一种串联式自锁定机电伺服机构的制作方法

本发明涉及一种串联式自锁定机电伺服机构，用于运载火箭液氢液氧发动机推力矢量控制。

背景技术：

伺服机构是运载火箭的重要设备或系统，用于实现各子级的推力矢量控制。国内外主要的运载火箭多使用以伺服阀为核心的电液伺服机构。我国目前的主力火箭长征三号甲系列一、二、三子级均采用电液伺服机构，其中三子级内部集成了液压锁紧机构，实现一、二级飞行段和三级滑翔段的摇摆发动机锁定功能。随着商业航天市场高密度发射需求的增多和市场竞争的加剧，新型运载火箭注重快速测试发射和批量生产能力。目前，我国新一代中型运载火箭计划将测试发射模式由三级(分级组装、分级测试、分级运输)改为三平(整体水平组装、整体水平测试、整体水平运输)，“三平”的特点是在技术厂房内将火箭水平整体组装、水平测试，测试完成后整体水平运输至发射阵地，然后起竖发射，可大大减少测发准备时间。传统电液伺服机构构成复杂，制造周期长，另外由于不可避免的微量泄漏，液压锁紧机构难于实现较大推力液体火箭发动机水平状态下的长时间零位锁定，难以满足批量生产和“三平”的需求。

近年来随着电驱动技术的发展，以伺服电机和丝杠传动机构为核心的机电伺服机构在航天领域得到了快速的发展，其具有构成较简单、制造周期短的特点。2012年首飞的欧洲“织女星”火箭的一至四级采用机电伺服机构，其一、二、三子级均采用固体发动机。固体火箭发动机有较好的零位保持能力，对零位锁紧没有特别的需求。2015年9月首飞的我国长征六号火箭三子级采用机电伺服机构，但发动机推力较小，伺服机构功率较低，只有几十瓦，设计上较容易实现。美国半人马座液氢液氧上面级单发动机构型采用机电伺服机构，但没有水平测试和使用方面的报道。大推力液体火箭发动机由于转动惯量大，在水平下测试的锁定力矩较大，需要设计专门的锁定机构；此外，其自身结构固有频率较低，需要采用合适的结构谐振抑制控制策略。在上述两个方面，机电伺服机构具有一定的优势。

本发明提出具有零位锁定功能的较大功率机电伺服机构的设计方案。针对零位自锁定功能的需求，采用具有独立电磁自锁定模块的串联式机电伺服机构，该伺服机构具有构成简单、外形尺寸小、能够在满足液体发动机狭小安装空间的情况下，实现可靠的零位锁定功能。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种串联式自锁定机电伺服机构，实现长时间大扭矩零位锁定功能。

本发明的技术解决方案是：

一种串联式自锁定机电伺服机构，该机电伺服机构采用串联式布局，从前到后依次为同轴布置的前支耳(1)、作动器组件(2)、自锁定模块(3)、伺服电机(4)和后支耳(5)；

前支耳(1)与作动器组件(2)通过前支耳(1)上设置的螺纹进行连接，作动器组件(2)、自锁定模块(3)、伺服电机(4)和后支耳(5)通过螺钉同轴串联连接；

伺服电机(4)接收驱动信号，输出变方向、变转速的旋转运动，作动器组件(2)将旋转运动转化为直线运动，并测量位移参数，自锁定模块(3)在断电状态下锁定伺服电机(4)的电机轴，实现伺服机构输出位置的锁定。

进一步的，所述自锁定模块(3)包括电磁锁(31)、紧定螺钉(32)、传动轴组件(33)、锁紧小螺母(34)、前端壳体(35)、电连接器组件(36)、第一套筒(37)、平键(38)以及调整垫片(39)；

电磁锁(31)的定子通过螺钉固定在传动轴组件(33)上，电磁锁(31)的动片通过紧定螺钉(32)安装在第一套筒(37)上；第一套筒(37)通过平键(38)与传动轴组件(33)实现机械连接；通过更换不同厚度的调整垫片(39)，调节电磁锁锁定间隙a，锁定间隙a调定后，利用两个锁紧小螺母(34)轴向锁紧固定电磁锁(31)的动片，电磁锁(31)的电源线与电连接器(36)焊接连接；前端壳体(35)通过螺钉与传动轴组件(33)进行连接，提供自锁定模块(3)前端的对外接口。

进一步的，传动轴组件(33)包括：传动轴(331)、锁紧大螺母(332)、角接触轴承(333)、第二套筒(334)以及后端壳体(335)；

传动轴(331)输入端利用机械接口与伺服电机(4)连接，输出端与作动器组件(2)连接；一对角接触轴承(333)内圈被两个锁紧大螺母(332)固定在传动轴(331)上，角接触轴承(333)外圈被第二套筒(334)固定在后端壳体(335)上，使传动轴(331)相对与后端壳体(335)轴向固定并可以自由旋转。

