АКТУАТОР ДЛЯ НЕЗАВИСИМЫХ ИЛИ СОВМЕСТНЫХ ПОСТУПАТЕЛЬНЫХ И УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Полезная модель относится к области электротехники и может применяться в приводах подачи станков, грузоподъемных машин, станков с ЧПУ, 3D-принтеров, робототехнике, двигателестроении, при создании лабораторных манипуляторов, вентильных задвижек и других областях, требующих выполнения одновременно или попеременно возвратно-поступательного и/или вращательного движения рабочего органа. Заявляемый актуатор для независимых или совместных поступательных и угловых перемещений представляет собой электромеханическое исполнительное устройство - электропривод для регулирующей или управляющей системы.
Известны различные конструкции электроприводов, имеющие либо встроенную в полый ротор несоосную передачу винт-гайка, либо жестко связанные параллельные передачи винт-гайка, либо передачу с электромагнитной связью (SU 1410215).
Однако, для таких электроприводов характерны недостаточные динамичность, точность, плавность хода, и как следствие надежность.
Известен электропривод, содержащий два электродвигателя, в полых роторах которых размещены винтовые передачи, винты которых жестко соединены между собой, а гайки жестко соединены с роторами (SU 955375).
В данном известном электроприводе электродвигатели закреплены на одном основании, а их винты расположены параллельно, соединены общей перемычкой и имеют равные ходы. При этом скорости электродвигателей синхронизированы. При синхронном вращении роторов в противоположных направлениях происходит линейное перемещение винтов (без вращения), что обусловлено наличием жесткой связи между винтами. Для известного электродвигателя характерны ограниченная величина хода, недостаточная динамичность, точность и надежность.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является электропривод Кузнецова, выбранный за прототип, содержащий два расположенных вдоль общей оси электродвигателя, в полых роторах которых размещены винтовые передачи, винты которых соединены между собой и выполнены в виде единого целого, образующего общий вал, по всей длине которого выполнены резьбы двух направлений. Гайки винтовых передач жестко соединены с роторами и имеют резьбы разных направлений (RU 2075813, прототип).
Сочетание различных направлений и скоростей вращения роторов позволяет получать различные сочетания поступательного и вращательного движений вала.
Для известного электропривода характерны ограничения на виды применяемых винтовых пар (например, нельзя использовать шарико-винтовые пары), на выбор шага резьбы (маленький шаг резьбы повышает склонность к закусыванию вследствие увеличения трения внутри винтовой пары), на выбор материалов изготовления винтовых пар, недостаточная динамичность, точность и надежность.
Технической задачей полезной модели является создание эффективного актуатора для выполнения одновременно или попеременно возвратно-поступательного и/или вращательного движения, а также расширение арсенала конструкций актуаторов.
Технический результат, обеспечивающий разрешение поставленной задачи состоит в том, что повышаются точность и надежность, отсутствуют ограничения на использование разнообразных видов винтовой пары, а так же расширены функциональные возможности актуатора.
Сущность полезной модели состоит в том, что актуатор содержит два электродвигателя с полыми роторами, установленными соосно и кинематически связанными с общим резьбовым штоком, причем в полом роторе одного электродвигателя закреплена гайка с образованием винтовой пары с общим резьбовым штоком, при этом общий резьбовой шток выполнен с продольными направляющими пазами вдоль наружной резьбовой поверхности, а в полом роторе второго электродвигателя закреплена муфта с внутренними радиальными выступами, установленными в упомянутых направляющих пазах общего резьбового штока с возможностью фиксации от проворота и возвратно-поступательного осевого перемещения последнего.
Предпочтительно, электродвигатели выполнены c общим корпусом.
Муфта и общий шток могут быть выполнены с радиальными прямобочными шлицевыми выступами и с прямоугольными пазами, соответственно.
