力感应式回转驱动器
阅读说明：本技术 力感应式回转驱动器 (Force sensing type rotary driver ) 是由 A·P·普莱斯尼克 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：传感器用于测量施加到回转驱动器的转矩。回转驱动器包括蜗杆和蜗轮,并且传感器与固定装置耦合,该固定装置用于将蜗杆固定到回转驱动器壳体。传感器产生指示蜗轮的转矩的信号。蜗杆通过第一轴承和第二轴承固定到回转驱动器壳体。两个端板和八个螺栓也用于进一步将蜗杆和轴承固定到回转驱动器壳体。通过拧紧螺栓,通过轴承将压缩力施加到蜗杆上。蜗轮上施加的转矩在蜗杆上引起轴向力。轴向力通过蜗杆、轴承、端板和螺栓传递。可以将一个或多个传感器嵌入到端板或螺栓中的一个或多个,以测量端板或螺栓中归因于轴向力的应变。控制装置接收来自传感器的信号,并存储、分析和/或传递该信号。(The sensor is used to measure the torque applied to the slew drive. The slew drive includes a worm and a worm gear, and the sensor is coupled with a fixture for securing the worm to the slew drive housing. The sensor generates a signal indicative of the torque of the worm gear. The worm is secured to the slew drive housing by a first bearing and a second bearing. Two end plates and eight bolts are also used to further secure the worm and bearing to the slew drive housing. By tightening the bolts, a compressive force is applied to the worm through the bearing. The torque applied on the worm gear causes an axial force on the worm. Axial forces are transmitted through the worm, bearings, end plates and bolts. One or more sensors may be embedded in one or more of the end plates or bolts to measure strain in the end plates or bolts due to axial forces. The control device receives the signal from the sensor and stores, analyzes and/or transmits the signal.)
版权
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技术领域
本发明涉及一种回转驱动器，其使用一个或多个传感器以测定在回转驱动器上施加的转矩。特别地，回转驱动器包括壳体、蜗杆、蜗轮和固定装置，回转驱动器可以配备有一个或多个传感器以感测在蜗轮上施加的转矩。每个传感器产生指示转矩的信号。可以使用控制装置以接收来自传感器的信号，并选择性地存储、分析和/或传输该信号。
背景技术
回转驱动器是一种通常用于通过在相对较低的旋转速度下施加转矩以旋转外部单元的机构。回转驱动器用于各种应用中，包括太阳能跟踪器、风力涡轮机和重型车辆。回转驱动器包括蜗杆和蜗轮。蜗轮和蜗杆容纳在回转驱动器壳体内。壳体包括两个端部，将两个轴承(例如两个圆锥滚子轴承)布置在该端部处。蜗杆通过两个轴承固定在壳体上。蜗杆的中心螺纹部分与蜗轮的齿啮合。蜗轮与外部单元耦合，并且施加转矩使其以上述旋转速度旋转。回转驱动器还利用两个端板和多个螺栓(通常每侧四个)以进一步将蜗杆和圆锥滚子轴承固定到回转驱动器壳体上。这是通过拧紧两侧的螺栓来实现的，该螺栓在蜗杆上施加轴向压缩力。螺栓也承受相等但方向相反的力。因此，每个螺栓内都产生了拉力。
