与丝杠支撑壳体(9)的前端固定连接，滚珠丝杠螺母(11)的前端与输出轴(15)连接。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型直线位移电动伺服机构，其特征在于：所述的丝杠支撑壳体(9)为变径的筒状结构，包括支撑壳体后端凸缘(39)、台阶圆柱(38)和支撑壳体前端凸环(40)，筒状结构内部为变径的通孔，包括台阶圆柱大端内孔(38-1)、台阶圆柱小端内孔(38-2)和支撑壳体前端凸环内孔(41)，支撑壳体后端凸缘(39)与电机壳体(5)前端机械连接，台阶圆柱大端内孔(38-1)与调心滚子轴承(8)的外圈配合，台阶圆柱小端内孔(38-2)与滚珠丝杠螺母(11)前端滑动配合，支撑壳体前端凸环(40)与导向件(1 3)机械连接，支撑壳体前端凸环内孔(41)与丝杠螺母(11)间隙配合。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型直线位移电动伺服机构，其特征在于：所述的支承座(1)包括上端凸台(24)、中部凸缘(25)和下部滑动轴(26)，中部凸缘(25)上加工安装孔(25-1)，下部滑动轴(26)与滑动轴承(2)配合，实现滑动轴承(2)绕下部滑动轴(26)的轴线旋转运动。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑型直线位移电动伺服机构，其特征在于：所述的滚珠丝杆(10)包括后端套筒(36)、中间轴(37)和螺纹杆(49)，后端套筒(36)上加工销孔(47)，电机(4)的输出轴(32)插入后端套筒(36)内，并通过销孔(47)和传动销(6)与后端套筒(36)连接，中间轴(37)与调心滚子轴承(8)内圈配合，螺纹杆(49)与丝杠滚子(12)配合传动。

5.根据权利要求1所述的一种紧凑型直线位移电动伺服机构，其特征在于二所述的滚珠丝杠螺母(11)由前端轴(45)、导向轴(50)和后端凸环(44)组成的柱状结构，柱状结构中心加工安装丝杠滚子(12)的多头螺纹孔，导向轴(50)上加工滑槽(42)，前端轴(45)顶端加工安装输出轴(15)的通孔，后端凸环(44)与丝杠支撑壳体(9)内壁滑动配合。

6.根据权利要求1所述的一种紧凑型直线位移电动伺服机构，其特征在于：所述的导向件(13)由大圆台(53)和小圆台(54)组成的柱状台阶结构，中心加工内孔(51)，内孔(51)内加工与滚珠丝杠螺母(11)配合的导向凸台(43)，大圆台(53)上加工导向安装孔(52)。

Images