ЛИНЕЙНЫЙ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫМИ КОМПОНЕНТАМИ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ
LINEAR ACTUATOR, PARTICULARLY, FOR REMOTE CONTROL OF REGULATED COMPONENTS OF WIND TUNNEL MODELS

Изобретение относится к линейным исполнительным механизмам, в частности для дистанционного управления регулируемыми компонентами аэродинамических моделей, содержащим кожух и редукторный двигатель для привода шпинделя с резьбой, на котором имеется гайка, предназначенная для перемещения толкателя.
В моделях, которые используются для проведения испытаний в аэродинамических трубах, линейные исполнительные механизмы используются, например, для дистанционного управления регулируемыми компонентами, в частности аэродинамическими поверхностями, вентилями и т.п. Из-за высоких скоростей воздушных потоков в аэродинамических трубах исполнительные механизмы должны развивать значительные действующие усилия, причем одновременно требуется очень высокая точность позиционирования и повторяемости исполнительных механизмов для получения максимально возможных точностей испытаний. Далее, поскольку аэродинамические модели имеют сравнительно небольшие размеры, то линейные исполнительные механизмы также должны быть компактными. Кроме того, точность позиционирования и повторяемости линейных исполнительных механизмов не должна изменяться после выполнения большого числа рабочих ходов, поскольку положения аэродинамических поверхностей моделей, испытываемых в аэродинамических трубах, должны постоянно изменяться регулируемым образом в процессе проведения испытаний.
Известные конструкции линейных исполнительных механизмов не отвечают вышеуказанным требованиям, или отвечают им в недостаточной степени.
Таким образом, целью настоящего изобретения является создание линейного исполнительного механизма, в частности для дистанционного управления регулируемыми компонентами аэродинамических моделей, который создает очень большие действующие усилия, обеспечивая в то же время высокую точность позиционирования и повторяемости, и, кроме того, имеет малые размеры.
Цель изобретения достигается с помощью настоящего изобретения.
Поскольку шпиндель с резьбой соединяется с редукторным двигателем с помощью цепной передачи, причем шпиндель и редукторный двигатель установлены по существу параллельно и в противоположных направлениях, то предлагаемый в изобретении линейный исполнительный механизм имеет очень малые размеры и в то же время он создает очень большие действующие усилия при высокой точности позиционирования и повторяемости. Кроме того, линейный исполнительный механизм обеспечивает выполнение большого числа рабочих ходов без существенного снижения точности. Цепная передача также дает возможность разделить очень большие усилия, действующие на толкатель, и усилия, развиваемые редукторным двигателем.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения редукторный двигатель установлен с эксцентриситетом для обеспечения возможности натяжения цепи цепной передачи. В таком варианте обеспечивается возможность простого и удобного натяжения цепи цепной передачи без необходимости использования дополнительных устройств, например натяжителя цепи или других аналогичных устройств.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения цепь цепной передачи может быть натянута с помощью по меньшей мере одного натяжителя цепи. В этом случае обеспечивается дополнительная возможность натяжения цепи цепной передачи независимо от размещения с эксцентриситетом вала редукторного двигателя в кожухе линейного исполнительного механизма.
Предпочтительно использование по меньшей мере двух концевых выключателей для ограничения рабочего хода толкателя, причем концевые выключатели могут срабатывать от управляющего кулачка, имеющегося в зоне толкателя. В этом случае предотвращается повреждение линейного исполнительного механизма, когда предполагаемый ход толкателя является слишком большим.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения предусматривается установка каждого концевого выключателя на отдельном резьбовом стержне, так что концевые выключатели могут неограниченно перемещаться при вращении резьбовых стержней для регулирования рабочего хода. В этом случае конструкция особенно упрощается, однако при этом сохраняется возможность точной установки конечных положений толкателя.
В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения кожух содержит по меньшей мере один продольный направляющий элемент, в который входит по меньшей мере одна призматическая шпонка, установленная на толкателе с возможностью ее перемещения скольжением. В этом случае предотвращается вращение толкателя вокруг его продольной оси. Кроме того, по меньшей мере один продольный направляющий элемент вместе по меньшей мере с одной призматической шпонкой выполняет, по меньшей мере частично, функцию направления толкателя.
