CN103545977A

CN103545977A - 高度集成机电作动器

Info

Publication number: CN103545977A
Application number: CN201310433274.5A
Authority: CN
Inventors: 刘品宽; 吴静; 陈军委; 李玉洁
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-09-22
Filing date: 2013-09-22
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2033-09-22
Also published as: CN103545977B

Abstract

本发明提供了一种高度集成机电作动器，包括：设置在主机架内的直驱电机、滚珠丝杠和LVDT，直驱电机包括电机定子、电机转子和转轴，电机定子、电机转子、转轴依次连接，且电机转子和转轴一体成型制成；滚珠丝杠包括圆螺母和丝杠轴，丝杠轴通过圆螺母与转轴连接；LVDT包括LVDT固定套、LVDT铁芯、LVDT外壳和LVDT延长杆，LVDT外壳设置在丝杠轴内部且通过LVDT固定套连接至左端盖，LVDT延长杆设置在LVDT外壳内且与丝杠轴连接，LVDT铁芯设置在LVDT外壳内与LVDT延长杆连接。本发明具有结构简单、安装方便、体积小，重量轻，承载能力强，运动精度高，传动效率高，抗干扰性能好且成本低廉的优点。

Description

高度集成机电作动器

技术领域

本发明涉及一种机电作动器，具体地，涉及一种体积小、抗干扰性能好、运动精度高的高度集成机电作动器。

背景技术

功率电传作动器有机电作动器和电动静液作动器两种，机电作动器是以电机提供动力，经传动件到执行机构，最终将旋转运动转化成直线往复运动。电动静液作动器则需要液压传动装置的支持，将电机的旋转运动转化为作动筒的直线输出，速度响应和运动精度都较差，且油液易泄露污染环境。

以往的机电作动器的电机和转轴是分开设置的，电机和转轴之间通过齿轮等传动件连接。然而，由于传动件的存在，难以实现高度集成化，往往结构松散，体积庞大，且运动精度的影响因素多，传动效率低。而且大多数机电作动器的滚珠丝杠与转轴的连接方式采用过法兰连接，这种连接方式大大占用了大量空间，使结构更加松散。

同时，现有机电作动器的用于测量丝杠轴作伸缩运动时位移的LVDT（LinearVariable Differential Transformer，线性可变差动变压器）采用平行布局或采用光栅尺代替LVDT。但是，这些方式都是外置式，占用的安装空间较大。另外还有一种方式是将LVDT铁芯固定，而让LVDT外圈随丝杠一起运动，但是由于LVDT的信号线一般由LVDT外圈的一段引出，此时信号线必然会随着LVDT外圈一起运动，为此必须给信号线留出一定的运动空间。在面向高度集成的机电一体化系统设计中，这些布局方式不仅破坏了产品的紧凑性能，而且会使得产品重量尺寸大幅增加，使得产品综合性能下降，尤其在航空航天等对重量有严格要求的情况下更是会极大地增加成本，因此，上述几种方案都不适用。同时在复杂电磁环境下，由于存在不可忽视的信号干扰，为了保证LVDT正常工作，需为传感测量系统设计专门的屏蔽装置。因此，迫切必须要有一种新的LVDT布局方案，不仅使用性能上要满足需求，而且要满足结构紧凑，节省重量，抗干扰性强等要求。

综上所述，现有机电作动器存在体积庞大、结构松散、运动精度低、传动效率低、成本高、抗干扰性能差的缺点。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种结构简单，体积小，结构紧凑、承载能力强、运动精度高、传动效率高、抗干扰性能强的高度集成机电作动器。

根据本发明的一个方面，提供一种高度集成机电作动器，包括：设置在主机架内的直驱电机、滚珠丝杠和LVDT，直驱电机包括电机定子、电机转子和转轴，电机定子、电机转子、转轴依次连接，且电机转子和转轴一体成型制成；滚珠丝杠包括圆螺母和丝杠轴，丝杠轴通过圆螺母与转轴连接；LVDT包括LVDT固定套、LVDT铁芯、LVDT外壳和LVDT延长杆，LVDT外壳设置在丝杠轴内部且通过LVDT固定套连接至左端盖，LVDT延长杆设置在LVDT外壳内且与丝杠轴连接，LVDT铁芯设置在LVDT外壳内与LVDT延长杆连接。

