CN107786038B - 一种防撞死电动舵机执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防撞死电动舵机执行机构，该执行机构包括：无刷伺服电动机、齿轮组、滚珠丝杠副、拨叉、轴套；无刷伺服电动机的输出轴通过齿轮组与滚珠丝杠副的滚珠丝杠螺杆连接；轴套与拨叉固连；滚珠丝杠副的滚珠丝杠螺母侧面上设有柱状凸台，通过柱状凸台滚珠丝杠螺母拨动拨叉，带动轴套转动，将无刷伺服电动机的输出动力转换为舵机的输出动力。本发明的防撞死执行机构，结构简单紧凑、不过多占空行程，通过优化滚珠丝杠螺母外形以及滚珠丝杠螺母与角接触轴承的撞缸接触部位与接触面积，同时在结构防撞死设计的基础上采用控制方法的防饱和设计的双重保护，方法简单可靠、易于推广。

Description

一种防撞死电动舵机执行机构

技术领域

本发明涉及舵机执行机构技术领域，尤其涉及一种防撞死电动舵机执行机构。

背景技术

舵机系统属于典型的伺服系统，应用于飞行器制导控制系统，它接收控制系统的指令信号，驱动操纵飞行器的空气舵偏转，从而控制飞行器的飞行。电动舵机的功率质量比和可靠性大幅上升，美国等西方国家加大了对电动舵机的研究力度,并取得了显著的成果，许多高性能飞行器都采用了电动舵机设计形式。同时为了满足现代对隐性性能、机动性能以及使用平台适应性的要求，电动舵机逐渐成为一种新的设计趋势。

执行机构是电动舵机重要的组成单元，在工作中通过伺服电机驱动传动机构到达上位机给出的规定指令位置。然而,从目前国内外的使用情况来看,由于受制于导弹的使用环境和空间限制,执行机构一般不具备防撞死能力。电动舵机工作中，如果出现外部载荷异常或超出最大舵偏指令范围输出，如果不加保护，舵机会以极限速度运动并超出正常的工作行程导致撞缸，产生的冲击力时电动舵机内部结构受力状态发生一定变化，容易出现机构运动死点，导致舵机出现卡死现象而无法自行恢复，最终导致舵机失效。

具备防撞死能力的电动舵机执行机构一般需要占用一定的执行机构工作行程，如图1所示，通过在滚珠丝杠螺杆上增加限位销轴，在滚珠丝杠螺母上增加螺旋限位止口的方式来实现。当执行机构运动超出有效行程时，通过滚珠丝杠螺杆上的销轴与螺母接触实现机械限位，避免了电动舵机出现撞缸卡死。这种防撞死执行机构由于需要限位销轴，占用了一定的轴向空间，不利于电动舵机的小型化、复合集成化，一般仅适用于空间限制要求不高的电动舵机中。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种防撞死电动舵机执行机构，用以解决现有防撞死舵机轴向尺寸较大的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种防撞死电动舵机执行机构，执行机构的无刷伺服电动机的输出轴通过齿轮组与滚珠丝杠副的滚珠丝杠螺杆连接；滚珠丝杠副的滚珠丝杠螺母侧面上设有柱状凸台，通过柱状凸台滚珠丝杠螺母拨动拨叉，带动轴套转动；当电动舵机在失控或异常状态下，滚珠丝杠副的滚珠丝杠螺母仅与丝杠两端的角接触轴承外圈接触。

执行机构的外侧设有框架，滚珠丝杠螺杆的两端通过角接触轴承与框架连接，且滚珠丝杠螺杆的一端穿过角接触轴承，与齿轮组连接。

滚珠丝杠螺母沿轴向的两端的外缘设有沿轴向的凸缘，并保证滚珠丝杠螺母运动至滚珠丝杠螺杆两端时，滚珠丝杠螺母的凸缘与角接触轴承的外圈接触。

滚珠丝杠螺母侧面的设有2个柱状凸台，2个柱状凸台分别设置在滚珠丝杠螺母的两侧，且2个柱状凸台的轴线共线，并与滚珠丝杠螺母的轴线平行；滚珠丝杠螺母除内部滚珠结构外，整体结构中心对称；

每个柱状凸台外侧设有滑动连接套，且顶部通过螺钉固定有限位片，用来防止滑动连接套脱落；滑动连接套采用C3604铜制成。

轴套通过深沟球轴承与框架连接；

轴套的一侧设有2个拨叉，拨叉与轴套为一体结构，且拨叉的开口方向一致；2个拨叉之间的距离大于滚珠丝杠螺母的直径，并保证滚珠丝杠螺母两侧的柱状凸台与分别与1个拨叉形成滑动副。

