一种双余度大功率串联推力矢量伺服机构
阅读说明：本技术 一种双余度大功率串联推力矢量伺服机构 (Dual-redundancy high-power series thrust vector servo mechanism ) 是由 郑美媛 黄建 肖中卓 王永乐 胡兴雷 李晋生 冯永星 程志家 王昆 王连丛 胡亚 于 2021-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种双余度大功率串联推力矢量伺服机构,包括后支耳、锁紧螺母、套筒、作动器端盖、保持架、滚柱、内齿圈、丝杠轴承、电机、上壳体、制动器、旋转变压器、前支耳、铜套密封圈、铜套、螺杆、主壳体、电机壳体、电机轴承、电机端盖、旋变支架、挡圈、螺母、连接器支架、连接器、电机调整盖、电位器盖板、电位器。其中伺服电机受电信号驱动转动,经齿轮减速,带动滚柱丝杠丝杆转动,经过滚柱的传动将旋转运动变换为螺母的直线运动,推动发动机摆动。该伺服机构功率密度高、动态性能好、冷热备份可灵活运行、可靠性高、传动精度高,具有较大的承载能力与轴向刚度。(The invention provides a dual-redundancy high-power series thrust vector servo mechanism which comprises a rear lug, a locking nut, a sleeve, an actuator end cover, a retainer, a roller, an inner gear ring, a lead screw bearing, a motor, an upper shell, a brake, a rotary transformer, a front lug, a copper sleeve sealing ring, a copper sleeve, a screw rod, a main shell, a motor bearing, a motor end cover, a rotary transformer support, a check ring, a nut, a connector support, a connector, a motor adjusting cover, a potentiometer cover plate and a potentiometer. The servo motor is driven to rotate by an electric signal, the speed is reduced through the gear, the roller screw rod is driven to rotate, the rotary motion is converted into the linear motion of the nut through the transmission of the roller, and the engine is pushed to swing. The servo mechanism has the advantages of high power density, good dynamic performance, flexible operation of cold and hot backup, high reliability, high transmission precision, and larger bearing capacity and axial rigidity.)
技术领域
本发明涉及机电作动器技术领域，具体涉及一种余度机电作动器。
背景技术
为了提高机电作动器的可靠性，国外航空航天工业大国对余度操纵系统的研究已从概念研究、原理、试验及验证试飞，走上了批量生产服役使用阶段。余度技术是指通过为系统增加多重资源，包括硬件与软件的重复配置，实现对多重资源的合理管理，从而提高产品和系统可靠性的设计方法。我国这方面的研究工作起步较晚，虽已开展了大量的研究工作且研究余度机电作动器已经验证试飞，但目前余度机电作动器系统仍然存在大量的问题需要进行理论分析和实验研究。