优选地，该作动器还包括一连接键，转轴通过连接键与圆螺母连接。

优选地，该作动器还包括丝杠导向支撑装置，丝杠导向支撑装置连接至丝杠轴末端，并与右端盖螺栓连接。

优选地，该作动器还包括第一屏蔽罩，第一屏蔽罩设置在转轴和丝杠轴之间且一端与左端盖连接。

优选地，该LVDT延长杆末端设置有凸肩，凸肩与丝杠轴内壁接触配合。

优选地，凸肩末端设置有内螺纹，丝杠轴内壁末端设置有螺栓通孔，凸肩末端内螺纹与穿过螺栓通孔的螺栓连接实现LVDT延长杆与丝杠轴连接。

优选地，该LVDT铁芯与LVDT延长杆螺纹连接。

优选地，该作动器还包括旋转变压器，旋转变压器设置在与圆螺母相重叠的转轴轴段上，其包括旋变定子、旋变转子、套筒、若干压块和第二屏蔽罩，旋变定子和旋变转子设置在套筒内，且旋变定子与主机架过盈配合连接，旋变转子与旋变定子过盈配合连接；第二屏蔽罩与套筒连接，压块与套筒连接。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明将电机转子和转轴设计为一体，且设计转轴与圆螺母通过连接键连接，实现了转轴与滚珠丝杠直接连接，省去了传动件，大大缩小了体积和重量，且提高了运动精度和传动效率。并且，本发明通过设置LVDT延长杆将LVDT设置在作动器内部，充分利用转轴和丝杠轴的孔壁空间，实现LVDT内置，进一步缩小了作动器体积，同时，本发明还设计第一屏蔽罩确保LVDT弱电信号的准确性，实现对丝杠轴伸缩位移的精准测量，测量精度高。综上所述，本发明实现了直驱电机与滚珠丝杠的紧密布局以及与旋转变压器的密切结合，与现有技术相比，具有结构简单、安装方便、体积小，重量轻，承载能力强，运动精度高，传动效率高，抗干扰性能好且成本低廉的优点，广泛应用于航空、航天、船舶和机器人等具有较高要求的领域和复杂环境中。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明高度集成机电作动器的结构示意图；

图中：1为左端盖，2为角接触球轴承，3为主机架，4为电机定子，5为电机转子，6为转轴，7为圆螺母，8为连接键，9为丝杠轴，10为螺栓，11为右端盖，12为丝杠导向支撑装置，13为压块，14为套筒，15为旋变转子，16为旋变定子，17为第二屏蔽罩，18为LVDT延长杆，19为LVDT外壳，20为LVDT铁芯，21为第一屏蔽罩，22为LVDT固定套。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

请参阅图1，一种高度集成机电作动器，包括：设置在主机架（3）内的直驱电机、滚珠丝杠、LVDT和旋转变压器。直驱电机包括电机定子（4）、电机转子（5）和转轴（6）。滚珠丝杠包括圆螺母（7）和丝杠轴（9）。LVDT可以包括LVDT外壳（19）、LVDT铁芯（20）、LVDT延长杆和LVDT固定套。旋转变压器包括旋变定子（16）和旋变转子（15）。

电机定子通过过盈配合与主机架（3）固定，电机转子（5）与转轴（6）为一体成型制成。电机运转时，转轴（6）通过连接键（8）连接带动圆螺母（7）转动，又通过滚珠丝杠副将运动传递至丝杠轴（9），使其作伸缩运动。在丝杠轴的右端，有丝杠导向支撑装置（12），丝杠导向支撑装置（12）通过螺栓固定在右端盖（11），通过与丝杠轴（9）贴合的两个相互平行的平面及圆柱面起到了限制丝杠轴（9）转动以及支撑的作用。LVDT延长杆（18）一端与LVDT铁芯（20）通过螺纹连接在一起，另一端通过螺栓（10）与丝杠轴（9）连接在一起，LVDT延长杆（18）末端设置有一段凸肩，凸肩与丝杠轴（9）内壁接触连接，形成轴孔配合，起到支撑和定位的作用，保证LVDT铁芯（20）随丝杠轴（9）沿统一条轴线做伸缩运动，保障了LVDT铁芯（20）与丝杠轴（9）的同轴度。由此丝杠轴（9）带动LVDT铁芯（20）作轴向伸缩运动。LVDT外壳（19）则由LVDT固定套（22）通过螺栓连接固定在机架左端盖（1）。与此同时，一个圆筒状的第一屏蔽罩（21）固定在左端盖（1）上，并环绕在整个LVDT的外围提供电磁防护，保证了LVDT弱电信号的准确性。旋转变压器安装在与圆螺母（7）重叠的轴段上。旋变转子（15）与转轴（6）过盈配合，通过轴肩进行轴向定位。旋变定子（16）与主机架（3）过盈配合，并由四个压块（13）通过套筒（14）进行轴向定位。在电机定子（4）和旋转变压器（15、16）之间还有第二屏蔽罩（17）进行电磁隔离与信号保护。转轴（6）由面对面方式布置的一对角接触球轴承（2）支撑。