Предпочтительное улучшение изобретения предусматривает коаксиальное размещение шпинделя с резьбой в толкателе. Коаксиальное расположение толкателя и шпинделя с резьбой обеспечивает возможность точного направления толкателя в продольном направлении, а также возможность эффективной передачи усилия по центру между гайкой, установленной на шпинделе с резьбой, и толкателем. Кроме того, коаксиальная схема обеспечивает компактность конструкции.
На нижеприведенных чертежах показано:
фигура 1 - общий вид в перспективе предлагаемого в изобретении линейного исполнительного механизма;
фигура 2 - вид в перспективе линейного исполнительного механизма без кожуха;
фигура 3 - подробный вид линейного исполнительного механизма в разобранном виде.
Для одинаковых конструктивных элементов на чертежах используются одинаковые ссылочные обозначения.
На фигуре 1 представлен общий вид в перспективе предлагаемого в изобретении линейного исполнительного механизма 1.
Линейный исполнительный механизм 1 содержит, среди прочего, кожух 2 с двумя продольными направляющими элементами 3, 4, в которые входят призматические шпонки 5, 6, так что кожух может сдвигаться в продольном направлении. При таком устройстве длина направляющих элементов 3, 4 примерно соответствует рабочему ходу, который может быть обеспечен с помощью линейного исполнительного механизма 1. Кроме того, в кожухе 2 установлен натяжитель 7 цепи. Еще один натяжитель цепи, который не имеет ссылочного обозначения, установлен в задней части кожуха 2. В задней части 8 кожуха 2 имеется устройство 9 крепления для шарнирного прикрепления линейного исполнительного механизма 1 к опоре (не показана). В передней части 10 кожуха 2 имеется полый толкатель 11, содержащий вильчатый наконечник 12.
На фигуре 2 представлен вид в перспективе линейного исполнительного механизма 1 без кожуха 2.
С помощью цепной передачи 14 редукторный электродвигатель 13 вращает шпиндель с резьбой (на фигуре 2 закрыт другими элементами) для линейного перемещения толкателя 11. С помощью натяжителя 7 осуществляется натяжение цепи 15 цепной передачи 14. Для того чтобы не загромождать чертеж, на фигуре 2 вильчатый наконечник 12 на переднем конце 16 толкателя 11 не показан. Задний конец 17 толкателя 11 представляет собой расширенную часть 18 в форме полого цилиндра. Расширенная часть 18 используется, в частности, для установки в ней гайки с резьбой (на фигуре 2 также закрыта другими элементами). К расширенной части 18 прикреплены призматические шпонки, которые совместно с продольными направляющими элементами 3, 4 препятствуют вращению толкателя 11 вокруг продольной оси в процессе работы линейного исполнительного механизма 1 и в то же время выполняют функцию направления движения.
Кроме того, в кожухе 2 установлены два концевых выключателя 19, 20. Концевые выключатели 19, 20 установлены с возможностью скольжения на резьбовых стержнях 21, 22 с помощью крепежных элементов 23, 24. При вращении резьбовых стержней 21, 22 крепежные элементы 23, 24 скользят по резьбовым стержням 21, 22, так что в любом случае положения концевых выключателей 19, 20 могут регулироваться независимо друг от друга в продольном направлении для регулировки рабочего хода линейного исполнительного механизма 1.
С помощью управляющего кулачка 25, расположенного на расширенной части 18 толкателя 11, концевые выключатели 19, 20 активизируются в обоих конечных положениях толкателя 11, в результате чего ограничивается ход линейного исполнительного механизма 1. Редукторный двигатель 13 установлен в устройстве 26 крепления двигателя с эксцентриситетом, так что цепь 15 может быть натянута путем небольшого поворота редукторного двигателя 13 (в дополнение к действию натяжителя 7 цепи).
Может быть использован датчик положения вала, обеспечивающий получение абсолютной величины поворота, которая используется в устройстве контроля и/или управления (не показано) для определения с высокой точностью положения толкателя 11 в продольном направлении. Кроме того, с помощью устройства контроля и/или управления осуществляется управление скоростью вращения или вращающим моментом редукторного двигателя 13, предпочтительно с неограниченной возможностью регулирования, например, в соответствии с заранее полученными характеристическими диаграммами или другими эмпирическими зависимостями. В альтернативном варианте осуществления изобретения в линейном исполнительном механизме 1 вместо цепи 15 может также использоваться зубчатый приводной ремень, толкающий ремень или другой аналогичный приводной элемент для передачи мощности между шпинделем с резьбой и редукторным двигателем 13.
