CN104455272A - 一种单电机驱动的双自由度顺序运动装置及传动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种单电机驱动的双自由度顺序运动装置及传动方法，其中装置包括驱动齿轮、进给传动齿轮、回转齿轮、一级丝杠、一级丝杠回转限位套、一级丝杠轴向锁定簧片、柔性轴、二级丝母、二级丝杠等。本发明利用机构控制两级丝杠传动副顺序运动，实现了在一台电机驱动的情况下顺序完成三种运动模式，并通过丝杠传动副启动力矩设计、传动链自由度设计、一级丝杠传动副到位锁定设计，实现了三种运动顺序执行的高可靠性。与现有技术相比，本发明具有质量轻、控制简单、联动精度高、可靠性高的技术优势。
Description
技术领域
本发明属于机构传动技术领域，涉及一种单电机驱动的双自由度顺序运动装置及传动方法，应用于我国某航天工程中实现地外天体土壤样品回收的样品回收机构。
背景技术
某航天工程下属样品回收机构的功能是顺序完成地外天体样品的提芯、整形、分离传送三种功能，这三种功能要求机构部分对应实现的三种输出运动形式分别如附图2所示。附图2中运动执行装置有两个，分别是导向装置9、样品容器21，样品容器21通过回转运动缠绕提芯绳和样品，导向装置9控制提芯绳和样品进入样品容器21的轴向位置。
提芯功能对应的机构运动模式如附图2a，样品容器21作顺时针回转运动，导向装置9不进给；整形功能对应的机构运动模式如附图2b，样品容器21作顺时针回转运动，导向装置9沿样品容器轴线向下运动，两者联动实现螺旋复合运动；分离传送功能对应的机构运动模式如附图2c，样品容器21作逆时针回转运动，导向装置9沿样品容器轴线向上运动。
如何在样品回收机构上节约的、高可靠的顺序实现三种运动模式是一个机构设计难题。按照常规设计思路，一般采用两台电机分别驱动导向装置进给运动、样品容器回转运动，并通过控制器控制两台电机联动、分时工作来实现上述三种运动模式。但该航天工程的质量、能量、遥控参数等的约束极其严格，常规方案，质量大，控制复杂且控制参数多、联动精度难以保证、可靠性低，难以满足工程要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种单电机驱动的双自由度顺序运动装置及传动方法，利用机构控制两级丝杠传动副顺序运动，实现了在一台电机驱动下高可靠地顺序执行样品回收机构的三种运动模式。
本发明的技术方案是：一种单电机驱动的双自由度顺序运动装置，包括驱动齿轮、机构壳体、机架、进给传动齿轮、进给传动齿轮支撑轴承、柔性轴、二级丝杠固定端支撑轴承、二级丝母锁紧螺母、导向装置、二级丝母、二级丝杠、二级丝杠游动端支撑轴承、一级丝杠回转限位套、一级丝杠、一级丝杠轴向锁定簧片、回转齿轮、回转齿轮支撑轴承、第一滑键结构、第二滑键结构、第三滑键结构和电机；
所述机架在与二级丝杠轴线平行方向挖有一滑槽；进给传动齿轮外表面为齿轮轴结构，中间空心并刻有传动内螺纹结构；柔性轴的一端为连接法兰，中间部位为第一滑键结构，柔性轴的另一端为一级丝杠轴向锁定簧片的安装接口；导向装置为中空管道结构，其外表面的一侧固定安装有第二滑键结构；一级丝杠上部外表面为圆柱面，沿轴线方向在圆柱面的两侧对称分布两个第三滑键结构，下部外表面为传动外螺纹结构，中心为轴向贯通的滑槽结构，中心滑槽结构的上端面挖有轴向位置锁定槽；一级丝杠轴向锁定簧片为具有夹角的对称双片簧结构；
