CN107196454B - 一种用于绕轴往复运动的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于绕轴往复运动的驱动装置，包括：一个输出转矩周期和曲线可调的驱动电机，用于输出周期性转矩驱动载荷；一个或多个参数可调的储能器，用于在载荷减速时吸收能量，载荷加速时输出能量；一个载荷基座。其往复运动周期可调，往复运动零点位置可调，往复运动转角幅值可调。本发明用于驱动载荷作绕轴往复运动，采用力矩电机直接驱动转轴，取消了机械传动装置，并设置了储能器，具有运动参数可调，传动机构简单，分析计算方法方便，同时具有能耗低、可靠性高、噪声低、成本低等优点。

Description

一种用于绕轴往复运动的驱动装置

技术领域

本发明属于机电领域，特别涉及一种用于驱动载荷作绕轴往复运动的装置。

背景技术

在工业生产、科学研究和国防等领域，存在大量的绕轴往复运动的大型载荷，其中很多载荷具有质量大、尺寸大、往复周期短的特点。此类载荷在作绕轴往复运动时，需要克服较大的转动惯量或得到较大的角加速度，因此，需要在载荷上周期性地加载较大的驱动转矩。

对于这些载荷的驱动方案，可以分为两大类，机械传动和电机直驱两种。机械传动包括电机带动连杆机构驱动转动轴、电机输出减速后驱动转动轴等；电机直驱包括力矩电机直接驱动转动轴、圆弧导轨电机直接驱动载荷等。

电机输出减速后驱动载荷转动轴是最基本的驱动形式，传统电机的转速高，输出转矩小，减速器电机转速降至与往复运动周期匹配的范围，相应的输出转矩提高至满足载荷运动所需。由于减速器输出轴与载荷转动轴同轴，简化了运动和受力分析，通过控制电机转矩，可以实现对载荷运动过程的连续可控。其缺点是，电机输出端轴承和减速器的高速级齿轮润滑要求高，寿命有限，增加了维护成本；周期性加载大转矩对减速器输出级提出了更高的要求；满足高精度控制所要求的齿侧间隙和大减速比、大转矩输出的减速器设计加工困难，成本高；载荷在加速时所需的能量完全由电机提供，而在减速时完全消耗在制动电阻上，甚至需要消耗能量进行制动；电机需要频繁切换转动方向，需要消耗额外的能量克服转子惯量。

电机带动连杆机构驱动载荷转动轴，将载荷绕轴往复运动转换为电机的圆周运动；电机作圆周运动时，通过连杆机构将输出转矩传递至转动轴上。连杆机构避免了在载荷往复加减速过程中，电机频繁切换转动方向，免除了电机转子加减速时的能耗；同时，提高了传动比，降低了对电机输出转矩的要求。其缺点是连杆机构不易精确实现复杂的运动规律；传动效率较低；存在无法避免的振动与噪音，某些转速下，甚至会引起系统的失稳；运动和受力的分析过于复杂和繁琐，以及传动件的间隙，均不利于对载荷运动过程中的精确控制；对于设计好的连杆机构，圆周运动的电机只能够使载荷围绕特定零点、以特定的转角幅值作往复运动，对于其它零点或转角幅值，电机仍然需要以周期往复运动的形式输出转矩，连杆机构此时只能起减速器的作用；虽然避免了电机的运动方向切换，节省了克服电机转子惯量的能耗外，无法避免减速时对载荷动能的消耗。

力矩电机直接驱动载荷转动轴，取消了减速器、连杆机构等传动部件，将低速大转矩电机转子通过法兰直接与载荷转轴固定连接，从根本上提高了系统的可靠性，而且控制精度高，动态性能好。其缺点是，在载荷需求相同的前提下，力矩电机尤其是大转矩的力矩电机，设计生产加工难度高，选型范围窄，成本高，重量大，转子惯量大；力矩电机输出转矩与电流成正比，大转矩输出时，力矩电机的电流较大，铜损高，相应的控制器的输出功率、成本都较高；电机转子法兰与载荷转动轴固定，电机需要运行在载荷所需的转速，对于控制器开发而言，大转矩低转速控制是一个难点；同样无法克服周期性正反转时转子惯量引起的能耗，以及减速时载荷动能的浪费。