进一步的，所述作动器组件(2)包括丝杠(21)、丝杠螺母(22)、输出顶杆(23)、角接触轴承(24)、丝杠锁紧螺母(25)、滑动轴承(26)、顶杆锁紧螺母(27)以及作动器壳体(28)；

丝杠(21)输入端利用机械接口与传动轴(331)连接，输出端与丝杠螺母(22)连接；一对角接触轴承(24)内圈被两个丝杠锁紧螺母(25)固定在丝杠(21)上，角接触轴承(24)外圈被自锁定模块(3)固定在作动器壳体(28)上，使丝杠(21)相对与作动器壳体(28)轴向固定并可以自由旋转；丝杠螺母(22)外侧利用机械接口与输出顶杆(23)连接，并被顶杆锁紧螺母(27)轴向固定，丝杠螺母(22)内侧与丝杠(21)采用螺纹连接，在丝杠(21)旋转时，丝杠螺母(22)直线运动，实现运动模式的转换，进一步丝杠螺母(22)推动或拉动丝杠顶杆(23)作直线运动输出，滑动轴承(26)用于支撑丝杠顶杆(23)承受负载径向力。

进一步的，所述电磁锁(31)包括电源线(311)、线圈(312)、永磁体(313)、衔铁(314)、簧片(315)以及转子(316)；

在电源线(311)未接通外部电源时，永磁体(313)吸引衔铁(314)紧贴在定子表面，实现锁定；在电源线(311)接通外部电源时，线圈(312)通过电流，产生与永磁体(313)相反方向的电磁场，使定子对外失去磁性，衔铁(314)在簧片(315)的拉力下脱离定子表面，实现解锁，簧片(315)连接衔铁(314)和转子(316)，转子(316)与锁定转轴连接，实现对外锁定与解锁。

进一步的，自锁定模块(3)具有独立接口结构，通过后端壳体(335)的止口结构与伺服电机实现同轴串联连接；通过前端壳体(35)串联连接作动器组件组成串联式伺服机构，或并联连接作动器组件组成并联式伺服机构。

进一步的，传动轴(331)具有输入输出接口，其接口形式可采用平键连接、花键连接、法兰连接或矩形接口。

进一步的，前支耳(1)与作动器组件(2)采用螺纹连接，通过调节螺纹旋入的长度微调伺服机构安装长度；通过更换不同的后支耳(5)大范围调节伺服机构的安装长度；前支耳(1)和后支耳(5)采用关节轴承与销轴配合的方式进行安装，以适应一定的安装角度偏差。

进一步的，不同锁定力矩的电磁锁(31)，通过作动器组件转换实现不同锁定力。

进一步的，该自锁定机电伺服机构采用串联式结构使整体外形包络呈长柱状，最大截面尺寸不超过125mm×83mm。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用伺服电机、自锁定模块和作动器组件的串联式布局结构，取消中间齿轮减速机构，减少传动间隙，避免齿轮卡死故障，同时使伺服机构外形修长，更加适合应用于具有狭长安装空间的液体火箭发动机；

(2)本发明针对零位锁定需求在机电伺服机构内引入电磁锁，在现有机电伺服锁定结构中，采用制动器直接锁定电机轴的结构，该结构设计简单、能够实现一定的锁定需求，但由于伺服电机在设计时为保证电机转子的运行平稳需保证电机转子轴具有一定的轴向活动空间，这种转子轴的窜动会影响永磁式制动器锁定效果，甚至出现不能锁定的情况。因此本发明采用具有独立传动结构的自锁定模块，在不影响电机转子轴窜动空间的情况下实现电机轴的锁定功能。

(3)本发明在以往应用永磁摩擦片式制动器的应用中，制动器锁定气隙的调节多采用定子下整体调整垫片的方式调节气隙，这种方式操作复杂，本发明通过增加连接套筒的方式实现单侧精准制动间隙调节，使制动器锁定结构更加可靠。

(4)本发明中采用的自锁定的模块具有独立接口结构，可实现单独装配调试，与伺服电机接口进行一定的通用化后，可实现与伺服电机的模块化配套关系，在配备不同制动器的情况下，可系列化锁定力矩的伺服电机应用。

