CN107425649A - 一种基于电机速度合成的双余度机电作动器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机电作动器技术领域，具体涉及一种基于电机速度合成的双余度机电作动器。本发明的基于电机速度合成的双余度机电作动器，包括：第一电机、第二电机、电磁式制动器、第一电机齿轮、第二电机齿轮、行星减速器、惰轮、滚珠丝杠副和直线电位器。本发明解决了现有的双余度机电作动器力纷争现象和故障隔离的解决方案会带来对控制单元的控制精度要求非常高，或对加工精度和装配精度要求非常高，并且转动惯量大的问题。提供一种双余度机电作动器，该双余度机电作动器不仅体积小，而且惯量低，对控制单元的精度要求低，可以满足无人机电传作动***对器在小型化、轻质化、高功率密度比、高效率、高精度传动方面的发展需求。

Description

一种基于电机速度合成的双余度机电作动器
技术领域
本发明属于机电作动器技术领域，具体涉及一种基于电机速度合成的双余度机电作动器。
背景技术
双余度机电作动器被广泛应用于无人机控制***中，以提高无人机飞行任务的可靠性。当前，双余度机电作动器的研制面临的一项关键技术就是如何解决双电机输出运动合成所产生的力纷争现象和故障隔离问题。国内外相关研究单位通常的解决办法为通过力矩合成的离合器控制方案和通过机械运动合成的差动周转轮系控制方案。前者需要解决负载均衡和力纷争现象，并且由于运动合成是机械硬式结构，要求控制单元的控制精度非常高，不然会因负载不均衡带来通道间以及机械固件间的相互干扰，降低***的稳定性和可靠性；后者采用差动式的机械运动合成方案，可以实现两通道间的运动输出解耦，即两个输入通道的负载出现不均衡(即转速不一样)时，可以解决或不存在力纷争问题，但该方案所采用的差速器通常机械机构复杂，对加工精度和装配精度要求较高，并且转动惯量大，不利于***动态性能的提高。此外，上述两种方案由于其分别使用的离合器和差速器会增大机电作动器的空间尺寸和重量。因此，研制一种体积小、低惯量的运动合成装置以解决多电机输出运动合成所产生的力纷争现象和故障隔离问题成为多余度电动舵***研制中的一个难点。
发明内容
本发明需要解决的技术问题为：现有的双余度机电作动器力纷争现象和故障隔离的解决方案会带来对控制单元的控制精度要求非常高，或对加工精度和装配精度要求非常高，并且转动惯量大的问题。
本发明的技术方案如下所述：
一种基于电机速度合成的双余度机电作动器，包括：第一电机、第二电机、电磁式制动器、第一电机齿轮、第二电机齿轮、行星减速器、惰轮、滚珠丝杠副和直线电位器。
其中，所述第一电机和第二电机，用于提供转动。在第一电机和第二电机的尾部均安装有电磁式制动器，用于电机制动。在第一电机和第二电机输出轴的末端分别安装有第一电机齿轮和第二电机齿轮。
所述行星减速器安装于第一电机的输出轴方向上，行星减速器的太阳轮为第一电机齿轮，用于将第一电机转速降低后输出。
所述惰轮为齿轮，能够同时与第二电机齿轮和行星减速器啮合，惰轮通过惰轮支撑轴承安装于机电作动器壳体之上。所述滚珠丝杠副与行星减速器连接，用于将行星减速器输出的转动转变为直线位移输出。
所述直线电位器设置于机电作动器壳体之上，用于测量滚珠丝杠副所输出的直线移动大小。
优选的，所述行星减速器具有中心轮，中心轮具有前部和后部，所述前部和后部均为圆筒状，前部的外径和内径均分别小于后部的外径和内径。中心轮的所述前部通过一对中心轮支撑轴承安装于机电作动器壳体之上，机电作动器壳体对中心轮起支撑和限位作用，中心轮能够在一对中心轮支撑轴承的支撑下转动。所述第一电机的转轴通过中心轮的前部伸入中心轮的后部之内，使得安装于第一电机转轴末端的第一电机齿轮在空间上位于中心轮的所述后部之内。在中心轮后部的内表面和外表面上均设置有齿。所述行星减速器还具有行星轮保持架和行星架。所述行星轮保持架和行星架设置于中心轮的后部之内，两者通过三个行星轮支柱连接为一体。三个所述行星轮支柱位于行星轮保持架和行星架外侧的末端还分别设置有锁紧螺母和轴用弹簧垫圈，用于锁紧行星轮支柱，防止行星轮支柱产生轴向的移动。三个行星齿轮分别通过两组行星轮支撑轴承分别安装于三个行星轮支柱之上，在空间中位于行星轮保持架和行星架之间。行星齿轮能够绕各自的行星轮支柱的轴向自由转动。三个所述行星齿轮均能同时与第一电机齿轮啮合，并且还均能同时与中心轮后部内表面的齿啮合。所述行星架具有输出轴，能够输出转动。