所述的一种单电机驱动的双自由度顺序运动装置包括进给、回转两条传动链，两条传动链均由电机带动驱动齿轮驱动；进给传动链由一级齿轮传动、两级丝杠传动构成，其中驱动齿轮和进给传动齿轮构成驱动外啮合齿轮副，一级丝杠与进给传动齿轮构成第一级丝杠传动副，二级丝母、二级丝杠构成第二级丝杠传动副，进给传动齿轮、第一级丝杠传动副、第二级丝杠传动副、一级丝杠回转限位套同轴安装；回转传动链只有一级齿轮传动，即驱动齿轮和回转齿轮构成的外啮合齿轮副；机构壳体和机架固定连接，进给传动齿轮通过进给传动齿轮支撑轴承安装在机构壳体上，回转齿轮通过回转齿轮支撑轴承安装在机构壳体上；二级丝杠通过二级丝杠固定端支撑轴承安装在机构壳体上，还通过二级丝杠游动端支撑轴承安装在机架上；导向装置与二级丝母固定连接，导向装置上的第二滑键结构与机架上的滑槽配合构成滑动副；一级丝杠下部的传动外螺纹结构与进给传动齿轮中心的传动内螺纹结构啮合并构成第一级丝杠传动副，一级丝杠上部的圆柱面及第三滑键结构与一级丝杠回转限位套配合并构成轴向滑动副；一级丝杠轴向锁定簧片固定在柔性轴上，两个簧片关于柔性轴轴线对称，并指向柔性轴连接法兰方向；柔性轴通过连接法兰，同轴安装在二级丝杠的轴端，其上的第一滑键结构与一级丝杠中心的滑槽配合并构成轴向滑动副同时约束周向转动自由度；一级丝杠轴向锁定簧片沿径向预压缩，并与一级丝杠中心的滑槽配合并构成轴向滑动副；二级丝母锁紧螺母安装在二级丝杠上，初始状态时与二级丝母构成双螺母锁紧结构。
一种采用上述单电机驱动的双自由度顺序运动装置进行传动的方法，步骤如下：
1)开始工作前，将一级丝杠轴向锁定簧片进行径向预压缩，解除锁定状态；将一级丝杠的位置运动到行程的最上端；将二级丝母的位置运动到行程的最上端，并利用二级丝母锁紧螺母施加力矩锁定二级丝母的初始位置；
2)电机按照预设旋转方向同步驱动进给、回转两条传动链从初始状态开始运行；驱动齿轮同步驱动进给传动齿轮、回转齿轮旋转运动；一级丝杠在进给传动齿轮中心传动螺纹的回转驱动及一级丝杠回转限位套的转动约束作用下，沿轴线向下平动；二级丝杠不转动，二级丝母和导向装置不运动；
3)电机按照预设旋转方向继续驱动机构运行，当一级丝杠运行到行程最下端时，在二级丝母与二级丝母锁紧螺母锁紧力矩、第二级丝杠传动副启动力矩共同作用下，一级丝杠与进给传动齿轮在端面处旋合锁紧，同时第二级丝杠传动副运动解锁；一级丝杠运行到行程最下端的前一时刻，一级丝杠与一级丝杠回转限位套发生轴向分离，一级丝杠解除周向旋转约束，恢复转动自由度；一级丝杠运行到行程最下端位置时刻，一级丝杠轴向锁定簧片沿轴向滑出一级丝杠中心滑槽上端面，一级丝杠轴向锁定簧片释放预压缩变形，进入轴向位置锁定槽，一级丝杠实现轴向运动上行限位，从而一级丝杠与进给传动齿轮完全锁定；
4)第一级丝杠传动副锁定后，电机继续按照预设旋转方向驱动两条传动链运动；驱动齿轮同步驱动进给传动齿轮和一级丝杠的锁定组合体、回转齿轮旋转运动；一级丝杠的旋转运动通过具有周向转动自由度约束功能的轴向滑动副传递给柔性轴及二级丝杠；二级丝杠旋转并驱动二级丝母和导向装置向下进给运动；
5)第二级丝杠传动副行程到位后，电机按照预设旋转反方向驱动两条传动链运动；驱动齿轮同步驱动进给传动齿轮和一级丝杠的锁定组合体、回转齿轮旋转运动；一级丝杠的旋转运动通过具有周向转动自由度约束功能的轴向滑动副传递给柔性轴及二级丝杠；二级丝杠旋转并驱动二级丝母和导向装置向上进给运动。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、质量轻：本发明利用机构控制两级丝杠传动副顺序运动，实现了在一台电机驱动下高可靠地顺序执行样品回收机构的三种运动模式。与常规的双电机设计相比，节省了一个驱动电机及相应的驱动控制电路，整体质量大为减轻。
