一种双余度直驱型滚柱丝杠副的电动执行装置.pdf

本发明公开了一种双余度直驱型滚柱丝杠副电动执行装置。该电动执行装置采用双余度备份设计，主要由机壳、无刷直流电机、滚柱丝杠副组件、角度编码器、直线位移传感器和安装支座等部分组成。本发明提供的双余度直驱型滚柱丝杠副电动执行装置采用电机直接驱动丝杠的方式，结构简单，控制方便。同时采用了串联式电机双余度作为备份，使用转矩限制装置作为离合器，工作更加可靠，有利于长久使用。本发明设计思路新颖、独特，适用于提供力与位置输出的直线运动场合。在旋转运动转变为直线运动过程中，采用电机转子通过离合器直接驱动滚柱丝杠副的方式，不同于传统的齿轮传动和带传动，因而具有以下优点：结构紧凑，丝杠直线输出的响应速度快，承载能力高和安全性可靠性高。

权利要求书
1.  一种双余度直驱型滚柱丝杠副电动执行装置，其特征在于：主要包括输出端轴 承座(5)、锁紧螺母(6)、机壳(10)、无刷直流电机组件、滚柱丝杠副组件和安装支座(28)。
所述滚柱丝杠副组件由螺母(35)、滚柱(32)、行星架(30)、弹簧挡圈(31)和丝杠(29) 组成；螺母(35)由轴承C(17)和轴承D(18)支撑；所述螺母(35)上的内螺纹牙和丝杠(29) 上的外螺纹牙同时与空间均布的多个滚柱(32)啮合；所述滚柱(32)两端的外齿与螺母 (35)两端的内齿相啮合；滚柱(32)安装于行星架(30)的内孔，既做绕自身轴线的自转运 动又做绕丝杠(29)的公转运动；所述行星架(30)依靠弹簧挡圈(31)安装于螺母(35)。

2.  一种权利要求1所述的双余度直驱型滚柱丝杠副电动执行装置，其特征在于： 所述无刷直流电机由两个独立的输出端无刷直流电机组件和安装端无刷直流电机组件 同轴同壳安装组成，两套永磁体分别嵌套于对应的电机转子，分别经过输出端离合器 (15)和安装端离合器(20)同时驱动螺母(35)。

3.  一种权利要求1所述的双余度直驱型滚柱丝杠副电动执行装置，其特征在于： 所述轴承A(8)、轴承B(26)、轴承C(17)和轴承D(18)均为四点接触球轴承；所述锁紧 螺母(6)可通过外置的螺栓预紧，使轴承A(8)紧固于丝杠(29)上。

4.  一种权利要求1所述的双余度直驱型滚柱丝杠副电动执行装置，其特征在于： 所述丝杠(29)为中空丝杠，其内部安装直线位移传感器，由传感器固定端(24)、支撑套 (33)和传感器输出端(34)组成；传感器固定端(24)通过固定安装板(27)固定于机壳(10)， 传感器输出端(34)连接于丝杠(29)，支撑套(33)用于支撑传感器固定端(24)，保证其轴 线平行于丝杠(29)轴线。

5.  一种权利要求1所述的双余度直驱型滚柱丝杠副电动执行装置，其特征在于： 丝杠(29)的输出端一侧与止转板(2)的异型孔配合，输出端轴承座(5)的两侧有销孔，止 转销A和止转销B通过输出端轴承座(5)与止转板(2)的销孔限制丝杠(29)轴向的旋转自 由度。

6.  一种权利要求1所述的双余度直驱型滚柱丝杠副电动执行装置，其特征在于： 所述输出端轴承座(5)、固定安装板(27)和安装支座(28)上加工有内孔，可加装油源冷却 装置对此电动执行装置进行整体冷却，冷却油经输出端轴承座(5)、丝杠(29)、滚柱(32)、 固定安装板(27)、安装支座(28)和冷却油泵形成环路。