期望测量作为时间的函数的蜗轮的转矩，并将该数据用于实时监测和控制和/或将来的处理。蜗轮承受施加在外部单元上的转矩，但其方向相反。蜗轮上的转矩表现为蜗杆中的轴向力。本发明使用一个或多个传感器感测蜗杆承受的轴向力以测量转矩。特别地，传感器可以嵌入到固定装置中，例如端板或螺栓。传感器配置为感测响应于蜗轮的转矩的固定装置的负载，并产生指示蜗轮的转矩的信号。控制装置用于接收信号以及存储、分析信号和/或将信号传输到外界。
发明内容
一方面，公开了一种回转驱动器，其中该回转驱动器包括:回转驱动壳体；蜗杆，其包括中心螺纹部分；蜗轮，其包括蜗轮齿，用于与蜗杆的中心螺纹部分啮合；固定装置，用于将蜗杆固定到回转驱动器壳体上；以及传感器，其与固定装置耦合，其中传感器配置为感测响应于蜗轮的转矩的固定装置的负载，并产生指示蜗轮的转矩的信号。
优选地，固定装置是远侧板、螺栓、螺纹插塞和保持环中的一种。
优选地，传感器是电应变仪和光学应变仪中的一种。
优选地，回转驱动器还包括与传感器耦合的控制装置，其中控制装置配置为接收来自传感器的信号，并进行信号的存储、分析和传输中的至少一种。
优选地，控制装置包括处理器，该处理器包括存储在该处理器的存储设备上并能够在该处理器上运行的编程代码，其中处理器还包括：模数转换器(ADC)，该ADC用于以ADC的采样率将信号数字化并产生数字信号；通信模块，其用于接收和传输无线电波中的至少一种，并且其中处理器配置为对信号和数字信号中的至少一个进行存储、分析和传输中的至少一种。
优选地，处理器配置为通过通信模块将信号和数字信号中的至少一个传输至远程计算机系统。
优选地，处理器配置为构建数字信号的直方图。
优选地，处理器配置为在预定时间段内计算数字信号的平均值，该平均值指示蜗轮上的转矩的平均值。
优选地，处理器配置为通过通信模块将平均值传输到电机控制器。
优选地，处理器配置为计算数字信号的频谱，该频谱指示蜗轮上的转矩的时间变化函数。
优选地，处理器配置为通过通信模块将频谱传输到电机控制器。
优选地，通信模块包括有线通信模块和无线通信模块中的至少一个。
在另一方面，公开了一种监测和控制回转驱动器的方法，其中该方法包括：设置回转驱动器壳体；设置蜗杆，其包括中心螺纹部分；设置蜗轮，其包括蜗轮齿，用于与蜗杆的中心螺纹部分啮合；设置固定装置，其用于将蜗杆固定到回转驱动器壳体上；并设置与固定装置耦合的传感器，其中传感器配置为感测响应于蜗轮的转矩的固定装置的负载，并产生指示蜗轮的转矩的信号。
优选地，该方法还包括提供与传感器耦合的控制装置，其中控制装置配置为接收来自传感器的信号，并进行信号的存储、分析和传递中的至少一种。
另一方面，公开了一种回转驱动器，其中回转驱动器包括：回转驱动器壳体；第一远侧板，其包括一个或多个第一孔；第二远侧板，其包括一个或多个第二孔；蜗杆，其包括中心螺纹部分、具有第一肩部的第一远侧轴部分、具有第二肩部的第二远侧轴部分；第一轴承，其安置在第一远侧轴部分上并邻接于第一肩部和第一远侧板；第二轴承，安置在第二远侧轴部分上并邻接于第二肩部和第二远侧板；蜗轮，其包括蜗轮齿，用于与蜗杆的中心螺纹部分啮合；一个或多个第一螺栓，其嵌入通过一个或多个第一孔，用于将蜗杆和第一轴承固定在回转驱动器壳体上；一个或多个第二螺栓，其嵌入通过一个或多个第二孔，用于将蜗杆和第二轴承固定在回转驱动器壳体上；以及传感器，其耦合于以下部件中的一个：一个或多个第一螺栓和一个或多个第二螺栓中的一个、第一远侧板和第二远侧板中的一个，其中传感器配置为响应于蜗轮上的转矩，感测以下部件中的一个的负载：一个或多个第一螺栓和一个或多个第二螺栓中的一个；第一远侧板和第二远侧板中的一个，以，并产生指示蜗轮上的转矩的信号。
优选地，传感器嵌入以下部件的中心：一个或多个第一螺栓和一个或多个第二螺栓中的一个；第一远侧板和第二远侧板中的一个。
优选地，回转驱动器还包括与传感器耦合的控制装置，其中控制装置配置为接收来自传感器的信号，并进行信号的存储、分析和传输中的至少一个。