2、控制简单：本发明将样品回收机构的提芯、整形尺寸链参数直接集成进两级丝杠传动副的行程参数中，工作过程中控制器无需控制提芯、整形尺寸链参数，节省了参数测量传感器。与常规的双电机设计相比，减少了一台电机的控制，并简化了控制策略。
3、运动精度高：回转、进给联动工作模式中，本发明通过机构控制两者联动，联动运动精度高。常规的双电机设计的联动精度则取决于控制器的联动控制精度，而在轨控制器没有足够资源来进行高精度的伺服驱动控制。因此与常规的双电机设计相比，本发明更容易实现联动运动的高精度。
4、可靠性高：由于控制电路及控制策略的大幅度简化，与常规的双电机设计相比，本发明控制部分的可靠性得到大幅提高。机械部分，本发明利用运动约束、位置限位、力矩的控制与传递的设计，控制两级丝杠传动副高可靠的切换运动模式，实现三种运动顺序执行机械部分的高可靠性。
附图说明
图1为本发明一种单电机驱动的双自由度顺序运动装置的组成示意图；
图2a为样品回收机构三种运动模式中的单回转运动输出模式；
图2b为样品回收机构三种运动模式中的正向回转、进给联动输出模式；
图2c为样品回收机构三种运动模式中的逆向回转、进给联动输出模式；
图3为本发明单回转运动输出模式的工作示意图；
图4为本发明一级丝杠传动副到位锁定状态示意图；
图5为本发明正向回转、进给联动输出模式的工作示意图；
图6为本发明逆向回转、进给联动输出模式的工作示意图。
具体实施方式
一种单电机驱动的双自由度顺序运动装置如附图1所示，由驱动齿轮1、机构壳体2、机架3、进给传动齿轮4、进给传动齿轮支撑轴承5、柔性轴6、二级丝杠固定端支撑轴承7、二级丝母锁紧螺母8、导向装置9、二级丝母10、二级丝杠11、二级丝杠游动端支撑轴承12、一级丝杠回转限位套13、一级丝杠14、一级丝杠轴向锁定簧片15、回转齿轮16、回转齿轮支撑轴承17、第一滑键结构18、第二滑键结构19、第三滑键结构20和电机构成，各个零部件的几何形状见附图1所示。一种单电机驱动的双自由度顺序运动装置具有进给、回转两条传动链，两条传动链由同一电机同步驱动，输出两路运动，回转传动链输出转动，进给传动链输出进给运动。进给传动链具有时序控制功能，控制机构按时序参数，顺序输出单回转运动、正向回转进给联动。
回转传动链如附图1所示，为一级常规的外啮合齿轮传动副，由驱动齿轮1和回转齿轮16构成。
进给传动链如附图1所示，由一级齿轮传动、两级丝杠传动构成，齿轮传动、二级丝杠传动主功能是传递运动和动力，一级丝杠传动的主功能是运动控制，即控制齿轮副处的运动和动力传递到二级丝杠副处的时机。齿轮传动为常规外啮合齿轮传动副，由驱动齿轮1和进给传动齿轮4构成。一级丝杠传动由第一级丝杠传动副和一个具有周向限位功能的轴向滑动副组成；第一级丝杠传动副的功能是运动控制，控制参数为丝杠的行程长度，第一级丝杠传动副由进给传动齿轮4和一级丝杠14构成；具有周向限位功能的轴向滑动副的功能是支撑并约束一级丝杠14的周向转动，保证第一级丝杠传动副运动的正确性，该滑动副由一级丝杠回转限位套13和一级丝杠14构成。二级丝杠传动由第二级丝杠传动副和一个轴向滑动副构成；第二级丝杠传动副的功能是传动运动和动力，由二级丝母10、二级丝杠11构成；轴向滑动副的功能是限制二级丝母10、导向装置9的转动自由度，保证二级丝母10、导向装置9输出进给运动，该轴向滑动副由机架3和安装在导向装置9上的第二滑键结构19构成。在第一级、第二级丝杠传动副之间通过一个具有周向限位功能的轴向滑动副实现连接，周向限位功能实现一级丝杠14到柔性轴6的回转运动传递，该滑动副由柔性轴6上的第一滑键结构18和一级丝杠14构成。
