CN108612819B - 一种细长型旋转式舵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种细长型旋转式舵系统，包括：具有中空的细长型导向架的机构本体，设置在机构本体一端的减速机构，以及复合丝杆组件，其中复合丝杆组件包括滚珠丝杆、与滚珠丝杆另一端螺纹匹配连接的丝杆螺母、以及一端与丝杆螺母螺纹配合连接而另一端穿过与输出轴连接的梯形丝杆，通过所述滚珠丝杆和丝杆螺母将旋转动力转化为直线输出并再次通过丝杆螺母与梯形丝杆将直线输出再度转化为旋转输出。本发明的舵系统采用特定的复合丝杆结构进行传动，而且采用复合丝杆施加预紧力减小传动机构间隙，使得整个舵机结构不但结构细长、布局简单可靠，质量轻体积小，而且大大减小传动机构之间的间隙，传动精度高和安装精度高，输出扭矩大。

Description

一种细长型旋转式舵系统

技术领域

本发明属于伺服系统技术领域，更具体地，涉及一种旋转式舵系统。

背景技术

近年来，随着基础工业水平以及现代科技的不断进步，伺服系统正朝着小型化、长寿命、高效率、免维护的设计方向发展。伺服舵系统工作时，控制电路通过电机输出转矩，并由减速机构进一步放大转矩来控制舵片偏转，实现设备姿态调整。在某些具体应用环境下，由于所应用设备的扁平式结构，通常其内部空间程扁平分布，常规的舵机系统无法适用其中，而且统电动舵系统受传动方式限制，在扁平的狭小空间内很难输出较大的扭矩。

为克服上述缺陷，现有技术中一种方式是采用多级传动的方式以增大输出扭矩，但是，多级传动或额外增加传动环节，一方面系统复杂程度增加，另一方面会增加系统误差，从而影响舵系统的精度。另一种方式是提高其中部分环节的减速比，从而增大输出扭矩，但是增加减速比会要求更大的安装空间，不但不能适应扁平空间，反而会舵机体积和质量。

为了解决上述问题，目前现有技术中出现了结构较为细长的旋转式舵系统，其相对于传统电动舵系统其在保证舵机结构各项性能的基础上大幅度减小舵系统的体积与质量，可以适应于其容置空间狭小扁平的设备中，具备更为优越的动态输出特性、电功率特性以及控制性能。如专利文献CN105337447A中公开了一种扁平型电动舵机的结构，包括本体、大小齿轮、滚珠丝杠、滚珠丝杠副、摇臂输出轴、周向限位机构、以及无间隙转换机构，其中小齿轮与安装在本体的电机输出轴铆接固联，大齿轮通过键固联在滚珠丝杠的一端，一套滚珠丝杠副通过轴承将滚珠丝杠固定，通过的周向限位机构限制螺母的转动，无间隙转换机构连接滚珠丝杠副螺母与摇臂输出轴。该技术方案中的大齿轮、小齿轮、滚珠丝杠副、无间隙转换机构、摇臂输出轴采用串联设计，在扁平的狭小空间内实现“一字排开”的布局方式，合理且有效的利用了空间，使电动舵机实现了间隔小、高刚度。

但是，该技术方案中的旋转式舵机结构体积和质量尽管减小许多，但依然存在无法适应于特定需求环境下的应用场景的情况，而且这种舵机结构较为复杂，集成度和可靠性都不高，特别是结构上仍然存在传动间隙的可能从而影响传动精度，导致舵机精度仍然不能满足需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种细长型旋转式舵系统，其通过结构优化，采用特定的复合丝杆结构进行传动，并将相应的传动结构沿复合丝杆依次布局，从而使得整个舵机结构细长，而且采用复合丝杆施加预紧力减小传动机构间隙，使得整个舵机结构不但结构细长、布局简单可靠，质量轻体积小，而且大大减小传动机构之间的间隙，传动精度高和安装精度高，输出扭矩大。

为实现上述目的，按照本发明，提供一种细长型旋转式舵系统，其特征在于，包括：

机构本体，其具有中空的细长型导向架；

设置在机构本体一端的减速机构，其包括与动力装置连接的输入齿轮以及设置在上述导向架端部的输出齿轮，动力装置的动力通过输入齿轮进入减速机构减速后利用该输出齿轮输出；以及

复合丝杆组件，其包括一端与输出齿轮同轴固定连接的滚珠丝杆、设置在导向架中空腔内并与滚珠丝杆另一端螺纹匹配连接的丝杆螺母、以及一端与所述丝杆螺母螺纹配合连接而另一端穿过所述导向架中空腔并与输出轴连接的梯形丝杆，以此方式形成细长型结构，通过所述丝杆螺母和丝杆螺母将旋转动力转化为直线输出并再次通过所述丝杆螺母与梯形丝杆将直线输出再度转化为旋转输出，实现扭矩输出。

作为本发明的进一步改进，所述梯形丝杆呈杆体结构，其一端与丝杆螺母上的螺纹孔螺纹匹配啮合连接，另一端穿过导向架的中空腔体后与输出轴同轴连接，丝杆螺母的直线运动可通过螺纹匹配转换为梯形丝杆的旋转运动。

