CN115320832A - 一种小型齿轮系式舵机及其设计方法 - Google Patents

一种小型齿轮系式舵机及其设计方法 Download PDF

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CN115320832A
CN115320832A CN202210901114.8A CN202210901114A CN115320832A CN 115320832 A CN115320832 A CN 115320832A CN 202210901114 A CN202210901114 A CN 202210901114A CN 115320832 A CN115320832 A CN 115320832A
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gear
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reduction ratio
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孙亚朋
王彦利
田秀
石阳
钟哲
李壮壮
吕俊平
臧浩杰
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Abstract

本发明涉及一种小型齿轮系式舵机及其设计方法，舵机包括舵机外壳、盖板、电机、电位器、电感，电机通过电机座安装于舵机外壳；电机、电感、电位器组成舵机的电器部分；舵机外壳和盖板之间形成腔体，其特征在于：还包括齿轮组件、多芯线缆；其中，齿轮组件排布于所述腔体内，并通过轴承与舵机外壳、盖板连接；电机输出轴上设置用于与齿轮组件啮合的电机齿轮，所述齿轮组件包括初级齿轮组件、中间级齿轮组件、次级齿轮组件、输出级齿轮组件及外部齿轮组件，各齿轮组件依次啮合传递，电位器与外部齿轮组件连接，电位器中心线与外部齿轮组件中心线重合，由齿轮组件的位置调整舵机的宽度和高度；电器部分各信号线由多芯线缆引出至舵机外部。

Description

一种小型齿轮系式舵机及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种齿轮系式舵机及其设计方法。
背景技术
舵机是一种飞行器舵面控制的执行机构，其结构一般包括电机、传动机构和反馈传感器。申请号CN103523207发明的一种电动舵机，包括电机、谐波凸轮、端盖、舵机输出轴、输入钢轮、壳体、电位计、锥齿组件，能够在实现柔性连接的同时保证连接刚度，提高舵机的可靠性以及舵机系统的动态响应，但未对舵机的小型化、参数化设计提供思路。申请号CN105129074发明的一种双通道电动舵机，工作时电机转动通过齿轮减速带动丝杠转动，滚珠丝杠副把旋转运动变为直线运动后通过连杆机构推动摇臂旋转，从而实现力矩与速度输出，但未对舵机设计方法及舵机小型化、参数化设计提供思路。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种小型的齿轮系式舵机及其设计方法。
本发明解决技术的方案是：一种小型齿轮系式舵机，包括舵机外壳、盖板、电机、电位器、电感，电机通过电机座安装于舵机外壳；电机、电感、电位器组成舵机的电器部分；舵机外壳和盖板之间形成腔体，还包括齿轮组件、多芯线缆；其中，齿轮组件排布于所述腔体内，并通过轴承与舵机外壳、盖板连接；电机输出轴上设置用于与齿轮组件啮合的电机齿轮，所述齿轮组件包括初级齿轮组件、中间级齿轮组件、次级齿轮组件、输出级齿轮组件及外部齿轮组件，各齿轮组件依次啮合传递，电位器与外部齿轮组件连接，电位器中心线与外部齿轮组件中心线重合，由齿轮组件的位置调整舵机的宽度和高度；电器部分各信号线由多芯线缆引出至舵机外部。
