一種大負載、高剛度、快響應的緊湊型迴轉式機電作動器的製作方法

2023-05-17 09:58:51

本實用新型涉及一種大負載、高剛度、快響應的緊湊型迴轉式機電作動器，是一種執行機構，適用於位置伺服控制領域。

背景技術：

機電作動器是將電能轉變為機械能，以實現對控制對象的位移驅動的機械裝置，主要由伺服電機、傳動機構和角度傳感器等組成。按照機電作動器運動輸出形式的不同，機電作動器主要分為直線式、迴轉式兩類。

迴轉式機電作動器按照傳動機構的不同，一般為伺服電機+滾珠絲槓副的形式，此類機電作動器輸出力矩一般為不超過200N.m～300N.m，擺動角速度一般為幾十゜/s，伺服電機一般採用直流無刷電機。作動器的輸出力矩較小，擺動角速度較低，一般應用於低負載力矩、低速的應用場合；直流無刷電機轉矩波動較大，角度傳感器不是直接測量輸出的擺動角度並作為反饋量進行伺服控制，無法適應高精度角度位置控制的應用場合。其它形式的機電作動器主要有採用伺服電機+諧波減速器的迴轉式機電作動器，輸出力矩一般不超過800N.m，最大擺動速度一般不超過200゜/s；且此類機電作動器一般伺服電機與諧波減速器同軸直連，軸向長度尺寸大，對於安裝空間的適應性不好；且此類機電作動器內部的轉動慣量較大，難以實現快速響應的要求。

技術實現要素：

本實用新型的技術解決問題是：克服現有技術的不足，本實用新型的目的在於提供一種大承載力矩、高扭轉剛度、快速響應特性的緊湊型迴轉式機電作動器。

本實用新型的技術解決方案是：一種大負載、高剛度、快響應的緊湊型迴轉式機電作動器，該作動器包括殼體、永磁同步伺服電機、齒輪減速器、滾珠絲槓副、撥叉、輸出擺軸、角度傳感器；永磁同步伺服電機轉子軸與齒輪減速器連接，齒輪減速器與滾珠絲槓副的滾珠絲槓一端固定連接，輸出擺軸通過軸承安裝在殼體上，輸出擺軸的軸線與滾珠絲槓副的滾珠絲槓軸線垂直，撥叉與輸出擺軸固定連接，與輸出擺軸一起繞軸承轉動，滾珠絲槓副的滾珠螺母兩側各對稱加工一個短軸，短軸上套裝有圓滾子，通過圓滾子安裝在撥叉的直線槽中；永磁同步伺服電機正反向旋轉，通過齒輪減速器減速，帶動滾珠絲槓副的滾珠絲槓正反向旋轉，滾珠絲槓副的滾珠螺母往復直線運動，推動與之相連的撥叉帶動輸出擺軸正反向迴轉擺動，角度傳感器與輸出擺軸同軸內置安裝，用於測量輸出擺軸的擺動角度。

所述齒輪減速器包括第一減速齒輪、第二減速齒輪和第三減速齒輪，第一減速齒輪與第二減速齒輪嚙合連接，第二減速齒輪與第三減速齒輪嚙合連接，永磁同步伺服電機轉子軸與第一減速齒輪固定連接，第三減速齒輪與滾珠絲槓副的滾珠絲槓一端固定連接。

所述第一減速齒輪齒數：第二減速齒輪齒數：第三減速齒輪齒數＝1：1：1.2～1.3。

所述圓滾子為中空圓柱體結構，圓滾子的內徑與滾珠絲槓副的滾珠螺母兩側短軸間隙配合，外徑與撥叉間隙配合。

所述圓滾子的內徑與滾珠絲槓副的滾珠螺母的短軸間的傳動間隙是0.003mm～0.014mm，圓滾子外徑與撥叉之間的傳動間隙是0.007mm～0.029mm。

所述撥叉與輸出擺軸一體成型設計。

所述輸出擺軸為大直徑中空式薄壁結構。

所述撥叉選用高強度鋼材料，圓滾子選用高強度耐磨銅合金材料。

本實用新型與現有技術相比的有益效果是：

(1)、本實用新型採用永磁同步伺服電機驅動，相對於直流無刷電機，具有低慣量、轉矩波動小、控制精度高的優點。

(2)、本實用新型採用齒輪減速器+滾珠絲槓副構成機電作動器總的減速機構方案。齒輪減速器作為第一級減速裝置，滾珠絲槓副作為第二級減速裝置。齒輪副具有傳動效率高，結構緊湊，功率和速度適用範圍廣的特點。滾珠絲槓副主要特點是傳動效率高，傳動精度高、使用壽命長。

