CN111322353B - 一种可配置式力矩可调重力平衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械传动结构技术领域，本发明公开了一种可配置式力矩可调重力平衡装置，用于平衡天线、前端及发射系统对俯仰传动系统中俯仰轴产生的不平衡重力矩。该重力平衡装置设置于俯仰轴的圆周方向，并通过平衡齿轮与俯仰轴连接，包括调节盘、涡卷弹簧、输出轴、输入齿轮和基座，涡卷弹簧的外环连接调节盘，内环连接输出轴，输入齿轮设置于输出轴上并与平衡齿轮啮合，基座用于固定调节盘。本发明的重力平衡装置能实现对俯仰不平衡重力矩的精确配平，降低对俯仰驱动电机的功耗需求，提高俯仰传动系统动态特性，避免在俯仰驱动电机失能时，俯仰轴在过大的不平衡重力矩作用下快速转动，发生碰撞造成人员或机械损坏。

Description

一种可配置式力矩可调重力平衡装置

技术领域

本发明涉及机械传动结构技术领域，尤其涉及一种可配置式力矩可调重力平衡装置。

背景技术

通信、雷达等行业常将天线等设备安装在具有方位、俯仰转动功能的机械传动系统上，在伺服系统的驱动、控制下进行方位、俯仰转动，实现对电磁信号的搜索和跟踪。

为避免传动系统构件对天线工作口面的遮挡和对电磁信号反射造成的不良影响，传动系统俯仰轴大多偏置于天线背部，天线等设备自身重力对俯仰轴产生的不平衡重力矩使其不能在任意俯仰角位置自主维持平衡、稳定状态，使天线等设备向不平衡重力矩减小的方向转动。

因此，不平衡重力矩的存在，导致了以下问题的出现：

a)传动系统动态特性难以提高，对提高天线跟踪精度和转动角加速度不利；

b)需要增加俯仰电机驱动能力，对不平衡重力矩进行平衡，导致系统功耗增大；

c)在俯仰电机失能时，过大的不平衡重力矩会使天线等设备快速转动，易发生碰撞，造成人员或机械损坏。

因此，一般伺服系统，特别是对动态特性有要求的伺服系统，都必须对俯仰轴的不平衡重力矩进行配平。

通过在天线后方布置前端及发射系统等设备，可以在一定程度上减少不平衡重力矩，但受到空间尺寸和重量等方面的限制，很难在整个俯仰范围内将俯仰轴的载荷配平；且这种配平的方法会导致俯仰轴负载重量过大和转动惯量增大的问题，不利于伺服系统动态特性的提高。

专利号为CN105841649A、CN203967230U、CN207569138U的发明，通过在俯仰支座和俯仰轴连接处加装弹性元件的方法，平衡天线在重力作用下对俯仰轴产生的不平衡重力矩。但该发明提出的方法，在天线重力平衡的实际应用中受到较大的限制：

a)弹性元件在俯仰支座处安装，其力矩特性和天线的不平衡重力矩是一一对应的，不能够按俯仰轴配平需求进行配置，在俯仰轴不平衡重力矩变化时，难以通过配置等简易方法对俯仰轴不平衡重力矩重新进行配平；

b)弹性元件安装后，不能对弹性元件所提供的平衡力矩按实际需要进行调整，弹性元件的制造误差会导致平衡力矩和俯仰轴的不平衡重力矩存在较大误差；

c)弹性元件在俯仰支座处安装，会占据较大的安装空间，影响俯仰轴两端设备之间的电缆和液冷管路的安装，特别在复杂大功率发射系统中显得尤为明显。

专利号为CN106584511A的发明，通过在俯仰支座与俯仰关节之间设置气弹簧的方法来实现俯仰关节的重力平衡。但该专利所述方法，受平衡机构尺寸限制，难以满足天线在0°～+90°俯仰范围内的配平需要；专利号为CN109500589A的发明，提出了一种重力法大齿轮伺服机构配平方法来实现伺服机构内环组合、外环组合在任意角度位置的重力平衡，但该专利所述方法需要增加俯仰轴的负载，会降低系统动态特性。

因此，在天线俯仰传动系统中，需要一种可配置式力矩可调重力平衡装置，对俯仰轴的不平衡重力矩进行精确平衡。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种可配置式力矩可调重力平衡装置，在不影响俯仰轴两端设备之间的连接电缆、液冷管路安装的情况下，通过对重力平衡装置的配置和平衡力矩的调整，实现对俯仰轴不平衡重力矩的精确配平，降低对俯仰驱动电机的功耗需求，提高俯仰传动系统动态特性，避免在俯仰驱动电机失能时，俯仰轴在过大的不平衡重力矩作用下快速转动，发生碰撞造成人员或机械损坏。

