一种集成式机电伺服机构制造技术

本发明专利技术涉及一种集成式机电伺服机构，由EHA作动器和EMA作动器两种不同原理的机电伺服机构与离合器共同组成冗余系统，通过离合器来实现两种伺服机构间的反复切换。其中EHA作动器、EMA作动器和离合器均采用模块化设计，各自功能独立；EHA作动器为对称缸结构，芯部中空；EMA作动器嵌入EHA作动器，实现两种伺服机构的系统并联；EMA作动器采用整体式自润滑自清洁结构设计，通过闭式液压循环系统实现了对EMA丝杠和轴承等重要部件的润滑和清洁，保证了伺服机构长时间工作的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种集成式机电伺服机构
本专利技术涉及一种机电伺服机构，特别是涉及一种大功率集成式异构冗余机电伺服机构，属于大功率高可靠性伺服

技术介绍
随着新材料、电机技术、控制学和先进制造技术等的发展，新型的功率电传(PowerByWire，PBW)伺服机构将可能完全取代传统的电液伺服机构，PBW伺服机构主要分为机电静压作动器(Electro-HydrostaticActuators,EHA)和机电作动器(Electro-MechanicalActuators，EMA)两种。EHA通过伺服电机控制恒量双向泵的转速和方向，由液压作动器推动负载实现位移输出。既有机电伺服可靠性高、节能和维护方便的特点，又因为采用了液压传动而具有出力大、传动可靠性高的优势。EMA通过控制电信号来控制驱动电机，并通过行星滚珠丝杠等机械传动装置来驱动负载，显著提高了伺服机构的效率、可维护性、可靠性及保障能力。传统大功率电液伺服机构采用液压能源+控制阀+执行机构的系统配置形式，其占地空间大，运行效率低，隔振降噪困难且控制阀抗污染能力差，即便能源、控制阀和执行机构实现了冗余设计，但由于采用相同的伺服机构原理，其失效模式相同，单一失效模式便会造成系统整体失效，系统层级可靠性不高。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服传统大功率电液伺服技术的不足，提供一种大功率集成式高可靠性机电伺服机构，具有占地空间小，运行效率高，低振动和噪音且抗污染能力强，长时间工作下高可靠性的特点。本专利技术的技术解决方案是：一种集成式机电伺服机构，包括：EMA作动器、EHA作动器以及离合器；EMA作动器嵌入EHA作动器的内部，离合器安装在EHA作动器的前端部，用于EMA作动器和EHA作动器的切换，EMA作动器、EHA作动器以及离合器均同轴安装。EHA作动器包括壳体前端盖、壳体后端盖、壳体、大活塞、支撑套、小活塞、第一内筒、第一防转键、第二防转键、第二内筒、EHA模拟位移传感器、EHA数字位移传感器；壳体后端盖、壳体、大活塞、支撑套、小活塞共同形成了无杆腔a、有杆腔b和补偿腔c，其中壳体后端盖、壳体和大活塞形成无杆腔a；壳体前端盖、壳体和大活塞形成有杆腔b；支撑套和小活塞形成有杆腔c；第一内筒通过第二防转键给小活塞导向，小活塞通过第一防转键给大活塞导向；小活塞与大活塞固连；壳体外部设置有EHA数字位移传感器，用于EHA位置闭环；EHA作动器前端通过法兰与离合器同轴安装，后端通过法兰与EMA作动器实现同轴安装，第二内筒中空，其芯部用于嵌入EMA作动器，第二内筒内还设置有EHA模拟位移传感器，用于EHA位置闭环。EHA作动器为对称缸结构。无杆腔a有效作用面积＝有杆腔b有效作用面积+补偿腔c有效作用面积。小活塞与大活塞固连，同步运动且不发生相对转动，保证离合器销轴与EMA作动器上对应的销孔不发生轴向位置错动。EHA模拟位移传感器和EHA数字位移传感器互为冗余。