一种大负载、高刚度、快响应的紧凑型回转式机电作动器的制作方法

本实用新型涉及一种大负载、高刚度、快响应的紧凑型回转式机电作动器，是一种执行机构，适用于位置伺服控制领域。

背景技术：

机电作动器是将电能转变为机械能，以实现对控制对象的位移驱动的机械装置，主要由伺服电机、传动机构和角度传感器等组成。按照机电作动器运动输出形式的不同，机电作动器主要分为直线式、回转式两类。

回转式机电作动器按照传动机构的不同，一般为伺服电机+滚珠丝杠副的形式，此类机电作动器输出力矩一般为不超过200N.m～300N.m，摆动角速度一般为几十゜/s，伺服电机一般采用直流无刷电机。作动器的输出力矩较小，摆动角速度较低，一般应用于低负载力矩、低速的应用场合；直流无刷电机转矩波动较大，角度传感器不是直接测量输出的摆动角度并作为反馈量进行伺服控制，无法适应高精度角度位置控制的应用场合。其它形式的机电作动器主要有采用伺服电机+谐波减速器的回转式机电作动器，输出力矩一般不超过800N.m，最大摆动速度一般不超过200゜/s；且此类机电作动器一般伺服电机与谐波减速器同轴直连，轴向长度尺寸大，对于安装空间的适应性不好；且此类机电作动器内部的转动惯量较大，难以实现快速响应的要求。

技术实现要素：

本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种大承载力矩、高扭转刚度、快速响应特性的紧凑型回转式机电作动器。

本实用新型的技术解决方案是：一种大负载、高刚度、快响应的紧凑型回转式机电作动器，该作动器包括壳体、永磁同步伺服电机、齿轮减速器、滚珠丝杠副、拨叉、输出摆轴、角度传感器；永磁同步伺服电机转子轴与齿轮减速器连接，齿轮减速器与滚珠丝杠副的滚珠丝杠一端固定连接，输出摆轴通过轴承安装在壳体上，输出摆轴的轴线与滚珠丝杠副的滚珠丝杠轴线垂直，拨叉与输出摆轴固定连接，与输出摆轴一起绕轴承转动，滚珠丝杠副的滚珠螺母两侧各对称加工一个短轴，短轴上套装有圆滚子，通过圆滚子安装在拨叉的直线槽中；永磁同步伺服电机正反向旋转，通过齿轮减速器减速，带动滚珠丝杠副的滚珠丝杠正反向旋转，滚珠丝杠副的滚珠螺母往复直线运动，推动与之相连的拨叉带动输出摆轴正反向回转摆动，角度传感器与输出摆轴同轴内置安装，用于测量输出摆轴的摆动角度。

所述齿轮减速器包括第一减速齿轮、第二减速齿轮和第三减速齿轮，第一减速齿轮与第二减速齿轮啮合连接，第二减速齿轮与第三减速齿轮啮合连接，永磁同步伺服电机转子轴与第一减速齿轮固定连接，第三减速齿轮与滚珠丝杠副的滚珠丝杠一端固定连接。

所述第一减速齿轮齿数：第二减速齿轮齿数：第三减速齿轮齿数＝1：1：1.2～1.3。

所述圆滚子为中空圆柱体结构，圆滚子的内径与滚珠丝杠副的滚珠螺母两侧短轴间隙配合，外径与拨叉间隙配合。

所述圆滚子的内径与滚珠丝杠副的滚珠螺母的短轴间的传动间隙是0.003mm～0.014mm，圆滚子外径与拨叉之间的传动间隙是0.007mm～0.029mm。

所述拨叉与输出摆轴一体成型设计。

所述输出摆轴为大直径中空式薄壁结构。

所述拨叉选用高强度钢材料，圆滚子选用高强度耐磨铜合金材料。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本实用新型采用永磁同步伺服电机驱动，相对于直流无刷电机，具有低惯量、转矩波动小、控制精度高的优点。