发明内容
本发明解决的技术问题在于，提供一种双余度大功率串联推力矢量伺服机构，该伺服机构功率密度高、动态性能好、冷热备份可灵活运行、可靠性高、传动精度高，具有较大的承载能力与轴向刚度。
一种双余度大功率串联推力矢量伺服机构，包括行星滚柱丝杠副、电机组件、壳体组件、电位器28、连接器25、前支耳13、锁紧螺母2；
行星滚柱丝杠副包括滚柱6、套筒3、挡圈22、保持架5、齿圈、螺母23、丝杠与丝杠轴承8；
电机组件包括电机9、电机轴承19、制动器、旋转变压器、制动器支座与旋变支座；电机9为两台，对称热装于电机壳体18；通过电机9上的导向键以及壳体内壁的键槽进行导向，使得两台电机9的出线方向均朝向对称面；电机轴两端通过一对深沟球轴承进行支撑，沿电机轴线顺次安装制动器支座与制动器，制动器支座安装于主壳体17并与电机轴承19配合，制动器定子部分安装于支座上，转动部分通过轴挡进行轴向定位；沿电机轴线顺次安装旋变支座与旋转变压器，旋变支座固定于制动器支座上，旋转变压器安装于支座上；
壳体组件包括后支耳1、上壳体、电机壳体18、主壳体17、铜套15、铜套密封圈14、铜套端盖、电机调整盖26、电位器盖板27、连接器支架24；关节轴承过盈压进后支耳1槽内，上壳体、后支耳1顺次安装在电机壳体18上；铜套15过盈压进主壳体17上对应槽内；
将行星滚柱丝杠副通过轴承定心、键槽导向安装于主壳体17内，行星滚柱丝杠副一端利用轴承支撑，另一端利用铜套15支撑；行星滚柱丝杠副与主壳体17组装为一体，再与电机壳体18安装并使得丝杠齿轮与两个电机9的齿轮相啮合；直线电位器28安装于主壳体17的对应槽内，将滑片嵌入丝杠螺母的导向键内；电机调整盖26、电位器盖板27、连接器支架24、连接器25通过螺钉安装于壳体上，关节轴承压进前支耳，锁紧螺母2旋合于前支耳的螺柱上；所述连接器25作为伺服机构的信号输入输出端，用于接收控制器的指令并提供反馈。
进一步地，所述电机组件中，电机定子采用最优极槽配合和分数槽集中绕组，选用非晶合金铁心材料；电机转子采用T型内嵌式转子磁路结构。
进一步地，所述壳体组件中，铜套15为套筒3的滑动轴承，铜套15内壁设有储油槽用以存储润滑油，并辅以密封圈对润滑油进行密封；铜套15通过铜套端盖进行轴向定位；电机调整盖26位于电机轴的轴向末端；主壳体17上设有用于安装电位器28的槽，通过电位器盖板27将电位器28罩于槽内。
进一步地，后支耳1与发动机接口的配合部分采用圆弧结构。
进一步地，所述电位器28安装在滚柱6丝杠螺母端，采集丝杠直线位移反馈给驱动控制器实现位置闭环控制。
与现有技术对比，本发明有益效果是：
本发明提出的一种双余度大功率串联推力矢量伺服机构采用双电机并联驱动的冗余设计，有效提高了系统的功率密度。通过“力合成机构+行星滚柱丝杠”的传动形式，系统可灵活运用热备份与冷备份。此外这种冗余设计还能够保证在其中一台电机报故的情况下系统仍然可以正常运转，有效提高了系统的可靠性。
与现有的行星滚柱丝杠副相比，本发明中的行星滚柱丝杠副为一种轻质一体化行星滚柱丝杠新构型，包括滚柱、套筒、挡圈、保持架、齿圈、螺母与丝杠。滚柱两端的齿轮和内齿圈设计为高度变位齿轮，有效改善了齿轮啮合效果，并防止滚柱齿轮与丝杠干涉。针对滚柱螺纹采用了五段式滚柱螺纹中径修型设计方法，有效地提高了行星滚柱丝杠的承载能力与轴向刚度。采用一种高硬度材料精密螺纹快速成型方法，利用PCBN刀具硬态车削技术解决传动螺纹高效、高精度加工问题，“以车代磨”降低成本、提高生产效率。丝杠与齿轮的一体化设计提高了传动的可靠性。丝杠滚道的修型设计提高了传动的效率与精度。模块化螺母组件设计使得螺母组件具备良好的通用性。
所述电机组件为永磁同步电机，与现有的永磁同步电机相比，本发明的电机定子设计技术采用最优极槽配合和分数槽集中绕组技术，实现了小型轻质化；采用非晶合金铁心材料进行高压低损耗定子设计，铁耗降低了80％。本发明的电机转子设计技术采用T型内嵌式转子磁路结构，转矩输出能力提高了30％；通过设计余弦曲面高磁能积钐钴永磁体，降低了工作电流和损耗。采用解析计算与有限元仿真相结合方法，以功率密度、过载倍数、转动惯量为优化目标进行综合优化设计，提高了电机的功率密度和动态性能。
