CN106067707B - 一种直线式机电伺服机构及装配方法 - Google Patents

一种直线式机电伺服机构及装配方法 Download PDF

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Abstract

一种新型直线式机电伺服机构及装配方法，机构中每个固定架(6)上设置四个安装孔，其中一个安装孔上固定安装直线电机(1)的定子轴(1‑1)，另外两个安装孔固定安装滑轨(2)，两个滑轨(2)相对定子轴(1‑1)对称安装，直线电机动子(1‑2)穿过定子轴(1‑1)，变质心质量块(4)中心设置通孔，通过安装在通孔内的碳膜润滑直线轴承(3)安装在滑轨(2)上，变质心质量块(4)与直线电机动子(1‑2)固定连接；固定架(6)上的第四个安装孔固定安装磁致伸缩位移传感器(13)的安装轴(13‑1)，磁致伸缩位移传感器(13)的磁环(13‑2)通过一个安装法兰(14)固定在变质心质量块(4)上。

Description

一种直线式机电伺服机构及装配方法
技术领域
本发明涉及机电伺服领域，具体涉及直线式机电伺服机构。
背景技术
伺服系统作为飞行器飞行控制系统的主体，驱动喷管或舵面偏转，调整飞行器发动机推力方向，使飞行器按照指令要求稳定飞行，它的动态响应速度、精度和可靠性直接影响着飞行器飞行过程的动态品质。
传统的伺服系统有气压伺服系统、液压伺服系统、旋转电机+传动机构的电动伺服系统。气压伺服系统工作压力低、出力小、稳定性差、定位精度低；液压伺服系统维护难度大、系统结构复杂、重量大、成本高、实现技术难度大；旋转电机+传动机构的电动伺服系统，动态特性差、位置控制精度低。而采用直线电机的直接驱动电动伺服系统，取消了中间传动环节，磨损小、维护简单、可靠性高；消除了弹性误差积累，系统的精度高；系统的动态响应性能大大提高。
目前，有外定子内动子结构形式的直线电机直接驱动喷管或舵面，但直线电机的端部效应和力矩波动问题成为限制该结构形式应用的瓶颈，直线电机直接驱动的优势无法体现。
发明内容
本发明的技术解决问题是：提供一种直线电机直接驱动式电动执行机构，通过动子与变质心质量块一体化设计、碳膜润滑直线轴承+滑轨的固定形式，解决了传统的直线电机伺服机构端部效应和力矩波动问题，同时，满足复杂的变负载和动态工况。
本发明的技术解决方案是：一种新型直线式机电伺服机构，包括直线电机、滑轨、碳膜润滑直线轴承、变质心质量块、磁致伸缩位移传感器、两个结构相同的固定架；
每个固定架上设置四个安装孔，其中一个安装孔上固定安装直线电机的定子轴，另外两个安装孔固定安装滑轨，两个滑轨相对定子轴对称安装，直线电机动子穿过定子轴，变质心质量块中心设置通孔，通过安装在通孔内的碳膜润滑直线轴承安装在滑轨上，变质心质量块与直线电机动子固定连接；固定架上的第四个安装孔固定安装磁致伸缩位移传感器的安装轴，磁致伸缩位移传感器的磁环通过一个安装法兰固定在变质心质量块上。
所述的直线电机定子轴与直线电机动子之间的气隙确定步骤如下：
第一步，根据空间尺寸及直线电机行程，确定直线电机动子的长度；
第二步，根据直线电机的推力要求，确定满足推力的直线电机动子和定子的最小气隙δ1；
第三步，根据直线电机工作过程中承受的冲击力，滑轨外径，变质心质量块的质量，利用仿真分析确定直线电机动子的变形量，依此确定直线电机动子与定子不干涉的气隙δ2；
第四步，选取δ1和δ2中的最大值作为直线电机动子与定子的气隙。
还包括转接头、防撞块固紧法兰盘、转接板、防撞块、定子轴锁紧螺母、滑轨锁紧螺母；直线电机定子轴与固定板采用定子轴锁紧螺母固定，滑轨与转接头过盈配合连接，防撞块与滑轨间隙配合，套入滑轨，转接板装入防撞块的U型槽内，通过固定孔与防撞块固紧法兰盘的固定孔固定连接，防撞块固紧法兰盘通过固定孔与固定板固定连接。