На фигуре 3 представлен подробный вид внутреннего устройства линейного исполнительного механизма 1 в разобранном виде.
В нижней части чертежа показан кожух 2 линейного исполнительного механизма 1 с продольными направляющими элементами 3, 4, натяжителем 7 цепи, а также с резьбовыми стержнями 21, 22 с крепежными элементами 23, 24 и концевыми выключателями 19, 20. Цепь 15 может быть натянута с помощью натяжителя 7 в дополнение к возможности натяжения цепи с помощью поворота на шарнире корпуса редукторного двигателя 13, который установлен в устройстве 26 крепления с эксцентриситетом. В результате действия управляющего кулачка 25 концевые выключатели 19, 20, установленные заранее в определенных позициях, срабатывают при прохождении толкателя 11, и, таким образом, рабочий ход толкателя 11 может быть надежно ограничен.
Шпиндель 27 с резьбой вращается редукторным двигателем 13 с помощью цепной передачи 14. Соответственно, гайка 28 перемещается по оси X, указанной ссылочным обозначением 29. Полый толкатель 11 установлен концентрично со шпинделем 27 с резьбой. Для того чтобы свести к минимуму механические люфты и, таким образом, обеспечить высокую точность позиционирования и повторяемости линейного исполнительного механизма 1, гайка 29 вместе со шпинделем 27 с резьбой выполнены в форме роликовинтовой передачи. При таком устройстве использование двух гаек, которые слегка затянуты по отношению друг к другу, и роликов с резьбой позволяет обеспечить очень высокую точность позиционирования гайки 28 с резьбой относительно шпинделя 27 с резьбой, причем люфты практически отсутствуют, так что в линейном исполнительном механизме 1 обеспечивается возможность перемещения толкателя 11 по оси Х с очень высокой механической точностью. Кроме того, коаксиальное расположение шпинделя 27 с резьбой в толкателе 11 обеспечивает эффективную передачу усилия, приложенного по существу по центру, между гайкой 28, установленной на шпинделе 27 с резьбой, и толкателем 11. Более того, коаксиальная схема обеспечивает возможность получения компактной конструкции всей конструкции линейного исполнительного механизма 1.
Гайка 28 размещается в расширенной части 18 толкателя 11 и зафиксирована в ней с помощью колпачка 30 с резьбой. Две призматические шпонки 5, 6 предотвращают вращение толкателя вокруг оси Х в результате вращения шпинделя 27 с резьбой и в то же время являются частью механизма направления толкателя 11.
В зоне передней части 10 кожуха 2 линейного исполнительного механизма 1 установлено переднее опорное устройство 31 для направления или опоры редукторного двигателя 13, а также толкателя 11 с вильчатым наконечником 12. Основными элементами переднего опорного устройства 31 являются пружинные кольца 32, 33, которые могут быть надежно зафиксированы в соответствующих канавках 34, 35 в зоне двух проемов, расположенных один над другим, в передней части 10 кожуха 2. Далее, пружинные кольца 32, 33 зажимаются в кожухе 2 между фланцами 36-39, которые соединяются с помощью винтов. Направление толкателя 11 в продольном направлении осуществляется с помощью подшипника 40, такого как, например, линейный шарикоподшипник или какой-либо другой линейный подшипник.
Заднее опорное устройство 41 в зоне задней части 8 кожуха 2 линейного исполнительного механизма 1 имеет такую же конструкцию, как и переднее опорное устройство 31. Точно так же пружинные кольца 42, 43 устанавливаются с надежной фиксацией в соответствующих кольцевых канавках (не показаны) в зоне двух проемов в задней части 8 кожуха 2. Далее, пружинные кольца 42, 43 зажимаются в кожухе 2 между фланцами 44-47, которые соединяются с помощью винтов.
