CN106787412A - 一种一体化设计高度集成式机电作动器 - Google Patents

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Abstract

一种一体化设计高度集成式机电作动器，丝杠作动杆组件的一端安装前端支耳连接组件，另一端与长螺母转子组件配合，当长螺母转子组件定轴转动时，丝杆作动杆组件做往复直线运动，长螺母转子组件的外部通过转子支承固定组件连结伺服电机定子组件，角速度传感器组件安装在长螺母转子组件上用于检测电机转子的角速度，线位移传感器组件安装在丝杆作动杆组件以及为丝杆作动杆组件的安装提供支承固定的作动杆支承固定组件上，用于检测作动杆的位移信息，后端支耳连接组件与伺服电机定子组件连接，用于承受轴向拉压载荷，防止机电作动器周向转动，前端支耳连接组件、后端支耳连接组件分别与外部装置机械接口连接。

Description

一种一体化设计高度集成式机电作动器
技术领域
本发明属于机电伺服技术领域，尤其是涉及一种一体化设计高度集成式机电作动器。
背景技术
机电作动器是将电能转化为机械能，并实现运动转换的一种装置，相比液压式、气压式作动器，具有体积小、重量轻、结构紧凑、动态响应高、控制精度高、维护方便等特点，被应用在航空航天、航海、交通、大型机器人、工程机械、农业机械等领域，具有广阔的前景，是未来伺服技术发展的重要研究方向之一。
机电作动器将控制器输出的电信号转变为应变、位移、力等机械量，以实现对控制对象应变驱动、位移驱动、力驱动的目的。位移驱动控制是一类最常用的控制形式，根据作动方式不同，可分为旋转式和直线式两种。
旋转式机电作动器一般用来控制阀类或舵面类负载，其机械结构主要由旋转电机和减速器组合而成；直线式机电作动器一般用于直线位置控制，机械结构由旋转电机和丝杠副组合而成，应用最为广泛，例如导弹舵面作动、火箭矢量推进控制、飞机起落架回收、车辆电动助力转向等。
对于直线式机电作动器(以下相同)，出于安装和维护考虑，电机部件和传动部件通常是独立的，根据两部件的空间布置位置，可分为串联式和并联式。
串联式电作动器的电机部件输出回转轴线与传动部件的输入回转轴线重合，两者通过键、花键或销连接起来，由于增加了中间传递环节，导致机构间隙和累计误差增大，同时还造成机电作动器零位尺寸增加、刚性较差，故而不适合应用在轴向安装空间受限制的场合。
并联式机电作动器的电机部件输出回转轴线与传动部件的输入回转轴线平行，两者通过齿轮副或带传递过去，这种布置形式增加了径向尺寸和整体重量，使得作动器动态响应降低。
随着高性能军事装备研制和民用市场的快速发展，对直线式机电作动器的各项指标要求越来越苛刻，现有结构形式存在的缺点更加明显，而大行程、短零位、高刚性、高承载类型的机电作动器成为未来技术研发方向，为此有必要发明一种高度集成式机电作动器，以适应未来发展需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种一体化设计高度集成式机电作动器。
本发明的技术解决方案是：一种一体化设计高度集成式机电作动器，长螺母转子组件、伺服电机定子组件、转子支承固定组件、丝杠作动杆组件、作动杆支承固定组件、角速度传感器组件、线位移传感器组件、前端支耳连接组件、后端支耳连接组件；
丝杠作动杆组件的一端安装前端支耳连接组件，另一端与长螺母转子组件配合，当长螺母转子组件定轴转动时，丝杆作动杆组件做往复直线运动，长螺母转子组件的外部通过转子支承固定组件连结伺服电机定子组件，角速度传感器组件安装在长螺母转子组件上用于检测电机转子的角速度，线位移传感器组件安装在丝杆作动杆组件以及为丝杆作动杆组件的安装提供支承固定的作动杆支承固定组件上，用于检测作动杆的位移信息，后端支耳连接组件与伺服电机定子组件连接，用于承受轴向拉压载荷，防止机电作动器周向转动，前端支耳连接组件、后端支耳连接组件分别与外部装置机械接口连接。