На чертеже фиг.1 изображена принципиальная схема актуатора для независимых или совместных поступательных и угловых перемещений, на фиг.2 - поперечный разрез общего штока, на фиг.3 общий шток, вид сбоку, на фиг.4 - вид штока в аксонометрической проекции, на фиг.5 - муфта ротора электродвигателя, вид сбоку, на фиг.6 - муфта ротора электродвигателя, вид с торца, на фиг.7 - вид муфты в аксонометрической проекции.
Актуатор для независимых или совместных поступательных и угловых перемещений содержит два электродвигателя со статорами 1, 2 я с полыми роторами 5, 6, установленными соосно и кинематически связанными с общим резьбовым штоком (валом) 7. В полом роторе 6 одного электродвигателя закреплена гайка 4 с образованием винтовой пары (передачи) с общим резьбовым штоком 7. При этом общий резьбовой шток 7 выполнен с шестью прямолинейными прямоугольными продольными направляющими пазами 8 постоянной ширины вдоль его наружной резьбовой поверхности, которая в результате имеет неполнокольцевые (прерывистые) витки. Пазы 8 прорезаются, предпочтительно, после нарезания резьбы на штоке 7. В полом роторе 5 второго электродвигателя закреплена муфта 3 с шестью внутренними радиальными прямобочными шлицевыми выступами 9 четырехугольного сечения, установленными в упомянутых направляющих пазах 8 общего резьбового штока 7 с возможностью фиксации от проворота и возвратно-поступательного осевого перемещения последнего. В иных частных случаях реализации муфта 3 может быть выполнена звездчатой - с внутренними радиальными выступами треугольного сечения (в этом случае и пазы на штоке 7 имеют соответствующую форму). Ротор 5 может быть выполнен заодно с муфтой 3, а ротор 6 - заодно с гайкой 4.
Электродвигатели выполнены в виде двух одинаковых управляемых электродвигателей из группы: синхронные или шаговые электродвигатели, размещенных со статорами 1, 2 и роторами 5, 6 в общем корпусе. Средства управления такими электродвигателями общеизвестны, не входят в объем притязаний заявителя по настоящей заявке и не изображены на чертежах. Момент вращения этих электродвигателей прямо пропорционален напряжению питания. Поэтому даже в случае снижения напряжения в сети электропитания, нагрузочная способность и надежность указанных электродвигателей существенно выше, нежели у асинхронных машин.
При этом на резьбовом штоке 7 в качестве винтовой пары с гайкой 4 следует использовать шарико-винтовую пару или ролико-винтовую пару при условии, что глубина пазов 8 меньше, чем глубина пятна касания шарика (или ролика) с резьбовой поверхностью.
Шток 7 изготавливается, предпочтительно, из высокоуглеродистой стали или из Инвара (сплав, состоящий из никеля (Ni, 36 %) и железа (Fe, остальное). Гайка 4 может быть стальной или тефлоновой (для низких нагрузок). Муфта 7 и общий шток 7 выполнены с радиальными, например, прямобочными шлицевыми выступами 9 и пазами 8, соответственно. Шлицевые соединения - вид соединения валов со втулками по сопрягаемым поверхностям сложного профиля с выступами (шлицами) и впадинами. Они предназначены для передачи крутящего момента, обеспечивают хорошее центрирование муфты 3 на штоке (валу) 7, легкое относительное перемещение деталей, соединенных со штоком 7, вдоль оси.
Актуатор эксплуатируется следующим образом.
Для выполнения заданного движения рабочего органа запускается один или оба электродвигателя актуатора. Управление электродвигателями осуществляется программными средствами, в частности, с помощью частотных преобразователей и сервоконтроллеров.
Возможны три варианта работы актуатора.
1. При вращении роторов 5 и 6 (а также муфты 3 и гайки 4) в одну и ту же сторону с одинаковыми угловыми скоростями происходит вращение штока (вала) 7 в ту же сторону, без линейного перемещения, отсутствие которого обеспечивается неподвижностью резьбового штока 7 (т.е. винта винтовой пары) в продольном направлении относительно гайки.