优选地，回转驱动器包括：第一远侧板，其包括四个第一孔；第二远侧板，其包括四个第二孔；四个第一螺栓，其嵌入通过四个第一孔；四个第二螺栓，其嵌入通过四个第二孔；四个传感器，其中四个传感器中的两个与四个第一螺栓中的两个耦合，四个传感器中的另外两个与四个第二螺栓中的两个耦合；以及与四个传感器耦合的控制装置，其中四个传感器中的每个传感器配置为响应于蜗轮上的转矩，感测在四个第一螺栓中的两个和四个第二螺栓中的两个中的每个上的负载，并产生指示蜗轮上的转矩的信号，其中控制装置配置为接收来自四个传感器中的每个传感器的信号，并进行信号的存储、分析和传递中的至少一种。
优选地，控制装置包括处理器，该处理器包括存储在处理器的存储设备上并能够在该处理器上运行的编程代码，其中处理器还包括：模数转换器(ADC)，ADC用于以ADC的采样率将来自传感器中的信号数字化并产生对应于四个传感器中的每个传感器的数字信号；通信模块，其用于接收和传输无线电波中的至少一种，其中处理器配置为对对应于四个传感器中的每个传感器的信号和数字信号中的至少一个进行存储、分析和传输中的至少一种。
优选地，处理器配置为构建对应于四个传感器中的每个传感器的数字信号的直方图。
优选地，处理器配置为在预定时间段内计算对应于四个传感器中的每个传感器的数字信号的平均值，该平均值指示蜗轮上的转矩的平均值。
优选地，处理器配置为通过通信模块将平均值传输至电机控制器。
优选地，处理器配置为计算对应于四个传感器中的每个传感器的数字信号的频谱，该频谱指示蜗轮上的转矩的时间变化函数。
优选地，处理器配置为通过通信模块将频谱传输至电机控制器。
附图说明
图1A示出了回转驱动器的前侧的左透视图，其中第一端板用于通过四个螺栓将蜗杆固定在壳体上。
图1B示出了回转驱动器的前侧的右透视图，其中第二端板用于通过四个螺栓进一步将蜗杆固定在壳体上。
图1C示出了回转驱动器的正视剖面图，其示出了蜗杆和蜗轮如何啮合。
图2A示出了回转驱动器的前侧的左透视图，该回转驱动器具有带有四个螺栓的第一端板。根据优选实施例，一个或多个传感器可以与第一端板或四个螺栓的中心耦合以测量蜗轮上的转矩。
图2B示出了图2A中的回转驱动器的正视剖面图，其进一步示出了第一端板、螺栓和轴承如何承受施加于外部单元的转矩，该转矩表现为蜗杆的轴向力。
图2C示出了图2A中的四个螺栓中的两个螺栓的透视图，根据优选实施例，可以选择这两个螺栓以将两个传感器，例如应变仪，嵌入到螺栓的中心。
图3A示出了回转驱动器的前侧的右透视图，回转驱动器具有带有四个螺栓的第二端板。根据优选实施例，一个或多个传感器可以与第二端板或四个螺栓的中心耦合以测量蜗轮上的转矩。
图3B示出了图3A的回转驱动器的正视剖面图，其进一步示出了第二端板、螺栓和轴承如何承受施加于外部单元的转矩，该转矩表现为蜗杆的轴向力。
图3C示出了图3A中四个螺栓中的两个螺栓的透视图，根据优选实施例，可以选择这两个螺栓以将两个传感器，例如应变仪，嵌入到螺栓的中心。
图4示出了根据优选实施例的两个螺栓的透视图，并且在螺栓中钻出用于嵌入传感器的示例孔。施加于外部单元的转矩会引起螺栓上的轴向负载，并且传感器会产生信号。根据优选实施例，本图中的示意图示出了控制装置，该控制装置包括处理器、存储设备和ADC，其可用于存储、分析和传输信号。
图5示出了根据优选实施例的配备有四个应变仪的回转驱动器的示意图，该应变仪的信号线携带应变信息，并且应变仪与控制装置耦合，该控制装置具有包括通信模块的I/O端口，以存储、分析和/或传输来自四个应变仪中的每个应变仪中的应变信息。
图6A示出了根据优选实施例的改进的一体式的回转驱动器的透视剖面图，该回转驱动器配备有一个或多个传感器以测量施加于蜗轮上的转矩。
图6B示出了图6A的改进的一体式的回转驱动器的正视剖面图，该回转驱动器配备有一个或多个传感器以测量施加于蜗轮上的转矩，其中该转矩表现为蜗杆上的轴向力，轴向力的方向取决于施加转矩的方向。
具体实施方式
