CN103523207A

CN103523207A - 一种电动舵机

Info

Publication number: CN103523207A
Application number: CN201210230666.7A
Authority: CN
Inventors: 张龙; 田胜利; 聂振金; 王取; 王春侠
Original assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Research Institute of Precise Mechatronic Controls
Current assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Research Institute of Precise Mechatronic Controls
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2032-07-04
Also published as: CN103523207B

Abstract

本发明属于一种飞行器舵面控制技术领域，具体公开一种电动舵机，壳体和端盖构成腔体，该腔体内设有舵机输出轴，舵机输出轴由钢轮和位于钢轮内的第一输出轴组成，钢轮位于端盖内，第一输出轴的一端位于壳体内，第一输出轴的另一端位于端盖内；第一输出轴的一端与钢轮之间套有谐波凸轮，谐波凸轮外套有输入刚轮，钢轮外还套有第二锥齿轮，第二锥齿轮的侧壁与谐波凸轮的侧壁贴合、且两者之间固定连接；电机输出轴位于壳体内，第一锥齿轮套在电机输出轴外，第二锥齿轮与第一锥齿轮通过齿轮啮合；反馈电位计的电位计输出轴嵌套在第一输出轴内。该舵机能够在实现柔性连接的同时保证连接刚度，提高舵机的可靠性以及舵机系统的动态响应。

Description

一种电动舵机

技术领域

本发明属于一种飞行器舵面控制技术领域，具体涉及一种应用于飞行器舵面控制的电动舵机。

背景技术

电动舵机作为一般低、近空飞行器舵面控制的执行机构，近年来得以快速发展。电动舵机一般由电机、传动机构和反馈电位计等关键部件组成，彼此之间的连接结构设计对电动舵机整体性能改善起着重要作用。

反馈电位计用于测量电动舵机输出轴的摆角，用于电动舵机的闭环控制，其可靠性至关重要。目前反馈电位计输出轴与舵机输出轴均采用刚性相连；而舵机输出轴与直接承受负载力的舵又彼此刚性连接。由此，造成舵所承受的各种负载力会直接传给反馈电位计，从而影响电位计工作可靠性，例如反馈电位计滑刷与导电体之间的接触异常，严重的会造成电位计损坏，从而使舵机系统开环。

谐波齿轮广泛用于电动舵机的传动机构。目前谐波凸轮、输出刚轮与舵机输出轴大多采用分体设计，传动刚度也相对较差。由此限制了舵机系统的动态响应。

伺服电机是电动舵机的动力和控制部件，其输出轴的第一级传动通常为锥齿轮，而电机输出轴与锥齿轮的连接设计也是一个弱点，支撑刚度低，在交变重载情况下，对电机性能造成较严重影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动舵机，该舵机能够在实现柔性连接的同时保证连接刚度，提高舵机的可靠性以及舵机系统的动态响应。

实现本发明目的的技术方案：一种电动舵机，该舵机包括电机、谐波凸轮、端盖、舵机输出轴、输入刚轮、壳体、反馈电位计、第一锥齿轮、第二锥齿轮；壳体和端盖构成腔体，该腔体内设有舵机输出轴，舵机输出轴由刚轮和位于刚轮内的第一输出轴组成，刚轮位于端盖内，第一输出轴的一端位于壳体内，第一输出轴的另一端位于端盖内；壳体内还设有谐波凸轮、输入刚轮、反馈电位计、第一锥齿轮、第二锥齿轮，第一输出轴的一端与刚轮之间套有谐波凸轮，谐波凸轮外套有输入刚轮，刚轮外还套有第二锥齿轮，第二锥齿轮的侧壁与谐波凸轮的侧壁贴合、且两者之间固定连接；电机输出轴位于壳体内，第一锥齿轮套在电机输出轴外，第二锥齿轮与第一锥齿轮通过齿轮啮合；反馈电位计的电位计输出轴嵌套在第一输出轴内。

所述的反馈电位计输出轴通过非金属连接块与舵机输出轴的第一输出轴柔性连接。

所述的刚轮和第一输出轴采用一体式结构。

所述的第一锥齿轮与壳体之间设有第三轴承

所述的第三轴承与电机之间套有限位套筒。

所述的舵机输出轴与谐波凸轮之间设有深沟球轴承，舵机输出轴与第二锥齿轮之间设有角接触轴承。

所述的深沟球轴承和角接触轴承的外侧各设有一个第一调整垫片。

本发明的有益技术效果在于：（1）针对反馈电位计与舵机输出轴的刚性连接问题，本发明提出柔性连接解决方案，即采用非金属元件实现反馈电位计摆轴与舵机输出轴的连接，非金属元件与两者均采用过盈配合，以在实现柔性连接的同时保证连接刚度。（2）针对谐波齿轮部分的传动刚度较差问题，本发明采用刚轮与舵机输出轴一体化的设计方案，改善整体刚度。（3）针对电机输出轴连接问题，本发明采用在锥齿轮上再增加轴承和限位套筒的定位连接方案，提高电机输出轴的支撑刚度。

