機械協調冗餘容錯驅動裝置的製作方法

2023-10-07 04:15:09

專利名稱：：機械協調冗餘容錯驅動裝置的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種驅動裝置，具體地說，是涉及一種具有機械協調的多輸入單輸出且具有差動輸出能力和容錯功能的無過約束驅動裝置。
背景技術：
：大型重載多自由度裝備越來越多地被用作運動模擬器來模擬地震、海浪以及飛行器的空間多維運動，特別是作為大型地震模擬器，為了保證使用壽命並可獲得強大的驅動力，驅動源被限制在液壓驅動上，多採用大型伺服油缸的冗餘支鏈驅動，並配備大型蓄能裝置(N.Ogawa,K.Ohtani,T.KatayamaandH.Shibata.Constructionofathree-dimensional,large-scaleshakingtableanddevelopmentofcoretechnology.PhilosophicalTransactions!Mathematical,PhysicalandEngineeringSciences.2001,359(1786):1725-1751.)。這種液壓的驅動方式會帶來兩個方面的問題一是液壓系統的使用具有一定的局限性，大型伺服油缸驅動需配備大型蓄能裝置，導致設備龐大，製造、維護費用高，液壓油易洩漏造成控制精度降低、環境汙染，內部摩擦力大導致傳動效率降低、浪費能源，液壓油對溫度和塵土敏感使之不能在高溫、低溫或灰塵多的工作環境下工作；另一方面液壓系統不利於實時控制，其具有較大的時滯已是不爭的事實，液壓系統中的力矩馬達和銜鐵的慣性、液壓油的洩漏和壓縮以及剛體和油管的膨脹是三個導致時滯的主要原因，並通過試驗發現時滯時間在低頻(1Ηζ-3Ηζ)時約為65ms，且隨頻率增大(大於4Hz)時滯也相應增大，使得控制指令不能很好的完成(王向英.結構地震模擬振動臺混合試驗方法研究[D].哈爾濱工業大學，2010.)，產生較大的誤差，甚至影響控制的穩定性。由於時滯的影響不能從液壓系統硬體方面進行徹底的解決，一些學者分別採用移相法、泰勒級數展開法和預估狀態向量法對液壓系統時滯進行補償，這些研究雖使得時滯的不利影響有了一定的改善，但也大大提高了控制的複雜度，增加了控制計算中的負擔，減弱了系統的實時性，不具備實際意義。雖然伺服電機無上述缺點，但大扭矩、大功率電機研發困難，造價高昂，導致基於大電機驅動的重載設備很難形成產品推向市場(趙升噸，張志遠，何予鵬.機械壓力機交流伺服電動機直接驅動方式合理性探討[J].鍛壓裝備與製造技術2004，39(006)，19-23.)。而多個小功率電機並行驅動會因為系統誤差、剛性連接等原因，造成較大的內力，導致傳動部件壽命縮短，甚至損壞系統。中國專利申請CN101916520A公開了一種並聯式六維輸出二十八輸入冗餘容錯驅動模擬器，涉及到一種兩電機驅動的冗餘容錯接口模塊，但該接口模塊不具備多電機驅動的能力，正如該專利所述，若採用多電機驅動，需要增加杆件組，而過多地增加杆件必然導致傳動鏈變長且機構複雜，降低了傳動支鏈的剛度，增加了數學模型和控制的複雜度。現有技術中使用冗餘驅動支鏈提高大型重載裝備的驅動能力，但並未解決冗餘支鏈過約束所引起的問題，系統也不具備協調冗餘驅動支鏈間受力不均勻的容錯模塊。無論是液壓的冗餘驅動還是電機的冗餘驅動，都存在冗餘驅動引起的過約束問題。