齿轮组包括：电机齿轮、传递齿轮、丝杠齿轮；

电机齿轮与无刷伺服电动机的输出轴固连；

传递齿轮通过深沟球轴承与框架连接；

丝杠齿轮固连在滚珠丝杠螺杆穿过角接触轴承的一端；

电机齿轮与传递齿轮啮合、传递齿轮与丝杠齿轮啮合。

无刷伺服电动机的输出轴轴向与滚珠丝杠螺杆的轴向平行，且无刷伺服电动机与滚珠丝杠螺母位于齿轮组的同一侧。

一种该执行机构使用的控制方法，该控制方法采用PID控制，且PID控制过程中的积分项进行防饱和控制。

防饱和控制具体为：

检测舵机的上电和解锁状态，如果舵机未上电或未解锁，PID控制过程中对PID控制过程中的积分项进行清零，否则启动PID控制过程中的积分过程。

防饱和控制具体为：

PID控制过程进行当中，当舵机控制绝对值小于0.5°时，将控制过程的衰减率调整为0.15；当舵机控制绝对值大于或等于0.5°时，控制过程的衰减率不变。

本发明有益效果如下：

1、本发明采用大传动比多级齿轮组来降低无刷伺服电动机的输出转速，防止大传动比下齿轮啮合发生跑飞或卡死的情况，还保证了较小的轴向占用空间；

2、本发明采用异形的滚珠丝杠螺母结合拨叉，使滚珠丝杠螺母的平移有效通过拨叉带动轴套摆动，无需在滚珠丝杠螺杆上设置限位销，既实现了舵机功能，还缩小了滚珠丝杠螺母在滚珠丝杠螺杆上的行程，从而缩小了整个执行机构的尺寸，有利于实现电动舵机执行机构小型化结构设计；

3、本发明的滚珠丝杠螺杆采用角接触轴承，且滚珠丝杠螺母的两端设有凸缘，使得即使在极端情况下滚珠丝杠螺母过度位移，发生撞缸，但撞缸时滚珠丝杠螺母仅与丝杠两端的角接触轴承外圈接触，不会使角接触轴承卡死，从而防止整个执行机构在撞缸时卡死；

4、本发明改进了原有的PID控制方法，通过调整控制方法并添加积分防饱和控制方法，可以有效避免在PID控制过程中因积分项饱和而发生系统跑飞导致舵机撞缸的情况；

5、本发明提高舵机抗冲击卡死能力，并引入控制方法保护，提高电动舵机系统运行稳定性和安全性，能够减少电动舵机行程占用空间，避免电动舵机在失控或异常状态下撞缸卡死而无法无法自行恢复到正常状态，有效地防止电机、驱动器等元器件过流堵转损坏。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为传统防撞死电动舵机执行机构的丝杠螺杆上的限位销的示意图；

图2为一种防撞死电动舵机执行机构的内部结构示意图；

图3为一种防撞死电动舵机执行机构的内部结构仰视剖面图；

图中：1-无刷伺服电动机、2-框架、3-角接触轴承、4-滚珠丝杠螺杆、5-滚珠丝杠螺母、6-拨叉、7-轴套、8-电机齿轮、9-传递齿轮、10-丝杠齿轮。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

如图2所示，一种防撞死电动舵机执行机构，该执行机构包括：无刷伺服电动机1、齿轮组、滚珠丝杠副、拨叉6、轴套7；

无刷伺服电动机1的输出轴通过齿轮组与滚珠丝杠副的滚珠丝杠螺杆4连接；轴套7与拨叉6固连；

滚珠丝杠副的滚珠丝杠螺母5侧面上设有柱状凸台，通过柱状凸台滚珠丝杠螺母5拨动拨叉6，带动轴套7转动，将无刷伺服电动机1的输出动力转换为舵机的输出动力。

无刷伺服电动机1的输出轴经过电机齿轮8、传递齿轮9、丝杠齿轮10的齿轮减速后，传动到滚珠丝杠副的滚珠丝杠螺杆4，滚珠丝杠副内部将滚珠丝杠螺杆4的旋转运动转化为滚珠丝杠螺母5的平动，滚珠丝杠螺母5平动带动拨叉6偏置，拨叉6与轴套7刚性连接，从而使轴套7输出旋转运动。