所述制动器能够有效保证伺服机构在运输的过程中保持在零位不变，所述旋转变压器能够精准的识别电机的旋转位置信息，以此使系统闭环以达到精确控制的目的。
本发明充分考虑结构件的机加误差、与发动机的装配误差等累积误差，伺服机构的前后支耳安装接口通过结构设计的方式在误差无法避免的前提下能够对现有装配环境进行自适应，采用关节轴承以及线面配合的方式以保证伺服机构的顺利装配。
附图说明
图1为本发明双余度大功率串联推力矢量伺服机构示意图；
图2为本发明双余度大功率串联推力矢量伺服机构的行星滚柱丝杠示意图；
图3为本发明双余度大功率串联推力矢量伺服机构的壳体轴测图；
图4为本发明双余度大功率串联推力矢量伺服机构的电位器剖视图。
图中：1后支耳、2锁紧螺母、3套筒、4作动器端盖、5保持架、6滚柱、7内齿圈、8丝杠轴承、9电机、10上壳体、11制动器、12旋转变压器、13前支耳、14铜套密封圈、15铜套、16螺杆、17主壳体、18电机壳体、19电机轴承、20电机端盖、21旋变支架、22挡圈、23螺母、24连接器支架、25连接器、26电机调整盖、27电位器盖板、28电位器
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如附图1-4所示，一种双余度大功率串联推力矢量伺服机构，由行星滚柱6丝杠副、电机组件、壳体组件、电位器28、连接器25、前支耳13、锁紧螺母2组成。其中，电机组件包括电机9、电机轴承19、制动器11、旋转变压器12、制动器11支座与旋变支座。两台电机9对称热装于电机壳体18，通过电机9上的导向键以及壳体内壁的键槽进行导向，应使得两台电机9的出线方向均朝向对称面。电机轴两端通过一对深沟球轴承进行支撑。沿电机轴线顺次安装制动器11支座与制动器11，制动器11支座通过螺钉安装于主壳体17并与电机轴承19配合，制动器11定子部分通过螺钉安装于支座上，转动部分通过轴挡进行轴向定位。沿电机轴线继续顺次安装旋变支座与旋转变压器12，旋变支座通过螺钉固定于制动器11支座上，旋转变压器12通过压块安装于支座上。至此，依托于电机壳体18完成电机组件的全部安装。
行星滚柱6丝杠副包括滚柱6、套筒3、挡圈22、保持架5、齿圈、螺母23、丝杠与丝杠轴承8。行星滚柱6丝杠副的具体实施方式属于本领域专业技术人员的公知技术，在此不做详细描述。壳体组件包括后支耳1、上壳体10、电机壳体18、主壳体17、铜套15、铜套密封圈14、铜套端盖、电机调整盖26、电位器盖板27、连接器支架24。将关节轴承过盈压进后支耳1槽内，并将上壳体10、后支耳1通过螺钉顺次安装在电机壳体18上，并通过定位销精准控制壳体间的相对位置关系。将铜套15过盈压进主壳体17上对应槽内，并完成铜套密封圈14、铜套端盖的安装。将行星滚柱丝杠副6通过轴承定心、通过键槽导向安装于主壳体17内，行星滚柱丝杠副6一端利用轴承支撑，另一端利用铜套支撑。行星滚柱丝杠副与主壳体(17)组装为一体，将该组件与电机壳体18通过螺钉与定位销进行安装并使得丝杠齿轮与两个电机的齿轮相啮合。将直线电位器28安装于主壳体17的对应槽内，并将滑片嵌入丝杠螺母的导向键内。在完成线缆制作、电机调零等相关工作后可将电机调整盖26、电位器盖板27、连接器支架24、连接器25通过螺钉安装于壳体上，调试过程中如有需要也可进行开盖检查。将关节轴承压进前支耳13，将锁紧螺母2预先旋合于前支耳13的螺柱上，将该组件旋合于丝杠套筒3伸出端的内螺纹处，调整好伺服机构的零位长度后将锁紧螺母2锁紧。至此，完成双余度大功率串联推力矢量伺服机构的全部装配。
本发明包括后支耳1、锁紧螺母2、套筒3、作动器端盖4、保持架5、滚柱6、内齿圈7、丝杠轴承8、电机、上壳体10、制动器11、旋转变压器12、前支耳13、铜套密封圈14、铜套15、螺杆16、主壳体17、电机壳体18、电机轴承19、电机端盖20、旋变支架21、挡圈22、螺母23、连接器支架24、连接器25、电机调整盖26、电位器盖板27、电位器28。其中伺服电机受电信号驱动转动，经齿轮减速，带动滚柱6丝杠丝杆转动，经过滚柱6的传动将旋转运动变换为螺母23的直线运动，推动发动机摆动。电位器28为直线电位器，安装在滚柱6丝杠螺母端，采集丝杠直线位移反馈给驱动控制器实现位置闭环控制。连接器25作为伺服机构的信号输入输出端，用于接收控制器的指令并提供反馈。