過約束對系統的變形和製造、裝配及控制誤差敏感，其存在對系統的影響主要表現在以下幾個方面1)導致構件及運動副元素在運轉過程中的強制變形，使運動副中的作用力急劇增大，機械效率降低；還使運動服的磨損加快，降低機械工作的可靠性、精度和使用壽命；2)要求各部件具有較高的製造精度、裝配精度和結構剛度，提高了製造、設置拆卸的難度和成本；幻對控制精度要求較高，不允許地位對等的約束任何一方出現運行故障，也不允許出現較大的控制誤差，提高了控制系統的成本和難度。一般的電氣機械驅動單元剛度較大，當存在系統誤差或控制誤差時，各冗餘驅動單元間的受力不均衡，為避免該缺陷，現有技術需使用力反饋控制，而在重載、高速場合必須使用動力特性好、承載能力強的力傳感器，且控制算法複雜並引入新的非線性化因素，導致控制難度和製造成本大幅度提高，控制的穩定性和魯棒性下降。液壓冗餘驅動雖因液壓油的非絕對不可壓縮性和低剛性而對過約束表現出一定的容忍性，但一旦出現大的誤差和地位對等的驅動源中有一個或幾個出現故障，也必然造成各冗餘驅動單元間的受力不均衡，以致影響部件壽命，甚至損壞部件造成設備傾覆等災難性事故。
發明內容本發明要解決的技術問題是提供一種基於電機控制的具有機械協調的多輸入單輸出且具有差動輸出能力和容錯功能的驅動裝置，以克服現有技術的上述不足。為了解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案一種機械協調冗餘容錯驅動裝置，包括基座和可活動地安裝在基座內的一個輸出滑塊，還包括安裝在基座上的η個驅動單元，η為自然數，每個驅動單元包括兩個電機、兩條平行的絲槓和兩個螺母，每條絲槓均垂直穿過所述輸出滑塊，絲槓的一端可轉動地支承在基座上，另一端與一個電機相連接；兩個螺母分別與兩條絲槓相配合，每個螺母均與所述輸出滑塊相連接，每個驅動單元的兩個螺母之間還連接有一個協調裝置；所述電機固定安裝在基座上。優選地，所述螺母通過軸承與所述輸出滑塊相連接。優選地，所述基座包括上、下底板和左、右側板，所述輸出滑塊與左、右側板相平行，所述絲槓的兩端分別穿設在左、右側板中，所述電機均固定安裝在右側板上。進一步地，還包括一根輸出杆，輸出杆的一端與所述輸出滑塊相連接，輸出杆的另一端穿過左側板伸到基座以外。優選地，每個驅動單元中的兩條絲槓一內一外並排布置，分為內側絲槓和外側絲槓，與內側絲槓相配合的螺母為內側螺母，與內側絲槓相連接的電機為內側電機；與外側絲槓相配合的螺母為外側螺母，與外側絲槓相連接的電機為外側電機。進一步地，所述協調裝置包括兩個相嚙合的協調齒輪，其中內側協調齒輪與所述內側螺母固定連接，外側協調齒輪與所述外側螺母固定連接。進一步地，所述η個驅動單元上下層疊布置，相鄰兩個驅動單元中的兩個內側協調齒輪上下嚙合；相鄰兩個驅動單元中的兩個外側協調齒輪也上下嚙合。進一步地，每個驅動單元中的外側電機並聯在第一控制支路上，每個驅動單元中的內側電機並聯在第二控制支路上。本發明由η個驅動單元(η為自然數)與同一輸出滑塊相連，由輸出滑塊輸出驅動力，每個驅動單元由並行驅動的電機、簡單並聯的絲槓、配套的螺母和協調裝置構成，可以實現如下功能或達到如下效果1.本發明具有冗餘驅動的能力。當給予所有電機相同的控制信號時，可以同步輸出，以冗餘輸入的方式獲得大的驅動力，理論上可以無限並聯電機，獲得極大驅動力，與液壓驅動相比，結構簡單、成本低廉、無液壓油汙染、無內部摩擦力、傳動效率高、不受溫度等外界條件影響、減小設備空間、控制簡單且可以實現實時控制。2.本發明具有機械協調容錯和無過約束的功能。