(3)、本實用新型採用與輸出擺軸同軸內置安裝的角度傳感器直接測量輸出擺軸的擺動角度用於控制，可以剔除中間傳動環節帶來的誤差，有利於實現高精度位置伺服控制。

(4)、本實用新型滾珠螺母兩側的短軸上套裝有圓滾子，採用高強度耐磨銅合金圓滾子作為運動轉換機構中間傳動元件，能夠滿足大負載的承載要求，同時減小運動摩損，提高了傳動效率；

(5)、本實用新型撥叉與輸出擺軸、短軸與滾珠螺母一體化設計，滿足大負載承載要求，同時簡化聯接結構，減小作動器整體體積和重量。

附圖說明

圖1為本實用新型迴轉式機電作動器原理圖；

圖2為本實用新型實施例輸出擺軸和撥叉一體成型結構圖；

圖3為本實用新型實施例撥叉與圓滾子連接圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細說明。

如圖1所示，一種大負載、高剛度、快響應的緊湊型迴轉式機電作動器包括殼體、永磁同步伺服電機2、齒輪減速器3、滾珠絲槓副4、撥叉5、輸出擺軸6、角度傳感器7；永磁同步伺服電機2轉子軸與齒輪減速器3連接，齒輪減速器3與滾珠絲槓副4的滾珠絲槓8一端固定連接，輸出擺軸6通過軸承9安裝在殼體上，其軸線與滾珠絲槓副4的滾珠絲槓8軸線垂直，撥叉5與輸出擺軸6一體成型設計，與輸出擺軸6一起繞軸承9轉動，滾珠絲槓副4的滾珠螺母10兩側各對稱加工一個短軸11，短軸上套裝有圓滾子12，通過圓滾子12安裝在撥叉5的直線槽中；永磁同步伺服電機2正反向旋轉，通過齒輪減速器3減速，帶動滾珠絲槓副4的滾珠絲槓8正反向旋轉，滾珠絲槓副4的滾珠螺母10往復直線運動，推動與之相連的撥叉5帶動輸出擺軸6正反向迴轉擺動，角度傳感器為角度傳感器，與輸出擺軸同軸內置安裝，用於測量輸出擺軸的擺動角度，直接採用角度傳感器測量角度可以剔除中間傳動環節帶來的誤差，有利於實現高精度位置伺服控制。

由上可知，本實用新型中，伺服電機採用永磁同步電機方案。永磁同步伺服電機具有體積小、質量輕、功率因數高、效率高、可靠性高，過載能力強的優點，適合高精度、複雜工況的應用場合。

另外，齒輪減速器加滾珠絲槓副構成機電作動器總的減速機構方案。齒輪減速器作為第一級減速裝置，滾珠絲槓副作為第二級減速裝置。齒輪副具有傳動效率高，結構緊湊，功率和速度適用範圍廣的特點。滾珠絲槓副主要特點是傳動效率高，傳動精度高、使用壽命長。

如圖1所示，齒輪減速器包括第一減速齒輪13、第二減速齒輪14和第三減速齒輪15，第一減速齒輪13與第二減速齒輪14嚙合連接，第二減速齒輪14與第三減速齒輪15嚙合連接，第一減速齒輪13齒數：第二減速齒輪14齒數：第三減速齒輪15齒數＝1：1：1.2～1.3，永磁同步伺服電機2轉子軸與第一減速齒輪13固定連接，第三減速齒輪15與滾珠絲槓副4的滾珠絲槓8一端固定連接。

與採用兩個減速齒輪的單級減速形式相比，齒輪減速器採用三個減速齒輪的兩級減速形式，可以大大減小單個齒輪直徑，降低齒輪減速器總轉動慣量，減小齒輪減速器尺寸和重量，有利於實現快速響應。與採用四個減速齒輪的兩級減速形式相比，齒輪減速器採用三個減速齒輪的兩級減速形式是在滿足強度的基礎上，將齒輪減速器中間軸齒輪數量設計減少至一個，同樣可以降低齒輪減速器總轉動慣量，減小齒輪減速器尺寸和重量，有利於實現快速響應。本實施例中，第一減速齒輪、第二減速齒輪和第三減速齒輪的直徑分別是36mm、36mm、46mm，永磁同步伺服電機轉子軸和滾珠絲槓軸的中心距設計為65mm，同樣的轉動慣量情況下，尺寸大大地減小。

