一种传动机构模糊卡塞故障强制解锁机电作动器及方法与流程

1.本发明涉及一种机电作动器，特别涉及一种传动机构模糊卡塞故障强制解锁机电作动器。


背景技术：

2.传统的机电作动器中，滚珠或滚柱丝杠是将电机的旋转运动转化为直线运动的重要传动机构，具有高效率和高精密的传动特点。在传统应用领域中，传动机构的失效形式主要包括：断裂、效率降低、旋转和直线伸缩距离不匹配，导程不稳定等等。然而，面向航天领域的滚珠丝杠通常具有高速、高频和高过载的使用特点。在航天特殊使用工况下，传动机构的失效形式与传统应用领域有所不同，滚珠或滚柱卡塞、卡滞是航天领域较为典型的故障失效形式。
3.从国内外的专利来看，解除卡塞或卡滞故障的直线式机电作动器原理多数基于余度设计考虑，采用两套滚珠丝杠副或滚柱丝杠副，导致机构重量体积显著增加，功率密度严重下降。现有传动机构卡塞解锁技术方案是，丝杠副的故障必须是完全卡死，伺服电机才能利用卡死点传递转矩至壳体进行故障解除，但通常情况下丝杠副可能存在“卡滞、假卡塞”的问题，现有技术方案无法对这种模糊情况进行解除。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种传动机构模糊卡塞故障强制解锁机电作动器，该机电作动器最大特点是无论“卡塞或卡滞”可强制进行故障隔离，在机电作动器的体积重量不增加基础上，实现故障后安全。
5.本发明的技术解决方案是：
6.一种传动机构模糊卡塞故障强制解锁机电作动器，包括：双向电磁制动组件、周向旋转壳体组件、轴向花键承载组件以及机电作动器组件；
7.所述的机电作动器组件、双向电磁制动组件、周向旋转壳体组件、轴向花键承载组件依次布置于同一轴线上，轴向花键承载组件安装于周向旋转壳体组件的内部，构成往复直线运动，且轴向花键承载组件与机电作动器组件的输出转轴连接，构成螺旋传动副；双向电磁制动组件通过主动通电控制同时产生径向和轴向吸合力，使得周向旋转壳体组件脱开与机电作动器组件的固定连接，作出旋转运动，进而迫使轴向花键承载组件与机电作动器组件的连接作用失效，强制解除机电作动器组件中的转子丝杆与轴向花键承载组件的传动机构卡塞或卡滞故障。
8.进一步的，双向电磁制动组件包括：轴向磁性转子、浮动磁性定子、电磁线圈定子、弹簧、固定螺钉以及磁性钢球；
9.周向旋转壳体组件包括：周向旋转轴承座和作动器壳体；
10.轴向花键承载组件包括：轴向花键螺母和轴向花键筒；
11.机电作动器组件包括：丝杠支承轴承、转子丝杆、前端盖、前支耳、伺服电机以及后
支耳；
12.双向电磁制动组件的电磁线圈定子固定于周向旋转轴承座上，轴向磁性转子固定于转子丝杆上；
13.当主动通电控制时，电磁线圈定子轴向吸合浮动磁性定子和轴向磁性转子，使得磁性定子、轴向磁性转子与转子丝杆固联为一体；电磁线圈定子径向吸合磁性钢球，钢球压缩弹簧进入周向旋转轴承座所在的凹槽，使得周向旋转轴承座脱开与伺服电机壳体的周转连接，固定螺钉限制钢球向外侧运动，使得弹簧一直构成预压状态；
14.轴向花键螺母与转子丝杆安装在同一轴线上，转子丝杆定轴旋转时，经过螺旋传动使得轴向花键螺母作直线运动；周向旋转轴承座支撑转子丝杆的轴承旋转；
15.轴向花键螺母外侧圆周设有凸起状花键，与轴向花键筒的圆周内侧花键槽轴向连接；轴向花键筒与前支耳螺纹连接成一体，用于与外部的机架安装；丝杠支承轴承、转子丝杆、作动器壳体、前端盖、前支耳、伺服电机、后支耳依次安装在同一轴线上。
16.进一步的，周向旋转轴承座与转子丝杆之间的相对旋转运动采用丝杠支承轴承连接。
17.进一步的，轴向花键螺母外侧面中间段设有的凸起状花键为矩形花键，当轴向花键螺母与转子丝杆正常啮合传动时，轴向花键螺母外侧面中间段的若干矩形花键与轴向花键筒内壁设有的花键槽配合连接，使得两者只能做轴向往复移动。
18.进一步的，当轴向花键筒被作动器壳体驱动旋转时，使得轴向花键螺母上的矩形花键与轴向花键筒内侧的花键槽脱开连接。