所述的长螺母转子组件包括长螺母、磁钢、平衡圈、不锈钢套；长螺母为中空回转类薄壁零件，其外形为阶梯状，其中，直径较大的一端外侧安装磁钢、平衡圈、不锈钢套及轴承组成电机转子，直径较小的一端通过转子支承固定组件中的锁紧螺母以及承力轴承与伺服电子定子组件连接，直径较大的一端内侧设置内螺纹，与丝杆作动杆组件的转动端配合。
所述的丝杆作动杆组件包括丝杆、滚柱、保持架、挡圈；丝杆分为三部分，中间部分为扁平轴，两侧部分为外螺纹圆轴；其中，一侧外螺纹圆轴与滚柱啮合传动，滚柱的外侧端安装保持架，内侧端安装挡圈；扁平轴的平面安装线位移传感器的骨架；另外一侧外螺纹圆轴与前端支耳连接组件连接。
扁平轴的两侧平面均安装线位移传感器的骨架，在丝杆的两侧对称布置线位移传感器，实现冗余设计。
滚柱的外侧端安装保持架，内侧端安装挡圈通过在该侧外螺纹圆轴上设置退刀槽和台阶实现。
所述的作动杆支承固定组件主要包括支承环、支承环端盖、支承环固定螺钉；支承环为带内孔的圆柱形结构，内孔左右两侧与丝杆的扁平轴部分的两侧外圆弧面配合，内孔上下两侧为平面，利用内孔的几何形状约束丝杆的周向转动，支承环上安装线位移传感器的电刷。
所述内孔上下两侧与扁平轴之间预留一定空间，避免与线位移传感器骨架干涉。
本发明与现有技术相比有益效果为：本发明机电作动器具备大行程、短零位、体积小、重量轻、高刚性、高承载、高精度的技术特点，能够满足伺服领域未来技术发展迫切需求。具体：
(1)采用一体化设计、高度集成式设计，将反向式行星滚柱丝杠副与永磁同步伺服电机组合为一体，使该机电作动器结构更加紧凑，零位长度更短，重量和尺寸约为传统直线类型的三分之二。
(2)反向式行星滚柱丝杠副为核心传动部件，使该机电作动器承载能力更高，动力传动更加平稳，往复伸缩行程更大。
(3)反向式行星滚柱丝杠副的长螺母转子组件、丝杠作动杆组件为两个独立的部件，安装拆卸极为方便，不影响传动精度，同时便于电机转子做动平衡测试实验。
(4)作动杆为扁平轴，与支承环形状相适配，既能达到导向约束效果，又可起到放滚转和极限限位作用。
(5)作动杆上下两侧为两套对称布置的线位移传感器，可以实现位置闭环控制，其双余度设计功能，能够抵消作动杆不同轴影响。
(6)角速度传感器与线位移传感器，共同实现该机电作动器控制精度、位置精度的检测与闭环，相比传统类型精度更高。
附图说明
图1是本发明实施实例的整体外观示意图；
图2是本发明实施实例的主视图；
图3是本发明实施实例的俯视图；
图4是本发明实施实例基于图2的轴向剖视图；
图5是本发明实施实例长螺母转子组件的轴向剖视图；
图6是本发明实施实例丝杠作动杆组件装配示意图；
图7是本发明实施实例线位移传感器组件装配示意图；
具体实施方式
如图1～7所示，本发明的结构组件构成是：长螺母转子组件1、伺服电机定子组件2、转子支承固定组件3、丝杠作动杆组件4、作动杆支承固定组件5、角速度传感器组件6、线位移传感器组件7、前端支耳连接组件8、后端支耳连接组件9等。
丝杠作动杆组件4的一端安装前端支耳连接组件8，另一端与长螺母转子组件1配合，当长螺母转子组件1定轴转动时，丝杆作动杆组件4做往复直线运动，长螺母转子组件1的外部通过转子支承固定组件3连结伺服电机定子组件2，角速度传感器组件6安装在长螺母转子组件1上用于检测电机转子的角速度，线位移传感器组件7安装在丝杆作动杆组件4以及为丝杆作动杆组件4的安装提供支承固定的作动杆支承固定组件5上，用于检测作动杆的位移信息，后端支耳连接组件9与伺服电机定子组件2连接，用于承受轴向拉压载荷，防止机电作动器周向转动，前端支耳连接组件8、后端支耳连接组件9分别与外部装置机械接口连接，用于实现机电作动器的功能。