(2)、本实用新型采用齿轮减速器+滚珠丝杠副构成机电作动器总的减速机构方案。齿轮减速器作为第一级减速装置，滚珠丝杠副作为第二级减速装置。齿轮副具有传动效率高，结构紧凑，功率和速度适用范围广的特点。滚珠丝杠副主要特点是传动效率高，传动精度高、使用寿命长。

(3)、本实用新型采用与输出摆轴同轴内置安装的角度传感器直接测量输出摆轴的摆动角度用于控制，可以剔除中间传动环节带来的误差，有利于实现高精度位置伺服控制。

(4)、本实用新型滚珠螺母两侧的短轴上套装有圆滚子，采用高强度耐磨铜合金圆滚子作为运动转换机构中间传动元件，能够满足大负载的承载要求，同时减小运动摩损，提高了传动效率；

(5)、本实用新型拨叉与输出摆轴、短轴与滚珠螺母一体化设计，满足大负载承载要求，同时简化联接结构，减小作动器整体体积和重量。

附图说明

图1为本实用新型回转式机电作动器原理图；

图2为本实用新型实施例输出摆轴和拨叉一体成型结构图；

图3为本实用新型实施例拨叉与圆滚子连接图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，一种大负载、高刚度、快响应的紧凑型回转式机电作动器包括壳体、永磁同步伺服电机2、齿轮减速器3、滚珠丝杠副4、拨叉5、输出摆轴6、角度传感器7；永磁同步伺服电机2转子轴与齿轮减速器3连接，齿轮减速器3与滚珠丝杠副4的滚珠丝杠8一端固定连接，输出摆轴6通过轴承9安装在壳体上，其轴线与滚珠丝杠副4的滚珠丝杠8轴线垂直，拨叉5与输出摆轴6一体成型设计，与输出摆轴6一起绕轴承9转动，滚珠丝杠副4的滚珠螺母10两侧各对称加工一个短轴11，短轴上套装有圆滚子12，通过圆滚子12安装在拨叉5的直线槽中；永磁同步伺服电机2正反向旋转，通过齿轮减速器3减速，带动滚珠丝杠副4的滚珠丝杠8正反向旋转，滚珠丝杠副4的滚珠螺母10往复直线运动，推动与之相连的拨叉5带动输出摆轴6正反向回转摆动，角度传感器为角度传感器，与输出摆轴同轴内置安装，用于测量输出摆轴的摆动角度，直接采用角度传感器测量角度可以剔除中间传动环节带来的误差，有利于实现高精度位置伺服控制。

由上可知，本实用新型中，伺服电机采用永磁同步电机方案。永磁同步伺服电机具有体积小、质量轻、功率因数高、效率高、可靠性高，过载能力强的优点，适合高精度、复杂工况的应用场合。

另外，齿轮减速器加滚珠丝杠副构成机电作动器总的减速机构方案。齿轮减速器作为第一级减速装置，滚珠丝杠副作为第二级减速装置。齿轮副具有传动效率高，结构紧凑，功率和速度适用范围广的特点。滚珠丝杠副主要特点是传动效率高，传动精度高、使用寿命长。

如图1所示，齿轮减速器包括第一减速齿轮13、第二减速齿轮14和第三减速齿轮15，第一减速齿轮13与第二减速齿轮14啮合连接，第二减速齿轮14与第三减速齿轮15啮合连接，第一减速齿轮13齿数：第二减速齿轮14齿数：第三减速齿轮15齿数＝1：1：1.2～1.3，永磁同步伺服电机2转子轴与第一减速齿轮13固定连接，第三减速齿轮15与滚珠丝杠副4的滚珠丝杠8一端固定连接。

与采用两个减速齿轮的单级减速形式相比，齿轮减速器采用三个减速齿轮的两级减速形式，可以大大减小单个齿轮直径，降低齿轮减速器总转动惯量，减小齿轮减速器尺寸和重量，有利于实现快速响应。与采用四个减速齿轮的两级减速形式相比，齿轮减速器采用三个减速齿轮的两级减速形式是在满足强度的基础上，将齿轮减速器中间轴齿轮数量设计减少至一个，同样可以降低齿轮减速器总转动惯量，减小齿轮减速器尺寸和重量，有利于实现快速响应。本实施例中，第一减速齿轮、第二减速齿轮和第三减速齿轮的直径分别是36mm、36mm、46mm，永磁同步伺服电机转子轴和滚珠丝杠轴的中心距设计为65mm，同样的转动惯量情况下，尺寸大大地减小。

