CN111306271A

CN111306271A - 一种可串并联的模块化多余度机电作动器

Info

Publication number: CN111306271A
Application number: CN202010153859.1A
Authority: CN
Inventors: 马尚君; 吴冠羽; 刘更
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2020-03-07
Filing date: 2020-03-07
Publication date: 2020-06-19

Abstract

本发明公开了一种可串并联的模块化多余度机电作动器，其采用多个机电作动器串联或并联构型，以机电作动器为独立单元，行星滚柱丝杠副作为执行机构；机电作动器的丝杠与联轴器固连，螺母与转子过盈配合且随转子转动，滚柱在螺母的带动下围绕自身轴线旋转同时，绕着丝杠的轴线旋转，丝杠在滚柱的带动下实现直线输出，并通过轴承带动端盖、壳体和推盘作平移运动。将多个机电作动器与并联器进行并联连接，可将作动器的功率集中，通过并联器合并输出，实现功率叠加。通过丝杠和螺母的运动转换关系，以螺母作为主动件驱动滚柱和丝杠的方式，实现运动转化；根据使用场合，以串联和并联形式灵活组合装配。

Description

一种可串并联的模块化多余度机电作动器

技术领域

本发明涉及电驱动机电作动器技术，具体地说，涉及一种可串并联的模块化多余度机电作动器。

背景技术

机械装备全电化是未来发展趋势；机电作动器以其结构紧凑、无液压油源污染、易维护、效率高的特点，成为军民工业领域机械装备中需要直线伺服作动的关键装置，可广泛应用于飞行器舵面、起竖设备以及高档数控机床、医疗器械、精密仪器、工业机器人诸多领域。

目前市场上的大部分机电作动器功率较小、行程有限，在一些重载、大行程场合难以发挥作用；而一些大型的机电作动器价格昂贵、拆装不便、维护困难，难以大规模装备使用。对于小型、大型机电作动器自身均存有缺陷，设计出一种能根据使用场合灵活组装、可实现多级串联或并联的多余度机电作动器具有重要意义。

中国专利201210243168.6提出一种机电作动器，该机电作动器通过两级行星滚柱丝杠副的串联实现扩大其行程，但该机电作动器的串联属于单个机电作动器内部传动机构的串联，机电作动器无法根据需求自行组合，且单个机电作动器体积过大无法实现简单的模块化。在发明专利201910200494.0公开一种机电作动器，该机电作动器内部的两个电机通过椭轮连接，合并输出，相当于并联输出，但该机电作动器的并联属于单个机电作动器内部电机的并联，为电机双余度，但系统输出仍为单余度；同样，该机电作动器无法根据需求自由组合，且单个机电作动器体积过大。

现有机电作动器无法实现多个独立模块的串联或并联，能够内部串联或并联的机电作动器体积较大，行程、功率叠加的程度有限，无法实现串联和并联且根据需求灵活组合装配。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种可串并联的模块化多余度机电作动器；该机电作动器采用模块化构型设计，可根据使用场合，以串联和并联的形式灵活组装，有利于节省安装空间和灵活布局。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括联轴器、第一端盖、毡圈、套筒、深沟球轴承、螺栓、六角螺母、壳体、接线盒、定子、第二端盖、螺钉、推盘、并联器、电机、执行机构和限位感应机构，采用多个机电作动器串联或并联构型，以机电作动器为单元，行星滚柱丝杠副作为执行机构，其特征在于所述执行机构包括丝杠、转子、滚柱、保持架、螺母，所述丝杠一端与联轴器固连，丝杠另一端穿过第一端盖、毡圈、套筒、保持架与滚柱配合连接，螺母与转子过盈配合，且随转子转动，滚柱在螺母的带动下，围绕自身轴线旋转的同时，绕着丝杠的轴线旋转，丝杠在滚柱的带动下实现直线输出，并通过深沟球轴承带动第一端盖、壳体、第二端盖和推盘作平移运动，推盘产生直线输出，推动下一级机电作动器或并联器平移运动，实现行程或功率叠加；

所述第一端盖内嵌有毡圈用于密封，壳体上部设有接线盒使控制器与定子连通，壳体两端分别与第一端盖、第二端盖通过螺栓、六角螺母配合连接，第二端盖与推盘通过螺钉连接，螺母的直线位移通过轴承传递到机电作动器的外部结构；

所述限位感应机构包括感应定子、感应转子、出线盒，电机与控制器连接，控制器控制定子线圈通电产生旋转磁场，转子相对于磁场相对运动，转子在磁场中受力转动并带动螺母旋转，感应转子与螺母过盈配合，并随螺母转动，感应定子感知感应转子的旋转，产生电信号并将电信号通过出线盒反馈给控制器，控制器通过控制定子线圈中的电流来控制转子转动，保证推盘输出的位移不大于机电作动器的额定行程，实现闭环控制。