Кроме того, в переднем и заднем опорных устройствах 31, 41, соответственно, устанавливаются плоские уплотнения (подробно не показаны) для уплотнения кожуха 2. Усилия в направлении оси Х в основном воспринимаются осевым шарикоподшипником 48, установленным в зоне заднего опорного устройства 41 и являющимся упорным подшипником.
Редукторный двигатель 49 расположен рядом со шпинделем 27 с резьбой параллельно шпинделю, причем они направлены в противоположные стороны, так что линейный исполнительный механизм в целом имеет очень компактную конструкцию, в частности малую длину. Такая схема обеспечивает разворот усилия, развиваемого редукторным двигателем 13, и направление его в противоположную сторону (антипараллельная схема). Однако вал 49 редукторного двигателя и шпиндель 27 с резьбой в геометрическом смысле параллельны друг другу. Таким образом, усилие, развиваемое редукторным двигателем 13, передается шпинделю 27 с резьбой под углом 180°.
В такой конструкции редуктор, встроенный в двигатель 13, имеет передаточное отношение 1:10, цепная передача 14 обеспечивает дальнейшее понижение, например, в отношении 1:2, а передаточного отношение между шпинделем 27 с резьбой и гайкой 28 может составлять, например, 1:5, так что общее передаточное отношение составляет 1:100. За счет такой очень большой понижающей передачи предлагаемый в изобретении линейный исполнительный механизм 1 может развивать очень большие усилия. В то же время благодаря использованию передачи, в которой используется шпиндель 27 с резьбой и гайка 28, достигается исключительно высокая точность позиционирования, в частности высокая точность позиционирования и повторяемости линейного перемещения толкателя 11 по оси X. Кроме того, при отказе редукторного двигателя обеспечивается автоматическая блокировка линейного исполнительного механизма, так что в этом случае силы, действующие на толкатель 11, не могут вызвать каких-либо неопределенных смещений регулируемых компонентов.
С помощью предлагаемого в изобретении линейного исполнительного механизма 1 может быть достигнута абсолютная погрешность позиционирования толкателя 11 в направлении оси X, не превышающая 0,01 мм при рабочем ходе толкателя от 50 мм до 100 мм. В такой конструкции могут быть получены действующие механические усилия позиционирования до 10000 ньютонов. При соответствующей конструкции шпинделя 27 с резьбой и гайки 28 могут быть достигнуты скорости перемещения толкателя в диапазоне 1-10 см/мин. Вышеуказанные характеристики могут быть воспроизведены линейным исполнительным механизмом на всем протяжении рабочего хода после совершения порядка миллиона рабочих ходов, так что предлагаемый в изобретении линейный исполнительный механизм хорошо подходит для использования в качестве конечного управляющего элемента для дистанционно управляемых компонентов аэродинамических моделей.
Перечень ссылочных обозначений
1 - линейный исполнительный механизм
2 - кожух
3 - продольный направляющий элемент
4 - продольный направляющий элемент
5 - призматическая шпонка
6 - призматическая шпонка
7 - натяжитель цепи
8 - задняя часть кожуха
9 - устройство крепления кожуха линейного исполнительного механизма
10 - передняя часть кожуха
11 - толкатель
12 - вильчатый наконечник
13 - редукторный двигатель
14 - цепная передача
15 - цепь
16 - передний конец толкателя
17 - задний конец толкателя
18 - расширенная часть толкателя
19 - концевой выключатель
20 - концевой выключатель
21 - резьбовой стержень
22 - резьбовой стержень
23 - крепежный элемент концевого выключателя
24 - крепежный элемент концевого выключателя
25 - управляющий кулачок
26 - устройство крепления редукторного двигателя
27 - шпиндель с резьбой
28 - гайка
29 - ось Х
30 - колпачок с резьбой
31 - переднее опорное устройство
32 - пружинное кольцо
33 - пружинное кольцо
34 - канавка
35 - канавка
36 - фланец
37 - фланец
38 - фланец
39 - фланец
40 - подшипник
41 - заднее опорное устройство
42 - пружинное кольцо
43 - пружинное кольцо
44 - фланец
45 - фланец
46 - фланец
47 - фланец
48 - аксиальный шарикоподшипник
49 - вал редукторного двигателя
50 - рабочий ход