圆弧导轨电机直接驱动载荷，与力矩电机直接驱动转动轴类似，可以理解为从常规电机圆周上截取一段，定子为导轨，转子为滑块在导轨范围内往复运行，载荷固定在转子滑块上。其缺点是，设计生产加工难度较力矩电机更高，选型范围更窄，成本更高，自重更大；电流大，控制器成本高，控制难度高，能耗高，无法克服往复运动时滑块惯量引起的能耗，以及减速时动能的浪费。

综上所述，现有的大惯量或高角加速度需求的绕轴往复运动驱动装置，采用直接或间接的手段，将电机转矩输出至载荷。都需要电机提供周期性重复的正反向转矩；载荷加速所需的动能完全由电机提供，减速时则将动能消耗在制动电阻上，甚至消耗能量进行反接制动；机械传动方案电效率较直驱高，成本低，但传动规律复杂，精度低，润滑、维护、寿命、噪音等问题难以解决；电机直接驱动精度高，动态性能好，但成本高，电流大，控制难。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于驱动载荷作绕轴往复运动的装置，通过控制电机的转矩参数和储能器参数，以实现载荷往复运动的周期可调、幅值可调、零点位置可调，并降低运行能耗。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于绕轴往复运动的驱动装置，包括：

一个输出转矩的重复周期和输出转矩相对于转角的曲线可调的驱动电机，用于输出周期性转矩驱动载荷；

一个或多个参数可调的储能器，用于在载荷减速时吸收能量，载荷加速时输出能量；

一个载荷基座。

由于采用了上述技术方案，本发明的用于绕轴往复运动的驱动装置，其往复运动周期可调，往复运动零点位置可调，往复运动转角幅值可调。

进一步的，所述载荷基座的转动轴安装在驱动电机的输出轴上；驱动电机的外壳安装在固定基座上；储能器的活动端安装在载荷基座上，固定端安装在固定基座上。

进一步的，所述驱动电机为力矩电机。其输出转矩的重复周期精确可调；输出转矩相对于转角的曲线精确可调。

进一步的，所述储能器由两组空气弹簧组成。

进一步的，每组空气弹簧包括活塞组件和气室；活塞组件包括相连接的活塞杆和活塞，活塞位于气室内，且与气室相适配，活塞杆远离活塞的一端为空气弹簧的活动端，铰接安装在载荷基座上；气室封闭端为空气弹簧的固定端，铰接安装在固定基座上。