19.进一步的，轴向花键螺母与转子丝杆发生卡塞或卡滞时，双向电磁制动组件主动通电控制，作动器壳体驱动轴向花键筒旋转一定角度，迫使轴向花键筒与轴向花键螺母脱开轴向连接。
20.进一步的，轴向花键螺母外侧设有凸起方形块，在作动器壳体的滑槽内往复移动；该凸起方形块的凸起高度大于轴向花键螺母外侧设有的凸起状花键的高度。
21.进一步的，轴向花键筒侧面设有扇形缺口，用于避开与轴向花键螺母设有凸起方形块的几何干涉。
22.进一步的，所述机电作动器组件还包括线位移传感器，当机电作动器组件的线位移传感器反馈滚珠丝杠副旋转与直线位移距离不一致后，判定发生卡塞、卡滞或松动故障。
23.进一步的，本发明还提出一种传动机构模糊卡塞故障强制解锁方法，步骤如下：
24.步骤一、当机电作动器组件的线位移传感器反馈滚珠丝杠副旋转与直线位移距离不一致后，判定发生卡塞、卡滞或松动故障；
25.步骤二、双向电磁制动组件主动通电控制，电磁线圈定子轴向吸合浮动磁性定子和轴向磁性转子，使得浮动磁性定子和轴向磁性转子与转子丝杆固联为一体；
26.步骤三、电磁线圈定子径向吸合磁性钢球，钢球压缩弹簧进入周向旋转轴承座上设置的凹槽，使得周向旋转轴承座脱开与伺服电机壳体的周转连接；
27.步骤四、作动器壳体驱动轴向花键筒旋转一定角度，迫使轴向花键筒与轴向花键螺母脱开轴向连接，进而迫使轴向花键承载组件的连接作用失效，强制解除转子丝杆与轴向花键螺母的传动机构卡塞和卡滞故障，从而使得轴向花键筒与前支耳成为浮动状态。
28.本发明与现有技术相比的有益效果是：
29.(1)本发明提出的一种传动机构模糊卡塞故障强制解锁机电作动器技术方案，解决滚珠丝杠机电作动器卡塞或卡滞后能够利用伺服电机输出转矩进行故障隔离，实现作动器故障后安全，同时也可以再次利用两个线位移传感器配合实现故障后工作。
30.(2)本发明提出的一种传动机构模糊卡塞故障强制解锁机电作动器技术方案，利用双向控制电磁制动器实现两个方向的动力切换，保证了机电作动器的高功率密度要求，不会显著增加重量和体积。
31.(3)本发明提出的一种传动机构模糊卡塞故障强制解锁机电作动器技术方案，解决了滚柱或滚珠丝杠可能存在“卡滞、假卡塞”的问题，能够强制进行故障解除和隔离。
32.(4)本发明提出的一种传动机构模糊卡塞故障强制解锁机电作动器技术方案，巧妙利用了伺服电机大转矩输出特点，采用共同的动力源，对卡塞、卡滞点进行强制解除，该思想可借用到其他作动器中。
33.(5)本发明提出的一种传动机构模糊卡塞故障强制解锁机电作动器技术方案，能够拓展应用到高可靠、高安全作动技术领域，例如民用客机主飞行操纵面、战斗机辅助飞行操纵面、发动机推力矢量控制、天地往返可重复使用飞行器飞行操纵面等，具有更为广阔的应用前景。
附图说明
34.图1是本发明实施例提供的传动机构模糊卡塞故障强制解锁机电作动器内部组成结构图；
35.图2是本发明实施例提供的轴向花键承载组件内部剖面图；
36.图3是本发明实施例提供的双向电磁制动组件内部剖面图；
37.图4是本发明实施例提供的轴向花键筒外观示意图；
38.图5是本发明实施例提供的轴向花键螺母外观示意图。
具体实施方式
39.下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
40.针对现有技术方案无法对“卡滞、卡塞”这种模糊情况进行解除的情况，本发明提出一种传动机构模糊卡塞故障强制解锁机电作动器，该机电作动器主要包括：双向电磁制动组件、周向旋转壳体组件、轴向花键承载组件以及机电作动器组件；
41.所述的机电作动器组件、双向电磁制动组件、周向旋转壳体组件、轴向花键承载组件依次布置于同一轴线上，轴向花键承载组件安装于周向旋转壳体组件的内部，构成往复直线运动，且轴向花键承载组件与机电作动器组件的输出转轴连接，构成螺旋传动副；双向电磁制动组件通过主动通电控制同时产生径向和轴向吸合力，使得周向旋转壳体组件脱开与机电作动器组件的固定连接，作出旋转运动，进而迫使轴向花键承载组件与机电作动器组件的连接作用失效，强制解除机电作动器组件中的转子丝杆与轴向花键承载组件的传动机构卡塞或卡滞故障。
