CN105939074A - 一种可变行程机电作动器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机电伺服作动技术领域，具体涉及一种结构紧凑、控制精度高、可变行程的可变行程机电作动器。本发明一种可变行程机电作动器包括机架单元、驱动单元、可变行程单元、输出单元；驱动单元通过紧固件固定在机架单元上；驱动单元通过键与可变行程单元的减速机输出轴相连接；减速机输出轴的另一端穿过固定螺纹调节件与输出单元相连接实现传动控制；可变行程单元的调整环通过连杆与输出单元相连接用于输出行程的调节。本发明采用伺服电机驱动的可变行程结构，可实现可变幅值可变频率高速往复力或位移输出，该装置结构紧凑、可靠度高，成本较低适用于航空航天、机械工业等多领域，易于推广应用，具有较大的实用价值。

Description

一种可变行程机电作动器
技术领域
本发明属于机电伺服作动技术领域，具体涉及一种结构紧凑、控制精度高、可变行程的可变行程机电作动器。
背景技术
功率电传作动器是一种广泛应用于航空航天、机械工业等领域的通过电力传递功率的作动***。典型的功率电传作动器包括电动静液作动器(EHA)和机电作动器(EMA)。电动静液作动器***需要采用液压元件实现电机的输出，响应速度和精度较差，***相对复杂。机电作动器无需液压元件，具有效率高、重量轻、易于维护等优势，成为功率电传作动器发展方向。
现有的机电作动器多采用减速机构配合滚珠丝杠或滚柱丝杠，将电机的旋转运动转化为作动机构的直线运动，这种结构在作动筒高速运动特别是高速往复作动的情况下，对电机性能要求很高，***成本造价大，且滚珠丝杠或滚柱丝杠在动载荷作用下容易发生疲劳点蚀，影响***传动精度，可靠性较差。此外，现有的机电作动器采用单电机控制，作动筒运动范围固定，单电机控制***冗余度差，在高速作动情况下小幅值位移或力控制精度差。
发明内容
本发明的目的是：为了克服现有机电作动器成本高、结构复杂、可靠性差、冗余度差不适于高速高频作动等缺点，提供了一种低成本、结构紧凑、高可靠性、高刚性、且能满足高速高频作动环境的可变行程机电作动器
本发明的技术方案是：
机电作动器包括机架单元、驱动单元、可变行程单元、输出单元；驱动单元的减速器底面通过紧固件固定在机架单元的底板上；驱动单元的减速器输出端通过键与可变行程单元的减速机输出轴一端相连接；减速机输出轴的另一端穿过固定螺纹调节件与输出单元的飞轮轴连接件相连接实现传动控制；可变行程单元的飞轮游动连杆与输出单元的曲柄连杆相连接用于输出行程的调节；
所述的机架单元包括上顶板、底板、方形侧立板、L形侧立板和C形侧立板，所述C形侧立板两个侧面通过紧固件分别与L型侧立板和方形侧立板的一侧相连接，C型侧立板、L型侧立板和方形侧立板的底面通过紧固件固定在底板上，顶部通过紧固件与上顶板相连接；
所述的驱动单元包括伺服驱动电机、驱动器、减速器，所述的减速器的底面通过紧固件固定在机架单元的底板上，伺服驱动电机的输出轴通过键与减速器的输入端相连接，减速器的输出端通过键与可变行程单元的减速机输出轴相连接，驱动器通过信号线和电源线与伺服驱动电机相连接，实现对电机输出转速的控制；