作为本发明的进一步改进，所述滚珠丝杆与丝杆螺母内部设有非接触式电位计，用于敏感丝杆螺母的位置信息。

作为本发明的进一步改进，所述丝杆螺母一端端部沿轴向上开有一定深度的螺纹孔，即孔体内壁设置有螺纹，用于与滚珠丝杆螺纹连接并形成螺纹副以相对运动，滚珠丝杆的旋转通过螺纹配合转换为丝杆螺母的直线运动，所述丝杆螺母的另一端端部也设置有用于与梯形丝杆连接的螺纹孔。

作为本发明的进一步改进，所述减速机构包括还包括设置在输入齿轮与输出齿轮之间的中间齿轮，其分别与所述输入齿轮和输出齿轮匹配，用于传递动力。

作为本发明的进一步改进，所述导向架中空腔内设置有插卡式控制板，其用于接收非接触式电位计输出的丝杆螺母位置信息的电信号，以输出至控制单元。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的细长型旋转式舵系统，采用滚珠丝杆、丝杆螺母及梯形丝杆作出的特定的复合丝杆结构进行传动，相应的传动结构沿复合丝杆依次布局，从而使得整个舵机结构细长，整个舵系统具备体积小、质量轻、传动精度高、安装精度高、输出扭矩大等优点；

(2)本发明的细长型旋转式舵系统，通过对复合丝杆施加预紧力的方式可以有效控制系统间隙，提高传动精度；

(3)本发明的细长型旋转式舵系统,在满足产品技术指标的基础上，具备集成度高、体积小、可靠性高、元件消耗成本低等特点；

(4)本发明的细长型旋转式舵系统中滚珠丝杆与丝杆螺母内部设有非接触式电位计，可识别丝杆螺母的位置信息，并通过电信号反馈插卡式控制板，从而可实现所述舵系统位置的闭环控制。

附图说明

图1为本发明实施例的细长型旋转式舵系统的装配示意图；

图2为本发明实施例的细长型旋转式舵系统的剖视图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-电机、2-减速机构、3-机体组件、4-大导程复合丝杆组件、5-输入齿轮、6-中间齿轮、7-轴承I、8-轴承II、9-输出齿轮、10-基座、11-下壳体、12-下基座、13-上基座、14-上端盖、15滚珠丝杆、16-导向架、17-丝杆螺母、18-梯形丝杆、19-输出轴、20-非接触式电位计。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例的细长型旋转式舵系统的装配示意图，图2为本发明实施例的细长型旋转式舵系统的剖视图。如图1-2所示，本发明一个优选实施例的细长型旋转式舵系统，包括机构本体，设置在机构本体一端的减速机构，以及设置在机构本体中的复合丝杆组件。输出轴设置在机构本体另一端，并与复合丝杆组件动力连接，例如优选可以通过离合器连接。复合丝杆本体组件与减速机构动力连接，例如优选是同轴固定连接。减速机构的输入端与动力装置动力连接，例如可以是直接连接或者通过离合器连接。动力装置例如为伺服电机，其可以设置在机构本体上。

机构本体优选为细长型壳体结构，其具有上下端盖及相应的上下基座机构，具体地，如图1和2所示，其包括基座10、下壳体11、下基座12、上基座13、上端盖14，其组合形成机构本体结构。机构本体结构上设置有导向架16，导向架16优选呈与机构本体结构匹配的细长型结构，该导向架16上具有沿长度轴线方向的中空腔体结构。

如图2所示，减速机构设置在机构本体一端，其包括输入齿轮5、中间齿轮6和输出齿轮9，优选地，输入齿轮5、中间齿轮6和输出齿轮9均设置在机构本体端部。如图2所示，其中，输入齿轮5与动力机构例如伺服电机输出轴连接，输出齿轮与复合丝杆组件动力连接，中间齿轮6设置在输入齿轮5和输出齿轮9之间，并分配与两者匹配啮合，用于将输入齿轮上的动力传递至输出齿轮9，输出齿轮9再将动力传递给复合丝杆组件。动力装置的动力通过输入齿轮进入减速机构减速后利用该输出齿轮输出

复合丝杆组件包括一端与输出齿轮同轴固定连接的滚珠丝杆15、设置在导向架16的中空腔内并与滚珠丝杆15另一端螺纹匹配连接的丝杆螺母17、以及一端与丝杆螺母17螺纹配合连接而另一端穿过导向架16的中空腔并与输出轴连接的梯形丝杆18，以此方式形成细长型结构。

具体地，如图2所示，滚珠丝杆15其呈杆体结构，一端与输出齿轮9同轴固定连接，其可在输出齿轮9的带动下旋转，另一端深入导向架16的中空腔体中，该滚珠丝杆15端部通过轴承8支撑设置在机构本体上。