行星滚柱6丝杠副为一种轻质一体化行星滚柱6丝杠新构型，包括滚柱6、套筒3、挡圈22、保持架5、齿圈、螺母23、丝杠与丝杠轴承8。滚柱6通过两端的变位齿轮，与安装在螺母23两端的齿圈相啮合，并以圆周均布的形式安装于保持架5上。齿圈通过挡圈22来实现轴向定位。套筒3与螺母23通过螺纹固连在一起以保持相同的运动形式。
电机组件为永磁同步电机，包括电机、电机轴承19、制动器11、旋转变压器12、制动器11支座与旋变支座。电机组件具有小型轻质化、高转矩输出能力、高功率密度和动态性能的特点。本发明的电机定子设计技术采用最优极槽配合和分数槽集中绕组技术，选用非晶合金铁心材料。本发明的电机转子设计技术采用T型内嵌式转子磁路结构，通过设计余弦曲面高磁能积钐钴永磁体。电机轴承19用于对电机进行支撑与固定，其外环过盈压进钢套内，以防止轴承运转的过程中使铝材壳体产生较大变形进而导致卡滞。电机轴的末端与制动器11、旋转变压器12进行配合，制动器11用来保证在运输的过程中电机轴保持不动进而保证伺服机构保持零位不变，旋转变压器12用来精确地定位电机的旋转位置进而对电机进行精确控制。
壳体组件，包括后支耳1、上壳体10、电机壳体18、主壳体17、铜套15、铜套密封圈14、铜套端盖、电机调整盖26、电位器盖板27、连接器支架24。相邻的壳体之间均通过螺栓连接并采用定位销进行定位，以保证两个电机轴线与丝杠轴线的相对位置关系，进而保证前后支耳1所在轴线与丝杠轴线共线，确保伺服机构与发动机的安装。铜套15作为套筒3的滑动轴承，以保证滚柱6丝杠的顺利作动。铜套15内壁设有储油槽用以存储润滑油，并辅以密封圈对润滑油进行密封。铜套15通过铜套端盖进行轴向定位。电机调整盖26位于电机轴的轴向末端，在不通电的情况下，开盖后通过转动电机轴便可调整伺服机构的伸缩长度，避免了需整体拆卸伺服机构才能调节丝杠伸缩长度的困扰。主壳体17上设有用于安装电位器28的槽，通过电位器盖板27将电位器28罩于槽内。连接器支架24用于为连接器25提供支撑。
电位器28为直线电位器，对滚柱6丝杠的直线位移进行实时监测，可以无须通过换算直接位移反馈给控制器，提高系统可靠性的同时也实现了闭环控制，有效提高了伺服系统的整体精度。
前支耳13、后支耳1，作为机械接口与发动机进行装配，它们的内孔处均靠过盈压进关节轴承以调节机加与装配的累积误差。特别的，后支耳1的与发动机接口的配合部分采用圆弧结构，通过线与面的接触以调节装配的累积误差，保证顺利安装。前支耳13通过螺纹连接的方式安装于丝杠套筒3，后支耳1作为壳体组件的一部分通过螺栓与上壳体10相连。
锁紧螺母2由薄螺母、厚螺母组成并成对使用，通过双螺母防松的原理来保证前支耳13与丝杠套筒3的旋合位置固定不变。特别的，厚螺母直径比薄螺母更大，在丝杠套筒3缩回的运动中起到机械限位的作用。
工作时，控制器对伺服机构施加作动指令，通过控制电机的运转带动丝杠齿轮的运转，经过行星滚柱6丝杠副减速后将旋转运动转换为直线运动，同时将电机的转矩转换输出为直线力。两台电机冷热备份可灵活运行，热备份工作时两台电机同时运转并输出动力，双余度大功率串联推力矢量伺服机构可实现功率的合流，即能够为系统提供两倍的功率输入，拓宽了系统的功率范围；冷备份工作时，其中一台电机作为动力来源，另一台电机则保持随动。两种工作模式下，都可实现当其中一台电机由于短路、过载等原因故障时，另一台电机仍能保持正常运转以保证系统的正常运行，提高了系统的可靠性。
上述具体实施方式仅限于解释和说明本发明的技术方案，但并不能构成对权利要求保护范围的限定。本领域技术人员应当清楚，在本发明的技术方案的基础上做任何简单的变形或替换而得到的新的技术方案，均落入本发明的保护范围内。
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