进一步的，所述的两组空气弹簧沿载荷基座对称轴的两侧对称布置，空气弹簧中心线与载荷基座转动面共面。

进一步的，所述空气弹簧的气室充气量精确可调；两组空气弹簧的气室充气量之比精确可调。

有益效果：(1)本发明采用力矩电机驱动载荷转动轴，能够精确地控制转矩输出周期和转矩曲线，以控制往复运动的周期、零点和幅值，控制精度高，动态响应性能好。(2)本发明采用储能器吸收载荷减速时的动能，并在载荷加速时释放，减小了能量损失，降低了电机的转矩需求和运行能耗；在一定条件下，储能器的运动控制方程可以近似为弹簧-质点系统振动方程，便于控制参数的设计；(3)本发明采用充气量可调的空气弹簧组成储能器，能够精确控制弹簧气室内的充气量，以控制往复运动的幅值和零点；结合对气室充气量的实时控制，能够实现一些特殊的运动特性；(4)本发明采用电机和储能器共同驱动载荷的设计，根据载荷往复运动所要求的指标设计控制参数；往复运动周期由驱动电机输出转矩的周期确定；往复运动零点由储能器两组空气弹簧气室充气量之比确定；往复运动幅值由驱动电机输出转矩周期、幅值、载荷惯量、阻尼系数、储能器等效弹性系数等确定；储能器等效弹性系数由两组空气弹簧的活塞行程和气室总充气量确定；(4)本发明可以选择驱动电机输出转矩周期、曲线和储能器等效弹性系数，使载荷-储能器组合体满足共振条件，驱动电机输入能量只需要克服系统的阻尼，可以将对驱动电机输出转矩的需求降至最低，驱动电机、控制器、支撑结构成本最优，能效比最高；(5)本发明可以根据需求，实时调节空气弹簧的气室充气量，结合合适的驱动电机输出转矩曲线，能够灵活设计载荷每个往复周期内的角位移、角速度、角加速度相对于转角的曲线；(6)实验表明，本发明取消了传动机构，无传动间隙，运动规律简单，简化了受力和运动分析仿真方法，运动过程控制精确、灵活、噪声低；无高转速部件，可靠性高，寿命长，维护要求低；运动参数灵活可调，尤其适合多工况要求的往复运动载荷；实现了减速时能量的储存与释放，驱动电机功率和转矩只需要满足克服阻尼的要求，极大地降低了驱动电机的成本，同时降低了系统的成本、重量、惯量等。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图中，1-载荷基座，2-驱动电机，3-储能器，4-固定基座，5-气室，6-活塞组件，61-活塞杆，62-活塞。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本发明的用于绕轴往复运动的驱动装置，包括：一个输出转矩的重复周期和输出转矩相对于转角的曲线可调的驱动电机，用于输出周期性转矩驱动载荷；参数可调的储能器，用于在载荷减速时吸收能量，载荷加速时输出能量；一个载荷基座。其往复运动周期可调，往复运动零点位置可调，往复运动转角幅值可调。

具体的，如图1，包括载荷基座1、驱动电机2、储能器3、固定基座4；载荷基座1的转动轴安装在驱动电机2的输出轴上；驱动电机2外壳安装在固定基座4上；储能器3活动端安装在载荷基座1上，固定端安装在固定基座4上。

驱动电机2采用力矩电机；其输出转矩的重复周期精确可调；输出转矩相对于转角的曲线精确可调。

储能器3由两组空气弹簧组成，每组空气弹簧组成分别包括气室5和活塞组件6；活塞组件6包括相连接的活塞杆61和活塞62，活塞62位于气室5内，且与气室5相适配，活塞62的边缘与气室5的内壁贴合，活塞62在气室5内做活塞运动时，能够使气室5内的气体压缩或扩充；活塞杆61远离活塞的一端为空气弹簧的活动端，铰接安装在载荷基座1上；气室5封闭端为空气弹簧的固定端，铰接安装在固定基座4上；两组空气弹簧沿载荷基座对称轴的两侧对称布置，空气弹簧中心线与载荷基座转动面共面；当两组气室中的气体压强相等时，储能器3无输出。

空气弹簧的气室5充气量精确可调；两组空气弹簧的气室5充气量之比精确可调。

对于惯量为J的载荷，要求往复运动周期为T、零点位置相对水平面夹角为α、幅值为θ。

设计时，通常选择空气弹簧的活塞随载荷运动时，实际行程尽可能短，并选择尽可能长的气室有效行程，载荷-储能器可以近似为一个弹簧振动系统；选择载荷运动时转角、角速度、角加速度相对于时间为正弦曲线。

选取驱动电机输出转矩周期等于往复运动的周期，即输出转矩的频率f为：

f＝1/T

设系统运行时的阻尼系数为R，系统在共振时，所需的电机转矩幅值T为：

T＝2πf·θ·R

使系统满足共振条件的储能器的等效弹性系数K为：

K＝(2πf)²J

设运动过程中，空气弹簧与载荷支架夹角近似保持90°；设空气弹簧在载荷支架上的安装点距轴心距离为r；设空气弹簧气室有效行程为L，活塞直径为D，可以计算出气室中气体压强P为：

