CN219145182U - 有限转角旋转应急锁定机电作动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出的一种有限转角旋转应急锁定机电作动器，安全可靠，响应快，本实用新型通过下述技术方案实现：缸筒通过两端中心容纳腔环密封的伺服电机输出轴前置台阶轴通过带有相同螺旋升角的活塞螺旋推进器进行套合，活塞螺旋推进器前置推进圆柱环盘外圆环布花键齿与缸筒运动腔内壁内键槽啮合，在缸筒台阶运动腔体内壁轴向键槽作伸缩运动，形成应急高压介质可选择地从缸筒两侧端面上的进口A或大气进口B进入缸筒运动腔，直接驱动活塞螺旋推进器沿缸筒内键槽运动，并配合伺服电机输出轴组成螺旋升角直接动联活塞螺旋推进器产生相对螺旋运动副，完成克服负载的有限转角应急转动，实现限制在有限转角范围位置锁定的有限转角旋转式机电作动器。

Description

有限转角旋转应急锁定机电作动器

技术领域

本实用新型是关于应用于带锁定功能旋转式机电作动器上的双余度工作结构，更具体地说，本实用新型是关于可提高旋转式机电作动器安全性和任务可靠性，在作动器伺服电机或其所在传动链卡塞的工况下，不同于电能的非相似能源，例如高压介质能够驱动作动器完成克服负载的有限转角转动的创新结构。

背景技术

机电作动器(ElectroMechanicalActuator,EMA)在装备随动***、电动折叠***、电动绞车***、舵机控制***、电动收放***及智能机器人中已有广泛应用。机电作动器是一种机电一体化装置，将伺服控制器/驱动器的输出指令信号转变为速度、位移、载荷等机械量，以实现对控制对象速度驱动、位移驱动和载荷驱动的目的。根据作动方式的不同，EMA有旋转式和直线式两种。虽然大多数旋转电作动器虽能完成转角的输出，但是无法准确实时测量输出角度的大小。其中，旋转式机电作动***(Rotary EMA)一般用来控制阀类负载，很多情况下采用旋转伺服电机或有限转角伺服电机来实现。旋转式EMA驱动阀类负载一般采用直接耦合式，特别是采用有限转角伺服电机的旋转式EMA，由于伺服电机不能实现整圈旋转，只能采用直驱式结构。一般情况下，直线式EMA采用由旋转伺服电机、驱动控制器、减速机构、运动转换机构四个部分构成的间接驱动结构(后两个部分并非完全必要，采用齿轮一齿条的电动助力转向器中，减速机构和运动转换机构合而为一)。间接驱动的直线式EMA应用普遍，能够满足有低功率直线位置伺服场合。但现有的直线旋转作动器多采用直线作动器和旋转伺服电机组合构成,结构复杂、控制精度差。机电作动器作为一种直线运动执行元件，是用来实现工作机构直线往复运动或小于360°摆动运动的能量转换装置。然而直线式作动器需要专门的锁定机构和连杆机构才能实现机构摆动，不但占据了飞行器大量的重量和安装空间，还影响设备的整体布局；常见的旋转式机电作动器的基本构成为伺服电机、减速箱。带有自锁装置的旋转式机电作动器。旋转式EMA驱动阀类负载一般采用直接耦合式，特别是采用有限转角伺服电机的旋转式EMA。常用制动器抱死伺服电机轴以达到在限制位置停止运动时能防止外力作用而发生窜动。在某些安全性、任务可靠性要求高的应用场合，例如飞机舱门收放作动器，要求其必须具备双余度打开舱门的能力。飞机舱门的运动特点是速度快，旋转角度大，而且在飞机一次飞行之中，舱门打开次数也十分有限。在该***中，液压马达输出恒定转速带动负载舱门打开或关闭。舱门的打开和关闭用时短且转动的角度较大，处于高速转动状态，如果一直保持这种高速运转，在舱门到达指定位置时会产生很大的冲击，容易损坏机体和舱门。

