RU195136U1

RU195136U1 - ACTUATOR FOR INDEPENDENT OR JOINT COMMUNICATIVE AND ANGULAR MOVEMENTS

Info

Publication number: RU195136U1
Application number: RU2019128374U
Authority: RU
Inventors: Вадим Петрович Дрёмин; Евгений Вадимович Коченков
Original assignee: Вадим Петрович Дрёмин; Евгений Вадимович Коченков
Priority date: 2019-09-10
Filing date: 2019-09-10
Publication date: 2020-01-15

Abstract

Актуатор для независимых или совместных поступательных и угловых перемещений содержит два электродвигателя со статорами 1, 2 с полыми роторами 5, 6, установленными соосно и кинематически связанными с общим резьбовым штоком 7. В полом роторе 6 одного электродвигателя закреплена гайка 4 с образованием винтовой пары с общим резьбовым штоком 7. При этом общий резьбовой шток 7 выполнен с шестью продольными направляющими пазами 8 вдоль его наружной резьбовой поверхности, а в полом роторе 5 второго электродвигателя закреплена муфта 3 с шестью внутренними радиальными выступами 9, установленными в упомянутых направляющих пазах 8 общего резьбового штока 7 с возможностью фиксации от проворота и возвратно-поступательного осевого перемещения последнего. Электродвигатели выполнены в виде двух одинаковых электродвигателей из группы: синхронные или шаговые электродвигатели, размещенных со статорами 1, 2 и роторами 5, 6 в общем корпусе. Актуатор позволяет выполнять одновременно или попеременно возвратно-поступательное и вращательное движения и получить, тем самым, различные комбинации движения общего штока (вала), это расширяет функциональные возможности актуатора в части достаточно большой величины хода, а также обеспечивает необходимые динамические возможности, работы. Такой актуатор имеет функцию управления достаточного качества и исключает заклинивание винтовой передачи.The actuator for independent or joint translational and angular movements contains two electric motors with stators 1, 2 with hollow rotors 5, 6 mounted coaxially and kinematically connected to a common threaded rod 7. A nut 4 is fixed in the hollow rotor 6 of one electric motor with the formation of a screw pair with a common threaded rod 7. In this case, the common threaded rod 7 is made with six longitudinal guide grooves 8 along its outer threaded surface, and in the hollow rotor 5 of the second electric motor a coupling 3 is fixed with six two radial protrusions 9 mounted in said guide grooves 8 common threaded rod 7 to be fixed against rotation and reciprocating axial movement of the latter. Electric motors are made in the form of two identical electric motors from the group: synchronous or stepper motors placed with stators 1, 2 and rotors 5, 6 in a common housing. The actuator allows you to perform simultaneously or alternately reciprocating and rotational movements and thereby obtain various combinations of the movement of the common rod (shaft), this extends the functionality of the actuator in terms of a sufficiently large stroke size, and also provides the necessary dynamic capabilities, work. Such an actuator has a control function of sufficient quality and eliminates jamming of the helical gear.

Description

Полезная модель относится к области электротехники и может применяться в приводах подачи станков, грузоподъемных машин, станков с ЧПУ, 3D-принтеров, робототехнике, двигателестроении, при создании лабораторных манипуляторов, вентильных задвижек и других областях, требующих выполнения одновременно или попеременно возвратно-поступательного и/или вращательного движения рабочего органа. Заявляемый актуатор для независимых или совместных поступательных и угловых перемещений представляет собой электромеханическое исполнительное устройство - электропривод для регулирующей или управляющей системы.The utility model relates to the field of electrical engineering and can be used in feed drives of machines, hoisting machines, CNC machines, 3D printers, robotics, engine manufacturing, when creating laboratory manipulators, gate valves and other areas requiring simultaneous or alternating reciprocating and / or rotational movement of the working body. The inventive actuator for independent or joint translational and angular movements is an electromechanical actuator - an electric drive for a regulatory or control system.

Известны различные конструкции электроприводов, имеющие либо встроенную в полый ротор несоосную передачу винт-гайка, либо жестко связанные параллельные передачи винт-гайка, либо передачу с электромагнитной связью (SU 1410215).Various designs of electric drives are known having either an off-axis screw-nut gear integrated in the hollow rotor, or tightly connected parallel screw-nut gears, or a transmission with electromagnetic coupling (SU 1410215).

