CN112737208A - 一种基于闭环控制的步进式伺服执行器 - Google Patents

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陈增寿
曹轶杰
黄美丽
黄明涛
陈翔
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    • H02K7/06—Means for converting reciprocating motion into rotary motion or vice versa

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Abstract

本发明涉及机械传动设备技术领域，具体涉及一种基于闭环控制的步进式伺服执行器，其包括滚珠花键，滚珠花键上设有一第一电机和一第二电机，滚珠花键的轴身穿过第一电机的转子，第一电机的转子与滚珠花键同步旋转；滚珠花键的轴身穿过第二电机的转子，第二电机的转子与滚珠花键同步转动；第一电机的转子连接一第一编码器，第二电机的转子连接一第二编码器。本发明提升了滚珠花键的运行精度，实现持续运行不丢步的效果，且确保了产品的整体体积和重量得到有效控制，对提高产品性能的情况下确保了产品的适用领域不受影响。

Description

一种基于闭环控制的步进式伺服执行器
技术领域
本发明涉及机械传动设备技术领域，具体涉及一种基于闭环控制的步进式伺服执行器。
背景技术
滚珠丝杆，又称滚珠丝杠，是一种实现回转运动和线性运动之间互相转换的机械传动元件，多运用在工具机械和精密机械领域。花键是一种多齿结构的连接元件。滚珠花键结合了滚珠丝杆和花键的优点，其利用装在花键轴外筒内的滚珠，在精密研磨制成的滚动沟槽中同时进行平滑滚动及传递力矩，除了具有高度灵敏性外，更能大幅提升负载能力，适用于振动冲击负荷作用过大、定位精度要求高、以及需要高速运动性能的使用场景。另外，在轴径相同的情况下，滚珠花键所具有的额定负荷能力是传统滚珠丝杆结构的十几倍，所以能有效缩减结构尺寸，增加应用面。
滚珠花键和驱动滚珠花键运动的电机组合在一起可进行线性往复运动的执行单元。在滚珠花键的运动过程中，既有沿着直线的Z轴方向运动，又有沿着滚珠花键自身的旋转方向的R轴方向运动，因此想要获取到Z轴和R轴的运动位置数据，需要采用两种不同的传感器与滚珠花键轴进行搭接，为了驱动滚珠花键运动，还要连接外部的驱动结构，使得最终呈现的组合结构不仅体积巨大、结构繁杂，而且自重相对于滚珠花键而言，要增加很多，不利于产品的安装和运行。
基于上述问题，目前缺少一款能够在确保滚珠花键的体积和重量规格变化不大的情况下，实现对滚珠花键的R轴和Z轴运动位置数据获取的产品，来满足市场的需求。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于闭环控制的步进式伺服执行器，解决以上技术问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种基于闭环控制的步进式伺服执行器，包括滚珠花键，其中，所述滚珠花键上设有一第一电机和一第二电机，所述滚珠花键的轴身穿过所述第一电机的转子，所述第一电机的转子与所述滚珠花键同步旋转；
所述滚珠花键的轴身穿过所述第二电机的转子，所述第二电机的转子与所述滚珠花键同步转动；
所述第一电机的转子连接一第一编码器，所述第二电机的转子连接一第二编码器。
本发明中对滚珠花键的轴向定义为Z轴，对滚珠花键的旋转方向定义为R轴，本发明通过在滚珠花键上集成两个电机后实现滚珠花键在Z轴方向的直线运动和R轴方向的旋转运动，从而使滚珠花键成为具有主动式驱动能力的线性导轨执行结构，通过第一编码器和第二编码器对Z轴和R轴的运动数据进行收集，从而使滚珠花键的运动位置和精度达到可控的效果，使本发明作为线性导轨执行结构的性能达到步进伺服电机的级别，但体积却远比伺服电机要小巧，易于安装和布置在传统伺服电机无法布局的应用场合。
所述第一电机的转子通过一第一螺母连接所述滚珠花键。
所述第二电机的转子通过一第二螺母连接所述滚珠花键。
所述第一电机采用伺服电机。
所述第二电机采用伺服电机。
所述第一编码器套在所述滚珠花键上，所述第二编码器也套在所述滚珠花键上。
所述第一电机和所述第二电机均采用由伺服矢量算法控制的伺服电机。
本发明中，第一电机的驱动器和第二电机的驱动器均采用伺服矢量算法进行控制，使电机的运行速度、加减速性能得到大幅度提升，从而使滚珠花键在Z轴方向的运行速度、精度、能量控制性能得到增长，使滚珠花键在R轴方向的旋转精度、响应性能和能量控制得到增长。
有益效果：由于采用上述技术方案，本发明可将滚珠花键的线性行程和旋转行程的数据实时采集后馈送给两个电机的驱动器，进而根据反馈数据结合伺服矢量算法对两个电机进行步进式驱动调整，提升了滚珠花键的运行精度，实现持续运行不丢步的效果，且确保了产品的整体体积和重量得到有效控制，对提高产品性能的情况下确保了产品的适用领域不受影响。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解，这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”或“具有”及其任何变形，其意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列组成部件或单元的产品或设备不必限于清楚地列出的那些组成部件或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它部件组成或者组成单元。