所述的可变行程单元包括联轴器、行程调节电机、行程调节电机驱动器、蜗杆、蜗轮、减速器输出轴、固定螺纹调节件、蜗轮支承板、调整螺母端盖、调整螺母、调整环、连杆和飞轮游动连杆，所述的减速器输出轴的输入端通过键与驱动单元的减速器相连，输出端穿过固定螺纹调节件、蜗轮、调整螺母端盖、调整螺母和调整环与输出单元的飞轮轴连接件相连；蜗杆的输入端通过联轴器与行程调节电机相连接，另一端通过机架单元的方形侧立板进行支撑；蜗轮与蜗杆相配合，蜗轮的内六方孔与调整螺母的外六方结构相连，蜗轮的凸缘外侧面通过轴承安装在蜗轮支承板的安装孔上；固定螺纹调节件的两侧面通过紧固件分别固定在机架单元的方形侧立板和L型侧立板的安装孔上，固定螺纹调节件中部的凸缘结构通过螺纹副与调整螺母相连；调整环的一端固定在调整螺母和调整螺母端盖之间，另一端通过紧固件与连杆的一端相连；连杆的另一端通过紧固件与飞轮游动连杆相连，并在输出单元的飞轮轴连接件的开槽中滑动；飞轮游动连杆通过紧固件与输出单元的曲柄连杆连接，并在飞轮盖板的开槽中滑动，行程调节电机驱动器通过信号线和电源线与行程调节电机相连接，实现对电机输出转速的控制；
所述的输出单元包括球轴承、飞轮轴连接件、飞轮盖板、曲柄连杆、输出轴、直线轴承、力传感器，飞轮轴连接件的端面通过紧固件固定在飞轮盖板上，中部通过键与可变行程单元减速器输出轴的输出端连接；飞轮盖板通过球轴承固定在轴承固定板上，轴承固定板通过紧固件固定在底板的方槽中；曲柄连杆的一端与可变行程单元的飞轮游动连杆相连接，另一端与输出轴相连，并在飞轮盖板的槽中滑动；输出轴穿过直线轴承，并通过力传感器与负载相连接，直线轴承通过法兰盘固定在上机架单元顶板上。
所述的伺服驱动电机和行程调节电机可用手轮或其他转动动力源替代。
所述的蜗杆和蜗轮结构可用带传动、齿轮传动的其他等同传动方式替代。
本发明具有的优点和有益效果是：
本发明采用伺服电机减速器驱动曲柄滑块机构实现对负载位置控制，通过力传感器采集加载力值可实现对负载的力控制；采用伺服电机驱动螺纹副结构改变曲柄长度可实现变行程输出。本发明采用机电伺服驱动，与传动电液作动器相比，结构紧凑、重量轻、可靠性程度高，绿色环保。
本发明采用曲柄滑块结构，与现有的机电作动器相比，输出轴高速往复运动时电机只需单方向转动，一方面避免了电机频繁正反转过程中的电机发热稳定性差、电机寿命低、输出频率低等缺点，提高作动***输出的可靠性和稳定性；另一方面避免了采用复杂电路和控制器的高成本频繁正反转电机组件，在不降低输出品质的前提下，采用低成本电机可实现高频往复作动力和位移输出，降低作动器成本，易于普及推广。
本发明采用可变行程结构，输出过程中可通过其可变行程单元实时的改变输出位移和力幅值，并能根据负载需求实现位移或力的变幅值或变频率输出，与传动作动器相比，一方面可满足于多种复杂的力或位移负载曲线的输出，另一方面采用双电机实现作动输出提高***冗余度，尤其在小位移或力幅值高频作动情况下提高***输出精度及可靠性。
此外本发明结构简单，可靠度高，成本较低，适用于航空航天、机械工业等多领域往复运动工作环境，易于推广应用，具有较大的实用价值。
附图说明
图1为本发明的各组成单元示意图；
图2为本发明的典型安装示意图；
图3为驱动单元结构示意图；
图4为可变行程单元结构示意图；
图5为可变行程单元结构局部剖切示意图；
图6为可变行程单元与输出单元装配示意图；
图7为输出单元结构示意图。
附图标记：
1、机架单元 2、驱动单元 3、可变行程单元
4、输出单元 5、上顶板 6、底板
7、减速器 8、方形侧立板 9、L形侧立板
10、C形侧立板 11、轴承固定板 12、直线轴承
13、力传感器 14、联轴器 15、伺服驱动电机
16、行程调节电机 17、蜗杆 18、蜗轮
19、减速器输出轴 20、固定螺纹调节件 21、蜗轮支承板
22、球轴承 23、飞轮轴连接件 24、调整螺母端盖