Однако, для таких электроприводов характерны недостаточные динамичность, точность, плавность хода, и как следствие надежность.However, such drives are characterized by insufficient dynamism, accuracy, smoothness, and, as a consequence, reliability.

Известен электропривод, содержащий два электродвигателя, в полых роторах которых размещены винтовые передачи, винты которых жестко соединены между собой, а гайки жестко соединены с роторами (SU 955375).A known electric drive containing two electric motors, in the hollow rotors of which are located helical gears, the screws of which are rigidly connected to each other, and the nuts are rigidly connected to the rotors (SU 955375).

В данном известном электроприводе электродвигатели закреплены на одном основании, а их винты расположены параллельно, соединены общей перемычкой и имеют равные ходы. При этом скорости электродвигателей синхронизированы. При синхронном вращении роторов в противоположных направлениях происходит линейное перемещение винтов (без вращения), что обусловлено наличием жесткой связи между винтами. Для известного электродвигателя характерны ограниченная величина хода, недостаточная динамичность, точность и надежность.In this known electric drive, electric motors are mounted on one base, and their screws are parallel, connected by a common jumper and have equal strokes. In this case, the speeds of the electric motors are synchronized. When the rotors rotate synchronously in opposite directions, the screws move linearly (without rotation), due to the presence of a rigid connection between the screws. A well-known electric motor is characterized by a limited stroke, insufficient dynamism, accuracy and reliability.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является электропривод Кузнецова, выбранный за прототип, содержащий два расположенных вдоль общей оси электродвигателя, в полых роторах которых размещены винтовые передачи, винты которых соединены между собой и выполнены в виде единого целого, образующего общий вал, по всей длине которого выполнены резьбы двух направлений. Гайки винтовых передач жестко соединены с роторами и имеют резьбы разных направлений (RU 2075813, прототип).Closest to the proposed utility model is the Kuznetsov electric drive, selected for the prototype, containing two electric motors located along the common axis, in the hollow rotors of which are located helical gears, the screws of which are interconnected and made as a single unit forming a common shaft, along the entire length of which threads of two directions are made. The nuts of the screw gears are rigidly connected to the rotors and have threads of different directions (RU 2075813, prototype).

Сочетание различных направлений и скоростей вращения роторов позволяет получать различные сочетания поступательного и вращательного движений вала.The combination of different directions and rotational speeds of the rotors allows you to get different combinations of translational and rotational movements of the shaft.

Для известного электропривода характерны ограничения на виды применяемых винтовых пар (например, нельзя использовать шарико-винтовые пары), на выбор шага резьбы (маленький шаг резьбы повышает склонность к закусыванию вследствие увеличения трения внутри винтовой пары), на выбор материалов изготовления винтовых пар, недостаточная динамичность, точность и надежность.A known electric drive is characterized by restrictions on the types of screw pairs used (for example, ball screw pairs cannot be used), on the choice of thread pitch (a small thread pitch increases the tendency to bite due to increased friction inside the screw pair), on the choice of materials for manufacturing screw pairs, insufficient dynamism , accuracy and reliability.

Технической задачей полезной модели является создание эффективного актуатора для выполнения одновременно или попеременно возвратно-поступательного и/или вращательного движения, а также расширение арсенала конструкций актуаторов.The technical task of the utility model is to create an effective actuator to perform simultaneously or alternately reciprocating and / or rotational motion, as well as expanding the arsenal of actuator designs.

Технический результат, обеспечивающий разрешение поставленной задачи состоит в том, что повышаются точность и надежность, отсутствуют ограничения на использование разнообразных видов винтовой пары, а так же расширены функциональные возможности актуатора.The technical result that ensures the solution of the problem lies in the fact that increased accuracy and reliability, there are no restrictions on the use of various types of screw pairs, as well as expanded functionality of the actuator.