如图1所示，在本实例中，LVDT延长杆凸肩末端设置有内螺纹，丝杆轴（9）上加工有一段通孔，螺栓（10）穿过通孔，LVDT延长杆凸肩通过内螺纹和螺栓（10）连接至丝杆轴（9），实现LVDT延长杆（18）和丝杆轴（9）连接，其他零件按顺序安装即可，安装方便。

但是，在本实例中，需要说明的是，本发明实现LVDT延长杆（18）和丝杆轴（9）连接的方式并不局限于此。现有技术中任何能够实现将LVDT延长杆（18）与丝杆轴（9）连接的方式均应落在本发明的保护范围内。

本发明是一种高度集成的机电作动器，直驱电机转轴通过键连接带动滚珠丝杠的圆螺母，进而驱动丝杠作轴向伸缩，承受负载。转轴的另一轴段则安装有旋转变压器，可以测量角位移和角速度。在转轴和丝杠轴内部安装有LVDT测量丝杠轴作伸缩运动时的位移。转轴由两个角接触球轴承采用面对面方式支撑，可以同时承受轴向和径向负载。在丝杠的右端有导向和密封装置，可以限制丝杠转动，并进行密封。以下详细说明本发明的具体工作过程及原理：

电机工作时，转子通过键连接带动螺母的旋转，丝杠则在导向装置的限制下带动负载沿着螺母的旋转中心轴作直线伸缩运动，与此同时，旋转变压器和LVDT分别随转轴和丝杠轴作旋转运动与直线运动，实现对转轴角位移与丝杠轴直线位移的测量与反馈，通过控制系统实现对机电作动器的反馈控制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种高度集成机电作动器，包括：设置在主机架内的直驱电机、滚珠丝杠和LVDT，直驱电机包括电机定子、电机转子和转轴，其特征在于，所述电机定子、电机转子、转轴依次连接，且所述电机转子和转轴一体成型制成；所述滚珠丝杠包括圆螺母和丝杠轴，所述丝杠轴通过所述圆螺母与所述转轴连接；所述LVDT包括LVDT固定套、LVDT铁芯、LVDT外壳和LVDT延长杆，所述LVDT外壳设置在所述丝杠轴内部且通过所述LVDT固定套连接至左端盖，所述LVDT延长杆设置在所述LVDT外壳内且与所述丝杠轴连接，所述LVDT铁芯设置在所述LVDT外壳内与所述LVDT延长杆连接。

2.根据权利要求1所述的高度集成机电作动器，其特征在于，还包括一连接键，所述转轴通过所述连接键与所述圆螺母连接。

3.根据权利要求1所述的高度集成机电作动器，其特征在于，还包括丝杠导向支撑装置，所述丝杠导向支撑装置连接至所述丝杠轴末端，并与右端盖螺栓连接。

4.根据权利要求1所述的高度集成机电作动器，其特征在于，还包括第一屏蔽罩，所述第一屏蔽罩设置在所述转轴和丝杠轴之间且一端与所述左端盖连接。

5.根据权利要求1所述的高度集成机电作动器，其特征在于，所述LVDT延长杆末端设置有凸肩，所述凸肩与所述丝杠轴内壁留有配合间隙。

6.根据权利要求5所述的高度集成机电作动器，其特征在于，所述凸肩末端设置有内螺纹，所述丝杠轴内壁末端设置有螺栓通孔，所述凸肩末端内螺纹与穿过螺栓通孔的螺栓连接实现LVDT延长杆与丝杠轴连接。

7.根据权利要求1所述的高度集成机电作动器，其特征在于，所述所述LVDT铁芯与所述LVDT延长杆螺纹连接。

8.根据权利要求1所述的高度集成机电作动器，其特征在于，还包括旋转变压器，所述旋转变压器设置在与所述圆螺母相重叠的转轴轴段上，其包括旋转定子、旋转变子、套筒、若干压块和第二屏蔽罩，所述旋转定子和旋转变子设置在所述套筒内，且所述旋转定子与主机架过盈配合连接，所述旋转变子与所述旋转定子过盈配合连接；所述第二屏蔽罩与所述套筒连接，所述压块与所述套筒连接。