参照图1，一种基于闭环控制的步进式伺服执行器，包括滚珠花键10，滚珠花键10上设有第一电机03和第二电机04，滚珠花键10的轴身穿过第一电机03的转子02，第一电机03的转子02与滚珠花键10同步旋转；滚珠花键10的轴身穿过第二电机04的转子07，第二电机04的转子07与滚珠花键10同步转动；第一电机03的转子02连接第一编码器09，第二电机04的转子07连接第二编码器08。需要说明的是，本发明中对滚珠花键10的轴向定义为Z轴，对滚珠花键10的旋转方向定义为R轴。
在一些实施例中，第一电机03的转子02通过第一螺母01连接滚珠花键10。第二电机04的转子07通过第二螺母05连接滚珠花键10。需要说明的是，滚珠花键包括丝杆部位和花键部位，用于连接第一电机和滚珠花键的第一螺母为花键螺母，用于连接第二电机和滚珠花键的第二螺母为滚珠螺母。第一螺母01用于连接滚珠花键的花键部位和第一电机03的转子02。第一螺母01固定在转子02上，在第一螺母01的内孔设有沟槽，沟槽上设置滚珠，通过滚珠来保证滚珠花键的花键部位和第一螺母01的连接，从而形成沿着滚珠花键轴向(Z轴方向)的力传递结构，在获取到第一电机的驱动动力后，使滚珠花键得以沿着Z轴产生往复运动。
而对应的，第二螺母05则用于连接滚珠花键的丝杆部位和第二电机04的转子07，直接将转子的旋转动力施以滚珠花键杆身，使其做沿着R轴的旋转运动。
在一些实施例中，第一电机03采用步进伺服电机，其在驱动滚珠花键做沿着Z轴的往复直线运动时，伺服控制精度在0.005mm～0.002mm。
在一些实施例中，第二电机04采用步进伺服电机，其在驱动滚珠花键做沿着R轴的旋转运动时，伺服控制精度在0.018度～0.02度。
在一些实施例中，第一编码器套在滚珠花键10上，第二编码器也套在滚珠花键10上。在其中一些优选实施例中，第一编码器09和第二编码器08之间的间隔距离为2mm～3mm。
在一些实施例中，在第一编码器09的外部和第二编码器08的外部均设有防尘罩。在其中一些优选实施例中，两个编码器上的防尘罩为一体式设计，同时将两个编码器罩设其中，且两个编码器上的防尘罩与第一电机的外壳和第二电机的外壳可无缝连接设置。
在一些实施例中，第一电机03的外壳的后端设有第一编码器09、前端设有一端盖。
在一些实施例中，第二电机04的外壳的前端设有第二编码器08、后端设有底部固定座06。
在其中一些优选实施例中，滚珠花键10先后穿过端盖和底部固定座。
在一些实施例中，第一电机03和第二电机04均采用由伺服矢量算法控制的伺服电机，第一电机03的驱动器和第二电机04的驱动器采用伺服矢量算法对电机进行控制。
本发明运用高精度编码器实现闭环控制结构，由编码器实时反馈电机的运行参数后构成控制用的电流环、位置环或者速度环。对电机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，使驱动器可以通过电流环、位置环、速度环来控制电机的运行位置，由于可以根据实际需要输出所需电流，避免了普通步进马达发热厉害、能量利用率不高的缺点。
本发明通过在滚珠花键10上集成两个电机后实现滚珠花键10在Z轴方向的直线运动和R轴方向的旋转运动，从而使滚珠花键10成为具有主动式驱动能力的线性导轨执行结构，通过第一编码器和第二编码器对Z轴和R轴的运动数据进行收集，从而使滚珠花键10的运动位置和精度达到可控的效果，使本发明作为线性导轨执行结构的性能达到步进伺服电机的级别，但体积却远比伺服电机要小巧，易于安装和布置在传统伺服电机无法布局的应用场合。其中，第一电机03的驱动器和第二电机04的驱动器均采用伺服矢量算法进行控制，使电机的运行速度、加减速性能得到大幅度提升，从而使滚珠花键10在Z轴方向的运行速度、精度、能量控制性能得到增长，使滚珠花键10在R轴方向的旋转精度、响应性能和能量控制得到增长。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于闭环控制的步进式伺服执行器，包括滚珠花键，其特征在于，所述滚珠花键上设有一第一电机和一第二电机，所述滚珠花键的轴身穿过所述第一电机的转子，所述第一电机的转子与所述滚珠花键同步旋转；
所述滚珠花键的轴身穿过所述第二电机的转子，所述第二电机的转子与所述滚珠花键同步转动；
所述第一电机的转子连接一第一编码器，所述第二电机的转子连接一第二编码器。
2.根据权利要求1所述的一种基于闭环控制的步进式伺服执行器，其特征在于，所述第一电机的转子通过一第一螺母连接所述滚珠花键。
3.根据权利要求1所述的一种基于闭环控制的步进式伺服执行器，其特征在于，所述第二电机的转子通过一第二螺母连接所述滚珠花键。
4.根据权利要求1所述的一种基于闭环控制的步进式伺服执行器，其特征在于，所述第一电机采用伺服电机。
5.根据权利要求4所述的一种基于闭环控制的步进式伺服执行器，其特征在于，所述第一电机的伺服控制精度在0.005mm～0.002mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于闭环控制的步进式伺服执行器，其特征在于，所述第二电机采用伺服电机。
7.根据权利要求6所述的一种基于闭环控制的步进式伺服执行器，其特征在于，所述第二电机的伺服控制精度在0.018度～0.02度。
8.根据权利要求1所述的一种基于闭环控制的步进式伺服执行器，其特征在于，所述第一编码器套在所述滚珠花键上，所述第二编码器也套在所述滚珠花键上。
9.根据权利要求1所述的一种基于闭环控制的步进式伺服执行器，其特征在于，所述第一编码器和所述第二编码器之间的间隔距离为2mm～3mm。
10.根据权利要求1所述的一种基于闭环控制的步进式伺服执行器，其特征在于，所述第一电机和所述第二电机均采用由伺服矢量算法控制的伺服电机。
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