CN106402279A - 南极望远镜的低能耗冗余电机备份多级齿轮消隙传动装置 - Google Patents

南极望远镜的低能耗冗余电机备份多级齿轮消隙传动装置 Download PDF

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Abstract

南极望远镜的低能耗冗余电机备份多级齿轮消隙传动装置，设有驱动电机与传动齿轮，特征是末级大齿轮1与第一末级小齿轮2‑1啮合，第一末级小齿轮2‑1与第一初级大齿轮3‑1同轴安装，第一初级大齿轮3‑1与第一初级小齿轮5‑1啮合，第一初级小齿轮5‑1与闭环过渡齿轮7啮合，闭环过渡齿轮7与第二初级小齿轮5‑2啮合，第二初级小齿轮5‑2与第二初级大齿轮3‑2啮合，第二初级大齿轮3‑2与第二末级小齿轮2‑2同轴安装，第二末级小齿轮2‑2与末级大齿轮1啮合，形成封闭传动链。本发明实现了单电机消隙驱动，控制简单，低能耗，低成本。还可实现驱动电机冗余备份和驱动力矩冗余备份，提高南极极端环境下设备的可靠性。

Description

南极望远镜的低能耗冗余电机备份多级齿轮消隙传动装置
技术领域
发明人涉及一种南极望远镜的低能耗冗余电机备份多级齿轮消隙传动装置。
背景技术
天文望远镜为了精确跟踪天体，需要具有两套轴系的跟踪机架，齿轮传动机构是跟踪机架轴系驱动的常用机构。由于齿轮加工中的齿厚减薄量与偏心误差的存在，齿轮传动机构存在间隙，在加减速和反向转动时，由于齿隙造成空回，在传动中形成一个突跳误差。严重影响传动精度，齿隙问题一直是困扰齿轮传动在望远镜跟踪技术中应用的技术难题。
对于齿隙问题，目前常用的消隙方法有以下两种：
一是采用剖分齿轮。这种方式结构复杂，对于多级齿轮传动，每一级齿轮均需要采用剖分齿轮。由于摩擦力的可变性以及齿轮加工同心误差，消隙力矩不易控制，难以做到完全消隙。在一定程度上降低传动精度。
二是双电机齿轮消隙传动技术，即一个主齿轮，两个小齿轮或两套小传动箱，控制两个电机的正反向转矩，达到双向无间隙传动。这种方式需要两套电机、驱动器、控制器，成本高，控制系统复杂，控制难度高。同时需要双倍的驱动力矩，功耗较大。
目前，天文望远镜的跟踪精度要求越来越高，而齿轮传动仍然是望远镜跟踪机架的主要驱动形式之一，齿轮间隙带来的影响更为突出。良好的消隙手段是提高传动精度重要途径。
在南极极端温度环境下，由于能源、霜雪等条件的限制，不适合采用摩擦驱动和直接驱动，齿轮传动是较为合适的传动方式。为了减少能耗，在南极望远镜的设计中会加大传动链，减小电机功率，目前技术较为合适的消隙方法使双电机消隙。
双电机消隙在南极极端环境下还是有较为明显的缺陷：低温下轴系摩擦转矩大，造成所需的反力矩大，进一步增大能耗；一个电机出现故障，系统就无法维持高精度，可靠性较低。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于南极极端环境望远镜的低能耗冗余电机备份多级齿轮消隙传动装置，实现单电机消隙齿轮传动，降低能耗，实现电机的冗余备份和驱动扭矩的冗余备份，大大提高系统在南极极端环境下的可靠性。
本发明用以解决上述技术问题的方案是：一种南极望远镜的低能耗冗余电机备份多级齿轮消隙传动装置，由末级大齿轮1、第一末级小齿轮2-1、第一初级大齿轮3-1、第一高K值弹性消隙调节装置4-1、第一初级小齿轮5-1、第一驱动电机6-1、第二驱动电机6-2、闭环过渡齿轮7、第二初级小齿轮5-2、第二高K值弹性消隙调节装置4-2、第二初级大齿轮3-2、第二末级小齿轮2-2组成。末级大齿轮1与第一末级小齿轮2-1啮合，第一末级小齿轮2-1与第一初级大齿轮3-1同轴安装，第一初级大齿轮3-1与第一初级小齿轮5-1啮合，第一初级小齿轮5-1与闭环过渡齿轮7啮合，闭环过渡齿轮7与第二初级小齿轮5-2啮合，第二初级小齿轮5-2与第二初级大齿轮3-2啮合，第二初级大齿轮3-2与第二末级小齿轮2-2同轴安装，第二末级小齿轮2-2与末级大齿轮1啮合，形成封闭传动链。