说明书一种双余度直驱型滚柱丝杠副的电动执行装置
技术领域
本发明涉及一种双余度直驱型滚柱丝杠副的电动执行装置，属于机构运动控制装 置，尤其涉及航空领域电力作动系统中的机电作动技术。
现有技术
目前，国内外广泛应用的作动系统主要包括电力、液压、气压和机械作动系统。 其中，电力作动系统是航空航天、军事、交通和工农业机械设备中一类位置伺服控制 系统的总称，通过控制电动机或电器的运行，直接或间接地控制负载的运动，实现控 制目标的位置控制。由于电力作动系统广泛应用于飞机刹车、舵面控制以及油泵等关 键电力传动系统中，因此电力作动系统必须具备很强的安全可靠性和容错性。在国外， 可靠性技术正在飞快发展，它大致分两个阶段，一个是以冗余技术(代表性的是双余度 技术)为标志的初级阶段，一个是以容错技术为标志的高级阶段。
目前，飞控翼面基本上由一台到两台作动器驱动，必要的电备份或机械备份已经 是发展之需。现有的电驱动直线运动作动器是由电机、滚珠丝杠副以及减速装置等单 元模块组装而成，主要缺点是体积、重量较大，由于中间环节多，将会对系统的定位 精度带来不利的影响。随着舵面负载的增大和高可靠多余度需求的提高，设计发明可 以安全使用、重量小、高精度的多余度直线电动作动器，或称电动执行装置很有必要。
关于电动执行装置，现有技术如中国专利号为200410014030.4中提出的驱动、传 动一体化的直线运动机电作动器主要由电机、丝杠和中空导向壳体等组成。由于采用 了一体化的设计思想，省去了一些中间环节，故整体的体积、重量大大降低。但由于 作动器未设置备份，也未设置离合功能，尽管体积小、重量低，一旦发生机械结构的 卡死不能保证作动器的可靠使用。另外，由于此作动器内未设置必要的高精度传感器， 并不易保证所述的“没有齿轮传动等容易带来间隙、误差等的中间环节，所以该作动 器的定位精度高”。而且电机转子直接带动滚珠丝杠螺母转动会产生大量热量，该作动 器散热能力较差。
发明内容
本发明的目的是：针对现有电动执行装置存在的问题和不足，本发明研制了一种 双余度直驱型滚柱丝杠副电动执行装置，该装置采用一体化双余度备份设计，保证其 安全可靠使用。采用滚柱丝杠副，不同于传统的滚珠丝杠副，能有效提高该装置的承 载能力。同时，内置角度编码器和直线位移传感器满足该电动执行装置高精度输出要 求。
本发明的技术方案是：
一种双余度直驱型滚柱丝杠副电动执行装置，主要包括输出端轴承座5、锁紧螺 母6、机壳10、无刷直流电机组件、滚柱丝杠副组件和安装支座28；
所述机壳10为长方体，与输出端轴承座5和安装支座28形成一圆柱形空腔，空 腔内安装有输出端无刷直流电机组件和安装端无刷直流电机组件。两个电机组件通过 输出端离合器15和安装端离合器20与滚柱丝杠副组件连接。
所述滚柱丝杠副组件由螺母35、滚柱32、行星架30、弹簧挡圈31和丝杠29组 成。螺母35上的内螺纹牙和丝杠29上的外螺纹牙同时与多个滚柱32相啮合实现力和 运动的传递。其中，滚柱32两端的外齿与螺母35两端的内齿相啮合，保证滚柱32 轴线平行于丝杠29轴线，使滚柱丝杠副组件工作顺畅。滚柱32安装于行星架30的内 孔，行星架30依靠弹簧挡圈31置于螺母35内孔。螺母35不需要加工轴向长度较长 的内螺纹，这样利于高精度传动的实现。不同于传统的滚珠丝杠副组件中接触体为滚 珠，滚柱丝杠副中的接触体滚柱32是球面型螺纹牙，受力接触点更多，接触面的增加 使接触刚度增大，承载能力更强。
所述丝杠29为中空丝杠，其内部安装直线位移传感器，由传感器固定端24、支 撑套33和传感器输出端34组成。传感器固定端24通过固定安装板27固定于机壳10， 传感器输出端34连接于丝杠29，用于精确测量丝杠29相对于机壳10的直线位移。
所述锁紧螺母6可通过外置的夹紧螺栓预紧，使轴承A8紧固于丝杠29上，同时 转动惯量较小，适用于高轴向力和高动态的场合，不同于传统的圆螺母。
所述丝杠29通过铜座4与推杆1螺纹连接。丝杠29的输出端一侧与止转板2的 异型孔配合，通过连接于输出端轴承座5与止转板2间的止转销A和止转销B保证丝 杠29的直线运动输出，限制轴向的旋转自由度。
所述输出端轴承座5、固定安装板27和安装支座28上加工有内孔，必要时可加 装油源冷却装置对此电动执行装置进行整体冷却。同样，壳体10外侧加工有散热片也 是为了电机工作时的散热。
本发明的有益效果是：该直线电动执行装置采用一体化、集成化、双余度备份设 计思想，通过双电机驱动与滚柱丝杠副传动之间的摩擦片式离合器，采用电机直接驱 动丝杠的方式，而不同于传统的齿轮传动和带传动，因而结构简单，控制方便，直线 输出的响应速度快，承载能力高。同时考虑了该装置工作时发热严重的问题，实现了 对装置的保护，有利于长久使用，可广泛应用于航空航天、精密机床、石油化工等领 域需要直线伺服控制的场合。
附图说明
图1是本发明提出的双余度直驱型滚柱丝杠副电动执行装置主剖视图
