CN111130263A - 一种基于反向式行星滚柱丝杠的一体化电动缸 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于反向式行星滚柱丝杠的一体化电动缸，属于航空航天的电动缸技术领域，解决了现有电动缸无法实现高精度位置闭环控制、无伺服电机故障容错功能，且需要通过负载限制推杆转动的问题。本发明的一体化电动缸由缸体、轴承、定子绕组、转子永磁体、螺母套筒、滚柱丝杠、编码器、编码器安装架、编码器安装轴和磁致伸缩位移传感器组成；缸体包括壳体、端盖和导向套，端盖和导向套分别设置在壳体的两端；轴承套设在壳体内，螺母套筒套设在轴承内；螺母套筒与滚柱丝杠连接；壳体与定子绕组连接，转子永磁体设置在螺母套筒的外表面。本发明可实现高精度位置闭环控制，定子绕组互为冗余，无需增加推杆限制丝杠转动。

Description

一种基于反向式行星滚柱丝杠的一体化电动缸

技术领域

本发明涉及航空航天的电动缸技术领域，尤其涉及一种基于反向式行星滚柱丝杠的一体化电动缸。

背景技术

航空航天技术是高精尖的前沿科技技术，其中导弹发射车、发射转塔、无人机等航空航天设备在电传动技术中，要求电动缸适用于低负载、高速度、小行程、高功率密度要求的场合，电动缸需要具有较高的控制精度，且能够保证设备持续有效的运行。

电动缸是一个将电能转化为机械能的装置，将伺服电机与丝杠的功能融合在一起的模块化产品，将伺服电机的旋转运动转换成螺母的直线运动，输出推力。电动缸作为执行机构通常是将电机输出的旋转运动通过减速器、齿轮箱转化为丝杠副直线运动。一体化电动缸是将伺服电机、传动机构进行集成化一体化设计的模块化产品，将伺服电机的旋转运动转化为执行机构的直线运动，同时精确的控制转速和位置，一般由伺服电机、同步传送带、丝杠和缸体等部分组成，与传统电动缸相比，一体化电动缸功率密度可以提高1倍以上。

但现有一体化电动缸难以实现高精度位置闭环控制，控制精度差；无伺服电机故障容错功能，无法保证设备的持续有效运行；且需要通过负载限制推杆转动。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于航空航天设备的基于反向式行星滚柱丝杠的一体化电动缸，用以解决现有电动缸无法实现高精度位置闭环控制、无伺服电机故障容错功能，且需要通过负载限制推杆转动的问题。

本发明实施例提供了一种基于反向式行星滚柱丝杠的一体化电动缸，所述一体化电动缸由缸体、轴承、定子绕组、转子永磁体、螺母套筒、滚柱丝杠、编码器、编码器安装架、编码器安装轴和磁致伸缩位移传感器组成；缸体包括壳体、端盖和导向套，端盖和导向套分别设置在壳体的两端；轴承套设在壳体内，螺母套筒套设在轴承内；螺母套筒与滚柱丝杠连接；壳体与定子绕组连接，转子永磁体设置在螺母套筒的外表面。

进一步，所述滚柱丝杠采用反向式行星滚柱丝杠副，包括行星滚柱组、支撑架和丝杠，所述行星滚柱组与丝杠通过支撑架连接固定。

进一步，所述转子永磁体旋转带动螺母套筒做旋转运动。

进一步，所述螺母套筒驱动丝杆作直线往复运动。

进一步，所述定子绕组与壳体采用键连接结构形式，所述转子永磁体与螺母套筒采用表贴方式连接。

进一步，所述轴承设置在螺母套筒的两端，轴承的内圈通过锁紧螺母与螺母套筒固定连接，轴承的外圈通过编码器安装架与壳体固定连接。

进一步，所述编码器包括编码器定子和编码器转子，编码器定子通过编码器安装架与壳体连接，编码器转子通过编码器安装轴与螺母套筒连接。

进一步，所述编码器采用旋转变压器。

进一步，所述编码器安装轴通过光轴夹紧方式与编码器连接。

进一步，所述编码器设置在编码器安装架上，所述编码器安装架与壳体连接。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)通过设置磁致伸缩位移传感器，反馈丝杠的绝对位置，从而实现一体化电动缸的位置闭环控制，由于反馈位置信息为丝杠的绝对位置参数，相比于传统绝对值编码器反馈，避免了丝杠传动、键连接等传动环节的误差引入，可实现高精度的位置闭环控制；