优选的，齿轮组件中的初级齿轮组件、中间级齿轮组件、次级齿轮组件、输出级齿轮组件均包括固连的主动齿轮和从动齿轮，从动齿轮由前一级齿轮驱动，主动齿轮驱动下一级齿轮。
优选的，在有锥齿型齿轮传动的部位，从动齿轮与轴承之间留有工艺间隙，间隙大小0.05mm～0.4mm，并使用加减薄垫片的方法调节间隙大小，在装配中抵消加工误差的影响，使传动顺畅、可靠。
优选的，外部齿轮组件包括外部从动齿轮、轴承、调节垫片、外压板、内压板，其中，通过紧固件锁定，使内压板将轴承、调节垫片约束于从动齿轮；通过紧固件锁定，使外压板将从动齿轮、轴承、调节垫片、内压板约束于外壳。
一种小型齿轮系式舵机设计方法，包括：
根据舵舱及喷管的尺寸，确定舵机的高度和宽度；
进行电机选型；
考虑电机空载转速、舵机频响转速、舵机空载转速、电机额定扭矩、舵机额定转矩以及设计传动效率，确定设计减速比；在设计减速比基础上结合确定的舵机高度和宽度，确定齿轮组件的传动形式；
计算电机工作电流并进行电流校核，若满足电流要求，则进行静/动态过载倍数校核，否则返回重新确定设计减速比或者重新进行电机选型；
静/动态过载倍数校核满足过载倍数要求，则进行舵机转速校核，否则返回重新确定设计减速比或者重新进行电机选型；
若舵机转速满足要求，则完成舵机设计，否则返回重新确定设计减速比或者重新进行电机选型。
优选的，通过下述方式确定舵机的高度和宽度：
在装配体环境下插入舵舱、喷管及分区工具模型，其中舵舱、喷管用于限制舵机模型空间，分区工具模型用于多只舵机布置时空间区域划分；
在装配体环境下，设置舵机外壳的外圆与舵舱内壁圆重合，设置舵机盖板与舵舱内部的喷管外圆相切，并使舵机模型不超出分区工具模型，进而确定舵机的高度和宽度。
优选的，通过下述方式确定设计减速比：
根据电机速度常数、舵机额定电压计算电机空载转速；
由电机空载转速、舵机频响转速计算最大减速比Ⅰ；由电机空载转速、舵机空载转速计算最大减速比Ⅱ；由电机额定扭矩、舵机额定转矩及设计传动效率计算最佳减速比；
选择满足下述条件的设计减速比：
设计减速比＝n×最佳减速比；0.2≤n≤2；
设计减速比＜最大减速比Ⅰ；
设计减速比＜最大减速比Ⅱ。
优选的，建立齿轮组件中齿轮的三维模型；所述三维模型用于实现齿轮的参数化建模，当齿轮三维模型变更时，齿轮二维图上的实体投影曲线及其尺寸随之变更；其中三维模型中定义变量：模数m、齿数z、变位系数x、齿宽b；以及齿顶圆直径da、分度圆直径d、齿根圆直径df与上述各个变量的方程式；
利用三维模型实体结构对传动齿轮副进行配合约束；
建立舵机建模基准位置，所述基准位置包括两个相互垂直的基准面，记为基准面Ⅰ、基准面Ⅱ；
输出级齿轮组件的中心与两个基准面的交线重合，外部齿轮组件的轴线位于基准面Ⅰ上，初级齿轮组件与次级齿轮组件分别位于基准面Ⅰ的两侧，其中初级齿轮组件轴线距离基准面Ⅰ的距离为V1，初级齿轮组件轴线距离基准面Ⅱ的距离为H1，次级齿轮组件轴线距离基准面Ⅰ的距离为V2，距离H1决定舵机整体的高度H，距离V1+V2决定舵机整体的宽度V；进而在确定舵机的高度和宽度下确定初级齿轮组件、中间级齿轮组件、次级齿轮组件、输出级齿轮组件的位置。
优选的，输出级齿轮组件与外部齿轮组件依靠刻线对正，其中，输出级齿轮组件刻线位置与外部齿轮组件刻线位置分别位于齿轮的齿槽中心位置、齿轮的轮齿中心位置。
优选的，静/动态过载倍数要求取值范围为0.8～3。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)舵机模型设计过程中，通过在装配体环境下插入舵舱及分区工具模型，并设置舵机壳体的外圆与舵舱内壁圆重合，设置舵机盖板与舵舱内部的喷管外圆相切，并使舵机模型不超出分区工具模型。当舵舱及喷管尺寸变更时，舵机壳体及盖板尺寸随之变更。实现舵机模型的快速变更优化。