所述并联器为圆盘形结构，并联器一端面中间部位固连有输出轴，另一端面上依中心外延等距离设置有多个接头，均可与作动器的推盘固接。

有益效果

本发明提出的一种可串并联的模块化多余度机电作动器，采用多个机电作动器串联或并联构型，以机电作动器为独立单元，行星滚柱丝杠副作为执行机构，通过丝杠和螺母的运动转换关系，以螺母作为主动件驱动滚柱和丝杠的方式，实现运动转化。同时多个机电作动器可实现快速灵活组装，满足不同功率和不同行程的要求，实现机电作动器的多种组合。

本发明的机电作动器串联构型，可通过机电作动器的串联起到放大行程的作用，同时减小总功率，将总功率分配给多个独立的机电作动器，有利于节省安装空间和灵活布局。串联结构的起点是联轴器，将第一级机电作动器的联轴器固定，使得其丝杠被固定，螺母可做旋转和平移运动，最终通过推盘进行直线输出。多个机电作动器串联在一起，可实现行程叠加的效果，解决单个机电作动器行程小的问题。

本发明的机电作动器并联构型，通过机电作动器的并联起到功率放大的作用，在满足一定行程的基础上，可有效降低单个机电作动器功率，也可解决单个机电作动器尺寸过大的问题。并联结构的终点是并联器，将多个机电作动器与并联器进行并联连接，可将多个机电作动器的功率集中到一起，通过并联器合并输出，实现功率叠加的效果，克服单个机电作动器功率不足的问题。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种可串并联的模块化多余度机电作动器作进一步详细说明。

图1为本发明可串并联的模块化多余度机电作动器剖视图。

图2为本发明可串并联的模块化多余度机电作动器的侧视图。

图3为本发明可串并联的模块化多余度机电作动器串联结构示意图。

图4为本发明可串并联的模块化多余度机电作动器并联结构示意图。

图中

1.联轴器 2.丝杠 3.第一端盖 4.毡圈 5.套筒 6.深沟球轴承 7.螺母 8.螺栓9.六角螺母 10.壳体 11.接线盒 12.定子 13.转子 14.滚柱 15.保持架 16.第二端盖17.出线盒 18.感应定子 19.感应转子 20.螺钉 21.推盘 22.并联器

具体实施方式

本实施例是一种可串并联的模块化多余度机电作动器。

参阅图1、图2、图3、图4，本实施例可串并联的模块化多余度机电作动器，由联轴器1、第一端盖3、毡圈4、套筒5、深沟球轴承6、螺栓8、六角螺母9、壳体10、接线盒11、第二端盖16、螺钉20、推盘21、并联器22、电机、执行机构和限位感应机构组成；采用多个机电作动器串联或并联构型，以机电作动器为单元，行星滚柱丝杠副作为执行机构；其中，执行机构包括丝杠2、转子13、滚柱14、保持架15、螺母7，丝杠2一端与联轴器1固连，丝杠2另一端穿过第一端盖3、毡圈4、套筒5、保持架15与滚柱14配合连接。螺母7与转子13过盈配合，且随转子13转动，滚柱14在螺母7的带动下，围绕自身轴线旋转的同时，绕着丝杠2的轴线旋转，丝杠2在滚柱14的带动下实现直线输出；并通过深沟球轴承6带动第一端盖3、壳体10、第二端盖16和推盘21作平移运动；推盘21产生直线输出，推动下一级机电作动器或并联器22平移运动，实现行程或功率叠加。并联器22为圆盘形结构，并联器22一端面中间部位固连有输出轴，并联器22另一端面上依中心外延等距离设置有多个接头，均可与作动器的推盘21固接。壳体10两端分别与第一端盖3、第二端盖16通过螺栓8、六角螺母9连接。第一端盖3内嵌有毡圈4用于密封，壳体10上有接线盒11使控制器与定子12连通，第二端盖16与推盘21通过螺钉20连接，螺母7的直线位移通过轴承6传递到机电作动器的外部结构。

限位感应机构包括感应定子18、感应转子19和出线盒17，电机与控制器连接，控制器控制定子12线圈通电产生旋转磁场，转子13相对于磁场有相对运动，转子13在磁场中受力转动并带动螺母7旋转。感应转子19与螺母7过盈配合，并随螺母7转动；感应定子18感知感应转子19的旋转，产生电信号并将电信号通过出线盒17反馈给控制器，控制器通过控制定子12线圈中的电流来控制转子13转动，保证推盘21输出的位移不大于机电作动器的额定行程，实现闭环控制。

本实施例中，电机启动，在控制器的控制下定子12线圈接通三相交流电，产生旋转磁场，转子13相对于磁场有相对运动，切割磁感线产生感应电动势并形成感应电流，转子13在磁场中受力而转动带动螺母7旋转。由于丝杠2被固定，螺母7相对于丝杠2做回转和平移运动，并通过深沟球轴承6带动第一端盖3、壳体10、第二端盖16、推盘21做平移运动。推盘21将平移运动传递到下一级机电作动器的丝杠2上，实现行程叠加；多个推盘21将功率传递到并联器22上，实现功率叠加。