與冗餘驅動支鏈相比，本驅動裝置機構簡單，協調裝置可以對每個驅動單元中兩根絲槓的不同步運動進行協調，解決了過約束對系統造成的影響，對設備製造、裝配及控制精度無苛刻要求，使設備製造和裝配容易，控制系統中也無須價格昂貴的力傳感器，進一步降低了成本、簡化了控制，同時避免了指令誤差、系統誤差引起的不同步所產生的內力，從而也提高了傳動效率，避免因內力而產生的故障，使得所驅動設備的安全性和可靠性得到保證。3.本發明具有差動輸出的功能。由於協調裝置的作用，以及每個驅動單元中的同側電機均並聯在同一條控制支路上，受控於同一指令，所有驅動單元中兩側電機可以在電機允許的範圍內以任何速度組合形成差動輸出。當所有驅動單元中兩側電機均高速運行且速度相近時，差動輸出為低速運行，此運行狀態可以避免電機的低速爬行；兩側電機速度組合還可以實現電機運行不換向而輸出滑塊換向的運行方式，此運行方式可以避免電機反向間隙產生的誤差和衝擊；兩側電機可以以一側加速另一側減速的速度組合方式實現快速響應。下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。圖1為本發明一種具有兩個驅動單元的實施例示意圖。圖2為本發明一種具有三個驅動單元的實施例示意圖。圖3為本發明一種具有η個驅動單元的實施例示意圖。具體實施例方式如圖1所示，本實施例為具有兩個驅動單元的機械協調冗餘容錯驅動裝置，具體包括基座1、兩個驅動單元和可活動地安裝在基座1內的一個輸出滑塊6。每個驅動單元包括兩個電機、兩條平行的絲槓和兩個螺母，每條絲槓均垂直穿過輸出滑塊6。在本優選實施例中，每個驅動單元中的兩條絲槓一內一外並排布置，其中第一驅動單元包括外側絲槓311、內側絲槓312、外側電機211、內側電機212、外側螺母411和內側螺母412，外側絲槓311的一端可轉動地支承在基座1上，另一端與外側電機211相連接，外側螺母411與外側絲槓311螺紋配合；內側絲槓312的一端可轉動地支承在基座1上，另一端與內側電機212相連接，內側螺母412與內側絲槓312螺紋配合。第二驅動單元包括外側絲槓321、內側絲槓322、外側電機221、內側電機222、外側螺母421和內側螺母422，外側絲槓321的一端可轉動地支承在基座1上，另一端與外側電機221相連接，外側螺母421與外側絲槓321螺紋配合；內側絲槓322的一端可轉動地支承在基座1上，另一端與內側電機222相連接，內側螺母422(見圖2、與內側絲槓322螺紋配合。每個螺母411、421、412、422均通過軸承與所述輸出滑塊6相連接，所有的電機211、221、212、222均固定安裝在基座1上。第二驅動單元層疊在第一驅動單元的上方。每個驅動單元的兩個螺母之間還連接有一個協調裝置。如圖1所示，第一驅動單元中的內側螺母412與一個內側協調齒輪512固定連接，外側螺母411與一個外側協調齒輪511固定連接，內側協調齒輪512與外側協調齒輪511相嚙合，構成本發明中的一種協調裝置。第二驅動單元中的內側螺母422與一個內側協調齒輪522固定連接(見圖幻，外側螺母421與一個外側協調齒輪521固定連接，內側協調齒輪522與外側協調齒輪521也相互嚙合，構成一種協調裝置。所述基座1包括上底板101、下底板102和左側板103、右側板104，輸出滑塊6與左、右側板103、104相平行，各絲槓的兩端分別穿設在左、右側板103、104中，所有的電機均固定安裝在右側板104上。進一步地，還包括一根輸出杆7，輸出杆7的一端與輸出滑塊6相連接，輸出杆7的另一端穿過左側板103伸到基座以外。如圖2所示，本實施例為具有三個驅動單元(六個電機)的機械協調冗餘容錯驅動裝置，相對於圖1所示實施例，在第二驅動單元的上方增加了一個第三驅動單元，第三驅動單元包括外側絲槓331、內側絲槓332、外側電機231、內側電機232、外側螺母431和內側螺母(圖中未顯示)，外側絲槓331和內側絲槓332垂直穿過輸出滑塊6。