一种小型高比功率电动执行机构的制作方法

本实用新型涉及一种电动执行机构，尤其涉及一种通过多种技术手段实现小质量、小体积和高比功率且效果显著的小型高比功率电动执行机构。

背景技术：

电动执行机构是一种用伺服电机将电能转换为机械能的闭环位置伺服系统，是控制系统的执行机构，如图1所示，电动执行机构主要由伺服电机、减速器、驱动器、控制器和位置反馈传感器组成，控制器接收来自上位机（即控制系统）的位置指令，与位置反馈传感器反馈回来的实际位置信息比较形成位置误差，通过控制算法形成脉宽调制控制量，经驱动器进行信号放大后驱动伺服电机旋转，与电机相连的减速器对力矩进行放大，驱动负载运动以减小位置误差并形成位置负反馈，从而实现负载按位置指令的变化规律而运动，达到负载跟踪指令的目的。

电动执行机构在无人机和导弹中应用，简称电动舵机，可实现飞机和导弹的姿态控制；在机器人中应用，简称伺服器，可实现手爪或机器人工具的中心点以给定的速度沿着给定轨迹到达目标点。由于其应用条件制约，在最小质量和体积的前提下，具有较大的输出力矩和较高的传动精度，是电动执行机构需要尽可能实现的目标，以满足高端无人机、小型导弹、机器人等多方面的需求。

无人机飞行控制系统配套的执行机构（电动舵机）的单位质量输出功率是制约其巡航速度、飞行机动性和续航能力的重要因素。目前，超小型高比功率高精度齿轮传动电动舵机关键技术被德国公司所垄断，小型大扭矩高精度齿轮传动电动舵机关键技术被日本公司所垄断，高端无人机特别是军用无人机基本都采用他们的产品。中国国内生产的齿轮传动电动舵机，虽然具有成本优势，由于精度差、可靠性低，大都应用于航模无人机或低端无人机。中国国内小型常规导弹用电动舵机目前均为军工科研单位配套，大都采用谐波传动或丝杠传动，虽然性能优越，但体积偏大、价格昂贵，难以形成产业化。

中国已经连续两年成为世界第一大机器人市场，但产业大而不强。目前, 发那科、安川、KUKA、ABB四家外国公司合计占据约全球65%的市场份额，国外机器人制造企业占据中国近90%的市场份额，之所以如此，是因为中国不掌握工业机器人核心技术。目前我国精密减速机、控制器、伺服系统以及高性能驱动器等机器人核心零部件大部分依赖进口，而这些零部件占到整体生产成本70%以上。在工业机器人成本中，占比最高的为减速器，占33%～38%，驱动及伺服电机占20%～25%，控制器占10%～15%，机器人机械结构在总成本中占比只有20%左右。由于近年中国在数控机床领域的进步，虽然高精度伺服器仍需进口，但已可以生产中低端伺服器，中国机器人产业最大的难题在于减速器。对于高精度机器人减速器，日本处于绝对领先地位，目前全球机器人行业75%的精密减速器被日本公司占有。工业机器人减速器要求体积小、扭矩大、重量轻、传动比大、传动效率高、运动精度高、回差小、低振动、刚性大和高可靠性。而关节驱动的电动机，则要求有大功率质量比和大扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。因此，提高小型大扭矩高比功率齿轮减速器、高比功率电机及其驱动技术，并将其应用于机器人伺服器中，对中国掌握机器人核心技术和提高机器人产业的竞争力具有重大意义。

目前，国内外企业采用改变材料、优化结构等手段尽可能减小电动执行机构的质量和体积，并尽可能提高比功率，虽然在某些方面都取得一定进步，但是综合成效并不十分显著，还有待提升。

下面是几个典型企业的电动执行机构的简单介绍：

德国VOLZ公司于1983年成立VOLZ伺服器设计和机电制动器中心，发展至今，主要服务于航空航天智能机器人医疗设备等高精端领域，为全球39家著名公司配套。舵机产品已形成系列化，输出扭矩覆盖0.1-5.0Nm。其最大一款5 Nm舵机，仅重0.26Kg，体积102mm*54mm*26mm产品在性能，耐用性和紧凑的设计上，达到国际先进水平。

