CN113922694A - 一种传感自供电、结构紧凑型伺服机构 - Google Patents

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侯占林
傅捷
宋洪舟
蒋孟龙
刘亭
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Abstract

本发明涉及一种传感自供电、结构紧凑型伺服机构，包括往复运动活塞杆、前端盖组件、作动筒、减速器、往复运动活塞杆密封圈、受载滑动轴承及蓄能电池、动子预压垫、动子聚合物栅格垫、定子金属栅格垫、动子聚合物栅格垫、定子金属栅格垫、能量储存装置、动子聚合物栅格垫移动方向和往复运动活塞杆限位块；往复运动活塞杆做往复运动时提供推力和拉力，用于控制火箭喷管及空气舵的位置；电机用于提供输入转速和扭矩，使往复运动活塞杆作往复运动；减速器用于降低电机转速和增加输入扭矩；本发明利用微纳加工聚合物材料的栅格垫，作为摩擦电材料产生负电荷，微纳加工的金属材料的栅格垫，作为摩擦电材料产生正电荷，提升了伺服机构的小型化与集成度。

Description

一种传感自供电、结构紧凑型伺服机构
技术领域
本发明涉及一种传感自供电、结构紧凑型伺服机构，属于航天伺服机构技术领域。
背景技术
运载火箭用电液伺服机构一般采用整体式紧凑设计，液压能源组件与伺服作动器集成于一体。为了保证箭上安装空间要求，伺服机构外形包络尺寸应尽可能小，避免与外围产品存在干涉现象。
位移传感器是伺服机构的重要功能组成部分。传统的伺服机构位移传感器，如电位计式线位移传感器和LVDT线位移传感器等，无论是内置还是外置都占用空间较大，需要开槽，预留装配空间、安装空间、复杂的线路布置空间，且需要单独供电。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种传感自供电、结构紧凑型伺服机构，嵌入在前端盖组件和往复运动丝杆处，在满足位移检测功能的同时不额外占用体积空间，有益于提升伺服机构的小型化与集成度；自供电功能更适用于长时工作的飞行器型号，对传动机构的摩擦产生的能量进行利用，有益于节省伺服系统功耗。
本发明解决技术的方案是：
一种传感自供电、结构紧凑型伺服机构，包括连接支耳Ⅰ、往复运动活塞杆、前端盖组件、作动筒、电机、连接支耳Ⅱ、减速器、往复运动活塞杆密封圈、受载滑动轴承及蓄能电池、动子预压垫、动子聚合物栅格垫、定子金属栅格垫、动子聚合物栅格垫、定子金属栅格垫、能量储存装置、动子聚合物栅格垫移动方向和往复运动活塞杆限位块；
往复运动活塞杆做往复运动时提供推力和拉力，用于控制火箭喷管及空气舵的位置；作动筒用于定位往复运动活塞杆；电机用于提供输入转速和扭矩，使往复运动活塞杆作往复运动；减速器用于降低电机转速和增加输入扭矩；
将动子预压垫、动子聚合物栅格垫嵌入定子金属栅格垫，此时动子聚合物栅格垫的电极和定子金属栅格垫的电极不同，将定子金属栅格垫嵌入受载滑动轴承及蓄能电池，保证动子聚合物栅格垫和定子金属栅格垫均匀接触摩擦，并将定子金属栅格垫、受载滑动轴承及蓄能电池安装在前端盖组件内，动子聚合物栅格垫在定子金属栅格垫表面往复运动，通过分析输出的信号确定位移位置，还可以自供电，电能量存储在能量储存装置内，当作动器不运动时也能实时显示位移位置，并根据信号确定位置。
进一步的，动子预压垫弹性模量为15-40MPa。
进一步的，利用微纳加工聚合物材料的栅格垫，作为摩擦电材料产生负电荷，微纳加工的金属材料的栅格垫，作为摩擦电材料产生正电荷，利用摩擦生电自供电，并通过采集分析信号形成位移传感器。
进一步的，连接支耳Ⅰ和连接支耳Ⅱ用于连接火箭喷管及空气舵。
进一步的，当往复运动活塞杆作往复运动时往复运动活塞杆密封圈用于防止多余物进入作动筒内部。
进一步的，当动子聚合物栅格垫与定子金属栅格垫相互接触并相对直线运动时，产生周期性分离两种微摩擦电，电量存储在能量储存装置，此时，两个电极之间的交变电信号由于静电感应，检测到放置信号，实时位移可以通过计算电压峰值，并将其乘以每个信号的宽度光栅，这样既可以检测位移又可以储存能量。
