本實用新型涉及一種大負(fù)載、高剛度、快響應(yīng)的緊湊型回轉(zhuǎn)式機(jī)電作動器，是一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，適用于位置伺服控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

機(jī)電作動器是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，以實現(xiàn)對控制對象的位移驅(qū)動的機(jī)械裝置，主要由伺服電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)和角度傳感器等組成。按照機(jī)電作動器運(yùn)動輸出形式的不同，機(jī)電作動器主要分為直線式、回轉(zhuǎn)式兩類。

回轉(zhuǎn)式機(jī)電作動器按照傳動機(jī)構(gòu)的不同，一般為伺服電機(jī)+滾珠絲杠副的形式，此類機(jī)電作動器輸出力矩一般為不超過200N.m～300N.m，擺動角速度一般為幾十゜/s，伺服電機(jī)一般采用直流無刷電機(jī)。作動器的輸出力矩較小，擺動角速度較低，一般應(yīng)用于低負(fù)載力矩、低速的應(yīng)用場合；直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動較大，角度傳感器不是直接測量輸出的擺動角度并作為反饋量進(jìn)行伺服控制，無法適應(yīng)高精度角度位置控制的應(yīng)用場合。其它形式的機(jī)電作動器主要有采用伺服電機(jī)+諧波減速器的回轉(zhuǎn)式機(jī)電作動器，輸出力矩一般不超過800N.m，最大擺動速度一般不超過200゜/s；且此類機(jī)電作動器一般伺服電機(jī)與諧波減速器同軸直連，軸向長度尺寸大，對于安裝空間的適應(yīng)性不好；且此類機(jī)電作動器內(nèi)部的轉(zhuǎn)動慣量較大，難以實現(xiàn)快速響應(yīng)的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型的目的在于提供一種大承載力矩、高扭轉(zhuǎn)剛度、快速響應(yīng)特性的緊湊型回轉(zhuǎn)式機(jī)電作動器。

本實用新型的技術(shù)解決方案是：一種大負(fù)載、高剛度、快響應(yīng)的緊湊型回轉(zhuǎn)式機(jī)電作動器，該作動器包括殼體、永磁同步伺服電機(jī)、齒輪減速器、滾珠絲杠副、撥叉、輸出擺軸、角度傳感器；永磁同步伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子軸與齒輪減速器連接，齒輪減速器與滾珠絲杠副的滾珠絲杠一端固定連接，輸出擺軸通過軸承安裝在殼體上，輸出擺軸的軸線與滾珠絲杠副的滾珠絲杠軸線垂直，撥叉與輸出擺軸固定連接，與輸出擺軸一起繞軸承轉(zhuǎn)動，滾珠絲杠副的滾珠螺母兩側(cè)各對稱加工一個短軸，短軸上套裝有圓滾子，通過圓滾子安裝在撥叉的直線槽中；永磁同步伺服電機(jī)正反向旋轉(zhuǎn)，通過齒輪減速器減速，帶動滾珠絲杠副的滾珠絲杠正反向旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠副的滾珠螺母往復(fù)直線運(yùn)動，推動與之相連的撥叉帶動輸出擺軸正反向回轉(zhuǎn)擺動，角度傳感器與輸出擺軸同軸內(nèi)置安裝，用于測量輸出擺軸的擺動角度。

所述齒輪減速器包括第一減速齒輪、第二減速齒輪和第三減速齒輪，第一減速齒輪與第二減速齒輪嚙合連接，第二減速齒輪與第三減速齒輪嚙合連接，永磁同步伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子軸與第一減速齒輪固定連接，第三減速齒輪與滾珠絲杠副的滾珠絲杠一端固定連接。

所述第一減速齒輪齒數(shù)：第二減速齒輪齒數(shù)：第三減速齒輪齒數(shù)＝1：1：1.2～1.3。

所述圓滾子為中空圓柱體結(jié)構(gòu)，圓滾子的內(nèi)徑與滾珠絲杠副的滾珠螺母兩側(cè)短軸間隙配合，外徑與撥叉間隙配合。

所述圓滾子的內(nèi)徑與滾珠絲杠副的滾珠螺母的短軸間的傳動間隙是0.003mm～0.014mm，圓滾子外徑與撥叉之間的傳動間隙是0.007mm～0.029mm。

所述撥叉與輸出擺軸一體成型設(shè)計。

所述輸出擺軸為大直徑中空式薄壁結(jié)構(gòu)。

所述撥叉選用高強(qiáng)度鋼材料，圓滾子選用高強(qiáng)度耐磨銅合金材料。

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

(1)、本實用新型采用永磁同步伺服電機(jī)驅(qū)動，相對于直流無刷電機(jī)，具有低慣量、轉(zhuǎn)矩波動小、控制精度高的優(yōu)點。

(2)、本實用新型采用齒輪減速器+滾珠絲杠副構(gòu)成機(jī)電作動器總的減速機(jī)構(gòu)方案。齒輪減速器作為第一級減速裝置，滾珠絲杠副作為第二級減速裝置。齒輪副具有傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，功率和速度適用范圍廣的特點。滾珠絲杠副主要特點是傳動效率高，傳動精度高、使用壽命長。