Сущность полезной модели состоит в том, что актуатор содержит два электродвигателя с полыми роторами, установленными соосно и кинематически связанными с общим резьбовым штоком, причем в полом роторе одного электродвигателя закреплена гайка с образованием винтовой пары с общим резьбовым штоком, при этом общий резьбовой шток выполнен с продольными направляющими пазами вдоль наружной резьбовой поверхности, а в полом роторе второго электродвигателя закреплена муфта с внутренними радиальными выступами, установленными в упомянутых направляющих пазах общего резьбового штока с возможностью фиксации от проворота и возвратно-поступательного осевого перемещения последнего.The essence of the utility model consists in the fact that the actuator contains two electric motors with hollow rotors mounted coaxially and kinematically connected to a common threaded rod, and a nut is fixed in the hollow rotor of one electric motor with the formation of a screw pair with a common threaded rod, while the common threaded rod is made with longitudinal guide grooves along the external threaded surface, and in the hollow rotor of the second electric motor a coupling is fixed with internal radial protrusions installed in the said directions l grooves of the common threaded rod with the possibility of fixation from rotation and reciprocating axial movement of the latter.

Предпочтительно, электродвигатели выполнены c общим корпусом.Preferably, the electric motors are made with a common housing.

Муфта и общий шток могут быть выполнены с радиальными прямобочными шлицевыми выступами и с прямоугольными пазами, соответственно.The coupling and the common rod can be made with radial straight-line splined protrusions and with rectangular grooves, respectively.

На чертеже фиг.1 изображена принципиальная схема актуатора для независимых или совместных поступательных и угловых перемещений, на фиг.2 - поперечный разрез общего штока, на фиг.3 общий шток, вид сбоку, на фиг.4 - вид штока в аксонометрической проекции, на фиг.5 - муфта ротора электродвигателя, вид сбоку, на фиг.6 - муфта ротора электродвигателя, вид с торца, на фиг.7 - вид муфты в аксонометрической проекции. The drawing of Fig. 1 shows a schematic diagram of an actuator for independent or joint translational and angular movements, Fig. 2 is a transverse section of a common rod, Fig. 3 is a common stock, side view, Fig. 4 is a perspective view of a rod, figure 5 - coupling of the rotor of the electric motor, side view, figure 6 - coupling of the rotor of the electric motor, end view, figure 7 - view of the coupling in axonometric projection.

Актуатор для независимых или совместных поступательных и угловых перемещений содержит два электродвигателя со статорами 1, 2 я с полыми роторами 5, 6, установленными соосно и кинематически связанными с общим резьбовым штоком (валом) 7. В полом роторе 6 одного электродвигателя закреплена гайка 4 с образованием винтовой пары (передачи) с общим резьбовым штоком 7. При этом общий резьбовой шток 7 выполнен с шестью прямолинейными прямоугольными продольными направляющими пазами 8 постоянной ширины вдоль его наружной резьбовой поверхности, которая в результате имеет неполнокольцевые (прерывистые) витки. Пазы 8 прорезаются, предпочтительно, после нарезания резьбы на штоке 7. В полом роторе 5 второго электродвигателя закреплена муфта 3 с шестью внутренними радиальными прямобочными шлицевыми выступами 9 четырехугольного сечения, установленными в упомянутых направляющих пазах 8 общего резьбового штока 7 с возможностью фиксации от проворота и возвратно-поступательного осевого перемещения последнего. В иных частных случаях реализации муфта 3 может быть выполнена звездчатой - с внутренними радиальными выступами треугольного сечения (в этом случае и пазы на штоке 7 имеют соответствующую форму). Ротор 5 может быть выполнен заодно с муфтой 3, а ротор 6 - заодно с гайкой 4.The actuator for independent or joint translational and angular movements contains two electric motors with stators 1, 2 I with hollow rotors 5, 6 mounted coaxially and kinematically connected with a common threaded rod (shaft) 7. A nut 4 is fixed in the hollow rotor 6 of one electric motor with the formation a screw pair (transmission) with a common threaded rod 7. In this case, the common threaded rod 7 is made with six rectilinear rectangular longitudinal guide grooves 8 of constant width along its outer threaded surface, which result has nepolnokoltsevye (dashed) windings. The grooves 8 are cut, preferably, after threading on the rod 7. In the hollow rotor 5 of the second electric motor, a coupling 3 is fixed with six internal radial straight-side splined protrusions 9 of a quadrangular section, mounted in the said guide grooves 8 of the common threaded rod 7 with the possibility of fixing against rotation and back - translational axial displacement of the latter. In other special cases, the implementation of the coupling 3 can be made star-shaped - with internal radial protrusions of a triangular section (in this case, the grooves on the rod 7 have the corresponding shape). The rotor 5 can be made integral with the coupling 3, and the rotor 6 - integral with the nut 4.