图2是滚柱丝杠副组件放大图
图3是本发明提出的双余度直驱型滚柱丝杠副电动执行装置轴测图
图4是锁紧螺母6的结构示意图
其中：1-推杆；2-止转板；3-止转销；4-铜座；5-输出端轴承座；6-锁紧螺母；7- 套筒；8-轴承A；9-输出端角度编码器；10-机壳；11-输出端定子；12-输出端永磁体； 13-输出端电气接口；14-输出端转子；15-输出端离合器；16-轴承定位环；17-轴承C； 18-轴承D；19-安装端电气接口；20-安装端离合器；21-安装端转子；22-安装端永磁 体；23-安装端定子；24-传感器固定端；25-安装端角度编码器；26-轴承B；27-固定 安装板；28-安装支座；29-丝杠；30-行星架；31-弹簧挡圈；32-滚柱；33-支撑套；34- 传感器输出端；35-螺母
具体实施方式
参阅图1-图4，本实施例中双余度直驱型滚柱丝杠副电动执行装置，主要包括机 壳10、无刷直流电机组件、滚柱丝杠副组件、角度编码器、直线位移传感器和安装支 座28等。
所述无刷直流电机组件由两个独立的输出端无刷直流电机组件(输出端定子11、输 出端永磁体12、输出端转子14)和安装端无刷直流电机组件(安装端定子23、安装端永 磁体22、安装端转子21)同轴同壳安装组成，两套永磁体分别嵌套于电机转子。所述 输出端无刷直流电机组件和安装端无刷直流电机组件分别依靠轴承A8和轴承B26支 撑。其中轴承A的一端经套筒7通过锁紧螺母6紧固。采用两套独立的绕组及两套角 度编码器，不存在两套绕组间的磁耦合现象，控制简单，分别经过输出端离合器15 和安装端离合器20同时驱动螺母35。一旦由于外部原因致使机构卡阻，外载超过所 设计的扭矩值时，无刷直流电机将处于打滑状态，而不再将扭矩传输到滚柱丝杠副上， 从而实现对结构的保护。
参阅图1，所述滚柱丝杠副组件由螺母35、滚柱32、行星架30、弹簧挡圈31和 丝杠29组成。螺母35由轴承C17和轴承D18支撑，分别由轴承定位环16与螺母35 台阶、机壳10台阶与螺母35台阶实现两轴承的轴向定位，螺母35只做旋转运动无轴 向位移。螺母35上的三角形内螺纹牙和丝杠29上的三角形外螺纹牙同时与空间均布 的多个滚柱32相啮合。其中，滚柱32两端的外齿与螺母35两端的内齿相啮合，保证 滚柱32轴线平行于丝杠29轴线。而滚柱32安装于行星架30的内孔，既做绕自身轴 线的自转运动又做绕丝杠29的公转运动，无轴向位移。所述的行星架30依靠弹簧挡 圈31安装固定于螺母35。在该结构中，螺母35不需要加工轴向长度较长的内螺纹， 而丝杠29加工有轴向长度较长的外螺纹，这样利于高精度传动的实现。不同于传统机 电作动器中的传动部件为滚珠丝杠副，所述的滚柱丝杠副组件中的滚柱32是球面型螺 纹牙，受力接触点更多，接触面的增加使接触刚度增大，承载能力更强。
参阅图1和图2，所述丝杠29为中空丝杠，其内部可用于安装直线位移传感器。 直线位移传感器由传感器固定端24、支撑套33和传感器输出端34组成。传感器固定 端24通过固定安装板27固定于机壳10；传感器输出端34较细，通过螺纹连接于丝 杠29；支撑套33用于支撑传感器固定端24，保证其轴线平行于丝杠29轴线。用于精 确测量丝杠29相对于机壳10的直线位移。
参阅图3，为限制丝杠29轴向旋转自由度，本实施例中丝杠29的输出端一侧截 面为异型面，与止转板2的异型孔配合，通过连接于输出端轴承座5与止转板2间的 两根止转销A和止转销B保证丝杠29的直线运动输出。
为减少无刷直流电机和滚柱丝杠副组件的发热，考虑工况条件的特殊性，所述输 出端轴承座5、固定安装板27和安装支座28上加工有内孔，必要时可加装油源冷却 装置对此电动执行装置进行整体冷却，冷却油经输出端轴承座5、丝杠29、滚柱32、 固定安装板27、安装支座28和冷却油泵形成环路。同样，壳体10外侧加工的散热片 也是为了电机工作时的散热作用。
参阅图1和图4，所述锁紧螺母6可通过外置的夹紧螺栓使轴承A8紧固，同时转 动惯量较小，适用于高轴向力和高动态的场合，不同于传统的圆螺母。
所述双余度直驱型滚柱丝杠副电动执行装置工作原理为：在正常模式下，两个独 立的无刷直流电机接受来自功率控制器的控制信号，进而驱动电机转子旋转。再经过 输出端离合器15和安装端离合器20同时驱动螺母35。通过滚柱丝杠副组件进行减速 并驱动丝杠29直线运动。输出端角度编码器9、安装端角度编码器25和直线位移传 感器这三种传感器分别为输出端无刷直流电机组件、安装端无刷直流电机组件和滚柱 丝杠副组件提供位置检测和信号反馈，使控制器更加精确地控制该电动执行装置输出 直线运动。在故障模式下，此时该电动执行装置处于主动工作状态，但由于机械结构 或其他原因导致卡阻时，电机无法将所产生的扭矩有效地传递到外载上。此时通过输 出端离合器15和安装端离合器20可将动力切断，使电机处于打滑状态，而不再将扭 矩传输到滚柱丝杠副组件上。