所述第一末级小齿轮2-1与第一初级大齿轮3-1通过一组轴承与同轴安装，两者之间可绕同一轴线相互转动，通过第一高K值弹性消隙调节装置4-1连接后，调节锁定两者之间相互转角。
所述第二末级小齿轮2-2与第二初级大齿轮3-2通过一组轴承与同轴安装，两者之间可绕同一轴线相互转动，通过第二高K值弹性消隙调节装置4-2连接后，调节锁定两者之间相互转角。
所述第一高K值弹性消隙调节装置4-1和第二高K值弹性消隙调节装置4-2松开后，使第一末级小齿轮2-1与第一初级大齿轮3-1，第二末级小齿轮2-2与第二初级大齿轮3-2，可绕同一轴线相互转动，方便实现封闭传动链的啮合装配。
所述第一高K值弹性消隙调节装置4-1和第二高K值弹性消隙调节装置4-2经过调节后，可以消除封闭传动链内齿隙，实现无间隙齿轮传动。
所述第一高K值弹性消隙调节装置4-1和第二高K值弹性消隙调节装置4-2完成调整后，给弹性机构加压，使弹性力产生的扭矩大于电机最大扭矩作用在该处扭矩的两倍，提高传动刚度。
所述第一高K值弹性消隙调节装置4-1和第二高K值弹性消隙调节装置4-2设置了弹性机构，其作用在于吸收传动链中齿轮加工偏心误差造成的齿隙变化，使传动装置消隙后不会因齿轮偏心误差卡死，也不会因齿轮偏心误差再次出现齿隙。
所述第一初级小齿轮5-1或第二初级小齿轮5-2或闭环过渡齿轮7同轴安装一个驱动电机，实现单电机双向消隙齿轮驱动。
所述第一初级小齿轮5-1、第二初级小齿轮5-2和闭环过渡齿轮7同轴安装二个或三个驱动电机，实现极端环境下的电机冗余备份，在南极极端环境下出现轴系转矩突增的意外情况下，可以几个电机同时出力驱动，实现驱动力冗余备份。
其中，所述高K值弹性消隙调节装置的具体结构是：高弹性系数的压簧或蝶形弹簧和预压机构组成的装置，弹簧预压后产生的弹性力作用到末级小齿轮和初级大齿轮之间。
本发明的工作原理：
基于结构力学原理， 本发明设置循环封闭齿轮链，利用其中两个同轴按安装的齿轮相对转动消除齿隙，消隙力为齿轮链内力，不增加驱动力。
基于弹力力学原理，本发明设置弹性预压机构，利用弹性变形吸收齿轮加工偏心误差。
上述为二级齿轮传动装置，本发明的结构与原理也可以推广至更多级齿轮传动装置，达到同样功能。
本发明与现有技术比较所具备优点：
1、以闭环传动链内力消间隙，不增加驱动转矩，实现单电机消隙驱动，控制简单，低能耗，低成本。
2、可以安装2-3个驱动电机，实现驱动电机冗余备份和驱动力矩冗余备份，提高南极极端环境下设备的可靠性。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
天文望远镜为了精确跟踪天体，需要具有两套轴系的跟踪机架，齿轮传动机构是跟踪机架轴系驱动的常用机构。由于齿轮加工中的齿厚减薄量与偏心误差的存在，齿轮传动机构存在间隙，在加减速和反向转动时，由于齿隙造成空回，在传动中形成一个突跳误差，严重影响传动精度，用于望远镜跟踪系统的齿轮传动装置需要做消隙设计。
实施例1，本发明提供一种适用于南极极端环境望远镜的低能耗冗余电机备份多级齿轮消隙传动装置，由末级大齿轮1、第一末级小齿轮2-1、第一初级大齿轮3-1、第一高K值弹性消隙调节装置4-1、第一初级小齿轮5-1、第一驱动电机6-1、第二驱动电机6-2、闭环过渡齿轮7、第二初级小齿轮5-2、第二高K值弹性消隙调节装置4-2、第二初级大齿轮3-2、第二末级小齿轮2-2组成。末级大齿轮1与第一末级小齿轮2-1啮合，第一末级小齿轮2-1与第一初级大齿轮3-1同轴安装，第一初级大齿轮3-1与第一初级小齿轮5-1啮合，第一初级小齿轮5-1与闭环过渡齿轮7啮合，闭环过渡齿轮7与第二初级小齿轮5-2啮合，第二初级小齿轮5-2与第二初级大齿轮3-2啮合，第二初级大齿轮3-2与第二末级小齿轮2-2同轴安装，第二末级小齿轮2-2与末级大齿轮1啮合，形成封闭传动链。
本发明通过调节同轴安装的两个齿轮相对转角，以闭环内力消除多级齿轮传动链间隙，并通过调整机构的预压弹性机构吸收齿轮偏心误差。
本发明适用于天文望远镜跟踪机架的传动系统，针对各种具体应用，可依据本发明权利要求书中所提出的各项特征，并结合各望远镜具体要求，对其齿轮传动装置进行详细的结构设计。