Электродвигатели выполнены в виде двух одинаковых управляемых электродвигателей из группы: синхронные или шаговые электродвигатели, размещенных со статорами 1, 2 и роторами 5, 6 в общем корпусе. Средства управления такими электродвигателями общеизвестны, не входят в объем притязаний заявителя по настоящей заявке и не изображены на чертежах. Момент вращения этих электродвигателей прямо пропорционален напряжению питания. Поэтому даже в случае снижения напряжения в сети электропитания, нагрузочная способность и надежность указанных электродвигателей существенно выше, нежели у асинхронных машин.The electric motors are made in the form of two identical controlled electric motors from the group: synchronous or stepping motors placed with stators 1, 2 and rotors 5, 6 in a common housing. The controls for such electric motors are well known, are not included in the scope of the applicant's claims under this application and are not shown in the drawings. The torque of these electric motors is directly proportional to the supply voltage. Therefore, even in the case of a decrease in voltage in the power supply network, the load capacity and reliability of these motors are significantly higher than that of asynchronous machines.

При этом на резьбовом штоке 7 в качестве винтовой пары с гайкой 4 следует использовать шарико-винтовую пару или ролико-винтовую пару при условии, что глубина пазов 8 меньше, чем глубина пятна касания шарика (или ролика) с резьбовой поверхностью.Moreover, on a threaded rod 7, a ball screw pair or a roller screw pair should be used as a screw pair with a nut 4, provided that the depth of the grooves 8 is less than the depth of the contact spot of the ball (or roller) with the threaded surface.

Шток 7 изготавливается, предпочтительно, из высокоуглеродистой стали или из Инвара (сплав, состоящий из никеля (Ni, 36 %) и железа (Fe, остальное). Гайка 4 может быть стальной или тефлоновой (для низких нагрузок). Муфта 7 и общий шток 7 выполнены с радиальными, например, прямобочными шлицевыми выступами 9 и пазами 8, соответственно. Шлицевые соединения - вид соединения валов со втулками по сопрягаемым поверхностям сложного профиля с выступами (шлицами) и впадинами. Они предназначены для передачи крутящего момента, обеспечивают хорошее центрирование муфты 3 на штоке (валу) 7, легкое относительное перемещение деталей, соединенных со штоком 7, вдоль оси.The stem 7 is preferably made of high carbon steel or Invar (an alloy consisting of nickel (Ni, 36%) and iron (Fe, the rest). Nut 4 may be steel or Teflon (for low loads). Clutch 7 and common stem 7 are made with radial, for example, straight-line splined protrusions 9 and grooves 8, respectively. Splined joints are a type of connection of shafts with bushings along mating surfaces of a complex profile with protrusions (splines) and troughs. They are designed to transmit torque, provide good centering m uft 3 on the rod (shaft) 7, easy relative movement of parts connected to the rod 7 along the axis.

Актуатор эксплуатируется следующим образом.The actuator is operated as follows.

Для выполнения заданного движения рабочего органа запускается один или оба электродвигателя актуатора. Управление электродвигателями осуществляется программными средствами, в частности, с помощью частотных преобразователей и сервоконтроллеров.To perform a given movement of the working body, one or both actuator motors is started. Electric motors are controlled by software, in particular, using frequency converters and servo controllers.

Возможны три варианта работы актуатора.There are three options for the actuator.