附图说明

图1串联式自锁定机电伺服机构原理图；

图2串联式伺服机构结构图；

图3自锁定模块结构图；

图4作动器组件结构图；

图5传动轴组件结构图；

图6传动轴接口形式说明图；

图7电磁锁原理图。

具体实施方式

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。

本发明提出一种串联式自锁定机电伺服机构，主要由伺服电机、自锁定模块和作动器组件等三部分组成，整体布局结构图如图1和2所示，自锁定模块结构如图3所示，作动器组件如图4所示。

本发明主要有如下特点：

1.采用伺服电机、自锁定模块和作动器组件的串联式布局结构，取消中间齿轮减速机构，减少传动间隙，避免齿轮卡死故障，同时使伺服机构外形修长，更加适合应用于具有狭长安装空间的液体火箭发动机；

2.针对零位锁定需求在机电伺服机构内引入永磁摩擦片式制动器(电磁锁)，在现有机电伺服锁定结构中，采用制动器直接锁定电机轴的结构，该结构设计简单、能够实现一定的锁定需求，但由于伺服电机在设计时为保证电机转子的运行平稳需保证电机转子轴具有一定的轴向活动空间，这种转子轴的窜动会影响永磁式制动器锁定效果，甚至出现不能锁定的情况。因此本发明采用具有独立传动结构的自锁定模块，在不影响电机转子轴窜动空间的情况下实现电机轴的锁定功能。

3.在以往应用永磁摩擦片式制动器的应用中，制动器锁定气隙的调节多采用定子下整体调整垫片的方式调节气隙，这种方式操作复杂，本发明通过增加连接套筒的方式实现单侧精准制动间隙调节，使制动器锁定结构更加可靠。

4.在本发明中采用的自锁定的模块具有独立接口结构，可实现单独装配调试，与伺服电机接口进行一定的通用化后，可实现与伺服电机的模块化配套关系，在配备不同制动器的情况下，可系列化锁定力矩的伺服电机应用。

具体的，如图1和图2所示，本发明提出的一种串联式自锁定机电伺服机构，该机电伺服机构采用串联式布局，从前到后依次为同轴布置的前支耳1、作动器组件2、自锁定模块3、伺服电机4和后支耳5；

前支耳1与作动器组件2通过前支耳1上设置的螺纹进行连接，作动器组件2、自锁定模块3、伺服电机4和后支耳5通过螺钉同轴串联连接；

伺服电机4接收驱动信号，输出变方向、变转速的旋转运动，作动器组件2将旋转运动转化为直线运动，并测量位移参数，自锁定模块3在断电状态下锁定伺服电机4的电机轴，实现伺服机构输出位置的锁定。

如图3所示，自锁定模块3包括电磁锁31、紧定螺钉32、传动轴组件33、锁紧小螺母34、前端壳体35、电连接器组件36、第一套筒37、平键38以及调整垫片39；

电磁锁31的定子通过螺钉固定在传动轴组件33上，电磁锁31的动片通过紧定螺钉32安装在第一套筒37上；第一套筒37通过平键38与传动轴组件33实现机械连接；通过更换不同厚度的调整垫片39，调节电磁锁锁定间隙a，锁定间隙a调定后，利用两个锁紧小螺母34轴向锁紧固定电磁锁31的动片，电磁锁31的电源线与电连接器36焊接连接；前端壳体35通过螺钉与传动轴组件33进行连接，提供自锁定模块3前端的对外接口。

如图5所示，传动轴组件33包括：传动轴331、锁紧大螺母332、角接触轴承333、第二套筒334以及后端壳体335；

传动轴331输入端利用机械接口与伺服电机4连接，输出端与作动器组件2连接；一对角接触轴承333内圈被两个锁紧大螺母332固定在传动轴331上，角接触轴承333外圈被第二套筒334固定在后端壳体335上，使传动轴331相对与后端壳体335轴向固定并可以自由旋转。

如图4所示，作动器组件2包括丝杠21、丝杠螺母22、输出顶杆23、角接触轴承24、丝杠锁紧螺母25、滑动轴承26、顶杆锁紧螺母27以及作动器壳体28；

丝杠21输入端利用机械接口与传动轴331连接，输出端与丝杠螺母22连接；一对角接触轴承24内圈被两个丝杠锁紧螺母25固定在丝杠21上，角接触轴承24外圈被自锁定模块3固定在作动器壳体28上，使丝杠21相对与作动器壳体28轴向固定并可以自由旋转；丝杠螺母22外侧利用机械接口与输出顶杆23连接，并被顶杆锁紧螺母27轴向固定，丝杠螺母22内侧与丝杠21采用螺纹连接，在丝杠21旋转时，丝杠螺母22直线运动，实现运动模式的转换，进一步丝杠螺母22推动或拉动丝杠顶杆23作直线运动输出，滑动轴承26用于支撑丝杠顶杆23承受负载径向力。