(2)实现齿轮三维模型的参数化建模及其二维图的关联性出图，即当齿轮三维模型变更时，齿轮二维图上的实体投影曲线及其尺寸随之变更。实现了齿轮三维模型及其二维图纸的快速变更。
(3)在设计模型中，通过定义基准位置(即以输出轴轴线位置为基准)以及对初级齿轮组件、次级齿轮组件位置约束，实现舵机整体的高度、宽度尺寸的参数化设计。提高了舵机整机设计效率。
(4)一种小型齿轮系式舵机设计方法，主要包括电机选型、减速比设计、电流校核、静/动态过载倍数校核、舵机转速校核。提出了舵机流程化设计方案，提高了舵机方案的设计效率。
附图说明
图1为本发明三维视图；
图2为本发明舵机内部齿轮组件示意图；
图3为本发明舵机基准面与齿轮组件关系示意图；
图4为本发明电机齿轮与初级齿轮组件示意图；
图5为本发明外部齿轮组件示意图；
图6为本发明舵机模型设计示意图；
图7为本发明舵机电器部分示意图；
图8为本发明齿轮三维模型示意图；
图9为本发明齿轮二维示意图；
图10为本发明齿轮组件主从齿轮示意图；
图11为本发明舵机设计流程图；
图12为本发明电机选型示意图；
图13为本发明减速比设计示意图；
图14为本发明电流校核示意图；
图15为本发明静/动态过载倍数校核示意图；
图16为本发明舵机转速校核示意图。
图注
11外壳、12盖板、13电位器、14电机、15电感、16齿轮组件、161初级齿轮组件、162中间级齿轮组件、163次级齿轮组件、164输出级齿轮组件、1641输出级齿轮组件刻线、165外部齿轮组件、1651外部从动齿轮、1652调节垫片、1653外压板、1654内压板、1655外部齿轮组件刻线、17电机座、18电机齿轮、19轴承、20薄垫片、21舵舱、22喷管、23分区工具模型、24多芯线缆、25基准面Ⅰ、26基准面Ⅱ、A1从动齿轮、A11齿顶实体、A12齿根实体、A13齿芯实体、A2主动齿轮、B分度圆曲面、da齿顶圆直径、d分度圆直径、df齿根圆直径。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
如图1、2所示，一种小型齿轮系式舵机包括外壳11、盖板12、齿轮组件16、电机14、电位器13、电感15、多芯线缆24。其中，电机14通过电机座17安装于舵机外壳11，电机输出轴上有电机齿轮18；外壳11和盖板12之间形成腔体，齿轮组件排布于腔体内，并通过轴承19与外壳11、盖板12连接；齿轮组件16包括初级齿轮组件161、中间级齿轮组件162、次级齿轮组件163、输出级齿轮组件164及外部齿轮组件165，各齿轮组件依次啮合传递，电位器13与外部齿轮组件165连接，电位器13中心线与外部齿轮组件165中心线重合。
齿轮组件中的初级齿轮组件161、中间级齿轮组件162、次级齿轮组件163、输出级齿轮组件164，均包括从动齿轮A1、主动齿轮A2，二者固连，从动齿轮A1由前一级齿轮驱动，主动齿轮A2驱动下一级齿轮，如图10所示，图中给出的是直齿轮的示意。
在有锥齿型齿轮组件传动的部位，如图4所示，从动齿轮A1(本例中电机齿轮为锥齿轮，此处的从动齿轮为齿轮161)与轴承19之间留有工艺间隙，间隙大小0.05mm～0.4mm，并使用加减薄垫片20的方法调节间隙大小，可在装配中抵消加工误差的影响，使传动顺畅、可靠。
如图5所示，外部齿轮组件165，包括外部从动齿轮1651、轴承19、调节垫片1652、外压板1653、内压板1654，其中，通过螺钉锁定，使内压板1654将轴承19、调节垫片1652约束于从动齿轮1651；通过螺钉锁定，使外压板1653将从动齿轮1651、轴承19、调节垫片1652、内压板1654约束于外壳11。
舵机的电器部分，包括电机14、电感15、电位器13，其中，如图7所示，电机14与电感15串联，各信号线由多芯线缆24引出至舵机外部。