25、调整螺母 26、调整环 27、连杆
28、飞轮盖板 29、飞轮游动连杆 30、曲柄连杆
31、输出轴
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明：
本发明一种可变行程机电作动器由机架单元1、驱动单元2、可变行程单元3、输出单元4组成，安装结构示意图如图1所示。其中驱动单元2的减速器7底面通过紧固件固定在机架单元1的底面上，驱动单元2的减速器7通过键与可变行程单元3的减速机输出轴19一端相连接，减速机输出轴19的另一端穿过固定螺纹调节件20与输出单元4的飞轮轴连接件23相连接实现传动控制，可变行程单元3的飞轮游动连杆29与输出单元4的曲柄连杆30相连接用于输出行程的调节；
如图2所示，机架单元1包括上顶板5、底板6、方形侧立板8、L形侧立板9和C形侧立板10。C型侧立板10两个侧面通过紧固件分别与L型侧立板9和方形侧立板8的一侧相连接，C型侧立板10、L型侧立板9和方形侧立板8的底面通过紧固件固定在底板6上，顶部通过紧固件与上顶板13相连接。该机架单元1用于内部部件及负载的固定。该6底板为板型结构件，用于机架单元1固定；该方形侧立板8为方形板状结构，用于内部结构固定；该L型侧立板9为L型板状结构，用于蜗杆结构固定；该C形侧立板10为C形板状结构，用于输出单元固定；上顶板13为方形板状结构，用于直线轴承固定；
如图3所示，驱动单元2包括伺服驱动电机15、驱动器、减速器7组成。减速器7的底面通过紧固件固定在机架单元1的底板6上，伺服驱动电机的输出轴通过键与减速器7的输入端相连接，减速器7的输出端通过键与可变行程单元3的减速机输出轴19相连接，驱动器通过信号线和电源线与伺服驱动电机相连接，实现对电机输出转速的控制。该驱动单元通过驱动器进行转速控制以满足不同的输出要求。
如图4、图5和图6所示，可变行程单元3包括联轴器14、行程调节电机16、行程调节电机驱动器、蜗杆17、蜗轮18、减速器输出轴19、固定螺纹调节件20、蜗轮支承板21、调整螺母端盖24、调整螺母25、调整环26、连杆27和飞轮游动连杆29组成。减速器输出轴19的输入端通过键与驱动单元2的减速器7相连，另一端穿过固定螺纹调节件20、蜗轮18、调整螺母端盖24、调整螺母25和调整环26与输出单元4的飞轮轴连接件23相连；蜗杆17的输入端通过联轴器14与行程调节电机16相连接，另一端通过机架单元1的方形侧立板8进行支撑；蜗轮18与蜗杆17相配合，蜗轮18的内六方孔与调整螺母25的外六方结构相连，蜗轮18的凸缘外侧面通过轴承安装在蜗轮支承板21的安装孔上；固定螺纹调节件20的两侧面通过紧固件分别固定在机架单元1的方形侧立板8和L型侧立板9上的安装孔上，固定螺纹调节件20中部的凸缘结构通过螺纹副与调整螺母25相连；调整环26的一端固定在调整螺母25和调整螺母端盖24之间，另一端通过紧固件与连杆27相连；连杆27的一端通过紧固件与飞轮游动连杆29相连，并在输出单元4的飞轮轴连接件23的开槽中滑动；飞轮游动连杆29通过紧固件与输出单元4的曲柄连杆30连接，并在飞轮盖板28的开槽中滑动。行程调节电机驱动器通过信号线和电源线与行程调节电机相连接，实现对电机输出转速的控制。该蜗轮18为中心开有内六方形孔结构蜗轮，用于行程调节传动；该减速器输出轴19为阶梯轴形结构件，用于输出传动；该固定螺纹调节件20为带有螺纹凸缘结构的方板形结构件，用于与调整螺母25配合；该蜗轮支承板21为方形板状结构件，用于蜗轮18固定；该调整螺母端盖24为圆盘状结构件，用于调整环固定；该调整螺母25为法兰型螺母结构件，用于调节调整环位置；该连杆27为杆状结构件，用于调节飞轮游动连杆29的位置；该飞轮游动连杆29为一端带有凸缘的杆状结构件，用于调节曲柄偏心的位置。可变行程单元3通过行程调节电机16控制可实现输出幅值的在线调节。