在固定架上安装电缆链轨架，直线电机的三相动力线和位置信号线放入电缆链轨架上。
直线电机的定子轴表面为N、S极交替排列的永磁体，直线电机动子内嵌有空间相差120度的绕组。
一种新型直线式机电伺服机构装配方法，步骤如下：
第一步，将一个固定架固定，装入两个滑轨和直线电机定子轴，用滑轨锁紧螺母锁紧滑轨，用定子轴锁紧螺母锁紧定子轴；
第二步，将碳膜润滑直线轴承装入变质心质量块，然后将变质心质量块安装在在滑轨上；
第三步，将工装固定于可以直线移动的导轨上，工装的两个方形孔的中心与固定架上的滑轨安装中心孔的中心对齐；
第四步，将法兰盘通过四个通孔固定于直线电机壳体上，然后将法兰盘通过四个螺纹孔固定于工装上，间接固定于工装上的直线电机的中心轴线与直线电机定子轴的中心轴线重合；
第五步，变质心质量块与工装相对运动，使变质心质量块套入工装的方形孔，待变质心质量块与直线电机的固定安装位置对应，将变质心质量块与直线电机固定；
第六步，拆下工装，然后拆下法兰盘，将滑轨和定子轴装入另一个固定架，同时用滑轨锁紧螺母和定子轴锁紧螺母锁紧。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明针对机电伺服系统，提供了一种直线式变质心机电执行机构，该发明中：直线电机采用外动子内定子结构，动子与变质心质量块一体化设计，通过控制驱动器控制动子部分运动，实现质心改变，姿态快速调整；该发明采用碳膜润滑直线轴承+滑轨的结构形式，较定动子之间安装直线轴承的结构形式，节省轴向空间，解决了有限轴向空间大行程下的定动子固定导向问题，同时适应复杂的横法向过载而产生的摩擦力、惯性负载力以及高动态响应。
(2)通过仿真分析寻求满足电机推力要求和电机承受冲击力要求的最小气隙，达到高比功率密度和结构强度的统一。
(3)直线电机的三相动力线由电机动子引出，在动子移动过程中，线缆随之移动，为防止线缆缠绕在其他部件上，将线缆固定在链轨内，使线缆在链轨内有序移动。
附图说明
图1本发明直线式变质心电动伺服机构外形图；
图2本发明直线式变质心电动伺服机构组成图；
图3本发明滑轨与固定架连接局部剖面图；
图4本发明防撞块固紧法兰盘示意图
图5本发明防撞块示意图
图6本发明转接板示意图；
图7本发明工装示意图；
图8本发明法兰盘示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行说明。如图1和图2所示，直线式变质心电动伺服机构包括直线电机1、滑轨2、碳膜润滑直线轴承3、变质心质量块4、转接头5、两个结构相同的固定架6、防撞块固紧法兰盘7、转接板8、防撞块9、定子轴锁紧螺母10、滑轨锁紧螺母11、电缆链轨架12、磁致伸缩位移传感器13、法兰盘15、工装16。
具体的，直线电机1由直线电机定子轴1-1和直线电机动子1-2组成，直线电机1定子轴1-1表面为N、S极交替排列的永磁体，直线电机动子1-2内嵌有空间相差120度的绕组。
具体的，直线电机定子轴1-1轴线、两个滑轨2的轴线在同一个平面上，滑轨2、碳膜润滑直线轴承3、变质心质量块4、转接头5、固定架6、防撞块固紧法兰盘7、转接板8、防撞块9、滑轨锁紧螺母11以直线电机定子轴1-1轴线对称，且滑轨两端的转接头5、固定架6、防撞块固紧法兰盘7、转接板8、防撞块9、滑轨锁紧螺母11对称。直线电机定子轴1-1两端的定子轴锁紧螺母10、固定板6对称。
