CN109519449A - 一种集成式机电伺服机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成式机电伺服机构，由EHA作动器和EMA作动器两种不同原理的机电伺服机构与离合器共同组成冗余系统，通过离合器来实现两种伺服机构间的反复切换。其中EHA作动器、EMA作动器和离合器均采用模块化设计，各自功能独立；EHA作动器为对称缸结构，芯部中空；EMA作动器嵌入EHA作动器，实现两种伺服机构的系统并联；EMA作动器采用整体式自润滑自清洁结构设计，通过闭式液压循环系统实现了对EMA丝杠和轴承等重要部件的润滑和清洁，保证了伺服机构长时间工作的可靠性。

Description

一种集成式机电伺服机构
技术领域
本发明涉及一种机电伺服机构，特别是涉及一种大功率集成式异构冗余机电伺服机构，属于大功率高可靠性伺服技术领域。
背景技术
随着新材料、电机技术、控制学和先进制造技术等的发展，新型的功率电传(PowerBy Wire，PBW)伺服机构将可能完全取代传统的电液伺服机构，PBW伺服机构主要分为机电静压作动器(Electro-Hydrostatic Actuators,EHA)和机电作动器(Electro-MechanicalActuators，EMA)两种。
EHA通过伺服电机控制恒量双向泵的转速和方向，由液压作动器推动负载实现位移输出。既有机电伺服可靠性高、节能和维护方便的特点，又因为采用了液压传动而具有出力大、传动可靠性高的优势。
EMA通过控制电信号来控制驱动电机，并通过行星滚珠丝杠等机械传动装置来驱动负载，显著提高了伺服机构的效率、可维护性、可靠性及保障能力。
传统大功率电液伺服机构采用液压能源+控制阀+执行机构的系统配置形式，其占地空间大，运行效率低，隔振降噪困难且控制阀抗污染能力差，即便能源、控制阀和执行机构实现了冗余设计，但由于采用相同的伺服机构原理，其失效模式相同，单一失效模式便会造成系统整体失效，系统层级可靠性不高。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服传统大功率电液伺服技术的不足，提供一种大功率集成式高可靠性机电伺服机构，具有占地空间小，运行效率高，低振动和噪音且抗污染能力强，长时间工作下高可靠性的特点。
本发明的技术解决方案是：
一种集成式机电伺服机构，包括：EMA作动器、EHA作动器以及离合器；
EMA作动器嵌入EHA作动器的内部，离合器安装在EHA作动器的前端部，用于EMA作动器和EHA作动器的切换，EMA作动器、EHA作动器以及离合器均同轴安装。
EHA作动器包括壳体前端盖、壳体后端盖、壳体、大活塞、支撑套、小活塞、第一内筒、第一防转键、第二防转键、第二内筒、EHA模拟位移传感器、EHA数字位移传感器；
壳体后端盖、壳体、大活塞、支撑套、小活塞共同形成了无杆腔a、有杆腔b和补偿腔c，其中壳体后端盖、壳体和大活塞形成无杆腔a；壳体前端盖、壳体和大活塞形成有杆腔b；支撑套和小活塞形成有杆腔c；
第一内筒通过第二防转键给小活塞导向，小活塞通过第一防转键给大活塞导向；小活塞与大活塞固连；壳体外部设置有EHA数字位移传感器，用于EHA位置闭环；EHA作动器前端通过法兰与离合器同轴安装，后端通过法兰与EMA作动器实现同轴安装，第二内筒中空，其芯部用于嵌入EMA作动器，第二内筒内还设置有EHA模拟位移传感器，用于EHA位置闭环。
EHA作动器为对称缸结构。
无杆腔a有效作用面积＝有杆腔b有效作用面积+补偿腔c有效作用面积。
小活塞与大活塞固连，同步运动且不发生相对转动，保证离合器销轴与EMA作动器上对应的销孔不发生轴向位置错动。
EHA模拟位移传感器和EHA数字位移传感器互为冗余。