42.如图1所示，本发明中双向电磁制动组件包括：轴向磁性转子1、浮动磁性定子2、电磁线圈定子3、弹簧4、固定螺钉5以及磁性钢球6；周向旋转壳体组件包括：周向旋转轴承座7和作动器壳体12；轴向花键承载组件包括：轴向花键螺母10和轴向花键筒11；机电作动器组
件包括：丝杠支承轴承8、转子丝杆9、前端盖13、前支耳14、伺服电机15以及后支耳16。
43.双向电磁制动组件的电磁线圈定子3固定于周向旋转轴承座7上，轴向磁性转子1固定于转子丝杆9上；
44.如图3所示，当主动通电控制时，电磁线圈定子3轴向吸合浮动磁性定子2和轴向磁性转子1，使得磁性定子2、轴向磁性转子1与转子丝杆9固联为一体；电磁线圈定子3径向吸合磁性钢球6，钢球6压缩弹簧4进入周向旋转轴承座7所在的凹槽，使得周向旋转轴承座7脱开与伺服电机15壳体的周转连接，固定螺钉5限制钢球6向外侧运动，使得弹簧4一直构成预压状态；
45.如图2所示，轴向花键螺母10与转子丝杆9安装在同一轴线上，转子丝杆9定轴旋转时，经过螺旋传动使得轴向花键螺母10作直线运动；周向旋转轴承座7支撑转子丝杆9的轴承旋转；
46.轴向花键螺母10外侧圆周设有凸起状花键，与轴向花键筒11的圆周内侧花键槽轴向连接；轴向花键筒11与前支耳14螺纹连接成一体，用于与外部的机架安装；丝杠支承轴承8、转子丝杆9、作动器壳体12、前端盖13、前支耳14、伺服电机15、后支耳16依次安装在同一轴线上。
47.周向旋转轴承座7与转子丝杆9之间的相对旋转运动采用丝杠支承轴承8连接。
48.如图4和图5所示，轴向花键螺母10外侧面中间段设有的凸起状花键为矩形花键，当轴向花键螺母10与转子丝杆9正常啮合传动时，轴向花键螺母10外侧面中间段的若干矩形花键与轴向花键筒11内壁设有的花键槽配合连接，使得两者只能做轴向往复移动。
49.当轴向花键筒11被作动器壳体12驱动旋转时，使得轴向花键螺母10上的矩形花键与轴向花键筒11内侧的花键槽脱开连接。
50.轴向花键螺母10与转子丝杆9发生卡塞或卡滞时，双向电磁制动组件主动通电控制，作动器壳体12驱动轴向花键筒11旋转一定角度，迫使轴向花键筒11与轴向花键螺母10脱开轴向连接。
51.如图4和图5所示，轴向花键螺母10外侧设有凸起方形块，在作动器壳体12的滑槽内往复移动；该凸起方形块的凸起高度大于轴向花键螺母10外侧设有的凸起状花键的高度。
52.轴向花键筒11侧面设有扇形缺口，用于避开与轴向花键螺母10设有凸起方形块的几何干涉。
53.优选的，本发明中所述机电作动器组件还包括线位移传感器，当机电作动器组件的线位移传感器反馈滚珠丝杠副旋转与直线位移距离不一致后，判定发生卡塞、卡滞或松动故障。
54.工作原理：
55.当机电作动器的线位移传感反馈滚珠丝杠副旋转与直线位移距离不一致后，判定发生卡塞、卡滞、松动等故障。而后，双向电磁制动组件主动通电控制，此时，电磁线圈定子轴向吸合浮动磁性定子2和轴向磁性转子1，使得磁性定子2和轴向磁性转子1与转子丝杆9固联为一体；电磁线圈定子径向吸合磁性钢球6，钢球6压缩弹簧4进入周向旋转轴承座7上设置的凹槽，使得周向旋转轴承座7脱开与伺服电机15壳体的周转连接，作动器壳体12驱动轴向花键筒11旋转一定角度，迫使轴向花键筒11与轴向花键螺母10脱开轴向连接，进而迫
使轴向花键承载组件的连接作用失效，强制解除转子丝杆9与轴向花键螺母10的传动机构卡塞和卡滞故障，从而使得轴向花键筒11与前支耳14成为浮动状态。
56.实施例：
57.本发明提供的一种传动机构模糊卡塞故障强制解锁机电作动器实施方案，当作动器直线推力达到30kn时，伺服电机解锁转矩应当不小于20nm，钢球直径不小于5mm，轴向向电磁制动器吸合力不小于20nm，径向电磁制动器吸合力不小于5nm，按照此实施案例能够实现当传动机构发生模糊卡塞故障时，强制进行解锁达到安全效果。
58.本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。