本发明的技术方案如下：

一种可配置式力矩可调重力平衡装置，用于平衡天线、前端及发射系统对俯仰传动系统中俯仰轴产生的不平衡重力矩，所述重力平衡装置设置于俯仰轴的圆周方向，并通过平衡齿轮与所述俯仰轴连接；所述重力平衡装置包括调节盘、涡卷弹簧、输出轴、输入齿轮和基座，所述涡卷弹簧的外环连接所述调节盘，内环连接所述输出轴，所述输入齿轮设置于所述输出轴上并与所述平衡齿轮啮合，所述基座与所述调节盘通过螺纹副连接，所述基座用于固定所述调节盘；所述调节盘能够在所述输出轴的圆周方向转动，带动所述涡卷弹簧发生卷绕，产生所述输出轴圆周方向的扭矩，并依次通过所述输出轴、所述输入齿轮和所述平衡齿轮传递到所述俯仰轴。

进一步的，所述基座的圆周方向均匀设置有m个安装螺孔，所述调节盘上设置有n个非等间距的固定孔，n≥m＞0，所述调节盘和所述基座通过所述固定孔、固定螺钉和所述安装螺孔进行固定，通过所述基座上均匀布置的所述安装螺孔和所述调节盘上n个非等间距的所述固定孔的组合安装，实现平衡力矩的精确调整。

进一步的，所述基座和所述调节盘之间设置有调节环，所述基座和所述调节盘的相对位置确定后，通过所述固定螺钉将所述基座和所述调节盘固定在一起，所述调节环用于改善所述固定螺钉的受力状态。

进一步的，所述调节盘上设置有拨盘，所述拨盘用于转动所述调节盘。

进一步的，所述输出轴和所述涡卷弹簧内环的侧端面可拆卸地设置有封盖，所述封盖拆卸后能够观察到涡卷弹簧的位置并进行调整。

进一步的，所述调节盘和所述输出轴上设置有多个卡槽，所述涡卷弹簧的外环固定于所述调节盘的卡槽内，内环固定于所述输出轴的卡槽内，通过改变所述涡卷弹簧的内环在所述输出轴、外环在所述调节盘上固定的卡槽位置，改变所述涡卷弹簧卷绕时产生的扭矩。

进一步的，所述俯仰轴的圆周方向设置有多个所述重力平衡装置，多个所述重力平衡装置用于提供提供较大的平衡力矩以对俯仰轴不平衡重力矩进行平衡。

进一步的，多个所述重力平衡装置具有不同的刚度曲线，通过多个所述重力平衡装置刚度曲线的合成能够实现对俯仰轴不平衡重力矩的精确平衡。

综上所述，本发明提供的一种可配置式力矩可调重力平衡装置，主要包括以下三个方面的内容：

a)根据不平衡重力矩配平需求进行重力平衡装置配置；

b)重力平衡装置的平衡力矩多档位可调整；

c)非俯仰支座直接平衡结构。

其中：

根据不平衡重力矩配平需求进行重力平衡装置配置，指的是根据俯仰传动系统不平衡重力矩配平要求，在俯仰轴上适当位置设置平衡齿轮，且在其圆周方向采用重力平衡装置对俯仰轴的不平衡重力矩进行配平：一方面重力平衡装置的数量可以根据需要进行配置，即通过配置多个小型重力平衡装置，提供较大的平衡力矩对俯仰轴不平衡重力矩进行平衡；另一方面，各重力平衡装置可采用不同的刚度曲线，通过各重力平衡装置刚度曲线的合成，实现对俯仰轴不平衡重力矩的平衡。

重力平衡装置的平衡力矩多档位可调整，指的是每个重力平衡装置提供的平衡力矩可以在不重新设计、制作弹性元件的情况下进行调整，弥补弹性元件在设计、制造中带来的误差，增大输出平衡力矩的范围，使平衡力矩与俯仰轴的不平衡重力矩之间的误差更小，配平效果更为准确。

非俯仰支座直接平衡结构，指的是重力平衡装置不在俯仰支座上用弹性元件直接对俯仰轴进行重力矩配平，减小弹性元件对俯仰支座的空间占用，不影响俯仰轴两端设备之间连接电缆、液冷管路的正常连接。