一种单电机驱动的双自由度顺序运动装置的工作过程可按时序分为：初始状态恢复，单回转运动输出，第一级丝杠传动副的锁定，正向回转、进给联动输出，逆向回转、进给联动输出。其中单回转运动输出和正向回转、进给联动输出工作模式的切换由机构控制实现，正向回转、进给联动输出和逆向回转、进给联动输出工作模式的切换由电机改变旋转方向实现。
1)初始状态恢复：初始状态如附图1所示。状态恢复包括三方面的操作，利用工装将一级丝杠轴向锁定簧片15进行径向预压缩，解除锁定状态；将一级丝杠14的位置运动到行程的最上端；将二级丝母10的位置运动到行程的最上端，并利用二级丝母锁紧螺母8施加力矩锁定二级丝母10的初始位置。
2)单回转运动输出：工作状态如附图3所示，电机按照预设旋转方向同步驱动进给、回转两条传动链从初始状态开始运行；驱动齿轮1同步驱动进给传动齿轮4、回转齿轮16旋转运动；一级丝杠14在进给传动齿轮4中心传动螺纹的回转驱动及一级丝杠回转限位套13的转动约束作用下，沿轴线向下平动；一级丝杠14与柔性轴6、一级丝杠轴向锁定簧片15间存在轴向滑动副，因此不会将运动传递到二级丝杠副；二级丝杠11不转动，二级丝母10和导向装置9不运动；
3)第一级丝杠传动副的锁定：如附图4所示，电机按照预设旋转方向继续驱动机构运行，当一级丝杠14运行到行程最下端时，在二级丝母10与二级丝母锁紧螺母8锁紧力矩、第二级丝杠传动副启动力矩共同作用下，一级丝杠14与进给传动齿轮4在端面处旋合锁紧，同时二级丝杠副运动解锁；一级丝杠14运行到行程最下端的前一时刻，一级丝杠14与一级丝杠回转限位套13发生轴向分离，一级丝杠14解除周向旋转约束，恢复转动自由度；一级丝杠14运行到行程最下端位置时刻，一级丝杠轴向锁定簧片15沿轴向滑出一级丝杠14中心滑槽上端面，一级丝杠轴向锁定簧片15释放预压缩变形，进入轴向位置锁定槽，一级丝杠14实现轴向运动上行限位，从而一级丝杠14与进给传动齿轮4完全锁定；
4)正向回转、进给联动输出：工作状态如附图5所示，一级丝杠传动副锁定后，电机继续按照预设旋转方向驱动两条传动链运动；驱动齿轮1同步驱动进给传动齿轮4和一级丝杠14的锁定组合体、回转齿轮16旋转运动；一级丝杠14的旋转运动通过具有周向转动自由度约束功能的轴向滑动副传递给柔性轴6及二级丝杠11；二级丝杠11旋转运动并驱动二级丝母10和导向装置9向下进给运动；
5)逆向回转、进给联动输出：工作状态如附图6所示，二级丝杠传动副行程到位后，电机按照预设旋转反方向驱动两条传动链运动；驱动齿轮1同步驱动进给传动齿轮4和一级丝杠14的锁定组合体、回转齿轮16旋转运动；一级丝杠14的旋转运动通过具有周向转动自由度约束功能的轴向滑动副传递给柔性轴6及二级丝杠11；二级丝杠11旋转运动并驱动二级丝母10和导向装置9向上进给运动。
一种单电机驱动的双自由度顺序运动装置进给传动链的两级丝杠传动，在无边界约束的情况下存在启动顺序混乱的风险，为了确保两级丝杠高可靠地按照设计时序启动工作，本发明采取如下三方面的设计保证措施。
1、丝杠传动副的启动力矩控制：第一级丝杠传动副为小导程传动螺旋副，空载启动阻力矩为R1；第二级丝杠传动副为大导程传动螺旋副，空载启动阻力矩为R2，则在空载状态下有R1<R2；初始状态，第二级丝杠传动副通过二级丝母锁紧螺母8施加了一定的锁紧力矩R3在二级丝母10上，这一锁紧力矩是第二级丝杠传动副启动力矩的组成部分，从而保证第二级丝杠传动副的启动力矩远大于第一级丝杠传动副的启动力矩，即R1<<R2+R3。通过启动力矩的控制，可保证正常情况下第一级丝杠传动副先行启动并运行到达行程终点后，再启动第二级丝杠传动副工作。