长螺母转子组件1主要由以下零件组成：长螺母11、磁钢12、平衡圈13、不锈钢套14。伺服电机定子组件2主要由以下零件组成：绕组21、电机壳体22、定子铁芯23。转子支承固定组件3主要由以下零件组成：锁紧螺母31、承力轴承32、辅助支承轴承33、电机前端盖34。丝杠作动杆组件4主要由以下零件组成：丝杆41、滚柱42、保持架43、挡圈44。作动杆支承固定组件5主要由以下零件组成：支承环51、支承环端盖52、支承环固定螺钉53。角速度传感器组件6主要由以下零件组成：角度传感器61、角速度传感器连接轴62、角速度传感器压盖63、角速度传感器固定螺钉64。线位移传感器组件7主要由以下零件组成：线位移传感器骨架71、电刷72、电刷固定螺钉73、线位移传感器骨架固定螺钉74。前端支耳连接组件8主要由以下零件组成：前支耳81、前支耳关节轴承82、支耳调节螺母83。后端支耳连接组件9主要由以下零件组成：后支耳91、后支耳关节轴承92。
如图1～4所示，本发明的各组件的安装顺序是：首先安装伺服电机定子组件2，然后利用特定工具安装长螺母转子组件1，装配转子首尾两端轴承，并拧紧锁紧螺母31；将线位移传感器骨架71固定于丝杆41(作动杆)，然后把丝杠作动杆组件4与长螺母11进行螺纹旋入，再装配电机前端盖34；然后安装作动杆支承固定组件5，通过各个螺钉将其连接；依次继续安装角速度传感器组件6、前端支耳连接组件8，最后安装后端支耳连接组件9，完成整机装配。
如图1～4所示，本发明的工作原理是：机电作动器接收由伺服控制驱动器发出的信号指令，使电机转子正转或反转，其末端角速度传感器记录转子角速度，反馈给控制驱动器进行校对补偿，实现控制环节的闭环；长螺母11正反转时，利用滚柱42的螺旋传动和行星转动，将转子的旋转运动转换为丝杠的往复直线运动，作动杆的线位移传感器记录位移信息，并反馈给控制驱动器进行校对补偿，实现位置环节的闭环。
下面以例子的形式具体介绍主要组件的结构形式。
如图5所示，本发明长螺母转子组件1外形特点是：长螺母11为中空回转类薄壁零件，其外形为阶梯状，直径较小的一端外侧安装承力轴承32、锁紧螺母31；直径较大的一端外侧安装磁钢12、平衡圈13、不锈钢套14、辅助支承轴承33等零件，组成电机转子；直径较大一端内侧加工有内螺纹，与滚柱42外螺纹啮合传动。
如图6所示，本发明丝杠作动杆组件4外形特点是：丝杠41左侧端为外螺纹圆轴，与滚柱42外螺纹啮合传动，并设有退刀槽和台阶，用于安装保持架43和挡圈44；丝杠中间端为上下两侧对称的扁平轴，可通过螺钉将线位移传感器长条状骨架安装固定于两侧平面；丝杠41右侧端为外螺纹圆轴，与前支耳81内螺纹、支耳调节螺母83进行连接；前支耳81与前支耳关节轴承82采用过盈连接的配合方式，将前支耳关节轴承82安装于前支耳81的座孔内；后端支耳连接组件9利用四个圆周均布的长螺栓将其与电机壳体22、电机前端盖34一同连接固定；后支耳91与后支耳关节轴承92采用过盈连接的配合方式，将后支耳关节轴承92安装于后支耳91的座孔内。
如图6～7所示，发明的作动杆支承固定组件5外形特点是：丝杠41中间段的扁平轴，其左右两侧外圆弧面与支承环51内孔左右两侧内圆弧面配合，起到支承和导向作用；其上下两侧平面与支承环内孔上下两侧台阶配合，利用几何形状约束丝杠41周向转动。支承环51内孔上下两侧预留一定空间，避免与线位移传感器骨架71干涉，可通过电刷螺钉73将线位移传感器的电刷72固定在支承环51上，实现传感器的位置检测功能。支承环端盖52的外缘设有四个凸台，与支承环51外侧的四个凹孔配合，同时支承环端盖52利用一定数量的支承环固定螺钉53将支承环51轴向压紧并固定，防止丝杆41发生周向滚转。
长螺母11直径较小的一端由内向外依次安装承力轴承32、锁紧螺母31；通过承力轴承与电机壳体22连接；角速度传感器连接轴62安装在长螺母11直径较小端的内侧，角速度传感器连接轴62上安装角速度传感器61，通过角速度传感器61检测电机转子的角速度。