执行机构的外侧设有框架2，滚珠丝杠螺杆4的两端通过角接触轴承3与框架2连接，且滚珠丝杠螺杆4的一端穿过角接触轴承3，与齿轮组连接。

如图3所示，滚珠丝杠螺母5沿轴向的两端的外缘设有沿轴向的凸缘，并保证滚珠丝杠螺母5运动至滚珠丝杠螺杆4两端时，滚珠丝杠螺母5的凸缘与角接触轴承3的外圈接触，撞缸产生的碰撞可使角接触轴承内外圈拖开，不会使角接触轴承3卡死，从而使电动舵机执行机构具备了防撞死能力，同时省去了原有为了实现滚珠丝杠执行机构防撞死功能，在滚珠丝杠增加限位销轴的结构(如图1所示)，单端节省滚珠丝杠行程空间8mm以上，本发明在保证执行机构具有防撞死功能的前提下，有利于实现电动舵机执行机构小型化结构设计；

滚珠丝杠螺母5侧面的设有2个柱状凸台，2个柱状凸台分别设置在滚珠丝杠螺母5的两侧，且2个柱状凸台的轴线共线，并与滚珠丝杠螺母5的轴线平行；滚珠丝杠螺母5除内部滚珠结构外，整体结构中心对称；

每个柱状凸台外侧设有滑动连接套，且顶部通过螺钉固定有限位片，用来防止滑动连接套脱落；滑动连接套采用C3604铜制成；滑动连接套用来防止滑动副对柱状凸台磨损，因此滑动连接套采用耐磨材料制成，C3604铜相对于一般的耐磨材料更加适宜精密设备和零件的使用。

轴套7通过深沟球轴承与框架2连接；

轴套7的一侧设有2个拨叉6，拨叉6与轴套7为一体结构，且拨叉6的开口方向一致；2个拨叉6之间的距离大于滚珠丝杠螺母5的直径，并保证滚珠丝杠螺母5两侧的柱状凸台与分别与1个拨叉6形成滑动副。

本发明采用异形的滚珠丝杠螺母结合拨叉，使滚珠丝杠螺母的平移有效通过拨叉带动轴套摆动，无需在滚珠丝杠螺杆上设置限位销，既实现了舵机功能，还缩小了滚珠丝杠螺母在滚珠丝杠螺杆上的行程，从而缩小了整个执行机构的尺寸，有利于实现电动舵机执行机构小型化结构设计。

齿轮组包括：电机齿轮8、传递齿轮9、丝杠齿轮10；

电机齿轮8与无刷伺服电动机1的输出轴固连；

传递齿轮9通过深沟球轴承与框架2连接；

丝杠齿轮10固连在滚珠丝杠螺杆4穿过角接触轴承3的一端；

电机齿轮8与传递齿轮9啮合、传递齿轮9与丝杠齿轮10啮合。

本发明采用大传动比多级齿轮组来降低无刷伺服电动机的输出转速，相较现有的单级齿轮传动，减小了齿轮间的传动比，同时结合丝杠副进一步减小了齿轮之间的传动比，防止大传动比情况下，齿轮传动啮合时发生跑飞或卡死的情况，有利于减轻齿轮的磨损，还保证了较小的轴向占用空间。

无刷伺服电动机1为执行机构的动力源；

无刷伺服电动机1驱动电机齿轮8转动，通过锁锁住齿轮组进行降速后，无刷伺服电动机1的输出动力转换为滚珠丝杠螺杆4的转动；

滚珠丝杠螺杆4的转动带动滚珠丝杠螺母5沿滚珠丝杠螺杆4的轴向运动，并通过柱状凸台与拨叉6的滑动副带动拨叉6和轴套7转动，滚珠丝杠螺杆4的转动转化为轴套7的转动。

无刷伺服电动机1的输出轴轴向与滚珠丝杠螺杆4的轴向平行，且无刷伺服电动机1与滚珠丝杠螺母5位于齿轮组的同一侧。

为避免人为误操作引起电动舵机异常撞缸，除结构进行防撞死设计以外，还可以通过控制软件保护，消除积分饱和溢出，进一步防止电动舵机撞缸现象的出现。同时考虑到如果控制系统出现大的偏差，积分的累加容易出现饱和现象，从而引起大幅度的超调，使得舵机系统出现大过冲撞缸。

本发明提出一种该执行机构使用的控制方法，该控制方法采用PID控制，且PID控制过程中的积分项进行防饱和控制，避免积分饱和现象造成控制的影响。

防饱和控制具体为：

检测舵机的上电和解锁状态，如果舵机未上电或未解锁，PID控制过程中对PID控制过程中的积分项进行清零，否则启动PID控制过程中的积分过程；该控制方法能够避免舵机上电瞬间对控制系统的影响，防止系统上电时舵机跑飞撞缸。