进一步的，定子金属栅格垫材料强度1200～1500Mpa。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明利用微纳加工聚合物材料的栅格垫，作为摩擦电材料产生负电荷，微纳加工的金属材料的栅格垫，作为摩擦电材料产生正电荷，基本不占用多余空间，提升了伺服机构的小型化与集成度；
(2)本发明往复运动丝杠活塞杆外表面布置聚合物材料的栅格垫产生负电荷，与之配合的前端盖组件内布置金属材料的栅格垫产生正电荷，聚合物栅格垫(负电荷)和金属栅格垫(正电荷)贴合，因相对运动产生摩擦，利用摩擦生电自供电，并通过分析信号并采集形成位移传感器，较之前的电位计式线位移传感器和LVDT线位移传感器等提升伺服机构的小型化与集成度节省伺服系统功耗。
附图说明
图1为应用机构示意图；
图2为往复运动丝杠运动方向嵌入式聚合物材料的栅格垫示意图；
图3为滑动轴承端盖组件运动方向嵌入式金属材料的栅格垫示意图；
图4为纳米摩擦自供电原理。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
一种传感自供电、结构紧凑型伺服机构，如图1-4所示，包括连接支耳Ⅰ1、往复运动活塞杆2、前端盖组件3、作动筒4、电机5、连接支耳Ⅱ6、减速器7、往复运动活塞杆密封圈8、受载滑动轴承及蓄能电池9、动子预压垫10、动子聚合物栅格垫11、定子金属栅格垫12、动子聚合物栅格垫13、定子金属栅格垫14、能量储存装置15、动子聚合物栅格垫移动方向16和往复运动活塞杆限位块17；
往复运动活塞杆2做往复运动时提供推力和拉力，用于控制火箭喷管及空气舵的位置；作动筒4用于定位往复运动活塞杆2；电机5用于提供输入转速和扭矩，使往复运动活塞杆2作往复运动；减速器7用于降低电机5转速和增加输入扭矩；
将动子预压垫10、动子聚合物栅格垫11嵌入定子金属栅格垫12，此时动子聚合物栅格垫11的电极和定子金属栅格垫12的电极不同，定子金属栅格垫12材料强度1200～1500Mpa。将定子金属栅格垫12嵌入受载滑动轴承及蓄能电池9，保证动子聚合物栅格垫11和定子金属栅格垫12均匀接触摩擦，并将定子金属栅格垫12、受载滑动轴承及蓄能电池9安装在前端盖组件3内，动子聚合物栅格垫13在定子金属栅格垫14表面往复运动，通过分析输出的信号确定位移位置，还可以自供电，电能量存储在能量储存装置15内，当作动器不运动时也能实时显示位移位置，并根据信号确定位置。
动子预压垫10弹性模量为15-40MPa。利用微纳加工聚合物材料的栅格垫，作为摩擦电材料产生负电荷，微纳加工的金属材料的栅格垫，作为摩擦电材料产生正电荷，利用摩擦生电自供电，并通过采集分析信号形成位移传感器。
连接支耳Ⅰ和连接支耳Ⅱ6用于连接火箭喷管及空气舵。当往复运动活塞杆2作往复运动时往复运动活塞杆密封圈8用于防止多余物进入作动筒4内部。
当动子聚合物栅格垫11与定子金属栅格垫12相互接触并相对直线运动时，产生周期性分离两种微摩擦电，电量存储在能量储存装置15，此时，两个电极之间的交变电信号由于静电感应，检测到放置信号，实时位移可以通过计算电压峰值，并将其乘以每个信号的宽度光栅，这样既可以检测位移又可以储存能量。
在往复运动丝杠的活塞杆外表面布置沿运动方向的聚合物材料的栅格垫，作为摩擦电材料产生负电荷；
利用微纳加工，在往复运动丝杠的活塞杆表面布置沿运动方向的聚合物材料(本聚合物材料的工作温度-60～200℃，抗酸抗碱)的栅格垫，在聚合物栅格垫与丝杠活塞杆之间，嵌入弹性模量较小材料(弹性模量为15-40MPa)的预压垫，为实现有效摩擦并兼顾较低的摩擦预压力，从而产生负电荷，如图2所示。
在活塞杆外表面与之配合的前端盖组件内的滑动轴承内圈表面布置微纳加工的金属材料的栅格垫，作为摩擦电材料产生正电荷；
利用微纳加工，在活塞杆外表面及与之配合前端盖组件内的滑动轴承内圈表面布置微纳加工的金属材料(本材料强度1200～1500Mpa，抗火花、耐腐蚀、耐磨损)的栅格垫，作为摩擦电材料产生正电荷如图3所示。