如图3所示，构成拨叉式“直线-回转”运动变换机构主要是将滚珠丝杠副输出的往复直线运动通过转换生成输出摆轴的回转运动。拨叉与输出摆轴一体成型设计，滚珠丝杠副的滚珠螺母两侧对称加工一个短轴，短轴上套装有圆滚子，圆滚子安装在拨叉的直线槽中，所述圆滚子为中空圆柱体结构，圆滚子的内径与短轴、外径与拨叉间隙配合，拨叉和圆滚子外径间的传动间隙是0.007mm～0.029mm，圆滚子的内径与滚珠螺母的短轴间的传动间隙是0.003mm～0.014mm。

上述回转式机电作动器的工作过程如下：

永磁同步电机转子轴通过连接键与齿轮减速器实现联接，将旋转运动输出至齿轮减速器，齿轮减速器通过连接键与滚珠丝杠副联接，齿轮减速器输出的旋转运动，带动滚珠丝杠旋转，滚珠丝杠的旋转运动带动滚珠螺母往复直线运动，圆滚子与滚珠螺母短轴和拨叉直线槽之间相互作用，推动输出摆轴双向摆动。通过上述几个环节的组合作用，最终实现了所需的运动输出。

进一步地，为了增强机电作动器的强度，输出摆轴采用大直径中空式薄壁结构，可实现高扭转刚度，如：输出摆轴主轴径50mm，输出摆轴壁厚4mm；永磁同步电机转子轴与齿轮减速器第一减速齿轮、齿轮减速器第三减速齿轮与滚珠丝杠副的滚珠丝杠之间采用紧联接，滚珠丝杠副采用预紧方式，施加有0.15N.m～0.25N.m的预紧力矩，可实现高连接刚度；拨叉材料选用高强度钢，圆滚子材料选用高强度耐磨铜合金，强度高可以满足大承载要求，钢和铜合金是良好的摩擦副材料；拨叉热处理硬度大于HRC40，圆滚子热处理硬度大于HV350；齿轮减速器减速齿轮表面处理采用渗碳处理，表面硬度大于HRC58，可实现高接触刚度。

此外，为了实现大负载、轻量化设计。本实用新型采用公称直径为20mm，滚珠直径为3.5mm、滚珠列数为5列的滚珠丝杠副。滚珠丝杠副的滚珠螺母直径较大，采用滚珠丝杠旋转运动，滚珠螺母直线运动的运动形式，可以降低滚珠丝杠副的转动惯量，有利于实现快速响应。同时，采用拨叉与输出摆轴、短轴与滚珠螺母一体化设计，满足大负载承载要求，同时简化联接结构，减小作动器整体体积和重量；电机转子轴低惯量设计、齿轮减速器采用3个减速齿轮、采用滚珠丝杠旋转、滚珠螺母平动的传动形式，多种措施均可以降低作动器传动机构的惯量；作动器壳体、输出摆轴和拨叉采用轻质化设计，减少作动器重量。

基于以上高精度永磁同步电机驱动+高效率、高精度滚珠丝杠副传动+拨叉式“直线-回转”运动转换机构方案的一种大负载、高刚度、快响应的紧凑型回转式机电作动器能够实现以下技术指标：1、能够实现额定负载力矩900N.m，峰值负载力矩1200N.m；2、能够实现额定负载力矩条件下，摆动角速度大于200゜/s，峰值角速度250゜/s；适用于大负载、高动态响应、高控制精度的应用场合。

综上所述，本实用新型结构设计紧凑，承载力矩大、刚度高，非常适合对安装空间、质量要求敏感，要求高动态响应、高精度控制、高稳定性的应用场合，可应用于摩擦负载、弹性负载、惯性负载等不同负载对象的扭转控制，其典型应用负载对象是空气舵面负载的控制。同时，可广泛应用于工业设备、机器人控制等运动控制领域。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。