CN113028017A - 防卡滞的液压备份式机电作动器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种防卡滞的液压备份式机电作动器及其控制方法，用于解决现有技术中行星滚柱丝杠副等丝杠传动装置可能发生卡滞的问题。一种防卡滞的液压备份式机电作动器，包括：电机本体和输出轴，所述电机本体驱动所述输出轴转动；丝杠、滚柱和螺母，所述丝杠为中空结构，所述丝杠和所述输出轴通过花键结构同轴配合，所述丝杠和所述输出轴之间设有径向锁定机构，所述径向锁定机构用于锁定或者断开所述丝杠和所述输出轴的轴向相对位移；中空杆，所述中空杆和所述螺母固定，所述丝杠能够同轴伸入所述中空杆内；缸体和油箱，所述丝杠、滚柱和螺母置于所述缸体内，所述螺母作为所述缸体的活塞将所述缸体分为两个油腔，两个所述油腔通过管道和阀门系统与所述油箱连通。

Description

防卡滞的液压备份式机电作动器及其控制方法

技术领域

本发明涉及基于行星滚柱丝杠副的机电作动器技术领域，具体为航空航天领域中安全备份作动系统中的电动作动技术领域，特别是涉及一种防卡滞的液压备份式机电作动器及其控制方法。

背景技术

近年来多电飞机/全电飞机的概念推动了电动作动系统的发展，随着“功率电传”思想的引入，电动作动系统可在如飞行舵面控制、推力矢量控制、飞机刹车和工业过程控制等广泛领域代替现有的液压作动系统。采用功率电传作动器的电动作动系统，如机电作动器和电动静液作动器等，使飞机第二能源系统至作动系统各执行机构之间的功率传输，通过电导线以电能量传输，取代现行的通过液压管路来传递功率，这将大大改善飞行器的操纵性能。

机电作动器中的运动转化和功率传递主要通过丝杠传动实现，包括滚珠丝杠副和行星滚柱丝杠副。行星滚柱丝杠副是一种将旋转运动转换为直线运动的新型传动装置，由于其具有承载能力大、精度高、效率高、无污染、便于维护等优点，逐渐应用于航空航天、车辆和精密机床等工业领域。但是近年来，行星滚柱丝杠副的卡滞问题(如长时间工作磨损后间隙过大导致的零件间卡滞)，是阻碍其进一步发展的主要原因之一，尤其是当其应用在航空航天领域中的机电作动器时，亟待解决。

在专利CN 111306271A中，机电作动器通过串并联模块化的方式，根据不同的场合，不同的组合方式，快速组装，以满足各种工况下的使用。但是其未考虑，串并联情况下，由于某一个或某几个作动器中的机械卡滞，如行星滚柱丝杠副的卡滞，带来整体装置的受力不均匀，导致结构失效。因此，开发设计一种可防止机械卡滞的机电作动器具有重要意义。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种防卡滞的液压备份式机电作动器及其控制方法，用于解决现有技术中行星滚柱丝杠副可能发生卡滞的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种防卡滞的液压备份式机电作动器，包括：

电机，所述电机包括电机本体和输出轴，所述电机本体驱动所述输出轴转动；

丝杠、滚柱和螺母，所述丝杠为中空结构，所述丝杠和所述输出轴通过花键结构同轴配合，所述丝杠和所述输出轴之间设有径向锁定机构，所述径向锁定机构用于锁定或者断开所述丝杠和所述输出轴的轴向相对位移；

中空杆，所述中空杆和所述螺母固定，所述丝杠能够同轴伸入所述中空杆内；

缸体和油箱，所述丝杠、滚柱和螺母置于所述缸体内，所述电机本体将所述缸体的一端密封，所述中空杆穿过所述缸体另一端的端盖，且所述中空杆和所述缸体活动密封连接，所述螺母作为所述缸体的活塞将所述缸体分为两个油腔，两个所述油腔通过管道和阀门系统与所述油箱连通。