日本精工生产的PS105是大型伺服舵机的旗舰产品。广泛应用于无人机、大型直升机、智能机器人等产品。该产品防水滴、防尘、低温性能出色，也可以在恶条件下的运用，机体使用铝压铸工艺。可以使用于翼展大于3m的无人机、直升机、飞行器、智能机器人等，性能可靠稳定。其超大扭矩无与伦比。主要技术指标如下：

输出最大扭矩 38Nm；

最大速度 180º/s；

质量 0.72Kg;

体积 132mm*55mm*118mm。

美国JR、日本FUTABA、日本HITEC品牌均生产一款小型舵机DS8911，其可靠性和轻量化也达到了国际先进水平。主要技术指标如下：

输出最大扭矩 2.5Nm；

最大速度 315º/s；

质量 0.069Kg;

体积 40.5mm*38mm*21mm。

中国国内海风牌高端机器人执行机构DYNAMIXEL PRO H54-200-S500-R是一款专门针对模块化机器人搭建的集成执行部件，有齿轮减速系统，控制器、驱动程序和网络通信构成，连续运行扭矩可达24.8Nm。

中国国内舵机品牌：XQ-POWER高端无刷数码舵机XQ-S5650D，采用全钛合金齿轮，具有防水效果塑胶壳强度高，耐腐蚀，是一款优异性能无刷数码大扭力舵机。舵机参数如下：

重量： 177.5g

规格： 60.1*30.1*59.7mm

速度 ： 315º/s

最大扭矩： 6Nm。

中国深圳KST DIGITAL TECHNOLOGY LIMITED公司最新推出的 KST X50-12-150 超大扭矩无人机、工业用无刷数字舵机，在输出扭矩方面达到了一个新高度。舵机参数如下：

重量： 550g

规格： 96.4*44*85mm

速度 ： 461º/s

最大扭矩： 15.8Nm。

技术实现要素：

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种质量小、体积小且比功率高的小型高比功率电动执行机构。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种小型高比功率电动执行机构，包括机构壳体、伺服电机、减速器、驱动器、控制器和位置反馈传感器，还包括PCB电路板，所述位置反馈传感器、所述驱动器和所述控制器均安装于所述PCB电路板上，所述伺服电机安装于所述机构壳体上，所述减速器和所述PCB电路板均安装于所述机构壳体内，所述减速器包括小齿轮、过渡齿轮、大齿轮和行星齿轮，所述小齿轮套装于所述伺服电机的转轴上，所述小齿轮与所述过渡齿轮啮合连接，所述过渡齿轮与所述大齿轮啮合连接，所述大齿轮套装于所述行星齿轮的太阳轮上，所述行星齿轮的行星小齿轮套装于外齿圈内，所述行星齿轮的行星架与空心输出轴连接，所述空心输出轴作为所述小型高比功率电动执行机构的输出轴并同时与所述位置反馈传感器的动力输入端连接，所述小齿轮、所述过渡齿轮和所述大齿轮的中心轴线相互平行且与所述PCB电路板相互垂直。

上述结构中，位置反馈传感器、驱动器和控制器均安装于PCB电路板上，各元器件均采用表贴器件，并将其置入机构壳体内部，显著地减小了整机的体积和重量，同时由于无外部连接电缆，还有效地提高了整机的电磁兼容型；减速器采用小齿轮、过渡齿轮和大齿轮构成的第一级直齿轮减速机构和行星齿轮构成的第二级行星减速机构，第一级直齿轮减速机构可以将伺服电机的转速由15000转/分降为2000转/分左右，很好的适应了第二级行星减速机构的输入，其传动效率很高（一般超过98%），而且在减小转速和增大扭矩的同时功率损耗很小；第二级行星减速机构采用少齿差传动具有较大的减速比；两级减速实现了高效率很大的总减速比，在同样输出扭矩和减速比的情况下，与一般齿轮减速器相比，体积下降三分之二；小齿轮、过渡齿轮和大齿轮的中心轴线相互平行且与PCB电路板相互垂直，这种安装方式将各部件之间的空隙降低至极小，显著减小了整体体积。