附图说明

图1是本发明所提供的一种电动舵机的结构示意图；

图2是本发明所提供的反馈电位计摆轴与舵机输出轴的柔性连接结构示意图；

图3本发明所提供的舵机刚轮与舵机输出轴一体化的结构示意图；

图4本发明所提供的减小电机输出轴轴向脉动及提高其支撑刚度的结构示意图。

图中：1.电机，2.谐波凸轮，2a.柔轮，3.端盖，4.第一轴承；

5.舵机输出轴，5a.输出刚轮，5b.第一输出轴；

6.电位计输出轴，7.过渡块，8.第一调整垫片，9.第二轴承，10.第二调整垫片，11.输入刚轮，12.壳体，13.反馈电位计，14.角接触轴承，15.第三轴承，16.限位套筒，17.挡圈，18.第一锥齿轮，19.销钉，20.第二锥齿轮，21.电位计压板，22.轴承挡板，23.连接螺钉。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细进行说明。

图1是本发明所提供的一种电动舵机的结构示意图，该舵机包括电机1、谐波凸轮2、柔轮2a、端盖3、第一轴承4、舵机输出轴（输出刚轮）5、电位计输出轴6、过渡块7、第一调整垫片8、第二轴承9、第二调整垫片10、输入刚轮11、壳体12、反馈电位计13、角接触轴承14、第三轴承15、限位套筒16、挡圈17、第一锥齿轮18、销钉19、第二锥齿轮20、电位计压板21、轴承挡板22、连接螺钉23。

图2是反馈电位计13的电位计输出轴6与舵机输出轴5的柔性连接结构示意图。如图2和图1所示，反馈电位计输出轴6通过非金属圆柱形连接块7与舵机输出轴5实现柔性连接。具体实施如下：首先将非金属圆柱形连接块7压入舵机输出轴5的内孔，然后将反馈电位计输出轴6推入非金属圆柱形连接块7（本例采用氟塑料材料）的内孔，在推入过程中采用推力工装，严格控制反馈电位计输出轴6的轴向载荷（本例中轴向载荷小于2N），尺寸上反馈电位计输出轴6端面高于非金属圆柱形连接块端面1mm；并在外侧安装挡圈17。采用非金属连接体，可以显著缓冲负载脉动对反馈电位计13输出轴的影响;过盈配合用于保证连接刚度。为了将电位计输出轴6承受的轴向载荷转化到壳体12承载，电位计压板21将反馈电位计13固定在壳体12内，且电位计压板21与壳体12之间通过螺钉固定连接。

图3是舵机刚轮与舵机输出轴一体化的结构示意图。如图3和图1所示，舵机输出轴5由输出刚轮5a和与负载相适应的第一输出轴5b组成。一般设计是输出刚轮5a和第一输出轴5b之间是两体式结构，连接后定位精度难以保证。本发明的舵机输出轴5的输出刚轮5a和第一输出轴5b采用一体式结构，并且将舵机输出轴5作为谐波凸轮2的支撑基体，舵机输出轴5与谐波凸轮2之间通过两个深沟球轴承9进行定位。舵机输出轴5与第二锥齿轮20的一端之间设有用于承受轴向力的角接触轴承14。深沟球轴承9和角接触轴承14的外侧各设有一个第一调整垫片8。

第二锥齿轮20通过连接螺钉23与谐波凸轮2刚性连接，将第一锥齿轮的转动传递给谐波凸轮2；谐波凸轮2外套有柔轮2a，且两者之间过盈配合。输入刚轮11与壳体12通过螺钉刚性连接，输入刚轮11与柔轮2a啮合，输入刚轮11的齿数与柔轮2a的齿数差两个齿，同时由于输入刚轮11静止不动，因此谐波凸轮2转动一周，柔轮2a相对输入刚轮11转过两个齿，柔轮2a的齿数与输出刚轮5a齿数相同，将转速和力矩传递给舵机输出轴5，带动舵机输出轴5同向转动。此一体化设计在提高刚度的同时，改善了谐波齿轮2的啮合平稳及啮合侧隙分布均匀性，消除了由于不同轴啮合造成的局部齿根应力集中，使电动舵机输出扭矩能力提高了至少20%，同时由于系统刚度的提高，系统频带宽度提高了将近10%。

舵机输出轴5通过两个第一轴承4定位，第一轴承4与舵机输出轴5的轴肩之间设有第二调整垫片10。第一调整垫片8和第二调整垫片10用于方便装配。壳体12和端盖3构成圆柱形腔体，端盖3与壳体12之间通过螺栓固定连接。

