CN111272024B - 一种谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机，包括电机(1)和输出轴、机体组件(3)、减速机构(2)及摇臂输出轴组件(4)；减速机构(2)包括谐波减速器(204)和依次齿合的输入齿轮(201)、中间齿轮(202)、输出齿轮(203)，输入齿轮(201)与电机(1)连接，且输入齿轮(201)、中间齿轮(202)、输出齿轮(203)的齿数依次增加构成第一级减速单元，谐波减速器(204)与输出齿轮(203)连接构成第二级减速单元；摇臂输出轴组件(4)包括摇臂输出轴(402)，摇臂输出轴(402)为曲柄状的摇臂结构，其一端与减速机构(2)衔接，另一端与输出轴衔接。本发明的谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机，具备体积小、质量轻、传动精度高、输出扭矩大的特点。

Description

一种谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机

技术领域

本发明属于旋转式舵机技术领域，更具体地，涉及一种谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机。

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。我国无人机、巡航制导导弹等技术的研究已成为当前的热点之一。由于无人机、巡航制导导弹体积小巧，内部空间利用率极高，因此增加了用于调整其空间姿态或发动机控制所需舵机的设计研发难度。谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机应运而生，相对于传统电动舵机其在保证舵机结构各项性能的基础上大幅度减小舵机的体积与质量，使其具备更为优越的动态输出特性、电功率特性以及控制性能，成为当前行业主要的发展趋势之一。

电动舵机是导弹飞行过程中实现舵片偏转的执行功能部件，舵机工作时，控制电路通过电机输出转矩，并有减速机构进一步放大转矩来控制舵片偏转，实现弹体的姿态调整。传统电动舵机受传动方式限制，在狭小空间内很难输出较大的扭矩。现有技术中常用的方式有两种，一是通过采用多级齿轮传动的方式增大输出扭矩，会因为传动环节太多增加系统误差，从而影响舵机的精度。二是采用通过提高某环节减速比的方式，存在需求安装空间大，舵机质量增大等问题，对实现无人机、巡航制导导弹等装备小型化形成制约。

随着导弹研究越发多样子，远距离、高精度、高可操控性的巡航制导导弹与无人机技术已成为国家迫切需要攻关的重点问题之一。机载式小体积大扭矩复合舵机，其需要在传统舵机的基础上大幅度减小舵机的体积与质量，并实现大扭矩输出，但现有技术中没有满足体积小质量轻和大扭矩输出的复合舵机结构。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机，通过输入齿轮、中间齿轮和输出齿轮形成第一级减速单元，再通过谐波减速器形成第二级减速单元，采用曲柄摇臂机构形成第三级减速单元，通过三级减速单元的协同作用、紧凑布置和集成化设置，不仅增大了舵机减速器比，放大舵机扭矩有效减小电动舵机易出现的“抖动现象”，而且还缩小了舵机的体积，减轻重量，实现高精度传动。

为了实现上述目的，本发明提供一种谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机，包括电机和舵机输出轴，还包括机体组件、设于所述机体组件内的减速机构及摇臂输出轴组件；

所述减速机构包括谐波减速器和依次齿合的输入齿轮、中间齿轮、输出齿轮，所述输入齿轮与电机连接，且所述输入齿轮、中间齿轮、输出齿轮的齿数依次增加构成第一级减速单元，所述谐波减速器与所述输出齿轮连接构成第二级减速单元；

所述摇臂输出轴组件包括摇臂输出轴，所述摇臂输出轴为曲柄状的摇臂结构，其一端与减速机构衔接，另一端与舵机输出轴衔接，以进一步实现扭矩的放大并通过所述舵机输出轴输出。