EMA所采用的丝杠通常有滑动丝杠、循环滚珠丝杠、行星滚柱丝杠或称滚滑丝杠三种形式。滑动丝杠通过滑动配合，效率低、易磨损，适合于低速大负载应用，在很多情况下，已经被滚滑丝杠所取代。循环滚珠丝杠是目前EMA中应用最广泛的形式，具有效率高、不存在反向自锁等特点。较之滚珠丝杠，滚滑丝杠更适合于负载大、并且负载存在严重的振动量的应用场合，在EMA中常常被采用。通过试验验证滚滑丝杠可能在幅值不超过静态负载允许范围的动态负载下损坏。如果不加维护，受损部分将逐渐剥落，造成进一步恶化，从而使得丝杠的寿命降低。该试验结果使得EMA能够降低例行维护量的优点大打折扣。影响EMA可控性的丝杠属性有螺杆与螺母间的接触方式、导程精度、螺杆与螺母间的轴向间隙、惯量和效率等。目前，EMA机械传动部分存在的主要问题有：减速机构侧隙和丝杠间隙引起的非线性与闭环共振问题：丝杠在动态大负载下的损伤问题：以及机械卡死、能量损耗和效率问题。在有限转角机构中，驱动负载只能在有限转角范围内摆动，而驱动伺服电机可以360。正反旋转，然后通过限位换向开关，或通过齿轮和限位换向开关，将驱动负载限制在有限转角范围内摆动。这种驱动伺服电机也可以采用有限转角电动机。有限转角电动机只能在有限角度范围内摆动。有限转角电动机工作原理与其它伺服电机一样，电枢电流基于法拉第电磁感应定律。根据电动机左手定则，电枢电流正向通电情况下，伺服电机应逆时针方向旋转；电流反向，转子顺时针旋转。进入力矩、反电势系数下降区域，而呈现有限转角特性。在由多台伺服电机构成余度的EMA中，齿轮副一般采用多轴输入、单轴输出的形式，齿轮副在减速的同时实现力矩综合，例如，一种以惰轮调隙的双输入齿轮减速***。这种齿轮减速***存在效率低、间隙大、转动惯量大等缺点。而且，多轴综合构成余度的***存在力纷争问题。目前常用的旋转式机电作动器多余度设计为双伺服电机通过差速机构整合后单轴输出，任一伺服电机失效后失效伺服电机轴被制动器锁死，另一伺服电机过载完成应急动作，但当差速机构卡塞时，该作动器功能完全失效，该类型作动器任务可靠性低。

实用新型内容

本实用新型是任务是提供一种结构简单，安全可靠，响应速度快，能够实现电力能源失效下，备份能源实现应急动作的方案。有效解决常规双余度旋转式机电作动器不能解决差速机构卡塞的单点故障，实现非相似能源应急工作和锁定。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种有限转角旋转应急锁定机电作动器，包括：带后轴并套装制动器1的伺服电机2，约束在伺服电机输出轴5两个限位盘之间的缸筒3，端向环密封在缸筒3腔体中的活塞螺旋推进器4，其特征在于：缸筒3通过两端中心容纳腔环密封设有大螺旋升角外螺纹的伺服电机输出轴5，伺服电机输出轴5前置台阶轴通过带有相同螺旋升角的活塞螺旋推进器4进行套合，活塞螺旋推进器4前置推进圆柱环盘外圆环布花键齿与缸筒3运动腔内壁内键槽啮合，在缸筒3台阶运动腔体内壁轴向键槽作伸缩运动，形成应急高压介质可选择地从缸筒3两侧端面上的进口A和接回油或大气进口B进入缸筒3运动腔，直接驱动活塞螺旋推进器4沿缸筒3内键槽运动，并配合伺服电机输出轴5组成螺旋升角直接动联活塞螺旋推进器4产生相对螺旋运动副，实现限制在有限转角范围位置锁定的有限转角旋转式机电作动器；伺服电机失电或所在传动链卡塞时，高压介质能源流场从缸筒3进口A进入缸筒3的应急高压介质容腔，推动活塞螺旋推进器4沿伺服电机输出轴5外螺纹旋转并向右运动，同步带动花键啮合的缸筒3旋转，伺服电机输出轴5输出力矩传递至活塞螺旋推进器4，以螺旋面的大螺旋升角λ作为斜度角的伺服电机输出轴5和活塞螺旋推进器4自锁定，驱动与所述活塞螺旋推进器4花键啮合的缸筒3旋转，直至缸筒3被外部机构限位，此后制动器1抱死伺服电机后轴，伺服电机输出轴5被制动器1锁死，抱死伺服电机轴和活塞螺旋推进器4与伺服电机输出轴5自锁，缸筒3依靠应急高压介质容腔应急高压介质驱动作动器完成克服负载的有限转角应急转动，实现限制在有限转角范围的位置锁定。

本实用新型相比于现有技术具有如下增益效果：

本实用新型采用带后轴并套装制动器1的伺服电机2，约束在伺服电机输出轴5两个限位盘之间的缸筒3，端向环密封在缸筒3腔体中，内带螺旋升角的活塞螺旋推进器4，螺旋升角设计又简化了作动器锁定机构，所组成的有限转角旋转式机电作动器结构简单，安全可靠。

本实用新型通过对活塞螺旋推进器4和伺服电机输出轴5配合的螺旋副设计特殊的螺旋升角，使二者处于自锁状态而传递扭矩。正常工作时，伺服电机输出轴5带动活塞螺旋推进器4而驱动缸筒3旋转，应急工作时伺服电机输出轴5被制动器1抱死，高压介质推动活塞螺旋推进器4向右运动，并沿伺服电机输出轴5螺旋副旋转，驱动缸筒3应急旋转，能够实现电力能源失效下，备份能源实现应急动作从而解决了常规双余度旋转式机电作动器差速机构或减速箱卡塞单点故障问题。