具体的安装关系如下：每个固定架6上设置四个安装孔，其中一个安装孔上固定安装直线电机1的定子轴1-1，直线电机定子轴1-1与固定板6采用子轴锁紧螺母10固定，另外两个安装孔固定安装滑轨2，两个滑轨2与固定板6采用滑轨锁紧螺母11固定且相对定子轴对称安装，直线电机动子1-2穿过定子轴1-1，变质心质量块4中心设置通孔，通过安装在通孔内的碳膜润滑直线轴承3安装在滑轨2上，变质心质量块4与直线电机动子1-2通过螺钉连接。固定架6上的第四个安装孔固定安装磁致伸缩位移传感器13的安装轴13-1，磁致伸缩位移传感器13的磁环13-2通过一个安装法兰14固定在一个变质心质量块4上。
具体的，碳膜润滑直线轴承3采用润滑油润滑，以提高其使用寿命和直线运动速度。
具体的，如图3所示，滑轨2与固定板6连接前，滑轨2与转接头过盈配合连接，防撞块9套入滑轨2与滑轨2间隙配合，转接板8(如图6所示)装入防撞块9的U型槽内(如图5所示)，通过固定孔8-1与防撞块固紧法兰盘7(如图4所示)的固定孔7-2固定连接，防撞块固紧法兰盘7通过固定孔7-1与固定板6固定连接。
具体的，在固定架6上安装电缆链轨架12，直线电机的三相动力线和位置信号线放入电缆链轨架12上，直线式变质心电动伺服机构的线缆在电缆链轨架12内直线移动。
具体的，直线电机定子轴1-1与直线电机动子1-2之间的气隙确定步骤如下：
第一步，根据空间尺寸及直线电机行程，确定直线电机动子1-2的长度；
第二步，根据直线电机1的推力要求结合直线电机动子的长度、定子轴外径、直线电机运行速度，按照旋转电机的相关设计方法，确定满足推力的直线电机动子1-2和定子1-1的最小气隙δ1；
第三步，根据直线电机工作过程中承受的冲击力，滑轨2外径，变质心质量块4的质量，利用ANSYS仿真分析确定直线电机动子1-2的变形量，依此确定直线电机动子1-2与定子1-1不干涉的气隙δ2；
第四步，选取δ1和δ2中的最大值作为直线电机动子1-2与定子1-1的气隙。
本发明直线式机电伺服机构具体的装配方法为：
第一步，将一个固定架6固定，装入两个滑轨2和直线电机定子轴1-1，用滑轨锁紧螺母11锁紧滑轨2，用定子轴锁紧螺母10锁紧定子轴1-1；
第二步，将碳膜润滑直线轴承3装入变质心质量块4，然后将变质心质量块4安装在在滑轨2上；
第三步，如图7所示，将工装16固定于可以直线移动的导轨上，固定方式不限，工装16的两个方形孔16-2的中心与固定架6上的滑轨安装中心孔的中心对齐；
第四步，将法兰盘15(如图8所示)通过四个通孔15-2固定于直线电机1壳体上，然后将法兰盘15通过四个螺纹孔15-1以及四个螺纹孔16-1固定于工装16上，间接固定于工装16上的直线电机1的中心轴线与直线电机定子轴1-1的中心轴线重合；
具体的，直线式变质心电动伺服机构的工作原理为：直线电机1的动子1-2通入对称三相交流电，直线电机动子1-2做往复直线运动，直线电机动子1-2带动变质心质量块4通过碳膜润滑直线轴承3在滑轨2上做往复直线运动，线缆在电缆链轨架12内有序移动，当直线电机动子1-2运动到最大行程位置处，套在滑轨2上的防撞块9进行机械限位，直线式机电伺服机构的质心发生变化，进而实现姿态调整。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种直线式机电伺服机构，其特征在于：包括直线电机(1)、滑轨(2)、碳膜润滑直线轴承(3)、变质心质量块(4)、磁致伸缩位移传感器(13)、两个结构相同的固定架(6)；
