集中式分步作动多级机电作动器的制作方法

本发明属于机电作动器，是关于应用于机电作动器上的长行程收放结构，更具体地说，本发明是关于在规定行程下大幅减小机电作动器结构长度，或在规定结构长度下大幅增加工作行程的创新结构。

背景技术：

1、目前，民机液压系统大多采用集中式油源，发动机驱动泵为飞机各个用户提供液压能。基于三套或四套容错设计的集中式液压能源系统已成为民机液压系统的典型配置。随着大型客机的发展，集中式液压系统的缺点显得不可忽视，长管道占飞机液压系统总重量的比重越来越大。电动液压能源系统由于可以布置于用户附近，自带控制单元，不仅能够降低飞机的整体重量，而且分布式的布局将大大提高飞机的可靠性和维修性。近年，采用三套分布式电动液压能源系统已作为前轮转弯系统与刹车系统的备用液压源。在这种场合不允许因单个故障而危及飞行安全。由于多种能源共存的现象会导致飞机内部结构臃肿、安装空间紧张、检修维护不便、液压能和气压能容易泄露等问题，会造成飞机故障率高和可靠性差，因此降低了飞机的性能和可靠性。考虑到以上原因，飞机液压系统通常被设计成多套相互独立的余度系统，在更大功率场合，液压与电作动相结合的分布式液压与作动系统,将分布式液压能源与终端作动器进一步集成，则形成了电静液作动器(electro-hydrostaticactuator，eha)。在1/3以上的主飞控作动系统中使用了机电作动系统。机电作动系统是飞机电传操纵系统的执行机构，是飞行控制系统中的重要组成部分，主要包括eha和电备份液压伺服作动器(ebha)，核心技术与eha相同。eha/ebha的运用，增强了飞机的自检能力，提高了可靠性，同时也降低了外场维护需求，所需要的维护设备和维护工作量大大减少。随着技术成熟度的提升，基于发动机驱动泵的集中式液压系统将逐步被电驱动化的分布式液压系统代替。

2、功率电传作动器主要有两种形式，即电动静液作动器(eha)和机电作动器(ema)。eha和ema均为电传控制作动系统，其核心都在于电机控制，但减速机构的不同导致了相互间的差异。eha使用可逆液压泵，通过内部的液压油推动活塞运动，控制与其相连的舵面的偏摆。ema是机电伺服系统，控制电机转速，带动减速传动机构，实现力矩输出，带动负载。ema的带载能力和减速传动机构关系较大。ema则省去作动器内部的液压系统，直接用电机通过齿轮、滚珠丝杠等传动机构来推动舵面的偏摆。与eha相比，ema具有以下优势：

3、(1)由于没有了内部的液压系统，与同功率等级的eha相比，ema质量更轻，体积更小，将大大节省燃油，减轻起飞质量和飞机的冷却负担；

4、(2)去除了低效率泵，ema更易做到较高的效率：

5、(3)由于没有液压油泄滑风险，ema更适合长期储存。

6、ema是依靠控制电机的输出功率来调节系统的输出功率，利用电机的短时超载使用来满足负载工况中的峰值要求。由于ema中可以采用无刷电机，无刷电机没有机械电刷，可以承受大过载，因此电传伺服系统的使用维护性和可靠性较传统液压系统会有所提高。另外，由于ema完全取消了液压环节，直接将电能转化为机械能。ema作为主飞控舵面驱动装置，多ema互为备份，构成多机电作动器同步控制系统，从而必将出现多机电作动器同步驱动控制问题。

7、机电作动器(ema)是飞行控制系统的关键部件，其可靠性高低直接影响飞机的飞行安全。机电作动器(ema)是一种机电一体化装置，机电作动器作为一种直线运动执行元件，是用来实现工作机构直线往复运动或小于360°摆动运动的能量转换装置。ema将伺服控制器/驱动器的输出指令信号转变为速度、位移、载荷等机械量，以实现对控制对象速度驱动、位移驱动和载荷驱动的目的。常见的机电作动器的基本构成如下：控制器、驱动器、电机、减速箱、传动部件、滚珠丝杠副、缸筒组件、活塞杆组件等实现运动转换的丝杠副以及相应的传感器组成。作动器系统工作时，需要各个作动器必须位置速度同步，如果两个通道的位置速度等状态差别会导致输出力不同，通道彼此相互作用机电作动器(ema)是飞行控制系统的关键部件，其可靠性高低直接影响飞机的飞行安全。寻找一个平衡位置，也就产生了力纷争现象，力纷争现象会降低系统的输出精度和可靠性，长期的不同步工作会对驱动装置和被驱动元件造成损伤，严重时甚至导致系统彻底失效，所以在作动器系统中引人同步控制器。控制器根据指令，控制电机的输入电流。通过电机进行能量转换，将电能转换成机机械能，并将旋转运动转换为直线运动，输出速度和大来控制负载的运动。如果在负载摆动过程中，作动缸内部的丝杆和螺母卡滞，将导致作动杆不会再伸缩，不能再推动负载，有可能会发生灾难性的故障。对于具有工况条件复杂、负装多变的系统，由于各同步子通道间不确定性引起的辆合和干扰作用已经不能忽略，因此单一的控制方式难以获得满意的同步控制效果。该系统在实际应用中，负载多变、冲击扰动多变，若采用“主从方式”很难保证同步控制精度。而“等同方式”虽然能解决上述问题，但3个通道的耦合在实际应用中较难克服。采用“等同”或者“主从”的单一控例方式很难满足驱动精度要求。“主从方式”是指多个需要同步控制的执行元件以其中的一个执行器输出量为理想输入，其余的执行元件均跟踪这一选定的理想输入来达到同步驱动的方式。“等同方式”是指多个需要同步控制的执行元件同时跟踪同一理想输入。这两种同步控制方式在实际中都得到了应用。但仅限于各通道性能差异不大、工况简单、负载变化小的场合。对于具有工况条件复杂、负载多变的系统，由于各同步子通道间不确定性引起的制合和干扰作用已经不能忽略，因此单一的控制方式难以获得满意的同步控制效果。