防饱和控制具体为：

PID控制过程进行当中，当舵机控制绝对值小于0.5°时，将控制过程的衰减率调整为0.15；当舵机控制绝对值大于或等于0.5°时，控制过程的衰减率不变；该控制方法能够在舵机上电后的控制过程当中，避免PID控制过程中因误操作等原因造成积分饱和，防止系统运行过程中舵机跑飞撞缸。

综上所述，本发明实施例提供了一种防撞死电动舵机执行机构，本发明的防撞死执行机构，结构简单紧凑、不过多占空行程，通过优化滚珠丝杠螺母外形以及滚珠丝杠螺母与角接触轴承的撞缸接触部位与接触面积，同时在结构防撞死设计的基础上采用控制方法的防饱和设计的双重保护，方法简单可靠、易于推广。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种防撞死电动舵机执行机构，其特征在于，所述执行机构的无刷伺服电动机(1)的输出轴通过齿轮组与滚珠丝杠副的滚珠丝杠螺杆(4)连接；所述滚珠丝杠副的滚珠丝杠螺母(5)侧面上设有柱状凸台，通过柱状凸台所述滚珠丝杠螺母(5)拨动拨叉(6)，带动轴套(7)转动；当电动舵机在失控或异常状态下，所述滚珠丝杠副的滚珠丝杠螺母(5)仅与滚珠丝杠螺杆(4)两端的角接触轴承外圈接触，使角接触轴承内外圈拖开；

所述执行机构的外侧设有框架(2)，所述滚珠丝杠螺杆(4)的两端通过角接触轴承(3)与所述框架(2)连接，且所述滚珠丝杠螺杆(4)的一端穿过所述角接触轴承(3)，与所述齿轮组连接；

所述滚珠丝杠螺母(5)沿轴向的两端的外缘设有沿轴向的凸缘，并保证所述滚珠丝杠螺母(5)运动至所述滚珠丝杠螺杆(4)两端时，所述滚珠丝杠螺母(5)的凸缘与所述角接触轴承(3)的外圈接触。

2.根据权利要求1所述的执行机构，其特征在于，所述滚珠丝杠螺母(5)的侧面设有2个柱状凸台，2个所述柱状凸台分别设置在所述滚珠丝杠螺母(5)的两侧，且2个所述柱状凸台的轴线共线，并与所述滚珠丝杠螺母(5)的轴线平行；所述滚珠丝杠螺母(5)除内部滚珠结构外，整体结构中心对称；

每个所述柱状凸台外侧设有滑动连接套，且顶部通过螺钉固定有限位片，用来防止所述滑动连接套脱落；所述滑动连接套采用C3604铜制成。

3.根据权利要求2所述的执行机构，其特征在于，所述轴套(7)通过深沟球轴承与所述框架(2)连接；

所述轴套(7)的一侧设有2个拨叉(6)，所述拨叉(6)与轴套(7)为一体结构，且所述拨叉(6)的开口方向一致；2个所述拨叉(6)之间的距离大于所述滚珠丝杠螺母(5)的直径，并保证所述滚珠丝杠螺母(5)两侧的柱状凸台分别与1个所述拨叉(6)形成滑动副。

4.根据权利要求3所述的执行机构，其特征在于，所述齿轮组包括：电机齿轮(8)、传递齿轮(9)、丝杠齿轮(10)；

所述电机齿轮(8)与无刷伺服电动机(1)的输出轴固连；

所述传递齿轮(9)通过深沟球轴承与所述框架(2)连接；

所述丝杠齿轮(10)固连在所述滚珠丝杠螺杆(4)穿过所述角接触轴承(3)的一端；

所述电机齿轮(8)与传递齿轮(9)啮合、所述传递齿轮(9)与丝杠齿轮(10)啮合。

5.根据权利要求4所述的执行机构，其特征在于，所述无刷伺服电动机(1)的输出轴轴向与所述滚珠丝杠螺杆(4)的轴向平行，且所述无刷伺服电动机(1)与所述滚珠丝杠螺母(5)位于所述齿轮组的同一侧。

6.一种权利要求1至5任一所述执行机构使用的控制方法，其特征在于，该控制方法采用PID控制，且PID控制过程中的积分项进行防饱和控制。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述防饱和控制具体为：

检测舵机的上电和解锁状态，如果舵机未上电或未解锁，对PID控制过程中的积分项进行清零，否则启动PID控制过程中的积分过程。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述防饱和控制具体为：

PID控制过程进行当中，当舵机控制绝对值小于0.5°时，将控制过程的衰减率调整为0.15；当舵机控制绝对值大于或等于0.5°时，控制过程的衰减率不变。

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