可选的，所述输出轴为中空结构，所述输出轴贯穿所述电机本体，所述输出轴一端和所述丝杠配合，所述输出轴另一端通过转动接头和液压系统连通；

所述径向锁定机构通过输出轴内的液压加压或者减压驱动锁定或者断开锁定。

可选的，所述输出轴的侧壁上设有台阶通孔，所述丝杠内壁上设有定位孔；

所述径向锁定机构包括中心柱、小活塞、弹性件和锁定盖；

所述中心柱同心置于所述台阶通孔内，所述小活塞固定在所述中心柱上，且和所述台阶通孔的大孔内壁滑动密封配合，所述锁定盖和所述台阶通孔的内壁螺纹配合，且所述中心柱和所述锁定盖的中心孔滑动密封配合，所述弹性件置于所述小活塞和所述锁定盖之间，所述弹性件具有将所述小活塞顶向所述输出轴的内孔的趋势。

可选的，所述径向锁定的机构在周向上不止一个，各个所述径向锁定机构之间等间隔布置。

可选的，两个所述油腔之间通过密封圈密封。

可选的，所述缸体的内腔长度大于所述中空杆的2倍伸缩行程长度。

可选的，所述丝杠和所述输出轴配合的一端还设有至少一个轴承，所述轴承和所述缸体内壁轴向滑动配合且周向转动配合。

可选的，所述中空杆的转动位移被外部装置限制或者所述中空杆和所述缸体之间通过止转结构连接。

利用所述的防卡滞的液压备份式机电作动器的控制方法，包括如下步骤：

同时将电机的输出轴和丝杠锁定，启动电机，实现对中空杆的伸缩控制；

判断卡滞步骤，根据电机的输出轴的扭矩大小判断丝杠、滚柱和螺母是否卡滞，当输出轴的扭矩大小大于系统预设值时，则判断发生卡滞，此时断开输出轴和丝杠的锁定，使得丝杠和输出轴能够相对轴向运动；

判断螺母卡滞位置步骤，根据电机的转动信号判断螺母在缸体中的卡滞位置，或者采用传感器检测中空杆的位置实现螺母卡滞位置的判断；

根据螺母卡滞位置控制油箱的进入到缸体的两个油腔内的油量和油压，实现对螺母的液压驱动，从而实现对中空杆的伸缩备用驱动。

如上所述，本发明的防卡滞的液压备份式机电作动器及其控制方法，至少具有以下有益效果：

通过输出轴和丝杠的花键结构配合，且输出轴和丝杠通过径向锁定机构锁定轴向运动，当发生卡滞时，可以通过径向锁定机构断开轴向位移限制，此时螺母作为活塞实用，通过液压的控制实现对中空杆的伸缩的备用控制。

附图说明

图1显示为本发明的防卡滞的液压备份式机电作动器示意图。

图2显示为本发明的径向锁定机构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图2。须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以下各个实施例仅是为了举例说明。各个实施例之间，可以进行组合，其不仅仅限于以下单个实施例展现的内容。

本实施例中，请参阅图1至图2，本发明提供一种防卡滞的液压备份式机电作动器，包括：电机1，丝杠2、滚柱3、螺母4、中空杆5、缸体6和油箱7，所述电机1包括电机本体11和输出轴12，所述电机本体11驱动所述输出轴12转动；所述丝杠2为中空结构，所述丝杠2和所述输出轴12通过花键结构同轴配合，所述丝杠2和所述输出轴12之间设有径向锁定机构8，所述径向锁定机构8用于锁定或者断开所述丝杠2和所述输出轴12的轴向相对位移；所述中空杆5和所述螺母4固定，所述丝杠2能够同轴伸入所述中空杆5内；所述丝杠2、滚柱3和螺母4置于所述缸体6内，所述电机本体11将所述缸体6的一端密封，所述中空杆5穿过所述缸体6另一端的端盖，且所述中空杆5和所述缸体6活动密封连接，所述螺母4作为所述缸体6的活塞将所述缸体6分为两个油腔，两个所述油腔通过管道和阀门系统与所述油箱7连通。通过输出轴12和丝杠2的花键结构配合，且输出轴12和丝杠2通过径向锁定机构8锁定轴向运动，当发生卡滞时，可以通过径向锁定机构8断开轴向位移限制，此时螺母4作为活塞实用，通过液压的控制实现对中空杆5的伸缩的备用控制。