螺母7为主动件与转子19过盈配合，并随转子19一起旋转，滚柱14在螺母7的带动下，围绕自身轴线旋转的同时，也绕着丝杠2的轴线旋转，丝杠2在滚柱14的带动下产生直线输出。然而，丝杠2被固定，根据相对运动原理，螺母7产生直线输出，因此螺母7既旋转也会平移，螺母7的平移通过深沟球轴承6传递至推盘21，使得推盘21产生直线输出。本实例将螺母7的直线位移通过推盘21进行输出，实现机电作动器串联行程叠加的效果。

机电作动器串联方式

本实施例中，机电作动器构型的串联方式为多个机电作动器。联轴器1与丝杠2通过键连接，在串联结构中，第一级机电作动器的联轴器1被固定，使得丝杠2被固定；其它机电作动器的联轴器1与前一级机电作动器的推盘21连接，保证直线位移通过推盘21输出，而推盘21与下一级机电作动器的联轴器1相接，将直线位移转移至下一级机电作动器，并与下一级机电作动器自身的直线位移叠加。机电作动器的行程逐级叠加，行程放大；机电作动器的功率也逐级叠加，功率放大。

机电作动器并联方式

本实施例中，机电作动器构型的并联方式为三个机电作动器并联，并联器22可根据具体并联个数单独设计。并联器22为圆盘形，并联器22一端面中间部位固连有输出轴，并联器22另一端面上依中心外延等距离设有多个接头，均可与作动器的推盘21固接；推盘21与并联器22通过螺栓连接，多个推盘21与并联器22并联一起推动并联器22进行直线平移运动，达到功率叠加的功能。

可串并联的模块化多余度机电作动器工作原理

本实施例中，将机电作动器结构分为三部分，包括第一端盖3、壳体10、第二端盖16。第一端盖3内嵌有毡圈4起到密封作用。壳体10上有接线盒11是控制器与定子12连接的通道。第二端盖16与推盘21通过螺钉20连接。螺母7的直线位移通过深沟球轴承6传递到机电作动器的外部结构，而推盘21则是电机外部结构与下一级电机连接的中介，起到了传递直线位移的作用。控制器通过接线盒11向定子12线圈中通入控制电流，产生旋转磁场，转子13在磁场中相对于磁场有相对运动，切割磁感线，产生感应电动势并形成感应电流，转子13在磁场中受力而转动带动螺母7旋转。由于丝杠2被固定，螺母7相对于丝杠2做回转和平移运动，并通过深沟球轴承6带动壳体10、第二端盖16、推盘21部件做平移运动。推盘21将平移运动传递到下一级机电作动器的丝杠2上，实现行程叠加；多个推盘21将功率传递到并联器22上，达到功率叠加的效果。

可串并联的模块化多余度机电作动器可串联与并联混合连接，同时达到行程叠加与功率叠加的目的。并联器22可根据并联机电作动器的个数进行设计，并联器22并联多个机电作动器之后，可在已并联的机电作动器之前串联上任意个数的机电作动器，最前端机电作动器的联轴器1被固定，可实现串联与并联混合连接。

本实施例中，为了达到闭环控制的效果，防止机电作动器超过额定行程而失效，加入了限位感应机构。感应定子18与第二端盖16通过螺钉20连接，感应转子19与螺母7过盈配合，跟随螺母7同步旋转。感应转子19的旋转在第二端盖16内产生了磁场的变化，感应定子18能够感知磁场的变化并产生电信号，电信号通过出线盒17传给控制器，控制器通过电信号了解螺母7部件的运动情况，判断机电作动器的工作行程变化，适时调整转子19转速，在临近额定行程时使转子19转速降低至停止，或者使转子19反转。可使机电作动器的输出位移控制在额定行程之内，并且具备复位功能。

Claims

1.一种可串并联的模块化多余度机电作动器，包括联轴器、第一端盖、毡圈、套筒、深沟球轴承、螺栓、六角螺母、壳体、接线盒、定子、第二端盖、螺钉、推盘、并联器、电机、执行机构和限位感应机构，采用多个机电作动器串联或并联构型，以机电作动器为单元，行星滚柱丝杠副作为执行机构，其特征在于:所述执行机构包括丝杠、转子、滚柱、保持架、螺母，所述丝杠一端与联轴器固连，丝杠另一端穿过第一端盖、毡圈、套筒、保持架与滚柱配合连接，螺母与转子过盈配合，且随转子转动，滚柱在螺母的带动下，围绕自身轴线旋转的同时，绕着丝杠的轴线旋转，丝杠在滚柱的带动下实现直线输出，并通过深沟球轴承带动第一端盖、壳体、第二端盖和推盘作平移运动，推盘产生直线输出，推动下一级机电作动器或并联器平移运动，实现行程或功率叠加；

2.根据权利要求1所述的可串并联的模块化多余度机电作动器，其特征在于:所述并联器为圆盘形结构，并联器一端面中间部位固连有输出轴，另一端面上依中心外延等距离设置有多个接头，均可与作动器的推盘固接。