优选的，所述惰轮同时与第二电机齿轮和所述中心轮后部外齿圈啮合。
优选的，所述滚珠丝杠副具有丝杠，丝杠与所述行星架的输出轴通过螺纹和径向销固联，使得行星架能够带动丝杠同步转动。所述行星架的输出轴还通过一对丝杠支撑轴承安装于机电作动器壳体之上，机电作动器壳体对行星架起支撑和限位作用。滚珠丝杠副还具有滑动套筒，滑动套筒与丝杠配合将转动转化为直线位移。在滑动套筒的末端还设置有关节轴承，用于同其他设备转接并输出直线位移。
优选的，所述直线电位器的滑动抽头安装于滚珠丝杠副的滑动套筒止转机构的平键上，滑动套筒止转机构的平键与机电作动器壳体上的滑槽进行配合，保证滑动套筒的直线输出。
优选的，两个所述电磁式制动器的转轴均通过径向销分别与第一电机和第二电机的转轴固定连接。
优选的，所述第一电机齿轮和第二电机齿轮分别通过径向销固定安装于第一电机和第二电机的转轴之上。
本发明的有益效果为：
本发明的提供了一种基于无力纷争差速器和小型电机制动器的双余度机电作动器，该双余度机电作动器不仅体积小，而且惯量低，对控制单元的精度要求低，可以满足无人机电传作动***对器在小型化、轻质化、高功率密度比、高效率、高精度传动方面的发展需求。
附图说明
图1为本发明的双余度机电作动器的组成示意图；
图2为行星减速器的组成示意图；
1-第一电机，2-第二电机，3-电磁式制动器，4-第一电机齿轮，5-第二电机齿轮，6-行星减速器，601-中心轮，602-中心轮支撑轴承，603-行星轮保持架，604-行星架，605-行星轮支柱，606-锁紧螺母，607-轴用弹簧垫圈，608-行星齿轮，609-行星轮支撑轴承，7-惰轮，701-惰轮支撑轴承，8-滚珠丝杠副，801-丝杠支撑轴承，802-滑动套筒，803-关节轴承，9-直线电位器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种基于电机速度合成的双余度机电作动器进行详细说明。
本发明的机电作动器由双电机运动输入通过基于行星轮减速器设计的差速器进行速度合成后输出单一运动，如图1所示，具体包括：第一电机1和第二电机2，用于提供转动。在第一电机1和第二电机2的尾部均安装有电磁式制动器3，用于电机制动。两个所述电磁式制动器3的转轴均通过径向销分别与第一电机1和第二电机2的转轴固定连接。在第一电机1和第二电机2输出轴的末端分别安装有第一电机齿轮4和第二电机齿轮5。所述第一电机齿轮4和第二电机齿轮5分别通过径向销固定安装于第一电机1和第二电机2的转轴之上。
在第一电机1的输出轴方向上还安装有行星减速器6，行星减速器6的太阳轮为第一电机齿轮4，用于将第一电机1转速降低后输出。如图2所示，行星减速器6具有中心轮601，中心轮601具有前部和后部，所述前部和后部均为圆筒状，前部的外径和内径均分别小于后部的外径和内径。中心轮601的所述前部通过一对中心轮支撑轴承602安装于机电作动器壳体之上，机电作动器壳体对中心轮601起支撑和限位作用，中心轮601能够在一对中心轮支撑轴承602的支撑下转动。所述第一电机1的转轴通过中心轮601的前部伸入中心轮601的后部之内，使得安装于第一电机1转轴末端的第一电机齿轮4在空间上位于中心轮601的所述后部之内。在中心轮601后部的内表面和外表面上均设置有齿。所述行星减速器6还具有行星轮保持架603和行星架604。所述行星轮保持架603和行星架604设置于中心轮601的后部之内，两者通过三个行星轮支柱605连接为一体。