图1A至1C示出了不同视图的回转驱动器。特别地，图1A示出了回转驱动器的前侧的左透视图，其中端板104用于通过使用四个螺栓102将蜗杆118固定到壳体120(图1C)。图1B示出了回转驱动器的前侧的右透视图，其中另一端板108用于通过使用四个螺栓106将蜗杆118固定到壳体120(图1C)。图1C是回转驱动器的正视剖面图，其示出了蜗杆118与蜗轮116如何啮合。两个圆锥滚子轴承112、114安装在壳体120的两端，蜗杆118安装在轴承112、114的内圈中。端板104、108邻接于壳体120和轴承112、114。螺栓102(在该剖面图中不可见)和106用于沿轴向方向固定蜗杆，同时对蜗杆118赋予轴向压缩力以增强和改善蜗杆118和蜗轮116的齿之间的啮合。密封件110设置在端板104内，以防止润滑剂离开壳体120。
本发明的目的是通过将一个或多个传感器嵌入到端板104、108和螺栓102、106中的一个或多个，以测量施加于外部单元(未示出)的转矩。在操作期间，施加于外部单元的转矩相等地、但方向相反地(普通技术人员已知晓)施加于蜗轮上。如此，涉及施加到外部装置的转矩应理解为施加到蜗轮的大小相等但方向相反的转矩。然后，该转矩作为通过蜗杆的轴向力传递到蜗杆，该轴向力以代数方式添加到螺栓内的拉力。在空载状态下将传感器校准到零位设置，并且由于操作期间的轴向力，传感器检测到端板104、108和螺栓102、106中的一个或多个的应变(见图2C或图3C)。监测/控制装置，以下称为控制装置(见图5)，接收由传感器生成的信号，这些信号可以通过有线或无线通信进行存储、处理/分析，和/或传输到外部装置(未示出)。
图2A和2B示出了螺栓106如何承受施加到外部单元(未示出)的转矩。蜗轮(图1C，116)上的转矩204表现为通过蜗杆(图1C，118)的轴向力206以及示例性的反作用力208至214，其进一步通过两个圆锥滚子轴承(图1C，112和114)、两个端板(图1C，104和108)和8个螺栓(图1C，102和106)进行传递。
图2C示出了两个螺栓218和220，每个螺栓可以用于使传感器嵌入，在本示例中，传感器是可以从HBM公司(马萨诸塞州，马尔伯勒巴特利特街19号，邮政编码01752)获得的应变仪202。光学应变仪也可用于测量螺栓102和106承受的轴向力。
根据优选实施例，在螺栓218中钻出孔216，并将应变仪202插入孔216中。螺栓218承受的轴向负载(归因于转矩204)可以经由控制装置(见图5)通过有线或无线通信进行测量、存储、处理/分析，以及传输。
图3A和3B示出了螺栓102如何承受施加于外部单元(未示出)的转矩。蜗轮(图1C，116)的转矩304表现为通过蜗杆(图1C，118)的轴向力306以及示例性的反作用力308至314，其进一步通过两个圆锥滚子轴承(图1C，112和114)、两个端板(图1C，104和108)和八个螺栓(图1C，102和106)进行传递。
类似于上述配置，在螺栓318中钻出孔316并且将应变仪302插入孔316中。螺栓318承受的轴向负载(归因于转矩304)可以经由控制装置(见图5)通过有线或无线通信进行测量、存储、处理/分析，以及传输。尽管仅一个应变仪就足以测量转矩204/304，但可以将全部8个螺栓102和106用以嵌入8个应变仪来提高测量精度。
图2B和3B示出了在两个方向上施加于蜗轮的转矩204和304。施加的转矩204和304可以是静态的或动态的，稳态的或瞬态的。应变仪202或302产生的信号是电信号，使用控制装置对该信号进行数字化、存储、处理/分析，和/或传输，该控制装置将在下文中更详细地讨论。
图4示出了两个螺栓402、404以及示例性的孔412，在螺栓404的中心钻出孔412以嵌入应变仪410。施加于外部单元的转矩引起螺栓404中的轴向负载，并且应变仪410产生电信号(以下简称信号)。控制装置412包括电子电路406，其用于在回转驱动器的操作期间监测应变仪。控制装置412包括处理器408，并且还包括存储设备、模数转换器(ADC)和通信模块，其用于数字化、存储、分析和传输结果。由于施加的转矩，螺栓402上的力转换为正施加于蜗轮上的转矩，并且在控制装置412的存储单元中以高速率且实时地对其进行测量、数字化和存储。所存储的数据可用于确定回转驱动器在操作期间暴露(exposure)的各种转矩。可以从记录的转矩中得到直方图，以提供有关回转驱动器在寿命期间的运行状态的信息，其包括故障点和运行规格的接近度的信息。处理器408可以配置为构建数字信号的直方图。处理器408可以配置为在预定时间段内计算数字信号的平均值，该平均值指示蜗轮上的转矩的平均值。处理器408可以配置为通过通信模块将平均值传输至电机控制器。处理器408可以配置为使用傅立叶变换法(普通技术人员已知晓)来计算数字信号的频谱，该频谱指示蜗轮上的转矩的时间变化函数。处理器408可以配置为通过通信模块将频谱传输至电机控制器。