聚合物栅格垫(负电荷)和金属栅格垫(正电荷)贴合，因相对运动产生摩擦，利用摩擦生电自供电，并通过分析信号并采集形成位移传感器。
聚合物栅格垫(负电荷)和金属栅格垫(正电荷)贴合，当两者相对运动时产生摩擦，摩擦可以生电，这样可以为自己本身供电，其余电量，可以通过能量收集装置布局在滑动轴承座上来收集，并通过分析信号并采集使聚合物栅格垫和金属栅格垫的相互运动形成位移传感器，如图4所示。
本发明利用微纳加工聚合物材料的栅格垫，作为摩擦电材料产生负电荷，微纳加工的金属材料的栅格垫，作为摩擦电材料产生正电荷，基本不占用多余空间，提升了伺服机构的小型化与集成度；
本发明往复运动丝杠活塞杆外表面布置聚合物材料的栅格垫产生负电荷，与之配合的前端盖组件内布置金属材料的栅格垫产生正电荷，聚合物栅格垫(负电荷)和金属栅格垫(正电荷)贴合，因相对运动产生摩擦，利用摩擦生电自供电，并通过分析信号并采集形成位移传感器，较之前的电位计式线位移传感器和LVDT线位移传感器等提升伺服机构的小型化与集成度节省伺服系统功耗。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种传感自供电、结构紧凑型伺服机构，其特征在于，包括连接支耳Ⅰ(1)、往复运动活塞杆(2)、前端盖组件(3)、作动筒(4)、电机(5)、连接支耳Ⅱ(6)、减速器(7)、往复运动活塞杆密封圈(8)、受载滑动轴承及蓄能电池(9)、动子预压垫(10)、动子聚合物栅格垫(11)、定子金属栅格垫(12)、动子聚合物栅格垫(13)、定子金属栅格垫(14)、能量储存装置(15)、动子聚合物栅格垫移动方向(16)和往复运动活塞杆限位块(17)；
往复运动活塞杆(2)做往复运动时提供推力和拉力，用于控制火箭喷管及空气舵的位置；作动筒(4)用于定位往复运动活塞杆(2)；电机(5)用于提供输入转速和扭矩，使往复运动活塞杆(2)作往复运动；减速器(7)用于降低电机(5)转速和增加输入扭矩；
将动子预压垫(10)、动子聚合物栅格垫(11)嵌入定子金属栅格垫(12)，此时动子聚合物栅格垫(11)的电极和定子金属栅格垫(12)的电极不同，将定子金属栅格垫(12)嵌入受载滑动轴承及蓄能电池(9)，保证动子聚合物栅格垫(11)和定子金属栅格垫(12)均匀接触摩擦，并将定子金属栅格垫(12)、受载滑动轴承及蓄能电池(9)安装在前端盖组件(3)内，动子聚合物栅格垫(13)在定子金属栅格垫(14)表面往复运动，通过分析输出的信号确定位移位置，还可以自供电，电能量存储在能量储存装置(15)内，当作动器不运动时也能实时显示位移位置，并根据信号确定位置。
2.根据权利要求1所述的一种传感自供电、结构紧凑型伺服机构，其特征在于，动子预压垫(10)弹性模量为15-40MPa。
3.根据权利要求1所述的一种传感自供电、结构紧凑型伺服机构，其特征在于，利用微纳加工聚合物材料的栅格垫，作为摩擦电材料产生负电荷，微纳加工的金属材料的栅格垫，作为摩擦电材料产生正电荷，利用摩擦生电自供电，并通过采集分析信号形成位移传感器。
4.根据权利要求1所述的一种传感自供电、结构紧凑型伺服机构，其特征在于，连接支耳Ⅰ(1)和连接支耳Ⅱ(6)用于连接火箭喷管及空气舵。
5.根据权利要求1所述的一种传感自供电、结构紧凑型伺服机构，其特征在于，当往复运动活塞杆(2)作往复运动时往复运动活塞杆密封圈(8)用于防止多余物进入作动筒(4)内部。
6.根据权利要求1所述的一种传感自供电、结构紧凑型伺服机构，其特征在于，当动子聚合物栅格垫(11)与定子金属栅格垫(12)相互接触并相对直线运动时，产生周期性分离两种微摩擦电，电量存储在能量储存装置(15)，此时，两个电极之间的交变电信号由于静电感应，检测到放置信号，实时位移可以通过计算电压峰值，并将其乘以每个信号的宽度光栅，这样既可以检测位移又可以储存能量。
7.根据权利要求1所述的一种传感自供电、结构紧凑型伺服机构，其特征在于，定子金属栅格垫(12)材料强度1200～1500Mpa。
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