Claims (6)

1.一种南极望远镜的低能耗冗余电机备份多级齿轮消隙传动装置，设有驱动电机与传动齿轮，其特征在于，末级大齿轮1与第一末级小齿轮2-1啮合，第一末级小齿轮2-1与第一初级大齿轮3-1同轴安装，第一初级大齿轮3-1与第一初级小齿轮5-1啮合，第一初级小齿轮5-1与闭环过渡齿轮7啮合，闭环过渡齿轮7与第二初级小齿轮5-2啮合，第二初级小齿轮5-2与第二初级大齿轮3-2啮合，第二初级大齿轮3-2与第二末级小齿轮2-2同轴安装，第二末级小齿轮2-2与末级大齿轮1啮合，形成封闭传动链。
2.根据权利要求1所述的南极望远镜的低能耗冗余电机备份多级齿轮消隙传动装置，其特征在于：所述第一末级小齿轮2-1与第一初级大齿轮3-1通过一组轴承与同轴安装，两者之间可绕同一轴线相互转动，通过第一高K值弹性消隙调节装置4-1连接后，调节锁定两者之间相互转角。
3.根据权利要求1所述的南极望远镜的低能耗冗余电机备份多级齿轮消隙传动装置，其特征在于：所述第二末级小齿轮2-2与第二初级大齿轮3-2通过一组轴承与同轴安装，两者之间可绕同一轴线相互转动，通过第二高K值弹性消隙调节装置4-2连接后，调节锁定两者之间相互转角。
4.根据权利要求2或3所述的南极望远镜的低能耗冗余电机备份多级齿轮消隙传动装置，其特征在于：所述高K值弹性消隙调节装置的具体结构是：高弹性系数的压力弹簧或蝶形弹簧和预压机构组成的装置，弹簧预压后产生的弹性力作用到末级小齿轮和初级大齿轮之间。
5.根据权利要求1-3之一所述的南极望远镜的低能耗冗余电机备份多级齿轮消隙传动装置，其特征在于：所述第一初级小齿轮5-1或第二初级小齿轮5-2或闭环过渡齿轮7同轴安装一个驱动电机，实现单电机双向消隙齿轮驱动。
6.根据权利要求1-3之一所述的南极望远镜的低能耗冗余电机备份多级齿轮消隙传动装置，其特征在于：所述第一初级小齿轮5-1、第二初级小齿轮5-2和闭环过渡齿轮7同轴安装二个或三个驱动电机，实现极端环境下的电机冗余备份与驱动力冗余备份。
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