(2)通过设置壳体与定子绕组连接，转子永磁体设置在螺母套筒的外表面，螺母套筒与滚柱丝杠连接，与现有技术用转子永磁体充当螺母套筒的电动缸相比，设置转子永磁体的磁钢片与螺母套筒可拆卸结构，使一体化电动缸便于维修；

(3)编码器采用旋转变压器，相对于传统的只能实现伺服电机的位置闭环控制，无法控制一体化电动缸丝杠副等传动环节的传动误差的绝对值编码器反馈，在实现伺服电机的位置闭环控制的同时，控制一体化电动缸丝杠副等传动环节的传动误差，实现高精度控制；

(4)定子绕组采用双独立绕组形式，双独立绕组机械结构、电气接口均为独立设置，互为冗余备份；正常情况下，双绕组同时工作，当一路绕组出现断线或短路等典型故障时，可通过控制系统重构，实现一体化电动缸降额运行，避免了传统定子绕组出现故障，电动缸停机现象的发生；

(5)通过在导向套内设置导向键槽，导向键槽内设置导向键与丝杠上的键槽配合，限制丝杠的转动自由度，实现丝杠的导向滑动，从而一体化电动缸无需借助负载的机械连接来实现丝杠的防转，提高了一体化电动缸安装槽匹配的灵活性、通用性，与需要额外增加推杆的一体化电动缸相比，减小了一体化电动缸的整体体积、重量，且减小了成本投入。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可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说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

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为一体化电动缸的整体结构剖视图；

图2为一体化电动缸的螺母套筒结构剖视图；

图3为一体化电动缸的滚柱丝杠结构示意图；

图4为一体化电动缸的编码器结构剖视图。

附图标记：

1-缸体；11-壳体；12-端盖；121-磁致伸缩位移传感器安装槽；13-导向套；131-导向键槽；2-轴承；3-定子绕组；31-第一定子绕组；32-第二定子绕组；4-转子永磁体；5-螺母套筒；6-滚柱丝杠；61-行星滚柱组；62-支撑架；63-丝杠；7-编码器；71-编码器定子；72-编码器转子；8-编码器安装架；9-编码器安装轴；10-磁致伸缩位移传感器；101-感应杆；102-感应块。

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，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，如图1-图4，公开了一种用于航空航天设备的基于反向式行星滚柱丝杠的一体化电动缸，由缸体1、轴承2、定子绕组3、转子永磁体4、螺母套筒5、滚柱丝杠6、编码器7、编码器安装架8、编码器安装轴9和磁致伸缩位移传感器10组成；缸体1包括壳体11、端盖12和导向套13，端盖12和导向套13分别设置在壳体11的两端，示例性地，端盖12和导向套13卡设在壳体11上；轴承2套设在壳体11内，螺母套筒5套设在轴承2内，即轴承2的外圈与壳体11内表面过盈配合，轴承2的内圈与螺母套筒5的外表面过盈配合，螺母套筒5通过内螺纹与滚柱丝杠6连接，从而驱动滚柱丝杠6直线往复运动，壳体11与定子绕组3之间通过键连接限制定子绕组3的转动自由度，实现定子绕组3的固定安装，转子永磁体4设置在螺母套筒5的外表面。

需要说明的是，磁致伸缩位移传感器10包括感应杆101和感应块102，感应杆101与端盖12连接，感应块102与丝杠63连接，感应块102随着丝杠63作直线往复运动，实现丝杠63绝对位置的反馈，从而实现一体化电动缸的位置闭环控制。由于反馈位置信息为丝杠63的绝对位置参数，相比于传统绝对值编码器反馈，避免了丝杠传动、键连接等传动环节的误差引入，因而可实现高精度的位置闭环控制。