优选地，所述位置反馈传感器的动力输入端与传动杆的一端连接，所述传动杆的另一端穿过所述行星齿轮的太阳轮的中心通孔后与所述空心输出轴连接。这种结构充分利用了行星齿轮的太阳轮的中心通孔，在实现空心输出轴的位置反馈功能的同时，节省了安装空间。

进一步，所述传动杆的另一端设有钢丝螺套。钢丝螺套与设于空心输出轴上的花键配合连接负载有效防止了负载的轴向串动，还提高了负载的轴向连接强度和可重复安装性。

为了减轻重量，所述传动杆为钛合金杆、铝合金杆或工程塑料杆，也可以为其它高强度轻质杆，所述传动杆的另一端外周壁还与所述空心输出轴通过销子连接。

作为优选，所述行星齿轮的钛合金外齿圈的内齿形采用正变位系数，所述行星齿轮的合金钢行星小齿轮的外齿形采用负变位系数，所述合金钢行星小齿轮的硬度大于所述钛合金外齿圈的硬度。正变位系数可以降低齿面的弯曲应力，负变位系数会增大齿面的弯曲应力，这样就保证了两种齿轮材料的抗弯能力相当，使齿轮的模数可取为最小值，从而使齿轮的直径最小，达到有效减小整机重量和体积的目的。

作为优选，所述机构壳体包括第一铝合金壳体和第二铝合金壳体，所述伺服电机安装于所述第一铝合金壳体的外壁，所述PCB电路板、所述小齿轮和过渡齿轮均安装于所述第一铝合金壳体内，所述空心输出轴设于所述第二铝合金壳体内，所述第一铝合金壳体和所述第二铝合金壳体分别与所述行星齿轮的钛合金外齿圈的两端连接。铝合金的比重明显小于钛合金，本实用新型将不需要承受较大力量的壳体部分采用铝合金形成第一铝合金壳体和第二铝合金壳体，将需要承受较大力量的行星齿轮的外齿圈采用钛合金形成钛合金外齿圈，第一铝合金壳体、第二铝合金壳体和钛合金外齿圈共同构成整个机构的壳体，在满足性能要求的同时，进一步减小了整体质量，而且还便于拆装。

所述第一铝合金壳体和所述第二铝合金壳体分别与所述行星齿轮的钛合金外齿圈的两端通过一个高精度的定位螺钉和三个普通的连接螺钉连接。这样可保证拆装和重复装配的一致性。

进一步，所述伺服电机为高速直流无刷空心杯伺服电机。由于无电刷的电磁换向，其工作寿命相对有刷电机大幅提高，并消除了电刷换向时的打火现象。高速空心杯电机在同等功率下具有惯量小和重量轻的特点，通过大减速比传动，在满足输出扭矩和速度的同时有效地减小了整机的体积和重量。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型所述小型高比功率电动执行机构采取一系列卓有成效的小型化和轻量化的技术手段后，其比功率指标已超过中国国内外同类产品的先进水平，可大大提高航空、航天飞行器的航行时间和有效载荷质量，产品比功率指标对比详见下表：

上表所示本实用新型所述小型高比功率电动执行机构的各参数为最优化技术方案对应的参数，由上表可知，本实用新型所述小型高比功率电动执行机构综合性能（扭矩重量比是一个重要的性能参数）显著优于其它同类产品，如果计算制造成本，本实用新型机构的优势更加显著；相应地，本申请权利要求1中对应技术方案的技术效果也明显优于其它同类产品，具体各优化技术手段对应的优化数据，在此就不一一列举了。