相对于传统的俯仰轴不平衡重力矩平衡方法，本发明的有益效果在于：

a)本发明的重力平衡装置能在不影响俯仰轴两端设备之间的连接电缆、液冷管路安装的情况下，实现对俯仰不平衡重力矩的精确配平，降低对俯仰驱动电机的功耗需求，提高俯仰传动系统动态特性，避免在俯仰驱动电机失能时，俯仰轴在过大的不平衡重力矩作用下快速转动，发生碰撞造成人员或机械损坏；

b)采用分布式可配置重力平衡装置，空间需求小，布局更为灵活，可实现0°～+90°的大俯仰范围内的不平衡重力矩平衡；

c)通过对各重力平衡装置输出平衡力矩的调整，可改变俯仰轴平衡力矩刚度曲线，适应更多的俯仰轴不平衡重力矩平衡需求；

d)重力平衡装置输出的平衡力矩可多档位调整，使俯仰轴不平衡重力矩配平效果更为精准；

e)重力平衡装置配置灵活，不影响俯仰轴与俯仰支座的空间布局，不妨碍俯仰轴两端设备之间大量的连接电缆、液冷管路安装，有利于系统功能的实现。

附图说明

图1典型天伺馈系统布局示意图；

图2重力平衡装置配置示意图；

图3重力平衡装置横向剖视图；

图4重力平衡装置纵向剖视图；

图5重力平衡装置结构示意图；

图6重力平衡装置平衡力矩刚度曲线合成示意图；

图7调节盘上固定孔与基座上安装螺孔夹角配置关系图；

附图标记：1-前端及发射系统，2-天线，3-重力平衡装置，4-平衡齿轮，5-俯仰轴；30-卡槽，31-输入齿轮，32-基座，320-螺纹，33-调节环，34-固定螺钉，35-调节盘，36-涡卷弹簧，37-拨盘，38-输出轴，39-封盖。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。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，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

通信、雷达等行业中典型天线布局如图1所示，其中俯仰轴5带动天线2、前端及发射系统1等设备进行俯仰转动，俯仰轴5上设置有平衡齿轮4。本发明的重力平衡装置3上的输入齿轮31与平衡齿轮4啮合，对俯仰轴5的不平衡重力矩进行平衡。

本实施例提供了一种可配置式力矩可调重力平衡装置，用于平衡天线2、前端及发射系统1对俯仰传动系统中俯仰轴5产生的不平衡重力矩。如图2所示，重力平衡装置3设置于俯仰轴5的圆周方向，并通过平衡齿轮4与俯仰轴5连接。如图3～5所示，重力平衡装置3包括调节盘35、涡卷弹簧36、输出轴38、输入齿轮31和基座32，涡卷弹簧36的外环连接调节盘35，内环连接输出轴38，输入齿轮31设置于输出轴38上并与平衡齿轮4啮合，基座32用于固定调节盘35。调节盘35能够在输出轴38的圆周方向转动，带动涡卷弹簧36发生卷绕，产生输出轴38圆周方向的扭矩，并依次通过输出轴38、输入齿轮31和平衡齿轮4传递到俯仰轴5。

具体的，基座32与调节盘35通过螺纹副连接，基座32的圆周方向均匀设置有m个安装螺孔，调节盘35上设置有n个非等间距的固定孔，n≥m＞0，调节盘35和基座32通过固定孔、固定螺钉34和安装螺孔进行固定，通过基座32上均匀布置的安装螺孔和调节盘35上多组非等间距固定孔的组合安装，实现平衡力矩的精确调整。基座32和调节盘35之间设置有调节环33，调节环33用于改善固定螺钉34的受力状态。调节盘35上设置有拨盘37，拨盘37用于转动调节盘35。输出轴38和涡卷弹簧36内环的侧端面可拆卸地设置有封盖39，封盖39拆卸后能够观察到涡卷弹簧36的位置并进行调整。调节盘35和输出轴38上设置有卡槽30，涡卷弹簧36的外环固定于调节盘35的卡槽30内，内环固定于输出轴38的卡槽30内。通过改变涡卷弹簧36的内环在输出轴38上固定的卡槽30的位置、外环在所述调节盘35上固定的卡槽30位置，改变涡卷弹簧36卷绕时产生的扭矩。

此外，如图2所示，俯仰轴5的圆周方向设置有多个重力平衡装置3，多个重力平衡装置3用于提供较大的平衡力矩以对俯仰轴5不平衡重力矩进行平衡。多个重力平衡装置3具有不同的刚度曲线，通过多个重力平衡装置3刚度曲线的合成可实现对俯仰轴5不平衡重力矩的精确平衡，如图6所示为重力平衡装置平衡力矩刚度曲线合成示意图，其中：