EMA作动器包括波纹管油箱、控制阀块、旋转变压器、EMA数字位移传感器、平键、主轴、背母、丝杠螺母、丝杆、前端导向套、锁紧锥销孔、力矩电机转子轴、EMA电机水套、锁紧螺母、主轴轴承、轴承座和丝杆转接座；力矩电机转子轴通过平键驱动主轴转动，丝杠螺母与主轴通过螺纹连接，并用背母进行锁紧传递扭矩，从而驱动丝杆直线运动；主轴轴承用于支撑主轴，并通过锁紧螺母提供预紧力；前端导向套设置有密封结构，与轴承座形成密闭腔，其中充满液压油；波纹管油箱提供系统背压和动态油液贮存空间；控制阀块上装有单向阀、加注活门、低压安全阀、油滤组件、排气阀和压力表，与波纹管油箱构成闭式液压循环系统；EMA电机水套通过冷却淡水对液压油进行散热；旋转变压器安装在电机转子轴上，与EMA数字位移传感器配合实现EMA作动器的位移闭环控制；丝杠锁紧锥销孔与离合器上锁紧销配合，用于传递负载力，丝杆转接座上设置的销孔与离合器上定位销配合，用于锁紧定位。在丝杆缩回行程中，丝杠左侧容腔A缩小，右侧容腔B变大，液压油从容腔A开始，依次流经电机转子轴所在电机和主轴轴承后，进入油滤组件，再通过单向阀最后回到波纹管油箱中进行储存。在丝杆伸出行程中，丝杠右侧容腔B缩小，左侧容腔A变大，波纹管油箱中储存的液压油通过单向阀进入容腔A，并依次流经电机转子轴所在电机、主轴轴承和丝杠后进入容腔B。丝杠伸缩过程形成液压油的循环往复，保证了丝杆的散热，同时，保证丝杠工作过程中产生的多余物均聚在油滤组件上，实现了液压油的清洁。液压油通过加注活门注入，低压安全阀保证压力稳定，通过充气嘴向波纹管油箱内充入氮气，以提供背压，排气阀用于在油液加注过程中排出多余空气，压力表用于监测压力。一种集成式机电伺服系统，包括：电源、伺服驱动控制器、动力集成单元以及所述机电伺服机构；电源为伺服驱动控制器和动力集成单元供电，伺服驱动控制器通过CAN数字总线或者模拟信号通路接收外部控制指令信号，控制动力集成单元驱动机电伺服机构，推动负载进行工作；机电伺服机构反馈位置信号给伺服驱动控制器，动力集成单元反馈电流信号和速度信号给伺服驱动控制器，从而实现伺服系统的闭环控制。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)本专利技术采用模块化设计，整套伺服机构包括EHA、EMA和离合器三部分，各部分功能独立，三者通过安装法兰及螺钉进行连接，交联环节少，具有良好的维护性。(2)本专利技术通过EHA与EMA两种大功率机电伺服机构并联式设计，实现了系统层面非相同原理伺服机构的冗余，EHA与EMA互为热备份，其失效模式不同，从而大大提升了系统的可靠性。(3)本专利技术通过离合器来实现EHA与EMA的无缝可靠切换，切换可逆，且切换过程中伺服机构始终处于受控状态。(4)本专利技术EHA伺服机构的作动器采用对称缸结构，作动器两腔容积相同，可以有效降低作动器的换向冲击，从而降低振动和噪声；作动器芯部为中空结构，为EMA的集成提供了有效的安装空间，从而节省了安装空间。(5)本专利技术EMA伺服机构采用整体式自润滑自清洁结构设计，通过闭式液压循环系统实现了对EMA丝杠和轴承等重要部件的润滑和清洁，保证了伺服机构长时间工作的可靠性。附图说明图1是大功率集成式高可靠性机电伺服系统配置图；图2是大功率集成式高可靠性机电伺服机构总体布局图；图3是EHA作动器结构示意图；图4是EMA作动器结构示意图；图5是EMA自润滑自清洁液压循环系统原理图。具体实施方式如图2所示，本专利技术提出了一种集成式机电伺服机构，包括：EMA作动器1、EHA作动器2以及离合器3；EMA作动器1嵌入EHA作动器2的内部，离合器3安装在EHA作动器2的前端部，用于EMA作动器1和EHA作动器2的切换，EMA作动器1、EHA作动器2以及离合器3均同轴安装，EMA作动器1、EHA作动器2和离合器3均采用模块化设计，功能相互独立，交联环节少，具有良好的维护性。