设储能器无输出时，零点位置与水平方向夹角为0°，可以计算出两组空气弹簧气室充气量之比为：

工程设计时，根据理论仿真设计参数和物理仿真实验的修正量，选择合适的电机、储能器(如空气弹簧)电气和机械参数；工程调试时再对工作参数进行微调优化，作为该工况的预设工作参数组；工作时，实时测量转角和角速度，根据测量值与设计值的偏差，实时修正电机输出转矩，以修正环境扰动、非线性误差等影响，使载荷实际运动参数符合指标和设计曲线。

当有多工况需求时，根据上述方法针对每一种工况理论仿真计算和物理仿真实验，选择能够满足所有工况要求的电机、储能器电气和机械参数进行工程设计；工程调试时，分别针对各工况，对预设工作参数组进行微调优化；工作时，根据指令或预设工况，调取对应的预设工作参数组，并实时修正电机输出，使载荷实际运动参数符合该工况下指标和设计曲线。

设某工况下，载荷转角相对时间曲线按正弦曲线运行，惯量、周期、零点、幅值要求如下：

设阻尼系数及储能器尺寸位置如下：

根据上述公式可以计算出电机、储能器的工作参数如下：

根据角加速度峰值可以计算出运行过程中，运动所需的转矩峰值，和电机输出转矩峰值对比如下：

本发明所述驱动电机消耗的电功率、传统连杆方案电机电功率、仅使用力矩电机直驱的电功率对比如下：

由以上对比可以看出，本发明采用力矩电机和储能器共同驱动绕轴往复运动的载荷，运动参数可调，传动机构简单，分析计算方法简便，同时具有能耗低、可靠性高、噪声低、成本低等优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于绕轴往复运动的驱动装置的调节方法，其特征在于：所述驱动装置包括：一个输出转矩的重复周期和输出转矩相对于转角的曲线可调的驱动电机，用于输出周期性转矩驱动载荷；一个或多个储能器，所述储能器参数可调，用于在载荷减速时吸收能量，载荷加速时输出能量；一个载荷基座；

所述储能器由两组空气弹簧组成；所述空气弹簧的气室充气量精确可调；两组空气弹簧的气室充气量之比精确可调；调节方法如下：

对于惯量为的载荷，要求往复运动周期为、零点位置相对水平面夹角为、幅值为；

选择空气弹簧的活塞随载荷运动时，实际行程尽可能短，并选择尽可能长的气室有效行程，载荷-储能器近似为一个弹簧振动系统；选择载荷运动时转角、角速度、角加速度相对于时间为正弦曲线；

选取驱动电机输出转矩周期等于往复运动的周期，即输出转矩的频率为：

设系统运行时的阻尼系数为，系统在共振时，所需的电机转矩幅值为：

使系统满足共振条件的储能器的等效弹性系数为：

设运动过程中，空气弹簧与载荷基座夹角近似保持90°；设空气弹簧在载荷基座上的安装点距轴心距离为；设空气弹簧气室有效行程为，活塞直径为，计算出气室中气体压强为：

设储能器无输出时，零点位置与水平面夹角为0°，计算出两组空气弹簧气室充气量之比为：

。

2.根据权利要求1所述的用于绕轴往复运动的驱动装置的调节方法，其特征在于：所述载荷基座的转动轴安装在驱动电机的输出轴上；驱动电机的外壳安装在固定基座上；储能器的活动端安装在载荷基座上，固定端安装在固定基座上。

3.根据权利要求1或2所述的用于绕轴往复运动的驱动装置的调节方法，其特征在于：所述驱动电机为力矩电机。

4.根据权利要求1所述的用于绕轴往复运动的驱动装置的调节方法，其特征在于：每组空气弹簧包括活塞组件和气室；活塞组件包括相连接的活塞杆和活塞，活塞位于气室内，且与气室相适配，活塞杆远离活塞的一端为空气弹簧的活动端，铰接安装在载荷基座上；气室封闭端为空气弹簧的固定端，铰接安装在固定基座上。

5.根据权利要求4所述的用于绕轴往复运动的驱动装置的调节方法，其特征在于：所述的两组空气弹簧沿载荷基座对称轴的两侧对称布置，空气弹簧中心线与载荷基座转动面共面。