8、机电作动器ema虽然在载荷承受极限上仍无法和电液作动器相比,但机电作动器结构更简单,没有液压油泄漏问题。在某些安装空间受限或工作行程要求较长的应用场合，例如飞机起落架收放、舱门收放等，常用的单级机电作动器因整体死结构长度较长而无法满足有限的安装空间要求，因而实用性较差。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种结构简单，安全可靠，分步作动可控性好，控制精度高，能够实现小安装空间，大工作行程的集中式分步作动多级机电作动器方案。有效解决常规单级机电作动器死结构长度长，安装空间受限的难题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种集中式分步作动多级机电作动器，包括：装配在缸筒3一侧端齿轮传动箱带有输出齿轮的一级伺服电机1及下端侧作为二级传动的二级伺服电机12，与所述输出齿轮进行啮合的主传动齿轮2，套装在主丝杠筒4上的主丝杠螺母6，在上并在缸筒3中作伸缩运动的一级活塞杆10，其特征在于：一级伺服电机1通过主传动齿轮2带动主丝杠筒4旋转，主丝杠筒4通过一级活塞杆10底部台阶孔镶嵌约束的主丝杠螺母6，带动主丝杠螺母6前置阶梯孔轴承容纳腔被双向推力角接触球轴承7后端面和副丝杠螺母9约束的副丝杠8，在二级活塞杆11运动腔中作轴向直线伸缩运动；二级伺服电机12通过副传动齿轮13啮合传动轴14轴端齿轮，传动轴14带动通过周向花键套合的副丝杠8一起作旋转运动，驱动副丝杠螺母9轴向运动，传动轴14通过伸出主丝杠筒4端口圆柱体外环面的周向花键啮合副丝杠8一起作同步转动，在集中式分步作动中，主丝杠筒4通过主丝杠螺母6，能被一级伺服电机1驱动，副丝杠8通过副丝杠螺母9，能被二级伺服电机12驱动而自由转动，分别形成两条相对独立的传动链，带动一级活塞杆10在缸筒3运动腔体中作直线伸缩运动，二级活塞杆11在一级活塞杆10运动腔体中作伸缩运动，对负载的速度、方向、位移、力进行控制，至少有两条传动链自由转动分步作动的通道。

3、

4、本发明相比于现有技术具有如下增益效果：

5、本发明采用装配在缸筒3一侧端齿轮传动箱带有输出齿轮的一级伺服电机1及下端侧作为二级伺服电机12，与所述输出齿轮进行啮合的主传动齿轮2，啮合主传动齿轮2的主丝杠筒4，通过主丝杠筒4装配的传动轴14，套装在主丝杠筒4上的主丝杠螺母6，镶嵌在主丝杠螺母6上并在缸筒3中作伸缩运动的一级活塞杆10，所构成的集中式分步作动多级机电作动器，结构简单，能够实现小安装空间。这种将伺服电机作为机电作动器系统的动力单元，仅分步作动可控性好，而且分步作动控制精度高；电动缸作为系统的执行机构，采用滚珠丝杠副传动，摩擦小、发热少、动态误差小，位置控制精确，安全可靠。

6、本发明通过在主丝杠螺母6上轴向装配可承受负载并能被驱动自由转动的副丝杠8，使主丝杠筒4能被一级伺服电机1驱动，副丝杠8能被二级伺服电机11分别驱动一级活塞杆10和二级活塞杆11伸缩运动，形成两条相对独立的传动链，大幅增加机电作动器工作行程，有效解决常规单级机电作动器死结构长度长，安装空间受限的难题。这种一级伺服电机1和二级伺服电机12也可分步分别驱动一级活塞杆10、二级活塞杆11作动，可以满足复杂的应用工况。能够在规定行程下大幅减小机电作动器结构长度，或在规定结构长度下大幅增加工作行程。

7、本发明采用主丝杠筒4能被一级伺服电机1驱动，通过主丝杠螺母6驱动自由转动的副丝杠8轴向运动，副丝杠8能被二级伺服电机12驱动而自由转动，分别形成一级活塞杆10和二级活塞杆11伸缩运动的两条相对独立的传动链。电机的输出轴通过减速机带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠将丝杆的转动转化为螺母的直线运动，与螺母相连的丝杆套，即电动缸的活塞杆便可输出直线位移。这种采用两个独立的电机-油泵组件，可以将伺服控制器/驱动器的输出指令信号转变为速度、位移、载荷等机械量，使同类共模故障概率大幅降低，提高了作动器的可靠性。另外，采用相互独立的故障监控、检测和故障切换装置，也可以较容易的借助计算机参与自监控，可避免复杂的力纷争和耦合解耦等问题，工程上较容易实现。