每个固定架(6)上设置四个安装孔，其中一个安装孔上固定安装直线电机(1)的定子轴(1-1)，另外两个安装孔固定安装滑轨(2)，两个滑轨(2)相对定子轴(1-1)对称安装，直线电机动子(1-2)穿过定子轴(1-1)，变质心质量块(4)中心设置通孔，通过安装在通孔内的碳膜润滑直线轴承(3)安装在滑轨(2)上，变质心质量块(4)与直线电机动子(1-2)固定连接；固定架(6)上的第四个安装孔固定安装磁致伸缩位移传感器(13)的安装轴(13-1)，磁致伸缩位移传感器(13)的磁环(13-2)通过一个安装法兰(14)固定在变质心质量块(4)上。
2.根据权利要求1所述的一种直线式机电伺服机构，其特征在于：所述的直线电机定子轴(1-1)与直线电机动子(1-2)之间的气隙确定步骤如下：
第一步，根据空间尺寸及直线电机行程，确定直线电机动子(1-2)的长度；
第二步，根据直线电机(1)的推力要求，确定满足推力的直线电机动子(1-2)和定子(1-1)的最小气隙δ1；
第三步，根据直线电机工作过程中承受的冲击力，滑轨(2)外径，变质心质量块(4)的质量，利用仿真分析确定直线电机动子(1-2)的变形量，依此确定直线电机动子(1-2)与定子(1-1)不干涉的气隙δ2；
第四步，选取δ1和δ2中的最大值作为直线电机动子(1-2)与定子(1-1)的气隙。
3.根据权利要求1所述的一种直线式机电伺服机构，其特征在于：还包括转接头(5)、防撞块固紧法兰盘(7)、转接板(8)、防撞块(9)、定子轴锁紧螺母(10)、滑轨锁紧螺母(11)；
直线电机定子轴(1-1)与固定架(6)采用定子轴锁紧螺母(10)固定，滑轨(2)与转接头(5)过盈配合连接，防撞块(9)与滑轨(2)间隙配合，套入滑轨(2)，转接板(8)装入防撞块(9)的U型槽内，通过转接板(8)的固定孔(8-1)与防撞块固紧法兰盘(7)的第一固定孔(7-2)固定连接，防撞块固紧法兰盘(7)通过第二固定孔(7-1)与固定架(6)固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种直线式机电伺服机构，其特征在于：在固定架(6)上安装电缆链轨架(12)，直线电机的三相动力线和位置信号线放入电缆链轨架(12)上。
5.根据权利要求1所述的一种直线式机电伺服机构，其特征在于：直线电机(1)的定子轴(1-1)表面为N、S极交替排列的永磁体，直线电机动子(1-2)内嵌有空间相差120度的绕组。
6.一种直线式机电伺服机构装配方法，其特征在于步骤如下：
第一步，将一个固定架(6)固定，装入两个滑轨(2)和直线电机定子轴(1-1)，用滑轨锁紧螺母(11)锁紧滑轨(2)，用定子轴锁紧螺母(10)锁紧定子轴(1-1)；
第二步，将碳膜润滑直线轴承(3)装入变质心质量块(4)，然后将变质心质量块(4)安装在在滑轨(2)上；
第三步，将工装(16)固定于直线移动的导轨上，工装(16)的两个方形孔(16-2)的中心与固定架(6)上的滑轨安装中心孔的中心对齐；
第四步，将法兰盘(15)通过四个通孔(15-2)固定于直线电机(1)壳体上，然后将法兰盘(15)通过四个螺纹孔(15-1)固定于工装(16)上，直线电机(1)间接固定于工装(16)上，直线电机(1)的中心轴线与直线电机定子轴(1-1)的中心轴线重合；
第五步，变质心质量块(4)与工装(16)相对运动，使变质心质量块(4)套入工装(16)的方形孔(16-2)，待变质心质量块(4)与直线电机(1)的固定安装位置对应，将变质心质量块(4)与直线电机(1)固定；
第六步，拆下工装(16)，然后拆下法兰盘(15)，将滑轨(2)和定子轴(1-1)装入另一个固定架，用滑轨锁紧螺母(11)锁紧滑轨(2)，用定子轴锁紧螺母(10)锁紧定子轴(1-1)。
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