EMA作动器包括波纹管油箱、控制阀块、旋转变压器、EMA数字位移传感器、平键、主轴、背母、丝杠螺母、丝杆、前端导向套、锁紧锥销孔、力矩电机转子轴、EMA电机水套、锁紧螺母、主轴轴承、轴承座和丝杆转接座；
力矩电机转子轴通过平键驱动主轴转动，丝杠螺母与主轴通过螺纹连接，并用背母进行锁紧传递扭矩，从而驱动丝杆直线运动；主轴轴承用于支撑主轴，并通过锁紧螺母提供预紧力；前端导向套设置有密封结构，与轴承座形成密闭腔，其中充满液压油；波纹管油箱提供系统背压和动态油液贮存空间；
控制阀块上装有单向阀、加注活门、低压安全阀、油滤组件、排气阀和压力表，与波纹管油箱构成闭式液压循环系统；EMA电机水套通过冷却淡水对液压油进行散热；旋转变压器安装在电机转子轴上，与EMA数字位移传感器配合实现EMA作动器的位移闭环控制；丝杠锁紧锥销孔与离合器上锁紧销配合，用于传递负载力，丝杆转接座上设置的销孔与离合器上定位销配合，用于锁紧定位。
在丝杆缩回行程中，丝杠左侧容腔A缩小，右侧容腔B变大，液压油从容腔A开始，依次流经电机转子轴所在电机和主轴轴承后，进入油滤组件，再通过单向阀最后回到波纹管油箱中进行储存。
在丝杆伸出行程中，丝杠右侧容腔B缩小，左侧容腔A变大，波纹管油箱中储存的液压油通过单向阀进入容腔A，并依次流经电机转子轴所在电机、主轴轴承和丝杠后进入容腔B。
丝杠伸缩过程形成液压油的循环往复，保证了丝杆的散热，同时，保证丝杠工作过程中产生的多余物均聚在油滤组件上，实现了液压油的清洁。
液压油通过加注活门注入，低压安全阀保证压力稳定，通过充气嘴向波纹管油箱内充入氮气，以提供背压，排气阀用于在油液加注过程中排出多余空气，压力表用于监测压力。
一种集成式机电伺服系统，包括：电源、伺服驱动控制器、动力集成单元以及所述机电伺服机构；
电源为伺服驱动控制器和动力集成单元供电，伺服驱动控制器通过CAN数字总线或者模拟信号通路接收外部控制指令信号，控制动力集成单元驱动机电伺服机构，推动负载进行工作；机电伺服机构反馈位置信号给伺服驱动控制器，动力集成单元反馈电流信号和速度信号给伺服驱动控制器，从而实现伺服系统的闭环控制。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用模块化设计，整套伺服机构包括EHA、EMA和离合器三部分，各部分功能独立，三者通过安装法兰及螺钉进行连接，交联环节少，具有良好的维护性。
(2)本发明通过EHA与EMA两种大功率机电伺服机构并联式设计，实现了系统层面非相同原理伺服机构的冗余，EHA与EMA互为热备份，其失效模式不同，从而大大提升了系统的可靠性。
(3)本发明通过离合器来实现EHA与EMA的无缝可靠切换，切换可逆，且切换过程中伺服机构始终处于受控状态。
(4)本发明EHA伺服机构的作动器采用对称缸结构，作动器两腔容积相同，可以有效降低作动器的换向冲击，从而降低振动和噪声；作动器芯部为中空结构，为EMA的集成提供了有效的安装空间，从而节省了安装空间。
(5)本发明EMA伺服机构采用整体式自润滑自清洁结构设计，通过闭式液压循环系统实现了对EMA丝杠和轴承等重要部件的润滑和清洁，保证了伺服机构长时间工作的可靠性。
附图说明
图1是大功率集成式高可靠性机电伺服系统配置图；
图2是大功率集成式高可靠性机电伺服机构总体布局图；
图3是EHA作动器结构示意图；
图4是EMA作动器结构示意图；
图5是EMA自润滑自清洁液压循环系统原理图。
具体实施方式
如图2所示，本发明提出了一种集成式机电伺服机构，包括：EMA作动器1、EHA作动器2以及离合器3；
EMA作动器1嵌入EHA作动器2的内部，离合器3安装在EHA作动器2的前端部，用于EMA作动器1和EHA作动器2的切换，EMA作动器1、EHA作动器2以及离合器3均同轴安装，EMA作动器1、EHA作动器2和离合器3均采用模块化设计，功能相互独立，交联环节少，具有良好的维护性。