本实用新型利用特殊的螺旋升角设计又简化了作动器锁定机构，结合制动器1抱死伺服电机输出轴5而实现缸筒3在指定位置锁定响应速度快，可提高旋转式机电作动器安全性和任务可靠性，在作动器伺服电机或其所在传动链卡塞的工况下，非相似能源能够驱动作动器完成克服负载的有限转角转动，自锁性能好，便于安装、维护和修理。

附图说明

图1是本实用新型有限转角旋转应急锁定机电作动器结构的剖视图；

图2是图1活塞螺旋推进器与缸筒花键啮合的移出剖面示意图。

图3是大升角螺旋副自锁条件示意图。

图中：1制动器，2伺服电机，3缸筒，4活塞螺旋推进器，5伺服电机输出轴。

下面结合附图和实施例进一步说明本实用新型，但并不因此将本实用新型限制在所述的实施例范围之中。所有这些构思应视为本技术所公开的内容和本实用新型的保护范围。

具体实施方式

参阅图1、图2。在以下描述的优选实施例中，一种有限转角旋转应急锁定机电作动器，包括：带后轴并套装制动器1的伺服电机2，约束在伺服电机输出轴5两个限位盘之间的缸筒3，端向环密封在缸筒3腔体中的活塞螺旋推进器4，其特征在于：缸筒3通过两端中心容纳腔环密封设有大螺旋升角外螺纹的伺服电机输出轴5，伺服电机输出轴5前置台阶轴通过带有相同螺旋升角的活塞螺旋推进器4进行套合，活塞螺旋推进器4前置推进圆柱环盘外圆环布花键齿与缸筒3运动腔内壁内键槽啮合，在缸筒3台阶运动腔体内壁轴向键槽作伸缩运动，形成应急高压介质可选择地从缸筒3两侧端面上的进口A和接回油或大气进口B进入缸筒3运动腔，直接驱动活塞螺旋推进器4沿缸筒3内键槽运动，并配合伺服电机输出轴5组成螺旋升角直接动联活塞螺旋推进器4产生相对螺旋运动副，实现限制在有限转角范围位置锁定的有限转角旋转式机电作动器；伺服电机失电或所在传动链卡塞时，高压介质能源流场从缸筒3进口A进入缸筒3的应急高压介质容腔，推动活塞螺旋推进器4沿伺服电机输出轴5外螺纹旋转并向右运动，同步带动花键啮合的缸筒3旋转，伺服电机输出轴5输出力矩传递至活塞螺旋推进器4，以螺旋面的大螺旋升角λ作为斜度角的伺服电机输出轴5和活塞螺旋推进器4自锁定，驱动与所述活塞螺旋推进器4花键啮合的缸筒3旋转，直至缸筒3被外部机构限位，此后制动器1抱死伺服电机后轴，伺服电机输出轴5被制动器1锁死，抱死伺服电机轴和活塞螺旋推进器4与伺服电机输出轴5自锁，缸筒3依靠应急高压介质容腔应急高压介质驱动作动器完成克服负载的有限转角应急转动，实现限制在有限转角范围的位置锁定。

缸筒3的两侧端面上制有分别制有进入应急高压介质容腔的进口A和接回油或大气的进口B，当作动器进入应急工作状态时，高压介质从进口A进入应急高压介质容腔，进口B接回油或大气，缸筒3复位时只须向进口B供高压介质，即可实现缸筒3复位。

在图1中，正常工作时，制动器1解开制动，伺服电机2工作，活塞螺旋推进器4与伺服电机输出轴5)组成的螺旋运动副输出力矩传递至活塞螺旋推进器4，再驱动与所述活塞螺旋推进器4花键啮合的缸筒3旋转，直至外部机构限位缸筒3，制动器1制动，使活塞螺旋推进器4)与伺服电机输出轴5自锁，使缸筒3锁定在限定位置。

伺服电机输出轴5输出力矩传递至活塞螺旋推进器4，驱动与所述活塞螺旋推进器4花键啮合的缸筒3旋转，直至外部机构限位缸筒3，制动器1制动，使缸筒3锁定在限定位置。

伺服电机失电或所在传动链卡塞时，制动器1抱死伺服电机后轴，高压介质能源流场从缸筒3进口A进入缸筒3的应急高压介质容腔，推动活塞螺旋推进器4沿伺服电机输出轴5外螺纹旋转并向右运动，同步带动花键啮合的缸筒3旋转，缸筒3转动至极限位置后，直至缸筒3被外部机构限位，此时制动器1抱死伺服电机后轴，伺服电机输出轴5被制动器1锁死，缸筒3依靠制动器1抱死伺服电机轴和活塞螺旋推进器4与伺服电机输出轴5自锁，限制在有限转角范围的位置锁定，完成克服负载的有限转角应急转动。