进一步地，还包括与所述舵机输出轴同轴的位置传感器，且所述位置传感器为非接触式位置传感器。

进一步地，还包括用于实现舵机的闭环控制舵机控制器，其与所述位置传感器连接。

进一步地，所述减速机构的顶部设有凸轮，所述凸轮上设有柱状凸起，所述摇臂输出轴的端部设有与所述凸起匹配的通孔，且所述柱状凸起穿过所述通孔。

进一步地，所述舵机输出轴上设有用于输出的内花键。

进一步地，所述电机、减速机构和舵机输出轴平行设置。

进一步地，所述机体组件包括基座、壳体和上端盖，且所述基座和上端盖分别设置在所述壳体的顶部或底部。

进一步地，所述基座的四周延伸出壳体的外周，并在延伸的外周上设置若干个固定通孔。

进一步地，所述舵机输出轴的外周还设有轴承。

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）本发明的谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机，通过输入齿轮、中间齿轮和输出齿轮形成第一级减速单元，再通过谐波减速器形成第二级减速单元，采用曲柄摇臂机构形成第三级减速单元，通过三级减速单元的协同作用、紧凑布置和集成化设置，不仅增大了舵机减速器比，放大舵机扭矩有效减小电动舵机易出现的“抖动现象”，而且还缩小了舵机的体积，减轻重量，实现高精度传动。

（2）本发明的谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机，设置位置传感器感知舵机输出轴的位置信息，舵机控制器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，经一级直齿轮、谐波减速器和曲柄摇臂机构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位置传感器感知舵机输出轴的位置信息，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。

附图说明

图1是本发明实施例中谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机去掉基座后的结构示意图；

图2是本发明实施例中谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机去掉上端盖后的结构示意图；

图3是本发明实施例中谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机的剖视图。

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-摇臂输出轴组件、5-位置传感器；201-输入齿轮、202-中间齿轮、203-输出齿轮、204-谐波减速器；301-基座、302-壳体、303-上端盖；401-轴承、402-摇臂输出轴。

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所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是本发明实施例中谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机去掉基座后的结构示意图。图2是本发明实施例中谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机去掉上端盖后的结构示意图。如图1和图2所示，谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机包括电机1、减速机构2、机体组件3、摇臂输出轴组件4和位置传感器5，电机1、减速机构2、摇臂输出轴组件4和位置传感器5均设置在机体组件3内，机体组件3包括基座301、壳体302和上端盖303，基座301和上端盖303分别设置在壳体的顶部或底部，从而形成中空的空间，通过拆下上端盖303或基座301可以实现内部器件的安装、维修或更换；优选地，基座301的四周延伸出壳体302的外周，在延伸出的外周上设置若干个固定通孔便于与其他结构进行可拆卸式固定。

减速机构2与电机1连接，减速机构2包括两级减速单元，第一级减速单元包括输入齿轮201、中间齿轮202和输出齿轮203，输出齿轮201、中间齿轮202和输出齿轮203依次通过齿轮齿合，第一级减速单元还包括用于支撑各齿轮的支撑轴承；优选地，输入齿轮201、中间齿轮202、输出齿轮203的直径依次增大；第二级减速单元为复合谐波减速器204，复合谐波减速器204与输出齿轮203连接，用于进一步实现扭矩的放大。电机1通过第一级减速单元和第二级减速单元实现扭矩和转速的输入。且第一级减速单元集成在机体组件3内，减小旋转式舵机的体积。

输入齿轮201和输出齿轮的齿数比根据实际输出要求进行选取，实现不同程度的减速器比，实现不同放大需求的扭矩输出。谐波减速器额摇臂输出轴组件4同样根据需要进行设置，从而将电机旋转输入放大为满足控制需求的大扭矩旋转输出。