附图说明

图1是电动执行机构的结构框图；

图2是本实用新型所述小型高比功率电动执行机构的主视剖视结构图；

图3是本实用新型所述结构壳体的局剖主视图；

图4是本实用新型所述PCB电路板、位置反馈传感器、传动杆和空心输出轴之间的连接结构示意图，视角与图1一致。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1-图4所示，本实用新型所述小型高比功率电动执行机构包括机构壳体、伺服电机3、减速器、驱动器、控制器、位置反馈传感器8和PCB电路板1，其中，所述机构壳体包括第一铝合金壳体2和第二铝合金壳体15，所述减速器包括小齿轮4、过渡齿轮5、大齿轮6和行星齿轮13，位置反馈传感器8、所述驱动器（图2-图4中未示）和所述控制器（图2-图4中未示）均安装于PCB电路板1上，伺服电机3安装于第一铝合金壳体2的外壁，PCB电路板1、小齿轮4和过渡齿轮5均安装于第一铝合金壳体2内，空心输出轴7设于第二铝合金壳体15内，第一铝合金壳体2和第二铝合金壳体15分别通过一个高精度的定位螺钉17和三个普通的连接螺钉16与行星齿轮13的钛合金外齿圈14的两端连接，行星齿轮13的钛合金外齿圈14、第一铝合金壳体2和第二铝合金壳体15共同构成所述机构壳体；小齿轮4套装于伺服电机3的转轴上，小齿轮4与过渡齿轮5啮合连接，过渡齿轮5与大齿轮6啮合连接，大齿轮6套装于行星齿轮13的太阳轮（图中未标记）上，行星齿轮13的行星小齿轮（图中未标记）套装于钛合金外齿圈14内，行星齿轮13的行星架（图中未标记）与空心输出轴7连接，空心输出轴7作为所述小型高比功率电动执行机构的输出轴，位置反馈传感器8的动力输入端与传动杆10的一端连接，传动杆10的另一端穿过行星齿轮13的太阳轮的中心通孔后与空心输出轴7连接，传动杆10的另一端设有钢丝螺套内螺孔11，钢丝螺套（图中未标记）通过钢丝螺套内螺孔11安装于传动杆10的另一端，所述钢丝螺套与设于空心输出轴7上的花键9配合连接负载能防止负载的轴向串动，传动杆10的另一端外周壁还与空心输出轴7通过销子12连接，小齿轮4、过渡齿轮5和大齿轮6的中心轴线相互平行且与PCB电路板1相互垂直。

为了减轻重量和体积，伺服电机3为高速直流无刷空心杯伺服电机；传动杆10为钛合金杆、铝合金杆、工程塑料杆或其它高强度轻质杆；行星齿轮13的钛合金外齿圈14的内齿形采用正变位系数，行星齿轮13为合金钢行星小齿轮且其外齿形采用负变位系数，所述合金钢行星小齿轮的硬度大于钛合金外齿圈14的硬度。

说明：图2-图4中的伺服电机3、减速器和位置反馈传感器8即为图1中的伺服电机和位置反馈传感器，图2-图4中未示驱动器和控制器，这两个器件的各电子元件采用贴装方式安装于PCB电路板1上，以现有技术可以轻松实现；图中的第一铝合金壳体2为分体结构，位于PCB电路板1内外两侧的部分相互连接，这样设计是为了便于安装各部件；为了便于安装过渡齿轮5，过渡齿轮5的中心轴穿过PCB电路板1的通孔通过轴承安装于第一铝合金壳体2的内壁上。

本实用新型所述小型高比功率电动执行机构的具体技术指标如下：

最大扭矩 24Nm

空载角速率 180°/ sec.

最大工作行程 +/-40°= 80°

最大机械行程 +/-165°= 330°

机械死区 < 0.3°

电气死区 < 0.3 µsec.

温度位置误差 < 0.3°（-20°C -- +50°C）

工作温度 -40°C -- +70°C

存储温度 -55°C -- +85°C

尺寸/重量 75mm x 45 x 60 mm / 410 g。

如图1-图4所示，本实用新型所述小型高比功率电动执行机构的工作原理如下：

PCB电路板1上的控制器接收来自上位机（即控制系统，为其它设备）的位置指令，与位置反馈传感器8反馈回来的实际位置信息比较形成位置误差，通过控制算法形成脉宽调制控制量（这里涉及控制器处理方法为传统方法），经驱动器进行信号放大后驱动伺服电机3旋转，伺服电机3依次带动小齿轮4、过渡齿轮5、大齿轮6和行星齿轮13旋转，实现减速目的，最后由行星齿轮13的行星架驱动空心输出轴7旋转，驱动负载运行；同时，空心输出轴7带动传动杆10旋转，传动杆10驱动位置反馈传感器8将空心输出轴7的位置反馈信号传递给控制器，通过控制器对伺服电机3的旋转速度进行实时控制和修正，从而实现负载按位置指令的变化规律而运动，达到负载跟踪指令的目的。

上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。