如圖3所示，構成撥叉式「直線-迴轉」運動變換機構主要是將滾珠絲槓副輸出的往復直線運動通過轉換生成輸出擺軸的迴轉運動。撥叉與輸出擺軸一體成型設計，滾珠絲槓副的滾珠螺母兩側對稱加工一個短軸，短軸上套裝有圓滾子，圓滾子安裝在撥叉的直線槽中，所述圓滾子為中空圓柱體結構，圓滾子的內徑與短軸、外徑與撥叉間隙配合，撥叉和圓滾子外徑間的傳動間隙是0.007mm～0.029mm，圓滾子的內徑與滾珠螺母的短軸間的傳動間隙是0.003mm～0.014mm。

上述迴轉式機電作動器的工作過程如下：

永磁同步電機轉子軸通過連接鍵與齒輪減速器實現聯接，將旋轉運動輸出至齒輪減速器，齒輪減速器通過連接鍵與滾珠絲槓副聯接，齒輪減速器輸出的旋轉運動，帶動滾珠絲槓旋轉，滾珠絲槓的旋轉運動帶動滾珠螺母往復直線運動，圓滾子與滾珠螺母短軸和撥叉直線槽之間相互作用，推動輸出擺軸雙向擺動。通過上述幾個環節的組合作用，最終實現了所需的運動輸出。

進一步地，為了增強機電作動器的強度，輸出擺軸採用大直徑中空式薄壁結構，可實現高扭轉剛度，如：輸出擺軸主軸徑50mm，輸出擺軸壁厚4mm；永磁同步電機轉子軸與齒輪減速器第一減速齒輪、齒輪減速器第三減速齒輪與滾珠絲槓副的滾珠絲槓之間採用緊聯接，滾珠絲槓副採用預緊方式，施加有0.15N.m～0.25N.m的預緊力矩，可實現高連接剛度；撥叉材料選用高強度鋼，圓滾子材料選用高強度耐磨銅合金，強度高可以滿足大承載要求，鋼和銅合金是良好的摩擦副材料；撥叉熱處理硬度大於HRC40，圓滾子熱處理硬度大於HV350；齒輪減速器減速齒輪表面處理採用滲碳處理，表面硬度大於HRC58，可實現高接觸剛度。

此外，為了實現大負載、輕量化設計。本實用新型採用公稱直徑為20mm，滾珠直徑為3.5mm、滾珠列數為5列的滾珠絲槓副。滾珠絲槓副的滾珠螺母直徑較大，採用滾珠絲槓旋轉運動，滾珠螺母直線運動的運動形式，可以降低滾珠絲槓副的轉動慣量，有利於實現快速響應。同時，採用撥叉與輸出擺軸、短軸與滾珠螺母一體化設計，滿足大負載承載要求，同時簡化聯接結構，減小作動器整體體積和重量；電機轉子軸低慣量設計、齒輪減速器採用3個減速齒輪、採用滾珠絲槓旋轉、滾珠螺母平動的傳動形式，多種措施均可以降低作動器傳動機構的慣量；作動器殼體、輸出擺軸和撥叉採用輕質化設計，減少作動器重量。

基於以上高精度永磁同步電機驅動+高效率、高精度滾珠絲槓副傳動+撥叉式「直線-迴轉」運動轉換機構方案的一種大負載、高剛度、快響應的緊湊型迴轉式機電作動器能夠實現以下技術指標：1、能夠實現額定負載力矩900N.m，峰值負載力矩1200N.m；2、能夠實現額定負載力矩條件下，擺動角速度大於200゜/s，峰值角速度250゜/s；適用於大負載、高動態響應、高控制精度的應用場合。

綜上所述，本實用新型結構設計緊湊，承載力矩大、剛度高，非常適合對安裝空間、質量要求敏感，要求高動態響應、高精度控制、高穩定性的應用場合，可應用於摩擦負載、彈性負載、慣性負載等不同負載對象的扭轉控制，其典型應用負載對象是空氣舵面負載的控制。同時，可廣泛應用於工業設備、機器人控制等運動控制領域。

本實用新型說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。