图5示出了配备有4个应变仪的回转驱动器502的示意图，应变仪的信号线504、506、508、510、520、522、524和526与控制装置518耦合。根据优选实施例，控制装置518是具有内部闪存的68HC08处理器，该处理器可以从飞思卡尔(德克萨斯州，奥斯丁)获得。可以想到，处理器可以是封装在单个壳体中的单个离散的或分离的集成电路的组合，或者其可以装配(fabricated)在单个集成电路中。控制装置518包括模数转换器，该模数转换器将应变仪信号数字化以进行存储和包括数字信号处理在内的进一步处理。未处理的或处理后的数据可以经由无线电波516通过通信端口512传输至通信网络514，无线电波516包括蓝牙和/或WiFi。数据也可以通过有线通信线(未示出)传输。如此，可以实时地监测和控制回转驱动器502的运行。
控制装置518用于以高速率确定在其运行过程中任何时间下的回转驱动器的转矩。这可以用于测定应用中驱动器的动态和静态条件/暴露(例如太阳能跟踪器应用中的动态风摆动)、驱动器至故障点的接近度、驱动器至绝对规格(absolute specification)的接近度。
驱动器中的转矩感应也可用作控制回路中的反馈，以引导驱动器的驱动以达到期望的静态或动态结果。例如，如果驱动转矩接近驱动器的极限能力，则传感器可以引导电机控制器，以沿释放转矩的方向移动驱动器。在另一示例中，如果太阳能跟踪器中的驱动器经历了来自风驱动的振动，则该振动的转矩可以用于指示太阳能跟踪器以减轻动态风效应/运动的方式来驱动驱动器。
图6A和6B以不同的视图示出了改进的一体式的回转驱动器，该回转驱动器也在共同拥有的未决的专利申请号为NO.16133375的专利申请中公开，其通过引用整体并入本文。特别地，图6A示出了回转驱动器的透视剖面图。回转驱动器包括壳体602，壳体602包括具有螺纹部分的第一远侧壳体部分。壳体602还包括具有凹槽的第二远侧壳体部分。第一远侧壳体部分容纳螺纹插塞614，该螺纹插塞614拧入螺纹部分。在第二远端壳体部分中加工凹槽以容纳保持环608，例如弹簧夹。
图6B示出了回转驱动器的正视剖面图。通过第一圆锥滚子轴承612和第二圆锥滚子轴承610将蜗杆606固定到回转驱动器壳体602。蜗杆606包括中心螺纹部分、具有第一肩部的第一远侧轴部分和具有第二肩部的第二远侧轴部分。蜗杆606的中心螺纹部分与蜗轮604的蜗轮齿相啮合。蜗杆606围绕其轴向轴线旋转，并使蜗轮604围绕其轴向轴线旋转。
第一圆锥滚子轴承612安置在第一远侧轴部分上，邻接第一肩部和螺纹插塞614，第二圆锥滚子轴承610安置在第二远侧轴部分上，邻接第二肩部和保持环608。密封件618，例如油脂，安置在第二远侧轴部分上，邻接保持环608以防止润滑剂离开壳体602。
当旋转螺纹插塞614与壳体602的第一远侧壳体部分的螺纹部分啮合时，通过第一圆锥滚子612将轴向压缩力施加于蜗杆606上，以确保改善蜗杆606的螺纹部分与蜗轮604的蜗轮齿之间的啮合。保持环608通过第二圆锥滚子轴承610对蜗杆606施加相同大小，但方向相反的力。
图6A和6B示出了插塞614和保持环608如何承受施加于外部单元(未示出)的转矩。蜗轮604的转矩根据施加转矩的方向表现为通过蜗杆606的轴向力620或622，其进一步通过两个圆锥滚子轴承612、610，螺纹插塞614和保持环608进行传递。
类似于上述配置，应变仪616可插入到插塞614或保持环608的中心。可以通过如上所述(见图5)的有线或无线控制装置对插塞614或保持环608承受的轴向负载(归因于转矩)进行测量、存储、处理和传输。
已经陈述出前述解释、描述、图示、示例和论述，以帮助读者理解本发明并进一步显示其实用性和新颖性，并不以任何限制性的方式来限制本发明的范围。所附权利要求书，包括所有等同物，旨在限定本发明的范围。
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