本发明给出一种小型齿轮系式舵机设计方法，如图11所示，主要包括电机选型、减速比设计、电流校核、静/动态过载倍数校核、舵机转速校核、舵机模型设计。其中，当电流校核、静/动态过载倍数校核、舵机转速校核之一不满足要求时，重新进行电机选型或减速比设计；当电流校核、静/动态过载倍数校核、舵机转速校核均满足要求时，完成舵机设计。静/动态过载倍数要求取值范围为0.8～3。
舵机模型设计过程中，如图6所示，在装配体环境下插入舵舱21、喷管22及分区工具模型23，其中舵舱21、喷管22用于限制舵机模型空间，分区工具模型23用于多只舵机布置时空间区域划分。在装配体环境下，设置舵机外壳11的外圆与舵舱21内壁圆重合，设置舵机盖板12与舵舱21内部的喷管22外圆相切，并使舵机模型不超出分区工具模型23。当舵舱21及喷管22尺寸变更时，舵机外壳11及盖板12尺寸随之变更。
电机选型，如图12所示，包括舵机功率、频响输出功率、所需电机功率的计算。其中，舵机功率由舵机额定转速、额定转矩计算得到；舵机频响输出功率由舵机频率特性计算得到；所需电机功率由舵机功率、设计传动效率计算得到。设计传动效率取值范围为0.3～1。
P额定＝T额定·ω额定
ω频响＝0.707×θ·2π·f
P频响＝T频响·ω频响
P电机＝P额定/η
其中，T额定为舵机额定转矩，ω额定为舵机额定转速，θ为舵机动态幅值特性，f为舵机动态频率特性，ω频响为舵机动态转速，P额定为舵机功率，P频响为舵机频响输出功率，η为设计传动效率，P电机为所需电机功率。
减速比设计，如图13所示，包括电机空载转速、舵机频响转速、最大减速比Ⅰ、最大减速比Ⅱ、最佳减速比的计算，以及设计减速比、设计传动形式、设计传动效率的确定。其中，电机空载转速由电机速度常数、舵机额定电压计算得到；最大减速比Ⅰ由电机空载转速、舵机频响转速计算得到；最大减速比Ⅱ由电机空载转速、舵机空载转速计算得到；最佳减速比由电机额定扭矩、舵机额定转矩及设计传动效率计算得到；设计减速比＝n×最佳减速比(0.2≤n≤2)，设计减速比＜最大减速比Ⅰ，设计减速比＜最大减速比Ⅱ；设计传动形式包括直齿、锥齿、涡轮蜗杆；设计传动效率由设计传动形式计算得到。
n电机空载＝kn·V
i最大Ⅰ＝n电机空载/n频响
i最大Ⅱ＝n电机空载/n空载
i最佳＝n电机额定/n额定
i＝n·i最佳0.2≤n≤2
i<i最大Ⅰ，i<i最大Ⅱ
其中kn为电机速度常数，V为舵机额定电压，n电机空载为电机空载转速，n频响为舵机频响转速，n空载为舵机空载转速，i最大Ⅰ为最大减速比Ⅰ，i最大Ⅱ为最大减速比Ⅱ，i最佳为最佳减速比，i为设计减速比。
电流校核，如图14所示，包括电机工作电流的计算，电机工作电流由舵机设计传动效率、额定扭矩、设计减速比及电机转矩常数计算得到。
I＝T额定/i·η·km
其中T额定为舵机额定扭矩，km为电机转矩常数。静/动态过载倍数校核，如图15所示，包括所需电机静态扭矩、所需电机动态扭矩以及静态过载倍数、动态过载倍数的计算。其中，所需电机静态扭矩由舵机额定转矩、设计传动效率、设计减速比计算得到；所需电机动态扭矩由舵机频率特性、转动惯量、设计减速比、设计传动效率计算得到；静态过载倍数＝所需电机静态扭矩/电机额定扭矩；动态过载倍数＝所需电机动态扭矩/电机额定扭矩。
Figure BDA0003770918880000081
Figure BDA0003770918880000082
Figure BDA0003770918880000083
Figure BDA0003770918880000084
其中T电机静态为所需电机静态扭矩,T电机动态为所需电机动态扭矩，J为系统转动惯量，T电机额定为电机额定扭矩，N静态为静态过载倍数，N动态为动态过载倍数。