(3)、本實用新型采用與輸出擺軸同軸內(nèi)置安裝的角度傳感器直接測量輸出擺軸的擺動角度用于控制，可以剔除中間傳動環(huán)節(jié)帶來的誤差，有利于實現(xiàn)高精度位置伺服控制。

(4)、本實用新型滾珠螺母兩側(cè)的短軸上套裝有圓滾子，采用高強(qiáng)度耐磨銅合金圓滾子作為運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)中間傳動元件，能夠滿足大負(fù)載的承載要求，同時減小運(yùn)動摩損，提高了傳動效率；

(5)、本實用新型撥叉與輸出擺軸、短軸與滾珠螺母一體化設(shè)計，滿足大負(fù)載承載要求，同時簡化聯(lián)接結(jié)構(gòu)，減小作動器整體體積和重量。

附圖說明

圖1為本實用新型回轉(zhuǎn)式機(jī)電作動器原理圖；

圖2為本實用新型實施例輸出擺軸和撥叉一體成型結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本實用新型實施例撥叉與圓滾子連接圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，一種大負(fù)載、高剛度、快響應(yīng)的緊湊型回轉(zhuǎn)式機(jī)電作動器包括殼體、永磁同步伺服電機(jī)2、齒輪減速器3、滾珠絲杠副4、撥叉5、輸出擺軸6、角度傳感器7；永磁同步伺服電機(jī)2轉(zhuǎn)子軸與齒輪減速器3連接，齒輪減速器3與滾珠絲杠副4的滾珠絲杠8一端固定連接，輸出擺軸6通過軸承9安裝在殼體上，其軸線與滾珠絲杠副4的滾珠絲杠8軸線垂直，撥叉5與輸出擺軸6一體成型設(shè)計，與輸出擺軸6一起繞軸承9轉(zhuǎn)動，滾珠絲杠副4的滾珠螺母10兩側(cè)各對稱加工一個短軸11，短軸上套裝有圓滾子12，通過圓滾子12安裝在撥叉5的直線槽中；永磁同步伺服電機(jī)2正反向旋轉(zhuǎn)，通過齒輪減速器3減速，帶動滾珠絲杠副4的滾珠絲杠8正反向旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠副4的滾珠螺母10往復(fù)直線運(yùn)動，推動與之相連的撥叉5帶動輸出擺軸6正反向回轉(zhuǎn)擺動，角度傳感器為角度傳感器，與輸出擺軸同軸內(nèi)置安裝，用于測量輸出擺軸的擺動角度，直接采用角度傳感器測量角度可以剔除中間傳動環(huán)節(jié)帶來的誤差，有利于實現(xiàn)高精度位置伺服控制。

由上可知，本實用新型中，伺服電機(jī)采用永磁同步電機(jī)方案。永磁同步伺服電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、功率因數(shù)高、效率高、可靠性高，過載能力強(qiáng)的優(yōu)點，適合高精度、復(fù)雜工況的應(yīng)用場合。

另外，齒輪減速器加滾珠絲杠副構(gòu)成機(jī)電作動器總的減速機(jī)構(gòu)方案。齒輪減速器作為第一級減速裝置，滾珠絲杠副作為第二級減速裝置。齒輪副具有傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，功率和速度適用范圍廣的特點。滾珠絲杠副主要特點是傳動效率高，傳動精度高、使用壽命長。

如圖1所示，齒輪減速器包括第一減速齒輪13、第二減速齒輪14和第三減速齒輪15，第一減速齒輪13與第二減速齒輪14嚙合連接，第二減速齒輪14與第三減速齒輪15嚙合連接，第一減速齒輪13齒數(shù)：第二減速齒輪14齒數(shù)：第三減速齒輪15齒數(shù)＝1：1：1.2～1.3，永磁同步伺服電機(jī)2轉(zhuǎn)子軸與第一減速齒輪13固定連接，第三減速齒輪15與滾珠絲杠副4的滾珠絲杠8一端固定連接。

與采用兩個減速齒輪的單級減速形式相比，齒輪減速器采用三個減速齒輪的兩級減速形式，可以大大減小單個齒輪直徑，降低齒輪減速器總轉(zhuǎn)動慣量，減小齒輪減速器尺寸和重量，有利于實現(xiàn)快速響應(yīng)。與采用四個減速齒輪的兩級減速形式相比，齒輪減速器采用三個減速齒輪的兩級減速形式是在滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，將齒輪減速器中間軸齒輪數(shù)量設(shè)計減少至一個，同樣可以降低齒輪減速器總轉(zhuǎn)動慣量，減小齒輪減速器尺寸和重量，有利于實現(xiàn)快速響應(yīng)。本實施例中，第一減速齒輪、第二減速齒輪和第三減速齒輪的直徑分別是36mm、36mm、46mm，永磁同步伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子軸和滾珠絲杠軸的中心距設(shè)計為65mm，同樣的轉(zhuǎn)動慣量情況下，尺寸大大地減小。