与现有技术相比，本实施例中，通过设置磁致伸缩位移传感器10，磁致伸缩位移传感器10的感应块102随着丝杠63作直线往复运动，实现丝杠63绝对位置的绝对位置参数反馈，避免了传动环节的误差引入，从而实现一体化电动缸的高精度位置闭环控制；壳体11与定子绕组3连接，转子永磁体4设置在螺母套筒5的外表面，螺母套筒5与滚柱丝杠6连接，相对于壳体11与定子绕组3连接，转子永磁体4作为螺母套筒与滚柱丝杠连接的一体化电动缸，可拆卸的结构设置，工艺性好，便于维修。

进一步，端盖12设置有磁致伸缩位移传感器安装槽121，感应杆101设置在磁致伸缩位移传感器安装槽121内，导向套13内设置有导向键槽131，内置导向键与丝杠63上的键槽配合，限制丝杠63的转动自由度，实现丝杠63的导向滑动，因而，一体化电动缸无需借助负载的机械连接来实现丝杠63的防转，从而提高了一体化电动缸安装槽匹配的灵活性、通用性。

滚柱丝杠6采用反向式行星滚柱丝杠副，包括行星滚柱组61、支撑架62和丝杠63，行星滚柱组61与丝杠63通过支撑架62连接固定，行星滚柱组61与螺母套筒5螺纹连接，丝杠63与行星滚柱组61螺纹连接。反向式行星滚柱丝杠副是行星滚柱组61通过支撑架62与丝杠63连接，由螺母套筒5驱动丝杠63作直线运动，而正向式滚柱丝杠副是指行星滚柱组61通过支撑架62与螺母套筒5连接，由丝杠驱动螺母套筒5作直线运动。反向式行星滚柱丝杠副相对于正向式滚柱丝杠副更适合与伺服电机做成集成式结构，正向式行星滚柱丝杠副制造难度低，传动效率高，但与伺服电机做集成设计时，需要额外增加推杆，导致一体化电动缸体积、重量偏大，且增加投入成本。

定子绕组3通过驱动转子永磁体4旋转，带动螺母套筒5做旋转运动，螺母套筒5旋转运动驱动丝杆63作直线往复运动，无需减速器、齿轮箱等变速和传动环节即可实现运动的输出，降低了成本的投入。

需要说明的是，转子永磁体4由磁钢片和永磁体组成(图中未示出)，本实施例中，将磁钢片叠装在螺母套筒5的外侧，然后再套设安装永磁体，转子永磁体4与螺母套筒5为可拆卸结构，相比于将转子永磁体4充当螺母套筒5的电动缸，本结构工艺性好，便于维修。

本实施例中，轴承2设置在螺母套筒5的两端，轴承2的内圈通过锁紧螺母与螺母套筒5固定，轴承2的外圈通过编码器安装架8与壳体11固定。需要说明的是，螺母套筒5设有轴肩，锁紧螺母和轴肩配合限制轴承2的沿螺母套筒5的轴线移动，螺母套筒5采用两端设有轴承2固定支撑，相对于单侧设置轴承2支撑或在螺母套筒5中间设置轴承2支撑的方式，采用两端设有轴承2的支撑方式使螺母套筒5受力更加均匀，保证运行过程平稳。

定子绕组3与壳体11采用键连接结构形式，从而限制定子绕组3的转动自由度，将其固定在壳体11上，示例性地，采用平键连接，平键结构简单、装拆方便，对中性好，使在定子绕组3和壳体11装拆过程中便于操作；转子永磁体4与螺母套筒5采用表贴方式连接，所谓表贴方式连接是指：将转子永磁体4的磁钢片叠装在螺母套筒5的外侧，然后再将转子永磁体4的永磁体套设在磁钢片的外侧。采用表贴方式将转子永磁体4与螺母套筒5连接，安装过程操作简便，无需其他连接件，减少了成本的投入。

需要说明的是，定子绕组3包括第一定子绕组31和第二定子绕组32，即定子绕组3采用双独立绕组形式。第一定子绕组31和第二定子绕组32独立布局，分别通过键与壳体11连接，第一定子绕组31和第二定子绕组32为独立线圈结构，功率、电压各自通过单独的电连接器引起，即双独立绕组机械结构、电气接口均为独立设置，互为冗余备份。正常情况下，双绕组同时工作，当一路绕组出现断线或短路等典型故障时，可通过控制系统重构，所谓重构是指当某一路定子绕组，示例性地，第一定子绕组，出现短路、短路等典型故障时，通过控制系统实现该路故障第一定子绕组31的控制隔离，重新调整控制参数，使一体化电动缸能够在第二定子绕组32运行的情况下，实现一体化电动缸降额运行，即在典型故障的情况下一体化电动缸仍能完成相应功能动作，只是输出功率有所降低，避免了传统定子绕组出现故障，电动缸停机现象的发生。