图4是减小电机1的输出轴的轴向脉动及提高其支撑刚度的结构示意。如图4和图1所示，第一锥齿轮18套在电机1的输出轴外，第一锥齿轮18嵌套在壳体12内，在第一锥齿轮18与壳体12之间增加第三轴承15，第三轴承15与电机1之间套有限位套筒16，第三轴承15的轴向定位由限位套筒16实现，锥齿轮18与电机1的输出轴采用销钉19实现定位连接，且销钉19垂直于电机1的输出轴的轴线。现有设计中，通常没有第三轴承15，第一锥齿轮18相当于悬臂安装。第一锥齿轮18上增加第三轴承15后，可以显著提高电机1的输出轴的支撑刚度。采用了本发明连接结构后，消除了原有设计中电机1的输出轴难以消除的抖动，提高电机1工作的可靠性。第一锥齿轮18与第二锥齿轮20通过齿轮啮合，第二锥齿轮20通过连接螺钉23与谐波凸轮2刚性连接，将第一锥齿轮的转动传递给谐波凸轮2，谐波凸轮2带动柔轮2a与输出刚轮5a齿轮啮合，将转速和力矩传递给舵机输出轴5，通过调节电机1的转速和力矩，最终实现控制负载按照控制指令摆动的目的。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明所提供的一种电动舵机的工作原理：电机1通过锥齿轮18一级减速和谐波齿轮2的二级减速，将电机1的力矩传递到舵机输出轴5，电位计输出轴6与舵机输出轴5连接，用于位置闭环，实现舵机驱动舵面随照指令运动。电动舵机的工作原理如下：

第一锥齿轮18通过销钉19与电机1的输出轴刚性连接，将电机1的转速和力矩通过齿轮啮合传递给第二锥齿轮20，第二锥齿轮20通过连接螺钉23与谐波凸轮2刚性连接，第二锥齿轮20带动谐波凸轮2转动，谐波凸轮2带动柔轮2a与输入刚轮11和输出刚轮5a进行差动啮合，将转速和力矩传递给输出刚轮5a，由于输出刚轮5a与舵机输出轴5一体化设计，因此通过两次齿轮减速，将电机1的转速和力矩传递给负载，最终通过控制电机1达到使负载按照指令进行摆动。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims

1.一种电动舵机，其特征在于：该舵机包括电机（1）、谐波凸轮（2）、端盖（3）、舵机输出轴（5）、输入刚轮（11）、壳体（12）、反馈电位计（13）、第一锥齿轮（18）、第二锥齿轮（20）；壳体（12）和端盖（3）构成腔体，该腔体内设有舵机输出轴（5），舵机输出轴（5）由输出刚轮（5a）和与负载相适应的第一输出轴（5b）组成，输出刚轮（5a）位于端盖（3）内，第一输出轴（5b）的一端位于壳体（12）内，第一输出轴（5b）的另一端位于端盖（3）内；壳体（12）内还设有谐波凸轮（2）、输入刚轮（11）、反馈电位计（13）、第一锥齿轮（18）、第二锥齿轮（20），第一输出轴（5b）的一端与刚轮（5a）之间套有谐波凸轮（2），谐波凸轮（2）外套有输入刚轮（11），刚轮（5a）外还套有第二锥齿轮（20），第二锥齿轮（20）的侧壁与谐波凸轮（2）的侧壁贴合、且两者之间固定连接；电机（1）输出轴位于壳体（12）内，第一锥齿轮（18）套在电机（1）输出轴外，第二锥齿轮（20）与第一锥齿轮（18）通过齿轮啮合；反馈电位计（13）的电位计输出轴（6）嵌套在第一输出轴（5b）内。

2.根据权利要求1所述的一种电动舵机，其特征在于：所述的反馈电位计输出轴（6）通过非金属连接块（7）与舵机输出轴（5）的第一输出轴（5b）柔性连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种电动舵机，其特征在于：所述的输出刚轮（5a）和第一输出轴（5b）采用一体式结构。

4.根据权利要求3所述的一种电动舵机，其特征在于：所述的第一锥齿轮（18）与壳体（12）之间设有第三轴承（15）。

5.根据权利要求4所述的一种电动舵机，其特征在于：所述的第三轴承（15）与电机（1）之间套有限位套筒（16）。

6.根据权利要求5所述的一种电动舵机，其特征在于：所述的舵机输出轴（5b）与谐波凸轮（2）之间设有深沟球轴承（9），舵机输出轴（5b）与第二锥齿轮（20）之间设有角接触轴承（14）。

7.根据权利要求6所述的一种电动舵机，其特征在于：所述的深沟球轴承（9）和角接触轴承（14）的外侧各设有一个第一调整垫片（8）。