如图3所示，本发明中涉及的EHA作动器2包括壳体前端盖20、壳体后端盖21、壳体22、大活塞23、支撑套24、小活塞25、第一内筒26、第一防转键27、第二防转键28、第二内筒29、EHA模拟位移传感器210、EHA数字位移传感器211；
壳体后端盖21、壳体22、大活塞23、支撑套24、小活塞25共同形成了无杆腔a、有杆腔b和补偿腔c，其中壳体后端盖21、壳体22和大活塞23形成无杆腔a；壳体前端盖20、壳体22和大活塞23形成有杆腔b；支撑套24和小活塞25形成有杆腔c；壳体22、大活塞23、支撑套24和小活塞25表面均采用QPQ处理工艺，以增强其表面硬度和耐磨性；腔体之间密封采用往复组合式密封，包括斯特封、雷姆封、格来圈以及支撑圈，腔体对外密封采用双道O型圈密封，密封件均采用标准产品。
第一内筒26通过第二防转键28给小活塞25导向，小活塞25通过第一防转键27给大活塞23导向；小活塞24与大活塞23固连；小活塞5与大活塞3固连，同步运动且不发生相对转动，保证离合器3销轴与EMA作动器1上对应的销孔不发生轴向位置错动。
壳体22外部设置有EHA数字位移传感器211，用于EHA位置闭环；EHA作动器2前端通过法兰与离合器3同轴安装，后端通过法兰与EMA作动器1实现同轴安装，第二内筒29中空，为EMA的集成提供了有效的安装空间，从而节省了安装空间，其芯部用于嵌入EMA作动器1，第二内筒29内还设置有EHA模拟位移传感器210，用于EHA位置闭环。EHA模拟位移传感器210和EHA数字位移传感器211互为冗余。
EHA作动器2为对称缸结构：无杆腔a有效作用面积＝有杆腔b有效作用面积+补偿腔c有效作用面积，可以有效降低作动器的换向冲击，从而降低振动和噪声。
如图4所示，本发明提出的EMA作动器1包括波纹管油箱11、控制阀块12、旋转变压器13、EMA数字位移传感器14、平键15、主轴16、背母17、丝杠螺母18、丝杆19、前端导向套110、锁紧锥销孔111、力矩电机转子轴112、EMA电机水套113、锁紧螺母114、主轴轴承115、轴承座116和丝杆转接座117；
力矩电机转子轴112通过平键15驱动主轴16转动，丝杠螺母18与主轴16通过螺纹连接，并用背母17进行锁紧传递扭矩，从而驱动丝杆19直线运动；主轴轴承115用于支撑主轴16，并通过锁紧螺母114提供预紧力；前端导向套110设置有密封结构，与轴承座116形成密闭腔，其中充满液压油；波纹管油箱11提供系统背压和动态油液贮存空间；
控制阀块12上装有单向阀50、加注活门51、低压安全阀52、油滤组件53、排气阀54和压力表55，与波纹管油箱11构成闭式液压循环系统；EMA电机水套113通过冷却淡水对液压油进行散热；旋转变压器13安装在电机转子轴112上，与EMA数字位移传感器14配合实现EMA作动器1的位移闭环控制；丝杠锁紧锥销孔111与离合器3上锁紧销配合，用于传递负载力，丝杆转接座117上设置的销孔与离合器3上定位销配合，用于锁紧定位。
如图5所示，本发明提出一种液压循环润滑清洁系统，在丝杆19缩回行程中，丝杠19左侧容腔A缩小，右侧容腔B变大，液压油从容腔A开始，依次流经电机转子轴112所在电机和主轴轴承115后，进入油滤组件53，再通过单向阀50最后回到波纹管油箱11中进行储存。
在丝杆19伸出行程中，丝杠19右侧容腔B缩小，左侧容腔A变大，波纹管油箱11中储存的液压油通过单向阀50进入容腔A，并依次流经电机转子轴112所在电机、主轴轴承115和丝杠19后进入容腔B。
丝杠19伸缩过程形成液压油的循环往复，保证了丝杆19的润滑和散热，同时，保证丝杠19工作过程中产生的多余物均聚在油滤组件53上，实现了液压油的清洁。