如圖3所示，構(gòu)成撥叉式“直線-回轉(zhuǎn)”運(yùn)動變換機(jī)構(gòu)主要是將滾珠絲杠副輸出的往復(fù)直線運(yùn)動通過轉(zhuǎn)換生成輸出擺軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。撥叉與輸出擺軸一體成型設(shè)計，滾珠絲杠副的滾珠螺母兩側(cè)對稱加工一個短軸，短軸上套裝有圓滾子，圓滾子安裝在撥叉的直線槽中，所述圓滾子為中空圓柱體結(jié)構(gòu)，圓滾子的內(nèi)徑與短軸、外徑與撥叉間隙配合，撥叉和圓滾子外徑間的傳動間隙是0.007mm～0.029mm，圓滾子的內(nèi)徑與滾珠螺母的短軸間的傳動間隙是0.003mm～0.014mm。

上述回轉(zhuǎn)式機(jī)電作動器的工作過程如下：

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子軸通過連接鍵與齒輪減速器實現(xiàn)聯(lián)接，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動輸出至齒輪減速器，齒輪減速器通過連接鍵與滾珠絲杠副聯(lián)接，齒輪減速器輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動帶動滾珠螺母往復(fù)直線運(yùn)動，圓滾子與滾珠螺母短軸和撥叉直線槽之間相互作用，推動輸出擺軸雙向擺動。通過上述幾個環(huán)節(jié)的組合作用，最終實現(xiàn)了所需的運(yùn)動輸出。

進(jìn)一步地，為了增強(qiáng)機(jī)電作動器的強(qiáng)度，輸出擺軸采用大直徑中空式薄壁結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)高扭轉(zhuǎn)剛度，如：輸出擺軸主軸徑50mm，輸出擺軸壁厚4mm；永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子軸與齒輪減速器第一減速齒輪、齒輪減速器第三減速齒輪與滾珠絲杠副的滾珠絲杠之間采用緊聯(lián)接，滾珠絲杠副采用預(yù)緊方式，施加有0.15N.m～0.25N.m的預(yù)緊力矩，可實現(xiàn)高連接剛度；撥叉材料選用高強(qiáng)度鋼，圓滾子材料選用高強(qiáng)度耐磨銅合金，強(qiáng)度高可以滿足大承載要求，鋼和銅合金是良好的摩擦副材料；撥叉熱處理硬度大于HRC40，圓滾子熱處理硬度大于HV350；齒輪減速器減速齒輪表面處理采用滲碳處理，表面硬度大于HRC58，可實現(xiàn)高接觸剛度。

此外，為了實現(xiàn)大負(fù)載、輕量化設(shè)計。本實用新型采用公稱直徑為20mm，滾珠直徑為3.5mm、滾珠列數(shù)為5列的滾珠絲杠副。滾珠絲杠副的滾珠螺母直徑較大，采用滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，滾珠螺母直線運(yùn)動的運(yùn)動形式，可以降低滾珠絲杠副的轉(zhuǎn)動慣量，有利于實現(xiàn)快速響應(yīng)。同時，采用撥叉與輸出擺軸、短軸與滾珠螺母一體化設(shè)計，滿足大負(fù)載承載要求，同時簡化聯(lián)接結(jié)構(gòu)，減小作動器整體體積和重量；電機(jī)轉(zhuǎn)子軸低慣量設(shè)計、齒輪減速器采用3個減速齒輪、采用滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)、滾珠螺母平動的傳動形式，多種措施均可以降低作動器傳動機(jī)構(gòu)的慣量；作動器殼體、輸出擺軸和撥叉采用輕質(zhì)化設(shè)計，減少作動器重量。

基于以上高精度永磁同步電機(jī)驅(qū)動+高效率、高精度滾珠絲杠副傳動+撥叉式“直線-回轉(zhuǎn)”運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)方案的一種大負(fù)載、高剛度、快響應(yīng)的緊湊型回轉(zhuǎn)式機(jī)電作動器能夠?qū)崿F(xiàn)以下技術(shù)指標(biāo)：1、能夠?qū)崿F(xiàn)額定負(fù)載力矩900N.m，峰值負(fù)載力矩1200N.m；2、能夠?qū)崿F(xiàn)額定負(fù)載力矩條件下，擺動角速度大于200゜/s，峰值角速度250゜/s；適用于大負(fù)載、高動態(tài)響應(yīng)、高控制精度的應(yīng)用場合。

綜上所述，本實用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，承載力矩大、剛度高，非常適合對安裝空間、質(zhì)量要求敏感，要求高動態(tài)響應(yīng)、高精度控制、高穩(wěn)定性的應(yīng)用場合，可應(yīng)用于摩擦負(fù)載、彈性負(fù)載、慣性負(fù)載等不同負(fù)載對象的扭轉(zhuǎn)控制，其典型應(yīng)用負(fù)載對象是空氣舵面負(fù)載的控制。同時，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備、機(jī)器人控制等運(yùn)動控制領(lǐng)域。

本實用新型說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。