外側絲槓331的一端可轉動地支承在基座1上，另一端與外側電機231相連接，外側螺母431與外側絲槓331螺紋配合；內側絲槓332的一端可轉動地支承在基座1上，另一端與內側電機232相連接，內側螺母與內側絲槓332螺紋配合。外側螺母431和內側螺母均通過軸承與所述輸出滑塊6相連接，外側電機231、內側電機232均固定安裝在基座1上。外側螺母431與一個外側協調齒輪531固定連接，內側螺母與一個內側協調齒輪(圖中未顯示)固定連接，外側協調齒輪531與該內側協調齒輪相嚙合。進一步地，除同一驅動單元中的內、外兩個協調齒輪相嚙合外，相鄰兩個驅動單元間的兩個同側協調齒輪也可以上下嚙合。比如，第一驅動單元中的外側協調齒輪511與第二驅動單元中的外側協調齒輪521上下嚙合，第一驅動單元中的內側協調齒輪512與第二驅動單元中的內側協調齒輪522上下嚙合。這樣，就相當於在相鄰的驅動單元之間也設置了協調裝置，以便於協調不同驅動單元之間的同步運動。顯然，在本發明中，驅動單元的數量最少可以是一個，而根據所需驅動力的大小，驅動單元的數量可以無限增加。如圖3所示，本實施例為具有η個驅動單元(2η個電機)的機械協調冗餘容錯驅動裝置，η為自然數，它包括基座1、輸出滑塊6、輸出杆7，以及第一至第η個驅動單元，這η個驅動單元上下層疊布置，每個驅動單元的結構組成都是相同的。其中，第η個驅動單元包括外側絲槓3nl、內側絲槓3η2、外側電機2nl、內側電機2η2、外側螺母4nl和內側螺母如2，外側絲槓3nl和內側絲槓3n2垂直穿過輸出滑塊6。外側絲槓3nl的一端可轉動地支承在基座1上，另一端與外側電機2nl相連接，外側螺母4nl與外側絲槓3nl螺紋配合；內側絲槓3n2的一端可轉動地支承在基座1上，另一端與內側電機2n2相連接，內側螺母4n2與內側絲槓3n2螺紋配合。外側螺母4nl和內側螺母4n2均通過軸承與所述輸出滑塊6相連接，外側電機2nl、內側電機2n2均固定安裝在基座1上。外側螺母4nl與一個外側協調齒輪5nl固定連接，內側螺母4n2與一個內側協調齒輪5n2固定連接。外側協調齒輪5nl與該內側協調齒輪5n2相嚙合，構成協調裝置。6本發明中的絲槓可用滾動絲槓，也可用滑動絲槓；協調裝置可以採用齒輪副、齒輪齒條副、連杆或其他公知的同步傳動裝置。下面以圖1為例，說明本發明的工作原理。連接在基座1上的電機211、212、221、222帶動與它們相連接的絲槓311、312、321、322作純轉動，與絲槓配套的螺母411、412、421、422把這些轉動轉變為沿絲槓方向的平移運動，並由其帶動輸出滑塊6對輸出杆7產生輸出運動。每個驅動單元中的外側電機211、221並聯在第一控制支路上，每個驅動單元中的內側電機212、222並聯在第二控制支路上，對各驅動單元的外側電機211、221給以同一控制信號a，對各驅動單元的內側電機212、222給以同一控制信號b。當兩控制信號a和b相同，且內、外側的絲槓、螺母分別嚴格相同時，各螺母的平移運動是同步的，通過輸出滑塊6把多個輸入轉化為單一輸出，可以實現冗餘輸入，此時與各螺母固連的協調齒輪511、512、521、522無相對運動。當因某種原因(如由於幹擾導致控制信號a和b不同或內、外側的絲槓、螺母有螺距誤差等)造成內、外側螺母不同步時，協調齒輪511、512、521、522可以帶動各自相連的螺母轉動，使螺母達到重新同步，解決了運動過約束問題，消除了內力，避免了因內力導致的故障，此時實現了容錯功能，這是一般冗餘驅動所不能實現的。