液压油通过加注活门51注入，低压安全阀52保证压力稳定，通过充气嘴56向波纹管油箱11内充入氮气，以提供背压，排气阀54用于在油液加注过程中排出多余空气，压力表55用于监测压力。
更进一步的，本发明还提出一种集成式机电伺服系统，如图1所示，包括：电源、伺服驱动控制器、动力集成单元以及上述机电伺服机构；
电源为伺服驱动控制器和动力集成单元供电，伺服驱动控制器通过CAN数字总线或者模拟信号通路接收外部控制指令信号，控制动力集成单元驱动机电伺服机构，推动负载进行工作；机电伺服机构反馈位置信号给伺服驱动控制器，动力集成单元反馈电流信号和速度信号给伺服驱动控制器，从而实现伺服系统的闭环控制。
更进一步的，本发明提出了如图1所示的大功率集成式高可靠性机电伺服的系统，外部电源给伺服驱动控制器提供直流供电(24V和350V～640V)，伺服驱动控制器通过CAN数字总线或者模拟信号通路接收外部控制指令信号，并驱动控制EHA作动器、EMA作动器及离合器，EHA或者EMA推动负载进行正常工作，离合器可以实现EHA与EMA的无缝切换；电流传感器、旋转变压器和位移传感器(实际上是包含在动力集成单元中和作动器中)，分别提供电流反馈信号、速度反馈信号以及位置反馈信号给伺服驱动控制器，通过信号解算和相应的控制算法，从而实现伺服系统的闭环控制。
实施例：
该实施伺服机构EHA部分功率等级可达15kW，EMA部分功率等级达10kW，两者可实现可逆的无缝切换；其外形尺寸更加紧凑，重量更轻，比现有被替代产品尺寸减少20％左右，重量减轻30％左右；在我国某型舰船的军方鉴定试验中，根据国军标GJB4000-2000及研制任务书中的相关要求，伺服机构通过600h小时不间断加载运行，工作正常，性能满足设计要求，与现有技术相比可靠性可以提升5％。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。

Claims (12)

1.一种集成式机电伺服机构，其特征在于包括：EMA作动器(1)、EHA作动器(2)以及离合器(3)；
EMA作动器(1)嵌入EHA作动器(2)的内部，离合器(3)安装在EHA作动器(2)的前端部，用于EMA作动器(1)和EHA作动器(2)的切换，EMA作动器(1)、EHA作动器(2)以及离合器(3)均同轴安装。
2.根据权利要求1所述一种集成式机电伺服机构，其特征在于：EHA作动器(2)包括壳体前端盖(20)、壳体后端盖(21)、壳体(22)、大活塞(23)、支撑套(24)、小活塞(25)、第一内筒(26)、第一防转键(27)、第二防转键(28)、第二内筒(29)、EHA模拟位移传感器(210)、EHA数字位移传感器(211)；
壳体后端盖(21)、壳体(22)、大活塞(23)、支撑套(24)、小活塞(25)共同形成了无杆腔a、有杆腔b和补偿腔c，其中壳体后端盖(21)、壳体(22)和大活塞(23)形成无杆腔a；壳体前端盖(20)、壳体(22)和大活塞(23)形成有杆腔b；支撑套(24)和小活塞(25)形成有杆腔c；
第一内筒(26)通过第二防转键(28)给小活塞(25)导向，小活塞(25)通过第一防转键(27)给大活塞(23)导向；小活塞(24)与大活塞(23)固连；壳体(22)外部设置有EHA数字位移传感器(211)，用于EHA位置闭环；EHA作动器(2)前端通过法兰与离合器(3)同轴安装，后端通过法兰与EMA作动器(1)实现同轴安装，第二内筒(29)中空，其芯部用于嵌入EMA作动器(1)，第二内筒(29)内还设置有EHA模拟位移传感器(210)，用于EHA位置闭环。
3.根据权利要求2所述一种集成式机电伺服机构，其特征在于：EHA作动器(2)为对称缸结构。
4.根据权利要求3所述一种集成式机电伺服机构，其特征在于：无杆腔a有效作用面积＝有杆腔b有效作用面积+补偿腔c有效作用面积。