2、第一级丝杠传动副的运动自由度控制：由附图1可知，工作过程中在没有一级丝杠回转限位套13的情况下，一级丝杠14具有轴向平动、周向回转两个运动自由度。在第一级丝杠传动副摩擦力矩异常或第二级丝杠传动副启动力矩失控的情况下，多出的自由度可能会导致两级丝杠传动副启动顺序混乱，为了避免该风险，设计了一级丝杠回转限位套13对一级丝杠14进行周向转动限位，从而一级丝杠14只有一个沿轴向的平动自由度，确保两级丝杠副运动时序的正确性。
3、第一级丝杠传动副的到位锁定：第一级丝杠传动副的轴向锁定设计如附图4所示，行程到位后，一级丝杠14与进给传动齿轮4上的传动螺纹旋合拧紧，实现下限位；一级丝杠14运行到行程最下端位置时刻，一级丝杠轴向锁定簧片15沿轴向滑出一级丝杠14中心滑槽上端面，一级丝杠轴向锁定簧片15释放预压缩变形，进入轴向位置锁定槽，实现上限位；双向限位保证一级丝杠14与进给传动齿轮4在后续工作阶段完全锁定成一体，不会出现误动作。
通过上述三方面的可靠性设计，可有效保证本发明高可靠地顺序完成三种设计运动模式。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (2)
1.一种单电机驱动的双自由度顺序运动装置，其特征在于：包括驱动齿轮(1)、机构壳体(2)、机架(3)、进给传动齿轮(4)、进给传动齿轮支撑轴承(5)、柔性轴(6)、二级丝杠固定端支撑轴承(7)、二级丝母锁紧螺母(8)、导向装置(9)、二级丝母(10)、二级丝杠(11)、二级丝杠游动端支撑轴承(12)、一级丝杠回转限位套(13)、一级丝杠(14)、一级丝杠轴向锁定簧片(15)、回转齿轮(16)、回转齿轮支撑轴承(17)、第一滑键结构(18)、第二滑键结构(19)、第三滑键结构(20)和电机；
所述机架(3)在与二级丝杠(11)轴线平行方向挖有一滑槽；进给传动齿轮(4)外表面为齿轮轴结构，中间空心并刻有传动内螺纹结构；柔性轴(6)的一端为连接法兰，中间部位为第一滑键结构(18)，柔性轴(6)的另一端为一级丝杠轴向锁定簧片(15)的安装接口；导向装置(9)为中空管道结构，其外表面的一侧固定安装有第二滑键结构(19)；一级丝杠(14)上部外表面为圆柱面，沿轴线方向在圆柱面的两侧对称分布两个第三滑键结构(20)，下部外表面为传动外螺纹结构，中心为轴向贯通的滑槽结构，中心滑槽结构的上端面挖有轴向位置锁定槽；一级丝杠轴向锁定簧片(15)为具有夹角的对称双片簧结构；
所述的一种单电机驱动的双自由度顺序运动装置包括进给、回转两条传动链，两条传动链均由电机带动驱动齿轮(1)驱动；进给传动链由一级齿轮传动、两级丝杠传动构成，其中驱动齿轮(1)和进给传动齿轮(4)构成驱动外啮合齿轮副，一级丝杠(14)与进给传动齿轮(4)构成第一级丝杠传动副，二级丝母(10)、二级丝杠(11)构成第二级丝杠传动副，进给传动齿轮(4)、第一级丝杠传动副、第二级丝杠传动副、一级丝杠回转限位套(13)同轴安装；回转传动链只有一级齿轮传动，即驱动齿轮(1)和回转齿轮(16)构成的外啮合齿轮副；机构壳体(2)和机架(3)固定连接，进给传动齿轮(4)通过进给传动齿轮支撑轴承(5)安装在机构壳体(2)上，回转齿轮(16)通过回转齿轮支撑轴承(17)安装在机构壳体(2)上；二级丝杠(11)通过二级丝杠固定端支