2. При вращении ротора 6 (а также гайки 4) и зафиксированных роторе 5, а также муфте 3, происходит продольное возвратно-поступательное перемещение штока (вала) 7 без его углового перемещения, отсутствие которого обеспечивает зафиксированная ротором 5 муфта 3.
3. При вращении роторов 5 и 6, а также муфты 3 и гайки 4 с разными угловыми скоростями шток (вал) 7 вращается и одновременно линейно перемещается, т.е. совершает вращательно-поступательные движения.
Примеры использования актуатора.
1. Шток 7 закреплен и неподвижен.
В таком случае статор актуатора является исполнительным механизмом.
1.1. Если на корпусе статоров 1,2 разместить барабан с тросом, то получим лебедку с возможностью ее осевого перемещения, пригодную для подъемных механизмов или для перемещения вдоль бампера автомобиля.
1.2. На корпусе статоров 1,2 также можно разместить сменный инструмент для станков с ЧПУ и 3D принтеров.
2. Закреплен корпус статоров 1,2 актуатора, общий шток 7 свободен.
В данном случае возможны следующие случаи использования
2.1. Для сверлильных и фрезерных станков, разместив инструмент на конце штока 7.
2.2. Для управления вентильными задвижками, разместив запорный инструмент на конце штока 7.
2.3. Для точной подачи и смены сопел в 3D принтерах, разместив сопла "звездой" на конце штока 7.
2.4. Для изменения размера колеи автомобиля во время движения, где шток 7 выступает в качестве вала, на котором закреплено колесо.
2.5. В качестве одного из исполнительных элементов роботизированной руки (протеза), который позволит не только сгибать и разгибать пальцы, но и позволять их раздвигать - "растопыривать".
Таким образом, в актуаторе электродвигатели расположены вдоль общей оси, используется одна винтовая пара для продольных перемещений штока (вала) 7, а для угловых перемещений штока 7 используется пара муфта3 - шток 7. Актуатор выполнен со свободным общим штоком (валом) 7, кинематически связанным с роторами 5,6 с возможностью независимых продольного и углового перемещения, т.е. с двумя степенями свободы - к координате штока 7 вдоль продольной оси добавляется угол поворота штока 7 вокруг этой оси. (Числом степеней свободы называется число независимых параметров, которые однозначно определяют положение тела в пространстве). Одновременно данное конструктивное выполнение заявляемого актуатора снимает ограничения на виды используемой винтовой (резьбовой) пары, позволяет, в частности, использовать шарико-винтовую пару, на выбор материалов изготовления винтовых пар, и на величину шага резьбы винтовой пары, и обеспечивает более высокие стабильность, точность и надежность эксплуатации.
Заявляемый актуатор для независимых или совместных поступательных и угловых перемещений имеет расширенные функциональные возможности для использования в различных областях машиностроения. При этом параметры программного управления электродвигателями соответствуют области применения актуатора. Например, в ракетостроении (самолетостроении) для управления аэродинамическими плоскостями, в автомобилестроении для перемещения рулевой рейки, в медицине для управления, например, искусственным сердцем - важнейшим параметром будет нагрузка. В тоже время в станкостроении для быстрого перемещения каретки станка важнейшим параметром является скорость. При использовании в шаговых приводах, где требуется высокая точность позиционирования, в частности, для станков с ЧПУ, 3D-принтеров, в робототехнике для рабочего органа главный параметр - это угол поворота.
Поскольку предлагаемый актуатор позволяет выполнять одновременно или попеременно возвратно-поступательное и вращательное движения и получить, тем самым, различные комбинации движения общего штока (вала), это расширяет функциональные возможности актуатора в части достаточно большой величины хода, а также обеспечивает необходимые динамические возможности, работы. Такой актуатор имеет функцию управления достаточного качества и исключает неисправности, обусловленные заклиниванием винтовой передачи.