容錯功能的一種極端情況是控制信號a和b在給定時人為造成不同，這裡有兩種有利於提高傳動特性的工作狀態一種是控制信號a和b均以較高的速度給定，但方向相反大小相近，可以得到輸出滑塊6低速的差動輸出，由於電機均在高位下運行，避免了電機的低速爬行；第二種是控制信號a以較低的速度給定而控制信號b以較高的反向速度給定，當a側(外側電機)加速而b側(內側電機)減速時，兩速度所產生的差動使輸出滑塊6先減速後反向加速，實現了電機運行不換向而輸出滑塊換向的運行方式，此運行方式可以避免電機反向間隙產生的誤差和衝擊，同時這種運行方式可以得到較大的加速度，實現快速響應。本發明可作為對承載力和動態響應都有較高要求的重載裝備的驅動，使系統具有承載力大、動態響應快、容錯性能好、無過約束、製造成本低、無汙染等優點。權利要求1.一種機械協調冗餘容錯驅動裝置，包括基座和可活動地安裝在基座內的一個輸出滑塊，其特徵是，還包括安裝在基座上的η個驅動單元，η為自然數，每個驅動單元包括兩個電機、兩條平行的絲槓和兩個螺母，每條絲槓均垂直穿過所述輸出滑塊，絲槓的一端可轉動地支承在基座上，另一端與一個所述電機相連接；兩個螺母分別與兩條絲槓相配合，每個螺母均與所述輸出滑塊相連接，每個驅動單元的兩個螺母之間還連接有一個協調裝置；所述電機固定安裝在基座上。2.根據權利要求1所述的驅動裝置，其特徵是，所述螺母通過軸承與所述輸出滑塊相連接。3.根據權利要求1所述的驅動裝置，其特徵是，所述基座包括上、下底板和左、右側板，所述輸出滑塊與左、右側板相平行，所述絲槓的兩端分別穿設在左、右側板中，所述電機均固定安裝在右側板上。4.根據權利要求3所述的驅動裝置，其特徵是，還包括一根輸出杆，輸出杆的一端與所述輸出滑塊相連接，輸出杆的另一端穿過左側板伸到基座以外。5.根據權利要求1所述的驅動裝置，其特徵是，每個驅動單元中的兩條絲槓一內一外並排布置，分為內側絲槓和外側絲槓，與內側絲槓相配合的螺母為內側螺母，與內側絲槓相連接的電機為內側電機；與外側絲槓相配合的螺母為外側螺母，與外側絲槓相連接的電機為外側電機。6.根據權利要求5所述的驅動裝置，其特徵是，所述協調裝置包括兩個相嚙合的協調齒輪，其中內側協調齒輪與所述內側螺母固定連接，外側協調齒輪與所述外側螺母固定連接。7.根據權利要求6所述的驅動裝置，其特徵是，所述η個驅動單元上下層疊布置，相鄰兩個驅動單元中的兩個內側協調齒輪上下嚙合；相鄰兩個驅動單元中的兩個外側協調齒輪也上下嚙合。8.根據權利要求5所述的驅動裝置，其特徵是，每個驅動單元中的外側電機並聯在第一控制支路上，每個驅動單元中的內側電機並聯在第二控制支路上。全文摘要本發明公開了一種機械協調冗餘容錯驅動裝置，包括基座和可活動地安裝在基座內的一個輸出滑塊，還包括安裝在基座上的n個驅動單元，n為自然數，每個驅動單元包括兩個電機、兩條平行的絲槓和兩個螺母，每條絲槓均垂直穿過所述輸出滑塊，絲槓的一端可轉動地支承在基座上，另一端與一個電機相連接；兩個螺母分別與兩條絲槓相配合，每個螺母均與所述輸出滑塊通過軸承相連接，每個驅動單元的兩個螺母之間還連接有一個協調裝置；所述電機固定安裝在基座上。本發明可作為對承載力和動態響應都有較高要求的重載裝備的驅動，使系統具有承載力大、動態響應快、容錯性能好、無過約束、能夠差動輸出、製造成本低、無汙染等優點。文檔編號H02K7/00GK102412657SQ20111037766公開日2012年4月11日申請日期2011年11月24日優先權日2011年11月24日發明者張建政,趙現朝,金振林,高峰申請人:上海交通大學