T_n：第n个重力平衡装置3输出的平衡力矩；

θ_ns：第n个重力平衡装置3输出平衡力矩的起始角度；

θ_nE：第n个重力平衡装置3输出平衡力矩的终止角度；

T：合成的平衡力矩；

θ_s：力矩合成后输出平衡力矩的起始角度；

θ_E：力矩合成后输出平衡力矩的终止角度。

需要说明的是，为便于表达和理解，图6中重力平衡装置3平衡力矩刚度曲线仅是示意。

本发明提出的可配置式力矩可调重力平衡装置的功能方案设计实施流程如下：

第一步：根据俯仰传动系统结构布局情况，在俯仰轴5上适当位置设置平衡齿轮4，将重力平衡装置3上的输入齿轮31与平衡齿轮4按啮合关系进行布局；

第二步：根据俯仰轴5负载情况确定俯仰转动范围内俯仰轴5不平衡重力矩特性曲线；

第三步：根据俯仰轴5不平衡重力矩特性曲线及俯仰支座内部布局及空间尺寸，确定在平衡齿轮4圆周方向配置的重力平衡装置3的数量及每个重力平衡装置3所需要的力矩特性曲线，通过重力平衡装置3平衡力矩曲线合成来逼近俯仰轴5不平衡重力矩特性曲线；同时确定平衡齿轮4和输入齿轮31的相关设计参数(如模数、齿数、传动比等；

第四步：根据重力平衡装置3的设计边界条件(如平衡力矩特性曲线、外形尺寸、传动比、输入齿轮齿数等)，确定重力平衡装置3的各项设计参数(如输出平衡力矩起始角度、终止角度、力矩可调整区域角度范围等)；

第五步：根据重力平衡装置3设计参数，确定重力平衡装置3的转角可调整精度，确定调节盘35上多组非等间距固定孔与基座32上安装螺孔的夹角配置关系；

调节盘35上多组非等间距固定孔与基座32上安装螺孔夹角配置关系如图7所示，左侧为调节盘35上固定孔位示意图，调节盘35可旋转，右侧为基座32上安装螺孔孔位示意图，基座32固定；

基座32上的安装螺孔在圆周方向均匀分布，相邻两个安装螺孔之间的夹角A可根据固定螺钉34的几何尺寸确定，如基座32上的安装螺孔在圆周方向均匀分布数量为K，那么，相邻两个安装螺孔之间的夹角为：A＝360°/K；

调节盘35与基座32之间连接的固定螺钉34数量取决于螺钉强度需要。为提高调节盘35的角度可调整精度，可根据需要进一步细分转角配置精度，如：在固定螺钉34安装尺寸允许的情况下，可取B＝A+A/(2n)，C＝A+A/(2n+1)，其中，n＝1，2，3，…，调节盘35上相邻两个夹角为B、C的固定孔在圆周方向均匀分布；

细分转角配置后，可通过调节盘35上多组非等间距固定孔与基座32上安装螺孔之间的组合，配置出不同转角配置精度，供调节时使用；

第六步：根据第四步中确定的重力平衡装置3设计参数，确定调节盘35与基座32螺纹320啮合的距离以及轴向行程、啮合螺纹320直径、螺距等参数；

第七步：根据平衡齿轮4与输入齿轮31的传动比及重力平衡装置3力矩特性曲线需求和安装几何尺寸，设计非接触型平面涡卷弹簧；

第八步：根据重力平衡装置3的转角配置情况，计算出对应于不同配置的调节环33轴向尺寸系列；

第九步：根据重力平衡装置3的平衡力矩特性曲线，选择合适的轴承型号、轴承跨距，进行重力平衡装置3的初步结构设计；

第十步：复核重力平衡装置3的配置数量及各重力平衡装置3的各项设计参数，最终确定实施方案。

此外，本实施例的可配置式力矩可调重力平衡装置的安装过程如下：

第一步：将重力平衡装置3中调节盘35旋至与基座32的最低啮合位置，将涡卷弹簧36的外环、内环分别与调节盘35和输出轴38上的卡槽30相固定，将拨盘37和封盖39安装到位；

第二步：根据俯仰轴5不平衡重力矩特性曲线，确定俯仰轴5最小不平衡重力矩出现的角度位置并将天线2口面法向调整到该位置，将天线2固定；

第三步：按照输出齿轮31与平衡齿轮4的啮合关系，将各重力平衡装置3初步安装、固定到位；安装时应当注意安装位置和方向，确保在天线2俯仰转动范围内，各重力平衡装置3的合力矩与俯仰轴5不平衡重力矩方向相反，起到平衡的作用；