舵机转速校核，如图16所示，包括电机空载转速、电机带载转速、舵机空载转速、舵机带载转速的计算。其中，电机空载转速由电机额定电压、速度常数及舵机额定电压计算得到；电机带载转速由电机额定电压、速度常数、转速/转矩斜率及舵机额定电压、额定扭矩、设计传动效率、设计减速比计算得到；舵机空载转速＝电机空载转速/设计减速比；舵机带载转速＝电机带载转速/设计减速比。
Figure BDA0003770918880000091
n空载＝n电机空载/i
n带载＝n电机带载/i
Figure BDA0003770918880000092
Figure BDA0003770918880000093
其中
Figure BDA0003770918880000094
为电机转速/转矩斜率，n电机带载为电机带载转速，n空载为舵机空载转速，n带载为舵机带载转速。
本发明在确定设计减速比后需要根据确定的舵机宽度、高度设计具体的齿轮组件。
齿轮三维模型包括3个实体，如图8所示：齿顶实体A11、齿根实体A12、齿芯实体A13。其中齿顶实体A11外圆直径为齿轮的齿顶圆直径da；齿顶实体A11内圆直径与齿根实体A12外圆直径相等，为齿轮的分度圆直径d；齿根实体A12的内圆直径为齿轮的齿根圆直径df。齿轮的齿顶圆直径da、分度圆直径d、齿根圆直径df均可由齿轮的模数m、齿数z、变位系数x计算得到，在三维模型中，定义变量：模数m、齿数z、变位系数x、齿宽b，以及齿顶圆直径da、分度圆直径d、齿根圆直径df与各个变量的方程式，即可实现齿轮的参数化建模。
齿轮三维模型包含的3个实体，可在二维图中投影显示，如图9所示，对实体投影曲线进行尺寸标注和线型更改，可实现齿轮二维图的关联性出图，即当齿轮三维模型变更时，齿轮二维图上的实体投影曲线及其尺寸随之变更。
利用齿轮三维模型的3实体结构，对传动齿轮副进行配合约束，即使相互传动的2个齿轮组件的分度圆曲面B相切，如图10所示。
在设计模型中，输出级齿轮组件164位于舵机建模基准位置，输出级齿轮组件164与基准面Ⅰ25、基准面Ⅱ26的交线重合，如图3所示，初级齿轮组件161与电机齿轮18啮合传动。初级齿轮组件161轴线距离基准面Ⅰ25的距离为V1，初级齿轮组件161轴线距离基准面Ⅱ26的距离为H1，次级齿轮组件轴线距离基准面Ⅰ25的距离为V2，距离H1决定舵机整体的高度H，距离V1+V2决定舵机整体的宽度V。
输出级齿轮组件164与外部齿轮组件165依靠刻线对正，其中，输出级齿轮组件刻线1641位置与外部齿轮组件刻线1655位置分别位于齿轮的齿槽中心位置、齿轮的轮齿中心位置。
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。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (10)

1.一种小型齿轮系式舵机，包括舵机外壳、盖板、电机、电位器、电感，电机通过电机座安装于舵机外壳；电机、电感、电位器组成舵机的电器部分；舵机外壳和盖板之间形成腔体，其特征在于：还包括齿轮组件、多芯线缆；其中，齿轮组件排布于所述腔体内，并通过轴承与舵机外壳、盖板连接；电机输出轴上设置用于与齿轮组件啮合的电机齿轮，所述齿轮组件包括初级齿轮组件、中间级齿轮组件、次级齿轮组件、输出级齿轮组件及外部齿轮组件，各齿轮组件依次啮合传递，电位器与外部齿轮组件连接，电位器中心线与外部齿轮组件中心线重合，由齿轮组件的位置调整舵机的宽度和高度；电器部分各信号线由多芯线缆引出至舵机外部。
2.根据权利要求1所述的舵机，其特征在于：齿轮组件中的初级齿轮组件、中间级齿轮组件、次级齿轮组件、输出级齿轮组件均包括固连的主动齿轮和从动齿轮，从动齿轮由前一级齿轮驱动，主动齿轮驱动下一级齿轮。
3.根据权利要求2所述的舵机，其特征在于：在有锥齿型齿轮传动的部位，从动齿轮与轴承之间留有工艺间隙，间隙大小0.05mm～0.4mm，并使用加减薄垫片的方法调节间隙大小，在装配中抵消加工误差的影响，使传动顺畅、可靠。