本实施例中，请参阅图1至图2，所述输出轴12为中空结构，所述输出轴12贯穿所述电机本体11，所述输出轴12一端和所述丝杠2配合，所述输出轴12另一端通过转动接头121和液压系统122连通；所述径向锁定机构8通过输出轴12内的液压加压或者减压驱动锁定或者断开锁定。输出轴12为中空结构方便液压油的流通，同时电机1通过转动接头121和液压系统122连通，使得输出轴12在转动时，仍然能够保证液压油连通，实现任意时候对径向锁定机构8的控制。且通过液压形式控制具有控制准确方便的特点，没有复杂的传动装置，且适应此种受限空间的情形，可选的，所述输出轴12的侧壁上设有台阶通孔123，所述丝杠2内壁上设有定位孔21；所述径向锁定机构8包括中心柱81、小活塞82、弹性件83和锁定盖84；所述中心柱81同心置于所述台阶通孔123内，所述小活塞82固定在所述中心柱81上，且和所述台阶通孔123的大孔内壁滑动密封配合，所述锁定盖84和所述台阶通孔123的内壁螺纹配合，且所述中心柱81和所述锁定盖84的中心孔滑动密封配合，所述弹性件83置于所述小活塞82和所述锁定盖84之间，所述弹性件83具有将所述小活塞82顶向所述输出轴12的内孔的趋势。滑动密封的形式可以采用密封圈9等形式，比如在锁定盖84和台阶通孔123之间的密封也可以采用密封圈9的结构。以实现小活塞82两侧空腔的滑动密封，作为液压的基础原理，本领域技术人员有能力对其进行选择。具体的，当需要中心柱81伸入到定位孔21内时，液压系统122加压，对中心柱81的端面或者对小活塞82的一面施力，克服弹性件83的弹力，中心柱81逐渐进入到定位孔21内，当液压系统122减压时，弹性件83将对小活塞82反向施力，从而让中心柱81慢慢缩回到台阶通孔123内，具体的弹性件83可以为弹簧。

本实施例中，可选的，所述径向锁定的机构在周向上不止一个，各个所述径向锁定机构8之间等间隔布置。能够具有更高强度和结构可靠性。

本实施例中，请参阅图1，两个所述油腔之间通过密封圈9密封。

本实施例中，请参阅图1，所述缸体6的内腔长度大于所述中空杆5的2倍伸缩行程长度。由于驱动形式的转变，备份液压形式驱动时，需要驱动螺母4在缸体6内轴向运动，但是由于卡滞时螺母4位置不确定，设置2倍以上的行程，使得螺母4在任何位置均能够保证原来的行程，如果小于缸体6内腔长度小于2倍时，则液压驱动的伸缩行程会小于原有的电机驱动行程。

本实施例中，请参阅图1，所述丝杠2和所述输出轴12配合的一端还设有至少一个轴承，所述轴承和所述缸体6内壁轴向滑动配合且周向转动配合。轴承的设置能够对丝杠2起到定心作用，从而提高精度。为了适应缸体的内壁尺寸，可以选择不同大小的轴承，也可以选择在轴承外设置一个轴承座。

作为可以选择的实施方式，所述中空杆5的转动位移被外部装置限制，比如中空杆5外部和其负载机构进行固定，则中空杆5的转动位移被限制；或者所述中空杆5和所述缸体6之间通过止转结构连接。

利用所述的防卡滞的液压备份式机电作动器的控制方法，包括如下步骤：

同时将电机1的输出轴12和丝杠2锁定，启动电机1，通过丝杠传动装置实现对中空杆5的伸缩控制；

判断卡滞步骤，根据电机1的输出轴12的扭矩大小判断丝杠2、滚柱3和螺母4是否卡滞，当输出轴12的扭矩大小大于系统预设值时，则判断发生卡滞，此时断开输出轴12和丝杠2的锁定，使得丝杠2和输出轴12能够相对轴向运动；