三个所述行星轮支柱605位于行星轮保持架603和行星架604外侧的末端还分别设置有锁紧螺母606和轴用弹簧垫圈607，用于锁紧行星轮支柱605，防止行星轮支柱605产生轴向的移动。三个行星齿轮608分别通过两组行星轮支撑轴承609分别安装于三个行星轮支柱605之上，在空间中位于行星轮保持架603和行星架604之间。行星齿轮608能够绕各自的行星轮支柱605的轴向自由转动。三个所述行星齿轮608均能同时与第一电机齿轮4啮合，并且还均能同时与中心轮601后部内表面的齿啮合。所述行星架604具有输出轴，能够输出转动。
所述中心轮601后部内表面的齿、三个行星齿轮608和第一电机齿轮4构成减速行星系，三个行星齿轮608能够沿中心轮601后部内表面绕第一电机齿轮4转动，进而带动行星轮保持架603和行星架604在中心轮601后部之内绕第一电机齿轮4的轴向同步转动。
本发明的机电作动器还包括惰轮7，所述惰轮7为齿轮，能够同时与第二电机齿轮5和所述中心轮601后部外表面的齿啮合。惰轮7通过惰轮支撑轴承701安装于机电作动器壳体之上。
所述中心轮601后部外表面的齿与惰轮7和第二电机齿轮5构成二级减速。
本发明的机电作动器还包括与行星减速器6连接的滚珠丝杠副8，用于将行星减速器6输出的转动转变为直线位移输出。所述滚珠丝杠副8具有丝杠，丝杠与所述行星架604的输出轴通过螺纹和径向销固联，使得行星架604能够带动丝杠同步转动。所述行星架604的输出轴还通过一对丝杠支撑轴承801安装于机电作动器壳体之上，机电作动器壳体对行星架604起支撑和限位作用。滚珠丝杠副8还具有滑动套筒802，滑动套筒802与丝杠配合将转动转化为直线位移。在滑动套筒802的末端还设置有关节轴承803，用于同其他设备转接并输出直线位移。
本发明的机电作动器还包括直线电位器9，所述直线电位器9设置于机电作动器壳体之上，用于测量滚珠丝杠副8所输出的直线移动大小。直线电位器9的滑动抽头安装于滚珠丝杠副8的滑动套筒止转机构的平键上，滑动套筒止转机构的平键与机电作动器壳体上的滑槽进行配合，保证滑动套筒802的直线输出。
本发明的一种基于电机速度合成的双余度机电作动器实现功能的方式如下：
当第二电机2制动锁死，只有第一电机1输出转动时，第二电机齿轮5锁死不能转动，从而与之啮合的惰轮7也锁死不能转动，进而与惰轮7啮合的中心轮601也锁死不能转动。第一电机1的转轴带动第一电机齿轮4转动，带动与第一电机齿轮4啮合的三个行星齿轮608绕中心齿轮601公转，同时带动行星轮保持架603和行星架604转动，从而带动与行星架604的输出轴固定连接的丝杠同步转动，进而滚珠丝杠副8将行星架604的转动转变为直线位移输出。
当第一电机1制动锁死，只有第二电机2输出转动时，第一电机齿轮4锁死不能转动，第二电机2的转轴带动第二电机齿轮5转动，进而带动与第二电机齿轮5啮合的惰轮7转动，惰轮7带动与之啮合的中心轮601转动，中心轮601带动与之啮合的三个行星齿轮608绕第一电机齿轮4公转，同时带动行星轮保持架603和行星架604转动，从而带动与行星架604的输出轴固定连接的丝杠同步转动，进而滚珠丝杠副8将行星架604的转动转变为直线位移输出。
当第一电机1和第二电机2同时工作时，第一电机1和第二电机2的转动通过第一电机齿轮4、第二电机齿轮5、惰轮7和行星减速器6构成的差速器实现两个电机输入运动的速度合成，单一输出给滚珠丝杠副8转变为直线位移。若第一电机1和第二电机2转向相同，则输出速度减小；若第一电机1和第二电机2转向相反，则输出速度增大。

Claims (7)

1.一种基于电机速度合成的双余度机电作动器，包括：第一电机(1)、第二电机(2)、电磁式制动器(3)、第一电机齿轮(4)、第二电机齿轮(5)、行星减速器(6)、惰轮(7)、滚珠丝杠副(8)和直线电位器(9)。
其特征在于：所述第一电机(1)和第二电机(2)，用于提供转动。在第一电机(1)和第二电机(2)的尾部均安装有电磁式制动器(3)，用于电机制动。在第一电机(1)和第二电机(2)输出轴的末端分别安装有第一电机齿轮(4)和第二电机齿轮(5)。