第四步：根据各重力平衡装置3力矩特性曲线，转动拨盘37，使调节盘35旋转到该重力平衡装置3输出力矩的起始角度，安装对应的调节环33，用固定螺钉34紧固，将封盖39取下，观察内部涡卷弹簧36位置并进行调整，确保涡卷弹簧36侧端面与输出轴38回转中心线垂直；依照前述方法逐次将各个重力平衡装置3初步安装、调整到位；

第五步：在天线2俯仰转动角度范围内，缓慢地将天线2从俯仰轴5最小不平衡重力矩角度转动到最大不平衡重力矩角度，在此过程中逐一测试各位置俯仰轴5不平衡重力矩的平衡情况，对不满足俯仰轴5平衡需要的位置，按照第四步要求，精确调整各重力平衡装置3的平衡力矩，使天线2在预定的俯仰转动范围内，各位置平衡达到预定要求。

需要说明的是，尽管重力平衡装置3内涡卷弹簧36的弹性力矩与扭转角只具有线性关系，而天线2在转动过程中，俯仰轴5的不平衡重力矩是非线性的，但由于俯仰轴系摩擦力矩的存在，可以通过所配置的多个重力平衡装置3的刚度合成，使重力平衡装置3的合力矩特性曲线尽可能逼近俯仰轴5的不平衡重力矩特性曲线，使天线2在预定的俯仰转动范围内各位置能够保持平衡。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是有线连接，也可以是无线连接。

Claims (6)

1.一种可配置式力矩可调重力平衡装置，用于平衡天线、前端及发射系统对俯仰传动系统中俯仰轴产生的不平衡重力矩，其特征在于，所述重力平衡装置设置于所述俯仰轴的圆周方向，并通过平衡齿轮与所述俯仰轴连接；所述重力平衡装置包括调节盘、涡卷弹簧、输出轴、输入齿轮和基座，所述涡卷弹簧的外环连接所述调节盘，内环连接所述输出轴，所述输入齿轮设置于所述输出轴上并与所述平衡齿轮啮合，所述基座与所述调节盘通过螺纹副连接，所述基座用于固定所述调节盘；所述调节盘能够在所述输出轴的圆周方向转动，带动所述涡卷弹簧发生卷绕，产生所述输出轴圆周方向的扭矩，并依次通过所述输出轴、所述输入齿轮和所述平衡齿轮传递到所述俯仰轴；

所述俯仰轴的圆周方向设置有多个所述重力平衡装置，多个所述重力平衡装置用于提供较大的平衡力矩以对俯仰轴不平衡重力矩进行平衡；所述重力平衡装置的平衡力矩多档位可调整：每个所述重力平衡装置提供的平衡力矩能够进行调整，即每个所述重力平衡装置的刚度曲线都能够单独进行调节；通过多个所述重力平衡装置刚度曲线的合成实现对俯仰轴不平衡重力矩的精确平衡，即通过所配置的多个所述重力平衡装置的刚度合成，使所述重力平衡装置的合力矩特性曲线尽可能逼近所述俯仰轴的不平衡重力矩特性曲线，降低天线在预定的俯仰转动范围内各位置的不平衡重力矩。

2.根据权利要求1所述的一种可配置式力矩可调重力平衡装置，其特征在于，所述基座的圆周方向均匀设置有m个安装螺孔，所述调节盘上设置有n个非等间距的固定孔，n≥m＞0，所述调节盘和所述基座通过所述固定孔、固定螺钉和所述安装螺孔进行固定。

3.根据权利要求2所述的一种可配置式力矩可调重力平衡装置，其特征在于，所述基座和所述调节盘之间设置有调节环，所述调节环用于改善所述固定螺钉的受力状态。

4.根据权利要求1所述的一种可配置式力矩可调重力平衡装置，其特征在于，所述调节盘上设置有拨盘，所述拨盘用于转动所述调节盘。

5.根据权利要求1所述的一种可配置式力矩可调重力平衡装置，其特征在于，所述输出轴和所述涡卷弹簧内环的侧端面可拆卸地设置有封盖，所述封盖拆卸后能够观察到涡卷弹簧的位置并进行调整。

6.根据权利要求1所述的一种可配置式力矩可调重力平衡装置，其特征在于，所述调节盘和所述输出轴上设置有多个卡槽，所述涡卷弹簧的外环固定于所述调节盘的卡槽内，内环固定于所述输出轴的卡槽内，通过改变所述涡卷弹簧的内环在所述输出轴、外环在所述调节盘上的固定卡槽位置，改变所述涡卷弹簧卷绕时产生的扭矩。

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