判断螺母4卡滞位置步骤，根据电机1的转动信号判断螺母4在缸体6中的卡滞位置，或者采用传感器检测中空杆5的位置实现螺母4卡滞位置的判断；

根据螺母4卡滞位置控制油箱7的进入到缸体6的两个油腔内的油量和油压，实现对螺母4的液压驱动，从而实现对中空杆5的伸缩备用驱动。

综上所述，本发明通过输出轴12和丝杠2的花键结构配合，且输出轴12和丝杠2通过径向锁定机构8锁定轴向运动，当发生卡滞时，可以通过径向锁定机构8断开轴向位移限制，此时螺母4作为活塞实用，通过液压的控制实现对中空杆5的伸缩的备用控制。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种防卡滞的液压备份式机电作动器，其特征在于，包括：

电机，所述电机包括电机本体和输出轴，所述电机本体驱动所述输出轴转动；

丝杠、滚柱和螺母，所述丝杠为中空结构，所述丝杠和所述输出轴通过花键结构同轴配合，所述丝杠和所述输出轴之间设有径向锁定机构，所述径向锁定机构用于锁定或者断开所述丝杠和所述输出轴的轴向相对位移；

中空杆，所述中空杆和所述螺母固定，所述丝杠能够同轴伸入所述中空杆内；

缸体和油箱，所述丝杠、滚柱和螺母置于所述缸体内，所述电机本体将所述缸体的一端密封，所述中空杆穿过所述缸体另一端的端盖，且所述中空杆和所述缸体活动密封连接，所述螺母作为所述缸体的活塞将所述缸体分为两个油腔，两个所述油腔通过管道和阀门系统与所述油箱连通。

2.根据权利要求1所述的防卡滞的液压备份式机电作动器，其特征在于：所述输出轴为中空结构，所述输出轴贯穿所述电机本体，所述输出轴一端和所述丝杠配合，所述输出轴另一端通过转动接头和液压系统连通；

所述径向锁定机构通过输出轴内的液压加压或者减压驱动锁定或者断开锁定。

3.根据权利要求2所述的防卡滞的液压备份式机电作动器，其特征在于：所述输出轴的侧壁上设有台阶通孔，所述丝杠内壁上设有定位孔；

所述径向锁定机构包括中心柱、小活塞、弹性件和锁定盖；

所述中心柱同心置于所述台阶通孔内，所述小活塞固定在所述中心柱上，且和所述台阶通孔的大孔内壁滑动密封配合，所述锁定盖和所述台阶通孔的内壁螺纹配合，且所述中心柱和所述锁定盖的中心孔滑动密封配合，所述弹性件置于所述小活塞和所述锁定盖之间，所述弹性件具有将所述小活塞顶向所述输出轴的内孔的趋势。

4.根据权利要求2或3所述的防卡滞的液压备份式机电作动器，其特征在于：所述径向锁定的机构在周向上不止一个，各个所述径向锁定机构之间等间隔布置。

5.根据权利要求1所述的防卡滞的液压备份式机电作动器，其特征在于：两个所述油腔之间通过密封圈密封。

6.根据权利要求1所述的防卡滞的液压备份式机电作动器，其特征在于：所述缸体的内腔长度大于所述中空杆的2倍伸缩行程长度。

7.根据权利要求1所述的防卡滞的液压备份式机电作动器，其特征在于：所述丝杠和所述输出轴配合的一端还设有至少一个轴承，所述轴承和所述缸体内壁轴向滑动配合且周向转动配合。

8.根据权利要求1所述的防卡滞的液压备份式机电作动器，其特征在于：所述中空杆的转动位移被外部装置限制或者所述中空杆和所述缸体之间通过止转结构连接。

9.利用权利要求1-8任一所述的防卡滞的液压备份式机电作动器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

同时将电机的输出轴和丝杠锁定，启动电机，实现对中空杆的伸缩控制；

判断卡滞步骤，根据电机的输出轴的扭矩大小判断丝杠、滚柱和螺母是否卡滞，当输出轴的扭矩大小大于系统预设值时，则判断发生卡滞，此时断开输出轴和丝杠的锁定，使得丝杠和输出轴能够相对轴向运动；

判断螺母卡滞位置步骤，根据电机的转动信号判断螺母在缸体中的卡滞位置，或者采用传感器检测中空杆的位置实现螺母卡滞位置的判断；

根据螺母卡滞位置控制油箱的进入到缸体的两个油腔内的油量和油压，实现对螺母的液压驱动，从而实现对中空杆的伸缩备用驱动。

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