所述行星减速器(6)安装于第一电机(1)的输出轴方向上，行星减速器(6)的太阳轮为第一电机齿轮(4)，用于将第一电机(1)转速降低后输出。
所述惰轮(7)为齿轮，能够同时与第二电机齿轮(5)和行星减速器(6)啮合，惰轮(7)通过惰轮支撑轴承(701)安装于机电作动器壳体之上。所述滚珠丝杠副(8)与行星减速器(6)连接，用于将行星减速器(6)输出的转动转变为直线位移输出。
所述直线电位器(9)设置于机电作动器壳体之上，用于测量滚珠丝杠副(8)所输出的直线移动大小。
2.如权利要求1所述的基于电机速度合成的双余度机电作动器，其特征在于：所述行星减速器(6)具有中心轮(601)，中心轮(601)具有前部和后部，所述前部和后部均为圆筒状，前部的外径和内径均分别小于后部的外径和内径。中心轮(601)的所述前部通过一对中心轮支撑轴承(602)安装于机电作动器壳体之上，机电作动器壳体对中心轮(601)起支撑和限位作用，中心轮(601)能够在一对中心轮支撑轴承(602)的支撑下转动。所述第一电机(1)的转轴通过中心轮(601)的前部伸入中心轮(601)的后部之内，使得安装于第一电机(1)转轴末端的第一电机齿轮(4)在空间上位于中心轮(601)的所述后部之内。在中心轮(601)后部的内表面和外表面上均设置有齿。所述行星减速器(6)还具有行星轮保持架(603)和行星架(604)。所述行星轮保持架(603)和行星架(604)设置于中心轮(601)的后部之内，两者通过三个行星轮支柱(605)连接为一体。三个所述行星轮支柱(605)位于行星轮保持架(603)和行星架(604)外侧的末端还分别设置有锁紧螺母(606)和轴用弹簧垫圈(607)，用于锁紧行星轮支柱(605)，防止行星轮支柱(605)产生轴向的移动。三个行星齿轮(608)分别通过两组行星轮支撑轴承(609)分别安装于三个行星轮支柱(605)之上，在空间中位于行星轮保持架(603)和行星架(604)之间。行星齿轮(608)能够绕各自的行星轮支柱(605)的轴向自由转动。三个所述行星齿轮(608)均能同时与第一电机齿轮(4)啮合，并且还均能同时与中心轮(601)后部内表面的齿啮合。所述行星架(604)具有输出轴，能够输出转动。
3.如权利要求2所述的基于电机速度合成的双余度机电作动器，其特征在于：所述惰轮(7)同时与第二电机齿轮(5)和所述中心轮(601)后部外齿圈啮合。
4.如权利要求3所述的基于电机速度合成的双余度机电作动器，其特征在于：所述滚珠丝杠副(8)具有丝杠，丝杠与所述行星架(604)的输出轴通过螺纹和径向销固联，使得行星架(604)能够带动丝杠同步转动。所述行星架(604)的输出轴还通过一对丝杠支撑轴承(801)安装于机电作动器壳体之上，机电作动器壳体对行星架(604)起支撑和限位作用。滚珠丝杠副(8)还具有滑动套筒(802)，滑动套筒(802)与丝杠配合将转动转化为直线位移。在滑动套筒(802)的末端还设置有关节轴承(803)，用于同其他设备转接并输出直线位移。
5.如权利要求4所述的基于电机速度合成的双余度机电作动器，其特征在于：所述直线电位器(9)的滑动抽头安装于滚珠丝杠副(8)的滑动套筒止转机构的平键上，滑动套筒止转机构的平键与机电作动器壳体上的滑槽进行配合，保证滑动套筒(802)的直线输出。
6.如权利要求5所述的基于电机速度合成的双余度机电作动器，其特征在于：两个所述电磁式制动器(3)的转轴均通过径向销分别与第一电机(1)和第二电机(2)的转轴固定连接。
7.如权利要求6所述的基于电机速度合成的双余度机电作动器，其特征在于：所述第一电机齿轮(4)和第二电机齿轮(5)分别通过径向销固定安装于第一电机(1)和第二电机(2)的转轴之上。
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