1. При вращении роторов 5 и 6 (а также муфты 3 и гайки 4) в одну и ту же сторону с одинаковыми угловыми скоростями происходит вращение штока (вала) 7 в ту же сторону, без линейного перемещения, отсутствие которого обеспечивается неподвижностью резьбового штока 7 (т.е. винта винтовой пары) в продольном направлении относительно гайки. 1. When the rotors 5 and 6 (as well as couplings 3 and nuts 4) rotate in the same direction with the same angular velocities, the rod (shaft) 7 rotates in the same direction, without linear movement, the absence of which is ensured by the motion of the threaded rod 7 (i.e. a screw of a screw pair) in the longitudinal direction relative to the nut.

2. При вращении ротора 6 (а также гайки 4) и зафиксированных роторе 5, а также муфте 3, происходит продольное возвратно-поступательное перемещение штока (вала) 7 без его углового перемещения, отсутствие которого обеспечивает зафиксированная ротором 5 муфта 3.2. When the rotor 6 (as well as the nut 4) is rotated and the rotor 5 is fixed, as well as the coupling 3, a longitudinal reciprocating movement of the rod (shaft) 7 occurs without its angular movement, the absence of which is ensured by the coupling 3 fixed by the rotor 5.

3. При вращении роторов 5 и 6, а также муфты 3 и гайки 4 с разными угловыми скоростями шток (вал) 7 вращается и одновременно линейно перемещается, т.е. совершает вращательно-поступательные движения.3. When the rotors 5 and 6 are rotated, as well as the coupling 3 and nut 4 with different angular velocities, the rod (shaft) 7 rotates and simultaneously linearly moves, i.e. performs rotational-translational movements.

Примеры использования актуатора.Examples of using the actuator.

1. Шток 7 закреплен и неподвижен.1. The rod 7 is fixed and stationary.

В таком случае статор актуатора является исполнительным механизмом.In this case, the stator of the actuator is an actuator.

1.1. Если на корпусе статоров 1,2 разместить барабан с тросом, то получим лебедку с возможностью ее осевого перемещения, пригодную для подъемных механизмов или для перемещения вдоль бампера автомобиля.1.1. If a drum with a cable is placed on the body of stators 1,2, then we get a winch with the possibility of axial movement, suitable for lifting mechanisms or for moving along the bumper of a car.

1.2. На корпусе статоров 1,2 также можно разместить сменный инструмент для станков с ЧПУ и 3D принтеров.1.2. On the case of stators 1,2 it is also possible to place a replaceable tool for CNC machines and 3D printers.

2. Закреплен корпус статоров 1,2 актуатора, общий шток 7 свободен.2. The case of stators 1,2 of the actuator is fixed, the common rod 7 is free.

В данном случае возможны следующие случаи использованияThe following use cases are possible in this case.

2.1. Для сверлильных и фрезерных станков, разместив инструмент на конце штока 7.2.1. For drilling and milling machines, placing the tool on the end of the rod 7.

2.2. Для управления вентильными задвижками, разместив запорный инструмент на конце штока 7.2.2. To control the gate valves by placing a locking tool at the end of the stem 7.

2.3. Для точной подачи и смены сопел в 3D принтерах, разместив сопла "звездой" на конце штока 7.2.3. For accurate feeding and changing nozzles in 3D printers by placing the nozzles with a “star” at the end of the rod 7.

2.4. Для изменения размера колеи автомобиля во время движения, где шток 7 выступает в качестве вала, на котором закреплено колесо.2.4. To change the gauge of the car during movement, where the rod 7 acts as a shaft on which the wheel is mounted.

2.5. В качестве одного из исполнительных элементов роботизированной руки (протеза), который позволит не только сгибать и разгибать пальцы, но и позволять их раздвигать - "растопыривать".2.5. As one of the actuating elements of a robotic arm (prosthesis), which will allow not only to bend and unbend the fingers, but also to allow them to move apart - “spread out”.