如图6和图7所示，输出单元4包括球轴承22、飞轮轴连接件23、飞轮盖板28、曲柄连杆30、输出轴31、直线轴承12、力传感器13，飞轮轴连接件23的端面通过紧固件固定在飞轮盖板28上，中部通过键与可变行程单元3减速器输出轴19的输出端连接；飞轮盖板28通过球轴承22固定在轴承固定板11上，轴承固定板11通过紧固件固定在底板6的方槽中；曲柄连杆30的一端与可变行程单元3的飞轮游动连杆29相连接，另一端与输出轴31相连，并在飞轮盖板28的槽中滑动；输出轴31穿过直线轴承12，并通过力传感器13与负载相连接，直线轴承12通过法兰盘固定在上机架单元1的顶板5上。该飞轮轴连接件23为开有槽的盘形结构件，用于控制连杆滑动方向；该飞轮盖板28为开有槽的盘形结构件用于控制飞轮游动连杆29滑动方向；该曲柄连杆30为杆形结构件，用于传动；该输出轴31为圆柱形结构件；该力传感器为市售件，用于测量输出力值。该输出单元4的输出轴31配合力传感器13和位移传感器可实现对负载的力或位置控制。
所述一种可变行程机电作动器的工作过程为：
1、单方向位移或力输出
1)调试试验台，安装被加载对象，在被加载对象与输出轴间安装位移或力传感器；
2)通过调节可变行程电机改变输出幅值；
3)根据输出曲线反解出电机运动曲线，通过控制电机运动实现对被加载对象的位移或力输出；
2、往复定幅值位移或力输出。
1)调试试验台，安装被加载对象，在被加载对象与输出轴间安装位移或力传感器；
2)通过调节可变行程电机改变输出幅值；
3)根据输出曲线反解出电机运动曲线，通过控制电机运动速度实现对被加载对象的位移或力定幅值定频或变频输出。
3、往复变幅值位移或力输出
1)调试试验台，安装被加载对象，在被加载对象与输出轴间安装位移或力传感器；
2)通过调节可变行程电机给定初始输出幅值；
3)根据输出曲线反解出电机运动曲线，通过控制电机运动速度实现对被加载对象的位移或力定幅值定频或变频输出；
4)通过输出曲线反解出可变行程电机运动曲线，通过控制可变行程电机的运动实现可变幅值输出。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，以手轮或其他机构代替电机驱动，以齿轮传动、齿条传动或带传动等代替蜗轮蜗杆传动实现可变行程调节，或者其他各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种可变行程机电作动器，其特征在于：机电作动器包括机架单元(1)、驱动单元(2)、可变行程单元(3)、输出单元(4)；驱动单元(2)的减速器(7)底面通过紧固件固定在机架单元(1)的底板(6)上；驱动单元(2)的减速器(7)输出端通过键与可变行程单元(3)的减速机输出轴(19)一端相连接；减速机输出轴(19)的另一端穿过固定螺纹调节件(20)与输出单元(4)的飞轮轴连接件(23)相连接实现传动控制；可变行程单元(3)的飞轮游动连杆(29)与输出单元(4)的曲柄连杆(30)相连接用于输出行程的调节；
所述的机架单元(1)包括上顶板(5)、底板(6)、方形侧立板(8)、L形侧立板(9)和C形侧立板(10)，所述C形侧立板(10)两个侧面通过紧固件分别与L型侧立板(9)和方形侧立板(8)的一侧相连接，C型侧立板(10)、L型侧立板(9)和方形侧立板(8)的底面通过紧固件固定在底板(6)上，顶部通过紧固件与上顶板(5)相连接；