本实施例中，编码器7采用旋转变压器，旋转变压器是一种电磁式传感器，又称为同步分解器，是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度。旋转变压器是一种精密角度、位置、速度监测装置，适用于所有使用旋转编码器的场合，特别是高温、严寒、潮湿、高度、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合。传统的绝对值编码器反馈只能实现伺服电机的位置闭环控制，无法控制一体化电动缸丝杠副等传动环节的传动误差，控制精度较低。进一步的，旋转变压器为无刷式旋转变压器，无刷式旋转变压器由于自身结构设置具有可靠性高和精度高的优点，可实现伺服电机的位置闭环控制的同时，控制一体化电动缸丝杠副等传动环节的传动误差。

进一步，编码器7包括编码器定子71和编码器转子72，编码器定子71通过编码器安装架8与壳体11连接，编码器转子72通过编码器安装轴9与螺母套筒5连接，编码器安装轴9通过锁紧螺母固定到壳体11上。编码器安装轴9通过光轴夹紧方式与编码器7连接。

一体化电动缸的编码器7设置在编码器安装架8上，编码器安装架8与壳体11连接，示例性地，编码器7采用螺钉安装在编码器安装架8上，编码器安装架8采用螺钉固定到壳体11上。编码器7作为一体化电动缸电机伺服控制的位置反馈元件用于实时反馈螺母套筒5的旋转角度。

本实施例中，一体化电动缸的工作原理为：螺母套筒5两端通过轴承2与缸体1支撑固定，定子绕组3通过键与壳体11固定，当伺服电机的定子绕组3通电时，定子绕组3驱动转子永磁体4转动，由于转子永磁体4采用表贴的方式与螺母套筒5连接，进而带动螺母套筒5旋转，螺母套筒5与行星滚柱组61螺纹连接，行星滚柱组61与丝杠63螺纹连接，进而螺母套筒5的旋转运动通过行星滚柱组61转变为丝杠63作直线运动，丝杠63通过导向套13内设置的导向键限制丝杠63的转动自由度，使其只做直线运动；在一体化电动缸运行过程中，磁致伸缩位移传感器10的感应块102随着丝杠63作直线往复运动，实现丝杠63绝对位置的绝对位置参数反馈，避免了传动环节的误差引入，从而实现一体化电动缸的高精度位置闭环控制；采用高精度高可靠性的无刷式旋转变压器来实现伺服电机的位置闭环控制，避免传动环节误差的引入；定子绕组3为双独立绕组结构形式，互为冗余备份，正常情况下，双绕组同时工作，当一路绕组出现断线或短路等典型故障时，可通过控制系统实现该路故障定子绕组的控制隔离，重新调整控制参数，使一体化电动缸能够在另一定子绕组运行的情况下，实现一体化电动缸降额运行，从而避免定子绕组出现故障，电动缸停机现象的发生。