如图7所示，电磁锁31包括电源线311、线圈312、永磁体313、衔铁314、簧片315以及转子316；

在电源线311未接通外部电源时，永磁体313吸引衔铁314紧贴在定子表面，实现锁定；在电源线311接通外部电源时，线圈312通过电流，产生与永磁体313相反方向的电磁场，使定子对外失去磁性，衔铁314在簧片315的拉力下脱离定子表面，实现解锁，簧片315连接衔铁314和转子316，转子316与锁定转轴连接，实现对外锁定与解锁。不同锁定力矩的电磁锁31，通过作动器组件转换实现不同锁定力。

自锁定模块3具有独立接口结构，通过后端壳体335的止口结构与伺服电机实现同轴串联连接；通过前端壳体35串联连接作动器组件组成串联式伺服机构，或并联连接作动器组件组成并联式伺服机构。

如图6所示，传动轴331具有输入输出接口，其接口形式可采用平键连接、花键连接、法兰连接或矩形接口。

前支耳1与作动器组件2采用螺纹连接，通过调节螺纹旋入的长度微调伺服机构安装长度；通过更换不同的后支耳5大范围调节伺服机构的安装长度；前支耳1和后支耳5采用关节轴承与销轴配合的方式进行安装，以适应一定的安装角度偏差。

该自锁定机电伺服机构采用串联式结构使整体外形包络呈长柱状，最大截面尺寸不超过125mm×83mm。

实施例：

本实施例给出一种串联式自锁定机电伺服机构，如图1所示，串联式自锁定机电伺服机构，伺服电机4接收驱动信号，输出变方向、变转速的旋转运动，丝杠21和丝杠螺母22将旋转运动转化为直线运动，并经过丝杠顶杆23输出；电磁锁31在断电状态下锁定传动轴331，实现伺服机构输出位置的锁定；

如图2所示，串联式自锁定机电伺服机构，前支耳1与作动器组件2通过前支耳1上设置的螺纹进行连接，作动器组件2、自锁定模块3、伺服电机4和后支耳5通过螺钉同轴串联连接；通过调节前支耳1与作动器组件2之间螺纹的旋入长度可微调伺服机构的总体安装长度，通过更换不同长度的后支耳5可适用于不同的安装长度；前支耳1和后支耳5安装接口采用关节轴承与销轴配合的方式，关节轴承具有3个方向的旋转自由度，能够适应安装过程中的角度偏差。

如图3所示，电磁锁31的定子通过螺钉固定在传动轴组件33上，电磁锁31的动片通过紧定螺钉32安装在第一套筒37上；第一套筒37通过平键38与传动轴组件33实现机械连接；通过更换不同厚度的调整垫片39，调节电磁锁锁定间隙a，锁定间隙a调定后，利用两个锁紧小螺母34轴向锁紧固定电磁锁31的动片，电磁锁31的电源线与电连接器36焊接连接；前端壳体35通过螺钉与传动轴组件33进行连接，提供自锁定模块3前端的对外接口。

如图4所示，丝杠21输入端利用机械接口与传动轴331连接，输出端与丝杠螺母22连接；一对角接触轴承24内圈被两个丝杠锁紧螺母25固定在丝杠21上，角接触轴承24外圈被自锁定模块3固定在作动器壳体28上，使丝杠21相对与作动器壳体28轴向固定并可以自由旋转；丝杠螺母22外侧利用机械接口与输出顶杆23连接，并被顶杆锁紧螺母27轴向固定，丝杠螺母22内侧与丝杠21采用螺纹连接，在丝杠21旋转时，丝杠螺母22直线运动，实现运动模式的转换，进一步丝杠螺母22推/拉动丝杠顶杆23作直线运动输出，滑动轴承26用于支撑丝杠顶杆23承受负载径向力。

如图5和图6所示，传动轴331输入端利用机械接口与伺服电机4连接，输出端与作动器组件2连接，其中接口形式可采用平键连接、花键连接、法兰连接或矩形接口等形式；一对角接触轴承333内圈被两个锁紧大螺母332固定在传动轴331上，角接触轴承333外圈被第二套筒334固定在后端壳体335上，使传动轴331相对与后端壳体335轴向固定并可以自由旋转。

如图7所示，电磁锁31在电源线311未接通外部电源时，永磁体313吸引衔铁314紧贴在定子表面，实现锁定；在电源线311接通外部电源时，线圈312通过电流，产生与永磁体313相反方向的电磁场，使定子对外失去磁性，衔铁314在簧片315的拉力下脱离定子表面，实现解锁，簧片315连接衔铁314和转子316，转子316与锁定转轴连接，实现对外锁定与解锁。