长螺母11直径较大的一端圆轴采用过盈配合的方式安装辅助支承轴承33，电机前端盖34的轴承座孔采用微间隙配合方式安装辅助支承轴承33，对长螺母转子组件1起到径向辅助支承作用，并且抵消转子轴向热膨胀影响。
绕组21为一系列线圈，定子铁芯23设有一定数量的线槽，绕组21通过缠绕方式固定于定子铁芯23的槽内；定子铁芯23的外圆与电机壳体22的内孔采用过盈配合方式连接固定，防止伺服电机定子组件2周向转动。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种一体化设计高度集成式机电作动器，其特征在于：长螺母转子组件(1)、伺服电机定子组件(2)、转子支承固定组件(3)、丝杠作动杆组件(4)、作动杆支承固定组件(5)、角速度传感器组件(6)、线位移传感器组件(7)、前端支耳连接组件(8)、后端支耳连接组件(9)；
丝杠作动杆组件(4)的一端安装前端支耳连接组件(8)，另一端与长螺母转子组件(1)配合，当长螺母转子组件(1)定轴转动时，丝杆作动杆组件(4)做往复直线运动，长螺母转子组件(1)的外部通过转子支承固定组件(3)连结伺服电机定子组件(2)，角速度传感器组件(6)安装在长螺母转子组件(1)上用于检测电机转子的角速度，线位移传感器组件(7)安装在丝杆作动杆组件(4)以及为丝杆作动杆组件(4)的安装提供支承固定的作动杆支承固定组件(5)上，用于检测作动杆的位移信息，后端支耳连接组件(9)与伺服电机定子组件(2)连接，用于承受轴向拉压载荷，防止机电作动器周向转动，前端支耳连接组件(8)、后端支耳连接组件(9)分别与外部装置机械接口连接。
2.根据权利要求1所述的机电作动器，其特征在于：所述的长螺母转子组件(1)包括长螺母(11)、磁钢(12)、平衡圈(13)、不锈钢套(14)；
长螺母(11)为中空回转类薄壁零件，其外形为阶梯状，其中，直径较大的一端外侧安装磁钢(12)、平衡圈(13)、不锈钢套(14)及轴承组成电机转子，直径较小的一端通过转子支承固定组件(3)中的锁紧螺母(31)以及承力轴承(32)与伺服电子定子组件(2)连接，直径较大的一端内侧设置内螺纹，与丝杆作动杆组件(4)的转动端配合。
3.根据权利要求1所述的机电作动器，其特征在于：所述的丝杆作动杆组件(4)包括丝杆(41)、滚柱(42)、保持架(43)、挡圈(44)；
丝杆(41)分为三部分，中间部分为扁平轴，两侧部分为外螺纹圆轴；其中，一侧外螺纹圆轴与滚柱(42)啮合传动，滚柱(42)的外侧端安装保持架(43)，内侧端安装挡圈(44)；扁平轴的平面安装线位移传感器的骨架(71)；另外一侧外螺纹圆轴与前端支耳连接组件(8)连接。
4.根据权利要求3所述的机电作动器，其特征在于：扁平轴的两侧平面均安装线位移传感器的骨架(71)，在丝杆(41)的两侧对称布置线位移传感器，实现冗余设计。
5.根据权利要求3或4所述的机电作动器，其特征在于：滚柱(42)的外侧端安装保持架(43)，内侧端安装挡圈(44)通过在该侧外螺纹圆轴上设置退刀槽和台阶实现。
6.根据权利要求3或4所述的机电作动器，其特征在于：所述的作动杆支承固定组件(5)主要包括支承环(51)、支承环端盖(52)、支承环固定螺钉(53)；支承环(51)为带内孔的圆柱形结构，内孔左右两侧与丝杆(41)的扁平轴部分的两侧外圆弧面配合，内孔上下两侧为平面，利用内孔的几何形状约束丝杆(41)的周向转动，支承环(51)上安装线位移传感器的电刷(72)。
7.根据权利要求6所述的机电作动器，其特征在于：所述内孔上下两侧与扁平轴之间预留一定空间，避免与线位移传感器骨架(71)干涉。
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