5.根据权利要求2所述一种集成式机电伺服机构，其特征在于：小活塞5与大活塞3固连，同步运动且不发生相对转动，保证离合器(3)销轴与EMA作动器(1)上对应的销孔不发生轴向位置错动。
6.根据权利要求2所述一种集成式机电伺服机构，其特征在于：EHA模拟位移传感器(210)和EHA数字位移传感器(211)互为冗余。
7.根据权利要求1所述一种集成式机电伺服机构，其特征在于：EMA作动器(1)包括波纹管油箱(11)、控制阀块(12)、旋转变压器(13)、EMA数字位移传感器(14)、平键(15)、主轴(16)、背母(17)、丝杠螺母(18)、丝杆(19)、前端导向套(110)、锁紧锥销孔(111)、力矩电机转子轴(112)、EMA电机水套(113)、锁紧螺母(114)、主轴轴承(115)、轴承座(116)和丝杆转接座(117)；
力矩电机转子轴(112)通过平键(15)驱动主轴(16)转动，丝杠螺母(18)与主轴(16)通过螺纹连接，并用背母(17)进行锁紧传递扭矩，从而驱动丝杆(19)直线运动；主轴轴承(115)用于支撑主轴(16)，并通过锁紧螺母(114)提供预紧力；前端导向套(110)设置有密封结构，与轴承座(116)形成密闭腔，其中充满液压油；波纹管油箱(11)提供系统背压和动态油液贮存空间；
控制阀块(12)上装有单向阀(50)、加注活门(51)、低压安全阀(52)、油滤组件(53)、排气阀(54)和压力表(55)，与波纹管油箱(11)构成闭式液压循环系统；EMA电机水套(113)通过冷却淡水对液压油进行散热；旋转变压器(13)安装在电机转子轴(112)上，与EMA数字位移传感器(14)配合实现EMA作动器(1)的位移闭环控制；丝杠锁紧锥销孔(111)与离合器(3)上锁紧销配合，用于传递负载力，丝杆转接座(117)上设置的销孔与离合器(3)上定位销配合，用于锁紧定位。
8.根据权利要求7所述一种集成式机电伺服机构，其特征在于：在丝杆(19)缩回行程中，丝杠(19)左侧容腔A缩小，右侧容腔B变大，液压油从容腔A开始，依次流经电机转子轴(112)所在电机和主轴轴承(115)后，进入油滤组件(53)，再通过单向阀(50)最后回到波纹管油箱(11)中进行储存。
9.根据权利要求7所述一种集成式机电伺服机构，其特征在于：在丝杆(19)伸出行程中，丝杠(19)右侧容腔B缩小，左侧容腔A变大，波纹管油箱(11)中储存的液压油通过单向阀(50)进入容腔A，并依次流经电机转子轴(112)所在电机、主轴轴承(115)和丝杠(19)后进入容腔B。
10.根据权利要求7所述一种集成式机电伺服机构，其特征在于：丝杠(19)伸缩过程形成液压油的循环往复，保证了丝杆(19)的散热，同时，保证丝杠(19)工作过程中产生的多余物均聚在油滤组件(53)上，实现了液压油的清洁。
11.根据权利要求7所述一种集成式机电伺服机构，其特征在于：液压油通过加注活门(51)注入，低压安全阀(52)保证压力稳定，通过充气嘴(56)向波纹管油箱(11)内充入氮气，以提供背压，排气阀(54)用于在油液加注过程中排出多余空气，压力表(55)用于监测压力。
12.一种集成式机电伺服系统，其特征在于包括：电源、伺服驱动控制器、动力集成单元以及如权利要求1～11中任一条所述机电伺服机构；
电源为伺服驱动控制器和动力集成单元供电，伺服驱动控制器通过CAN数字总线或者模拟信号通路接收外部控制指令信号，控制动力集成单元驱动机电伺服机构，推动负载进行工作；机电伺服机构反馈位置信号给伺服驱动控制器，动力集成单元反馈电流信号和速度信号给伺服驱动控制器，从而实现伺服系统的闭环控制。
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