撑轴承(7)安装在机构壳体(2)上，还通过二级丝杠游动端支撑轴承(12)安装在机架(3)上；导向装置(9)与二级丝母(10)固定连接，导向装置(9)上的第二滑键结构(19)与机架(3)上的滑槽配合构成滑动副；一级丝杠(14)下部的传动外螺纹结构与进给传动齿轮(4)中心的传动内螺纹结构啮合并构成第一级丝杠传动副，一级丝杠(14)上部的圆柱面及第三滑键结构(20)与一级丝杠回转限位套(13)配合并构成轴向滑动副；一级丝杠轴向锁定簧片(15)固定在柔性轴(6)上，两个簧片关于柔性轴(6)轴线对称，并指向柔性轴(6)连接法兰方向；柔性轴(6)通过连接法兰，同轴安装在二级丝杠(11)的轴端，其上的第一滑键结构(18)与一级丝杠(14)中心的滑槽配合并构成轴向滑动副同时约束周向转动自由度；一级丝杠轴向锁定簧片(15)沿径向预压缩，并与一级丝杠(14)中心的滑槽配合并构成轴向滑动副；二级丝母锁紧螺母(8)安装在二级丝杠(11)上，初始状态时与二级丝母(10)构成双螺母锁紧结构。
2.一种采用权利要求1所述的单电机驱动的双自由度顺序运动装置进行传动的方法，其特征在于步骤如下：
1)开始工作前，将一级丝杠轴向锁定簧片(15)进行径向预压缩，解除锁定状态；将一级丝杠(14)的位置运动到行程的最上端；将二级丝母(10)的位置运动到行程的最上端，并利用二级丝母锁紧螺母(8)施加力矩锁定二级丝母(10)的初始位置；
2)电机按照预设旋转方向同步驱动进给、回转两条传动链从初始状态开始运行；驱动齿轮(1)同步驱动进给传动齿轮(4)、回转齿轮(16)旋转运动；一级丝杠(14)在进给传动齿轮(4)中心传动螺纹的回转驱动及一级丝杠回转限位套(13)的转动约束作用下，沿轴线向下平动；二级丝杠(11)不转动，二级丝母(10)和导向装置(9)不运动；
3)电机按照预设旋转方向继续驱动机构运行，当一级丝杠(14)运行到行程最下端时，在二级丝母(10)与二级丝母锁紧螺母(8)锁紧力矩、第二级丝杠传动副启动力矩共同作用下，一级丝杠(14)与进给传动齿轮(4)在端面处旋合锁紧，同时第二级丝杠传动副运动解锁；一级丝杠(14)运行到行程最下端的前一时刻，一级丝杠(14)与一级丝杠回转限位套(13)发生轴向分离，一级丝杠(14)解除周向旋转约束，恢复转动自由度；一级丝杠(14)运行到行程最下端位置时刻，一级丝杠轴向锁定簧片(15)沿轴向滑出一级丝杠(14)中心滑槽上端面，一级丝杠轴向锁定簧片(15)释放预压缩变形，进入轴向位置锁定槽，一级丝杠(14)实现轴向运动上行限位，从而一级丝杠(14)与进给传动齿轮(4)完全锁定；
4)第一级丝杠传动副锁定后，电机继续按照预设旋转方向驱动两条传动链运动；驱动齿轮(1)同步驱动进给传动齿轮(4)和一级丝杠(14)的锁定组合体、回转齿轮(16)旋转运动；一级丝杠(14)的旋转运动通过具有周向转动自由度约束功能的轴向滑动副传递给柔性轴(6)及二级丝杠(11)；二级丝杠(11)旋转并驱动二级丝母(10)和导向装置(9)向下进给运动；
5)第二级丝杠传动副行程到位后，电机按照预设旋转反方向驱动两条传动链运动；驱动齿轮(1)同步驱动进给传动齿轮(4)和一级丝杠(14)的锁定组合体、回转齿轮(16)旋转运动；一级丝杠(14)的旋转运动通过具有周向转动自由度约束功能的轴向滑动副传递给柔性轴(6)及二级丝杠(11)；二级丝杠(11)旋转并驱动二级丝母(10)和导向装置(9)向上进给运动。
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