4.根据权利要求1所述的舵机，其特征在于：外部齿轮组件包括外部从动齿轮、轴承、调节垫片、外压板、内压板，其中，通过紧固件锁定，使内压板将轴承、调节垫片约束于从动齿轮；通过紧固件锁定，使外压板将从动齿轮、轴承、调节垫片、内压板约束于外壳。
5.一种小型齿轮系式舵机设计方法，其特征在于包括：
根据舵舱及喷管的尺寸，确定舵机的高度和宽度；
进行电机选型；
考虑电机空载转速、舵机频响转速、舵机空载转速、电机额定扭矩、舵机额定转矩以及设计传动效率，确定设计减速比；在设计减速比基础上结合确定的舵机高度和宽度，确定齿轮组件的传动形式；
计算电机工作电流并进行电流校核，若满足电流要求，则进行静/动态过载倍数校核，否则返回重新确定设计减速比或者重新进行电机选型；
静/动态过载倍数校核满足过载倍数要求，则进行舵机转速校核，否则返回重新确定设计减速比或者重新进行电机选型；
若舵机转速满足要求，则完成舵机设计，否则返回重新确定设计减速比或者重新进行电机选型。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于通过下述方式确定舵机的高度和宽度：
在装配体环境下插入舵舱、喷管及分区工具模型，其中舵舱、喷管用于限制舵机模型空间，分区工具模型用于多只舵机布置时空间区域划分；
在装配体环境下，设置舵机外壳的外圆与舵舱内壁圆重合，设置舵机盖板与舵舱内部的喷管外圆相切，并使舵机模型不超出分区工具模型。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于通过下述方式确定设计减速比：
根据电机速度常数、舵机额定电压计算电机空载转速；
由电机空载转速、舵机频响转速计算最大减速比Ⅰ；由电机空载转速、舵机空载转速计算最大减速比Ⅱ；由电机额定扭矩、舵机额定转矩及设计传动效率计算最佳减速比；
选择满足下述条件的设计减速比：
设计减速比＝n×最佳减速比；0.2≤n≤2；
设计减速比＜最大减速比Ⅰ；
设计减速比＜最大减速比Ⅱ。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：
建立齿轮组件中齿轮的三维模型；所述三维模型用于实现齿轮的参数化建模，当齿轮三维模型变更时，齿轮二维图上的实体投影曲线及其尺寸随之变更；其中三维模型中定义变量：模数m、齿数z、变位系数x、齿宽b；以及齿顶圆直径da、分度圆直径d、齿根圆直径df与上述各个变量的方程式；
利用三维模型实体结构对传动齿轮副进行配合约束；
建立舵机建模基准位置，所述基准位置包括两个相互垂直的基准面，记为基准面Ⅰ、基准面Ⅱ；
输出级齿轮组件的中心与两个基准面的交线重合，外部齿轮组件的轴线位于基准面Ⅰ上，初级齿轮组件与次级齿轮组件分别位于基准面Ⅰ的两侧，其中初级齿轮组件轴线距离基准面Ⅰ的距离为V1，初级齿轮组件轴线距离基准面Ⅱ的距离为H1，次级齿轮组件轴线距离基准面Ⅰ的距离为V2，距离H1决定舵机整体的高度H，距离V1+V2决定舵机整体的宽度V；进而在确定舵机的高度和宽度下确定初级齿轮组件、中间级齿轮组件、次级齿轮组件、输出级齿轮组件的位置。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：输出级齿轮组件与外部齿轮组件依靠刻线对正，其中，输出级齿轮组件刻线位置与外部齿轮组件刻线位置分别位于齿轮的齿槽中心位置、齿轮的轮齿中心位置。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：静/动态过载倍数要求取值范围为0.8～3。
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