本发明的基于反向式行星滚柱丝杠的一体化电动缸，通过设置包括感应杆和感应块的磁致伸缩位移传感器，将感应杆与端盖连接，感应块与丝杠连接，感应块随着丝杠作直线往复运动，实现丝杠绝对位置的反馈，从而实现一体化电动缸的位置闭环控制；反馈位置信息为丝杠的绝对位置参数，相比于传统绝对值编码器反馈，避免了丝杠传动、键连接等传动环节的误差引入，实现高精度的位置闭环控制；通过设置壳体与定子绕组连接，转子永磁体设置在螺母套筒的外表面，螺母套筒与滚柱丝杠连接，与现有技术用转子永磁体充当螺母套筒的电动缸相比，设置转子永磁体的磁钢片与螺母套筒可拆卸结构，使一体化电动缸便于维修；通过在导向套内设置导向键槽，导向键槽内置导向键与丝杠上的键槽配合，限制丝杠的转动自由度，实现丝杠的导向滑动，从而一体化电动缸无需借助负载的机械连接来实现丝杠的防转，提高了一体化电动缸安装槽匹配的灵活性、通用性，与需要额外增加推杆的一体化电动缸相比，减小了一体化电动缸的整体体积、重量，且减小了成本投入；通过采用旋转变压器控制伺服电机的位置，相对于传统的只能实现伺服电机的位置闭环控制，无法控制一体化电动缸丝杠副等传动环节的传动误差的绝对值编码器反馈，在实现伺服电机的位置闭环控制的同时，控制一体化电动缸丝杠副等传动环节的传动误差，实现高精度控制；通过设置定子绕组采用双独立绕组形式，双独立绕组机械结构、电气接口均独立设置，互为冗余备份；正常情况下，双绕组同时工作，当一路绕组出现断线或短路等典型故障时，可通过控制系统重构，实现电动缸降额运行，避免了传统定子绕组出现故障，电动缸停机现象的发生。

本发明用于航空航天设备的基于反向式行星滚柱丝杠的一体化电动缸，通过磁致伸缩位移传感器实现高精度位置闭环控制，采用双独立绕组形式的定子绕组，典型故障情况下仍能完成相应功能动作，利用导向套中设置的导向键来限制丝杠的转动自由度，无需增加推杆限制丝杠转动；解决了现有技术中的电动缸无法实现高精度位置闭环控制、无伺服电机故障容错功能，且需要通过负载限制推杆转动的问题。

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 (10)

1.一种基于反向式行星滚柱丝杠的一体化电动缸，其特征在于，所述一体化电动缸由缸体(1)、轴承(2)、定子绕组(3)、转子永磁体(4)、螺母套筒(5)、滚柱丝杠(6)、编码器(7)、编码器安装架(8)、编码器安装轴(9)和磁致伸缩位移传感器(10)组成；缸体(1)包括壳体(11)、端盖(12)和导向套(13)，端盖(12)和导向套(13)分别设置在壳体(11)的两端；轴承(2)套设在壳体(11)内，螺母套筒(5)套设在轴承(2)内；螺母套筒(5)与滚柱丝杠(6)连接；壳体(11)与定子绕组(3)连接，转子永磁体(4)设置在螺母套筒(5)的外表面。

2.根据权利要求1所述的一体化电动缸，其特征在于，所述滚柱丝杠(6)采用反向式行星滚柱丝杠副，包括行星滚柱组(61)、支撑架(62)和丝杠(63)，所述行星滚柱组(61)与丝杠(63)通过支撑架(62)连接固定。

3.根据权利要求2所述的一体化电动缸，其特征在于，所述转子永磁体(4)旋转带动螺母套筒(5)做旋转运动。

4.根据权利要求3所述的一体化电动缸，其特征在于，所述螺母套筒(5)驱动丝杆(63)作直线往复运动。

5.根据权利要求1所述的一体化电动缸，其特征在于，所述定子绕组(3)与壳体(11)采用键连接结构形式，所述转子永磁体(4)与螺母套筒(5)采用表贴方式连接。

6.根据权利要求5所述的一体化电动缸，其特征在于，所述轴承(2)设置在螺母套筒(5)的两端，轴承(2)的内圈通过锁紧螺母与螺母套筒(5)固定连接，轴承(2)的外圈通过编码器安装架(8)与壳体(11)固定连接。

7.根据权利要求6所述的一体化电动缸，其特征在于，所述编码器(7)包括编码器定子(71)和编码器转子(72)，编码器定子(71)通过编码器安装架(8)与壳体(11)连接，编码器转子(72)通过编码器安装轴(9)与螺母套筒(5)连接。

8.根据权利要求7所述的一体化电动缸，其特征在于，所述编码器(7)采用旋转变压器。

9.根据权利要求8所述的一体化电动缸，其特征在于，所述编码器安装轴(9)通过光轴夹紧方式与编码器(7)连接。

10.根据权利要求1-9所述的一体化电动缸，其特征在于，所述编码器(7)设置在编码器安装架(8)上，所述编码器安装架(8)与壳体(11)连接。

Images