摇臂输出轴组件4包括摇臂输出轴402和轴承401，减速机构2的顶部设有凸轮，凸轮固定在减速机构的最终输出结构上，减速机构2转动带动凸轮转动，凸轮上设有柱状凸起，摇臂输出轴402的一端的端部设有与所述柱状凸起匹配的通孔，凸起穿过所述通孔，另一端固定在舵机输出轴上，优选地，摇臂输出轴402为曲柄摇臂机构，通过曲柄摇臂机构将谐波减速器输出的扭矩进一步放大，摇臂输出轴组件4位第三级减速单元，进一步增大舵机减速器比，放大舵机扭矩。电机1转动依次带动输入齿轮201、中间齿轮202和输出齿轮203转动，输出齿轮203转动带动凸轮转动，从而带动摇臂输出轴402运动，以通过舵机输出轴输出扭矩。本方案采用三级减速单元的配合，采用谐波减速器复合曲柄摇臂机构，实现舵机小体积、大扭矩输出并有效减小电动舵机易出现的“抖动现象”。使得舵机具备体积小、质量轻、传动精度高、传动扭矩大的优点。

舵机输出轴上设有内花键，通过内花键实现扭矩最后的输出。摇臂输出轴组件内部设有位置传感器5，优选地，位置传感器5为非接触式位置传感器，用于感知舵机输出轴的位置信息。

优选地，舵机输出轴的尾端与位置传感器5同轴连接。

优选地，舵机输出轴的外圈设有轴承401，顺利实现输出。

优选地，旋转式舵机还包括舵机控制器，位置传感器与舵机控制器连接，位置传感器5通过电信号将位置信息反馈到舵机控制器，从而实现舵机位置的闭环控制。

优选地，电机1、减速机构2和舵机输出轴平行设置，实现安装控件小，特别是扁平、环状的空间的安装，不仅质量轻、扭矩输出大，而且动态特性好、控制精度高。

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任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机，包括电机（1）和舵机输出轴，其特征在于，还包括机体组件（3）、设于所述机体组件（3）内的减速机构（2）、摇臂输出轴组件（4）、非接触式位置传感器（5）及舵机控制器，所述电机（1）、减速机构（2）和舵机输出轴平行设置；

所述减速机构（2）包括谐波减速器（204）和依次齿合的输入齿轮（201）、中间齿轮（202）、输出齿轮（203），所述输入齿轮（201）与电机（1）连接，且所述输入齿轮（201）、中间齿轮（202）、输出齿轮（203）的齿数依次增加构成第一级减速单元，所述谐波减速器（204）与所述输出齿轮（203）连接构成第二级减速单元；

所述摇臂输出轴组件（4）包括摇臂输出轴（402），所述摇臂输出轴（402）为曲柄状的摇臂结构，其一端与减速机构（2）衔接，另一端与舵机输出轴衔接，以进一步实现扭矩的放大并通过所述舵机输出轴输出；

所述舵机控制器用于发出舵机控制信号，并将其生成PWM方波信号，经功率电路将功率放大后驱动电机（1）转动，经一级减速单元、二级减速单元及摇臂输出轴组件（4）实现舵机输出轴偏转以实现角度与力矩输出，并通过位置传感器（5）传感舵机输出轴的位置信息，将位置信息转化为电信号反馈至控制电路，实现舵机位置的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机，其特征在于，所述减速机构（2）的顶部设有凸轮，所述凸轮上设有柱状凸起，所述摇臂输出轴（402）的端部设有与所述凸起匹配的通孔，且所述柱状凸起穿过所述通孔。

3.根据权利要求1～2中任一项所述的一种谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机，其特征在于，所述舵机输出轴上设有用于输出的内花键。

4.根据权利要求1所述的一种谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机，其特征在于，所述机体组件（3）包括基座（301）、壳体（302）和上端盖（303），且所述基座（301）和上端盖（303）分别设置在所述壳体（302）的顶部或底部。

5.根据权利要求4所述的一种谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机，其特征在于，所述基座（301）的四周延伸出壳体（302）的外周，并在延伸的外周上设置若干个固定通孔。

6.根据权利要求1所述的一种谐波驱动曲柄摇臂旋转式舵机，其特征在于，所述舵机输出轴的外周还设有轴承（401）。

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