Таким образом, в актуаторе электродвигатели расположены вдоль общей оси, используется одна винтовая пара для продольных перемещений штока (вала) 7, а для угловых перемещений штока 7 используется пара муфта3 - шток 7. Актуатор выполнен со свободным общим штоком (валом) 7, кинематически связанным с роторами 5,6 с возможностью независимых продольного и углового перемещения, т.е. с двумя степенями свободы - к координате штока 7 вдоль продольной оси добавляется угол поворота штока 7 вокруг этой оси. (Числом степеней свободы называется число независимых параметров, которые однозначно определяют положение тела в пространстве). Одновременно данное конструктивное выполнение заявляемого актуатора снимает ограничения на виды используемой винтовой (резьбовой) пары, позволяет, в частности, использовать шарико-винтовую пару, на выбор материалов изготовления винтовых пар, и на величину шага резьбы винтовой пары, и обеспечивает более высокие стабильность, точность и надежность эксплуатации.Thus, in the actuator, the electric motors are located along a common axis, one screw pair is used for longitudinal displacements of the rod (shaft) 7, and for angular displacements of the rod 7, a pair of coupling 3 - rod 7 is used. The actuator is made with a free common rod (shaft) 7, kinematically connected with 5.6 rotors with the possibility of independent longitudinal and angular movement, i.e. with two degrees of freedom - the angle of rotation of the rod 7 around this axis is added to the coordinate of the rod 7 along the longitudinal axis. (The number of degrees of freedom is the number of independent parameters that uniquely determine the position of the body in space). At the same time, this constructive implementation of the inventive actuator removes restrictions on the types of screw (threaded) pairs used, allows, in particular, to use a ball-screw pair, the choice of materials for manufacturing screw pairs, and the size of the thread pitch of a screw pair, and provides higher stability, accuracy and reliability of operation.

Заявляемый актуатор для независимых или совместных поступательных и угловых перемещений имеет расширенные функциональные возможности для использования в различных областях машиностроения. При этом параметры программного управления электродвигателями соответствуют области применения актуатора. Например, в ракетостроении (самолетостроении) для управления аэродинамическими плоскостями, в автомобилестроении для перемещения рулевой рейки, в медицине для управления, например, искусственным сердцем - важнейшим параметром будет нагрузка. В тоже время в станкостроении для быстрого перемещения каретки станка важнейшим параметром является скорость. При использовании в шаговых приводах, где требуется высокая точность позиционирования, в частности, для станков с ЧПУ, 3D-принтеров, в робототехнике для рабочего органа главный параметр - это угол поворота.The inventive actuator for independent or joint translational and angular movements has enhanced functionality for use in various fields of engineering. In this case, the parameters of the programmed control of electric motors correspond to the scope of the actuator. For example, in rocket science (aircraft manufacturing) to control aerodynamic planes, in the automotive industry to move the steering rack, in medicine to control, for example, an artificial heart, the most important parameter will be the load. At the same time, in machine tools for the rapid movement of the carriage of the machine, the most important parameter is speed. When used in stepper drives where high positioning accuracy is required, in particular for CNC machines, 3D printers, in robotics for the working body, the main parameter is the angle of rotation.

Поскольку предлагаемый актуатор позволяет выполнять одновременно или попеременно возвратно-поступательное и вращательное движения и получить, тем самым, различные комбинации движения общего штока (вала), это расширяет функциональные возможности актуатора в части достаточно большой величины хода, а также обеспечивает необходимые динамические возможности, работы. Такой актуатор имеет функцию управления достаточного качества и исключает неисправности, обусловленные заклиниванием винтовой передачи.Since the proposed actuator allows you to simultaneously or alternately reciprocating and rotational movements and, thereby, to obtain various combinations of the movement of the common rod (shaft), this extends the functionality of the actuator in terms of a sufficiently large stroke, and also provides the necessary dynamic capabilities, work. Such an actuator has a control function of sufficient quality and eliminates malfunctions caused by jamming of the helical gear.

Claims

1. Actuator containing two electric motors with hollow rotors mounted coaxially and kinematically connected with a common threaded rod, and a nut is fixed in the hollow rotor of one electric motor with the formation of a screw pair with a common threaded rod, characterized in that the common threaded rod is made with longitudinal guide grooves along the external threaded surface, and in the hollow rotor of the second electric motor, a coupling is fixed with internal radial protrusions installed in the said grooves of the common threads Vågå rod to be locked against rotation and reciprocating axial movement of the latter.

2. The actuator according to claim 1, characterized in that the motors are made with a common housing.

3. Actuator according to any one of paragraphs.1, 2, characterized in that the coupling and the common stem are made with radial straight-line splined protrusions and with rectangular grooves, respectively.