丝杆螺母17设置在导向架16的中空腔体中，其一端端部沿轴向上开有一定深度的螺纹孔，即孔体内壁设置有螺纹，用于与滚珠丝杆15螺纹连接并形成螺纹副，以相对运动，滚珠丝杆15的旋转通过螺纹配合转换为丝杆螺母17的直线运动。丝杆螺母17的另一端端部也设置有螺纹孔，其优选与另一端的螺纹孔同轴，两螺纹孔可以相通，也可以不相通，优选两螺纹孔内径不同。

梯形丝杆18呈杆体结构，其一端与丝杆螺母17上的螺纹孔螺纹匹配啮合连接，另一端穿过导向架16的中空腔体后与输出轴同轴连接，丝杆螺母17的直线运动可通过螺纹匹配转换为梯形丝杆18的旋转运动，进而带动输出轴旋转运动，实现扭矩输出。

如图2所示，滚珠丝杆15与丝杆螺母17内部设有非接触式电位计20，其可用于敏感丝杆螺母的位置信息。优选地，导向架16中空腔内设置有插卡式控制板，其用于接收非接触式电位计0输出的丝杆螺母位置信息的电信号，以输出至控制单元，以此方式实现对舵机的闭环控制。

电机1通过减速机构2实现扭矩与转速的输入，通过大导程复合丝杆组件实现大大扭矩与转速的输出。大导程复合丝杆组件设于机构本体3中部，其中包括滚珠丝杆15、导向架16、丝杆螺母17、梯形丝杆18、非接触式电位计19，通过滚珠丝杆15、导向架16、丝杆螺母17将旋转输出转化为直线输出，再通过导向架16、丝杆螺母17、梯形丝杆18将直线输出再度转化为旋转输出，并通过输出轴19实现扭矩输出。滚珠丝杆15与丝杆螺母17内部设有非接触式电位计20，用于识别丝杆螺母16的位置信息，通过电信号反馈插卡式控制板，从而实现所述舵系统位置的闭环控制。

工作时，舵系统控制电路接受控制系统发出的舵机控制信号，并将控制信号、舵机反馈信号按一定的控制规律生成PWM方波信号，经功率电路功率放大后驱动电机转动，经两级支持和复合丝杆实现舵机输出轴偏转实现角度与力矩输出，并采用非接触式直线电位计敏感丝杆螺母的位置信息，将位置信息转化为电信号反馈至控制电路，实现舵机位置闭环控制。

本方面的舵机系统针对安装空间小(扁平空间)、质量要求轻、扭矩输出大、动态特性要求高、控制精度要求高的需求，其采用直驱式平行布局，整体机构刚性较好、质量较轻、动态特性较好，采用复合丝杆技术，可以通过施加预紧力有效消除系统间隙，从而有效减小电动舵机易出现的“抖动现象”。因此该结构具有较高的可靠性与实用性，在满足产品技术指标要求的基础上，具备集成度高、体积小、可靠性高、元器件消耗成本低等特点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种细长型旋转式舵系统，其特征在于，包括：

机构本体，其具有中空的长条形导向架；

设置在机构本体一端的减速机构，其包括与动力装置连接的输入齿轮以及设置在上述导向架端部的输出齿轮，动力装置的动力通过输入齿轮进入减速机构减速后利用该输出齿轮输出；以及

复合丝杆组件，其包括一端与输出齿轮同轴固定连接的滚珠丝杆、设置在导向架中空腔内并与滚珠丝杆另一端螺纹匹配连接的丝杆螺母、以及一端与所述丝杆螺母螺纹配合连接而另一端穿过所述导向架中空腔并与输出轴连接的梯形丝杆，以此方式形成细长型结构，通过所述滚珠丝杆和丝杆螺母将旋转动力转化为直线输出并再次通过所述丝杆螺母与梯形丝杆将直线输出再度转化为旋转输出，实现扭矩输出。

2.根据权利要求1所述的细长型旋转式舵系统，其中，所述梯形丝杆呈杆体结构，其一端与丝杆螺母上的螺纹孔螺纹匹配啮合连接，另一端穿过导向架的中空腔体后与输出轴同轴连接，丝杆螺母的直线运动可通过螺纹匹配转换为梯形丝杆的旋转运动。

3.根据权利要求1所述的细长型旋转式舵系统，其中，所述滚珠丝杆与丝杆螺母内部设有非接触式电位计，用于感知丝杆螺母的位置信息。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的细长型旋转式舵系统，其中，所述丝杆螺母一端端部沿轴向上开有一定深度的螺纹孔，即孔体内壁设置有螺纹，用于与滚珠丝杆螺纹连接并形成螺纹副以相对运动，滚珠丝杆的旋转通过螺纹配合转换为丝杆螺母的直线运动，所述丝杆螺母的另一端端部也设置有用于与梯形丝杆连接的螺纹孔。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的细长型旋转式舵系统，其中，所述减速机构还包括设置在输入齿轮与输出齿轮之间的中间齿轮，其分别与所述输入齿轮和输出齿轮匹配，用于传递动力。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的细长型旋转式舵系统，其中，所述导向架中空腔内设置有插卡式控制板，其用于接收非接触式电位计输出的丝杆螺母位置信息的电信号，以输出至控制单元。

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