所述的驱动单元(2)包括伺服驱动电机(15)、驱动器、减速器(7)，所述的减速器(7)的底面通过紧固件固定在机架单元(1)的底板(6)上，伺服驱动电机(15)的输出轴通过键与减速器(7)的输入端相连接，减速器(7)的输出端通过键与可变行程单元(3)的减速机输出轴(19)相连接，驱动器通过信号线和电源线与伺服驱动电机(15)相连接，实现对电机输出转速的控制；
所述的可变行程单元(3)包括联轴器(14)、行程调节电机(16)、行程调节电机驱动器、蜗杆(17)、蜗轮(18)、减速器输出轴(19)、固定螺纹调节件(20)、蜗轮支承板(21)、调整螺母端盖(24)、调整螺母(25)、调整环(26)、连杆(27)和飞轮游动连杆(29)，所述的减速器输出轴(19)的输入端通过键与驱动单元(2)的减速器(7)相连，输出端穿过固定螺纹调节件(20)、蜗轮(18)、调整螺母端盖(24)、调整螺母(25)和调整环(26)与输出单元(4)的飞轮轴连接件(23)相连；蜗杆(17)的输入端通过联轴器(14)与行程调节电机(16)相连接，另一端通过机架单元(1)的方形侧立板(8)进行支撑；蜗轮(18)与蜗杆(17)相配合，蜗轮(18)的内六方孔与调整螺母(25)的外六方结构相连，蜗轮(18)的凸缘外侧面通过轴承安装在蜗轮支承板(21)的安装孔上；固定螺纹调节件(20)的两侧面通过紧固件分别固定在机架单元(1)的方形侧立板(8)和L型侧立板(9)的安装孔上，固定螺纹调节件(20)中部的凸缘结构通过螺纹副与调整螺母(25)相连；调整环(26)的一端固定在调整螺母(25)和调整螺母端盖(24)之间，另一端通过紧固件与连杆(27)的一端相连；连杆(27)的另一端通过紧固件与飞轮游动连杆(29)相连，并在输出单元(4)的飞轮轴连接件(23)的开槽中滑动；飞轮游动连杆(29)通过紧固件与输出单元(4)的曲柄连杆(30)连接，并在飞轮盖板(28)的开槽中滑动，行程调节电机驱动器通过信号线和电源线与行程调节电机(16)相连接，实现对电机输出转速的控制；
所述的输出单元(4)包括球轴承(22)、飞轮轴连接件(23)、飞轮盖板(28)、曲柄连杆(30)、输出轴(31)、直线轴承(12)、力传感器(13)，飞轮轴连接件(23)的端面通过紧固件固定在飞轮盖板(28)上，中部通过键与可变行程单元(3)减速器输出轴(19)的输出端连接；飞轮盖板(28)通过球轴承(22)固定在轴承固定板(11)上，轴承固定板(11)通过紧固件固定在底板(6)的方槽中；曲柄连杆(30)的一端与可变行程单元(3)的飞轮游动连杆(29)相连接，另一端与输出轴(31)相连，并在飞轮盖板(28)的槽中滑动；输出轴(31)穿过直线轴承(12)，并通过力传感器(13)与负载相连接，直线轴承(12)通过法兰盘固定在上机架单元(1)顶板(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种可变行程机电作动器，其特征在于，所述的伺服驱动电机(15)和行程调节电机(16)可用手轮或其他转动动力源替代。
3.根据权利要求1所述的一种可变行程机电作动器，其特征在于，所述的蜗杆(17)和蜗轮(18)结构可用带传动、齿轮传动的其他等同传动方式替代。
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