如图3所示，本专利技术中涉及的EHA作动器2包括壳体前端盖20、壳体后端盖21、壳体22、大活塞23、支撑套24、小活塞25、第一内筒26、第一防转键27、第二防转键28、第二内筒29、EHA模拟位移传感器210、EHA数字位移传感器211；壳体后端盖21、壳体22、大活塞23、支撑套24、小活塞25共同形成了无杆腔a、有杆腔b和补偿腔c，其中壳体后端盖21、壳体22本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成式机电伺服机构，其特征在于包括：EMA作动器(1)、EHA作动器(2)以及离合器(3)；EMA作动器(1)嵌入EHA作动器(2)的内部，离合器(3)安装在EHA作动器(2)的前端部，用于EMA作动器(1)和EHA作动器(2)的切换，EMA作动器(1)、EHA作动器(2)以及离合器(3)均同轴安装。

【技术特征摘要】
1.一种集成式机电伺服机构，其特征在于包括：EMA作动器(1)、EHA作动器(2)以及离合器(3)；EMA作动器(1)嵌入EHA作动器(2)的内部，离合器(3)安装在EHA作动器(2)的前端部，用于EMA作动器(1)和EHA作动器(2)的切换，EMA作动器(1)、EHA作动器(2)以及离合器(3)均同轴安装。2.根据权利要求1所述一种集成式机电伺服机构，其特征在于：EHA作动器(2)包括壳体前端盖(20)、壳体后端盖(21)、壳体(22)、大活塞(23)、支撑套(24)、小活塞(25)、第一内筒(26)、第一防转键(27)、第二防转键(28)、第二内筒(29)、EHA模拟位移传感器(210)、EHA数字位移传感器(211)；壳体后端盖(21)、壳体(22)、大活塞(23)、支撑套(24)、小活塞(25)共同形成了无杆腔a、有杆腔b和补偿腔c，其中壳体后端盖(21)、壳体(22)和大活塞(23)形成无杆腔a；壳体前端盖(20)、壳体(22)和大活塞(23)形成有杆腔b；支撑套(24)和小活塞(25)形成有杆腔c；第一内筒(26)通过第二防转键(28)给小活塞(25)导向，小活塞(25)通过第一防转键(27)给大活塞(23)导向；小活塞(24)与大活塞(23)固连；壳体(22)外部设置有EHA数字位移传感器(211)，用于EHA位置闭环；EHA作动器(2)前端通过法兰与离合器(3)同轴安装，后端通过法兰与EMA作动器(1)实现同轴安装，第二内筒(29)中空，其芯部用于嵌入EMA作动器(1)，第二内筒(29)内还设置有EHA模拟位移传感器(210)，用于EHA位置闭环。3.根据权利要求2所述一种集成式机电伺服机构，其特征在于：EHA作动器(2)为对称缸结构。4.根据权利要求3所述一种集成式机电伺服机构，其特征在于：无杆腔a有效作用面积＝有杆腔b有效作用面积+补偿腔c有效作用面积。5.根据权利要求2所述一种集成式机电伺服机构，其特征在于：小活塞5与大活塞3固连，同步运动且不发生相对转动，保证离合器(3)销轴与EMA作动器(1)上对应的销孔不发生轴向位置错动。6.根据权利要求2所述一种集成式机电伺服机构，其特征在于：EHA模拟位移传感器(210)和EHA数字位移传感器(211)互为冗余。7.根据权利要求1所述一种集成式机电伺服机构，其特征在于：EMA作动器(1)包括波纹管油箱(11)、控制阀块(12)、旋转变压器(13)、EMA数字位移传感器(14)、平键(15)、主轴(16)、背母(17)、丝杠螺母(18)、丝杆(19)、前端导向套(110)、锁紧锥销孔(111)、力矩电机转子轴(112)、EMA电机水套(113)、锁紧螺母(114)、主轴轴承(115)、轴承座(116)和丝杆转接座(11...

【专利技术属性】
技术研发人员：何俊，郑波，张玉强，刘璐，周吉武，李瑶，
申请(专利权)人：北京精密机电控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11