若伺服电机失电或卡塞，制动器1抱死伺服电机后轴，高压气体或液体等不同于电能的非相似能源从进口A进入缸筒3容腔，推动活塞螺旋推进器4向右运动，由于此时伺服电机输出轴5被制动器1锁死，活塞螺旋推进器4向右运动过程中沿伺服电机输出轴5外螺纹旋转，带动花键啮合的缸筒3旋转，缸筒3转动至极限位置后，缸筒3依靠制动器1抱死伺服电机轴和活塞螺旋推进器4与伺服电机输出轴5自锁实现位置锁定。

在可选的实施例中，螺旋运动副螺旋大升角大于80°。

参阅图3。大升角指升角λ大于当量摩擦角p＇的情况，螺旋升角”一般可以定义为：在中径圆柱面上，螺旋线的切线与垂直螺旋线轴线平面的夹角。也就是设想把中径圆柱面展开，水平线长度H取为中径圆的螺旋结构旋转一周的圆周长度，斜线为螺旋线的螺旋结构旋转一周展开长度X，竖直线长度V为螺旋线由起点到终点上升螺旋结构旋转一周的高度，三个长度构成一个直角三角形，则“螺旋升角”法线N的夹角为α，a定义为：tana＝V/H。周长和导程为直角边的三角形，周长所在边与斜边形成的夹角就是螺旋升角。螺纹升角与螺纹丝杆的直径和螺距导程有直接的关系，也关系到丝杆的自锁问题。若P作用在摩擦锥内，即α≤p＇，则发生自锁。自锁的通用计算式是：

|al＝|arctanP_y/P_x-(π/ 2-λ)|≤p＇ (1)

式中：P_x为水平驱动力，P_y为垂直驱动力。

尽管以上已经示出和描述了本实用新型的实施例，对本实用新型实施例进行了详细介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型；同时，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种有限转角旋转应急锁定机电作动器，包括：带后轴并套装制动器(1)的伺服电机(2)，约束在伺服电机输出轴(5)两个限位盘之间的缸筒(3)，端向环密封在缸筒(3)腔体中的活塞螺旋推进器(4)，其特征在于：缸筒(3)通过两端中心容纳腔环密封设有大螺旋升角外螺纹的伺服电机输出轴(5)，伺服电机输出轴(5)前置台阶轴通过带有相同螺旋升角的活塞螺旋推进器(4)进行套合，活塞螺旋推进器(4)前置推进圆柱环盘外圆环布花键齿与缸筒(3)运动腔内壁内键槽啮合，在缸筒(3)台阶运动腔体内壁轴向键槽作伸缩运动，形成应急高压介质可选择地从缸筒(3)两侧端面上的进口A和接回油或大气进口B进入缸筒(3)运动腔，直接驱动活塞螺旋推进器(4)沿缸筒(3)内键槽运动，并配合伺服电机输出轴(5)组成螺旋升角直接动联活塞螺旋推进器(4)产生相对螺旋运动副，实现限制在有限转角范围位置锁定的有限转角旋转式机电作动器。

2.如权利要求1所述的有限转角旋转应急锁定机电作动器，其特征在于：缸筒(3)的两侧端面上制有分别制有进入应急高压介质容腔的进口A和接回油或大气的进口B，进入应急工作状态，高压介质从进口A进入应急高压介质容腔，进口B接回油或大气，缸筒(3)复位时向进口B供高压介质，实现缸筒(3)复位。

3.如权利要求1所述的有限转角旋转应急锁定机电作动器，其特征在于：制动器(1)解开制动，伺服电机(2)工作，活塞螺旋推进器(4)与伺服电机输出轴(5)组成的螺旋运动副输出力矩传递至活塞螺旋推进器（4），再驱动与所述活塞螺旋推进器4花键啮合的缸筒(3)旋转，直至外部机构限位缸筒(3)，制动器(1)制动，活塞螺旋推进器(4)与伺服电机输出轴(5)自锁，缸筒(3)锁定在限定位置。

4.如权利要求1所述的有限转角旋转应急锁定机电作动器，其特征在于：螺旋运动副螺旋大升角大于80°。

5.如权利要求4所述的有限转角旋转应急锁定机电作动器，其特征在于：螺旋升角为：在中径圆柱面上，螺旋线的切线与垂直螺旋线轴线平面的夹角。

6.如权利要求5所述的有限转角旋转应急锁定机电作动器，其特征在于：周长所在边与斜边形成的夹角是螺旋升角法线N的夹角α，周长和导程为直角边的三角形。

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