一种用于飞行器姿态控制的小型电动执行机构

技术领域

本申请涉及飞行器技术领域领域，尤其是涉及一种用于飞行器姿态控制的小型电动执行机构。

背景技术

电动执行机构是闭环位置伺服系统的重要组成部分，其主要作用是将伺服电机的高速小扭矩经过减速机构使执行机构的输出轴具有低速大扭矩特性，在满足角速度的前提下提高驱动负载的能力。

电动执行机构主要由伺服电机、减速器和角度传感器组成。其工作原理如下：驱动器接收控制器发出的转速和转向指令，经功率放大产生驱动电流使电机按照对应的转速和转向旋转，与电机相连的减速器将其高速小扭矩输入特性高效和精确地变换为低速大扭矩的输出特性，使电动执行机构的输出轴具有驱动负载按规定方向旋转运动的能力，即满足角速度、角加速度、输出扭矩、带宽等性能要求，同时与输出轴相连的角度传感器将当前角度信息以电信号的形式提供给控制器作为角度反馈信号。

电动执行机构广泛应用于飞行器中，通过操纵空气舵的摆动，可实现飞行器的姿态控制。由于飞行器外径的制约，在最小质量和体积的前提下，具有较大的输出扭矩和较高的传动刚度，是电动执行机构追求的目标，以满足高端飞行器的特殊需求。

如图1所示，在飞行器应用中，往往还对电动执行机构的形状还有特殊需求，即四个电动执行机构同时安装在一个较长的圆柱形弹舱内，这就对电动执行机构的宽度和轴向长度有严格的限制。

目前，国内外生产的电动执行机构，大都采用全直齿轮传动、锥齿轮传动加谐波齿轮传动或直齿轮加丝杠传动，虽然性能优越，但外形宽度或轴向长度偏大，难以满足小型飞行器外形苛刻的安装需求。因此，可做进一步改进。

发明内容

为了减小了执行机构的轴向长度，以在相同输出扭矩下可以适应更小圆柱形的安装需求，本申请提供一种用于飞行器姿态控制的小型电动执行机构。

本申请提供的一种用于飞行器姿态控制的小型电动执行机构采用如下的技术方案：

一种用于飞行器姿态控制的小型电动执行机构，包括壳体以及安装于壳体上的输入电机、输出轴、角度传感器；所述输出轴水平设置且转动安装于壳体；所述输入电机竖直设置且固定安装于壳体；所述壳体内设置有直齿轮减速机构、锥齿轮减速机构以及少齿差行星减速机构，且所述输入电机依次经直齿轮减速机构、锥齿轮减速机构以及少齿差行星减速机构进行减速后驱动输出轴；所述角度传感器安装于输出轴尾部。

通过采用上述技术方案，在实际工作过程中，输入电机依次经直齿轮减速机构、锥齿轮减速机构以及少齿差行星减速机构进行减速后驱动输出轴，使输出轴具有低速大扭矩特性，提高了驱动负载的能力。同时，角度传感器将当前角度信息以电信号的形式提供给控制器作为角度反馈信号。另外，一方面，由于在锥齿轮减速机构前设置了直齿轮减速机构，使输入电机的安装位置更接近执行机构沿输出轴方向的中心，显著地减小了执行机构的轴向长度，以在相同输出扭矩下可以适应更小圆柱形的安装需求；另一方面，增加了直齿轮减速机构，使总减速比大幅度增加，在使用超高速小惯量空心杯输入电机时，可较好地满足角速度和频带宽度的需求，有效增加了执行机构的使用寿命和功率质量比。

可选的，所述直齿轮减速机构包括小直齿轮、大直齿轮以及第一传动轴；所述第一传动轴竖直转动安装于后壳体顶部，所述小直齿轮安装于输入电机的电机轴，所述大直齿轮同轴固定安装于第一传动轴顶部，且所述大直齿轮与小直齿轮相啮合。

可选的，所述锥齿轮减速机构包括小锥齿轮、大锥齿轮以及第二传动轴；所述第二传动轴的内孔与输出轴同轴设置，且可转动式套设安装于输出轴；所述小锥齿轮同轴固定安装于第一传动轴底部，所述第二传动轴外圆左部与输出轴同轴设置，所述大锥齿轮同轴固定安装于第二传动轴外圆左部，且所述大锥齿轮于小锥齿轮相啮合。

可选的，所述少齿差行星减速机构包括行星齿轮、内齿圈以及浮动盘，且所述行星齿轮的齿数比内齿圈的齿数少；所述内齿圈固定安装于壳体，且内齿圈与输出轴同轴设置；所述第二传动轴的外圆右部与输出轴偏心设置，所述行星齿轮可转动式套设安装于第二传动轴的外圆右部，在第二传动轴外圆右部偏心旋转作用下，所述行星齿轮与内齿圈的内齿啮合并以偏心距为半径滚动；所述浮动盘安装于行星齿轮与输出轴之间，所述浮动盘套设安装于输出轴，且所述浮动盘与输出轴之间留有足够的间隙；所述行星齿轮和输出轴上均安装有滚轮，所述浮动盘上绕其周向开设有供行星齿轮和输出轴上的滚轮可浮动式安装的浮动口。

输入电机工作，通过小直齿轮、大直齿轮带动第一传动轴；第一传动轴通过小锥齿轮、大锥齿轮带动第二传动轴；第二传动轴带动行星齿轮进行偏心转动，且行星齿轮同步绕内齿圈做同步运动，使行星齿轮通过滚轮带动浮动盘转动，进而控制输出轴转动，以在相同负载力矩下以较小体积完成对输出轴的三级减速处理；

所述角度传感器通过安装盘固定安装于壳体，所述角度传感器同轴固定安装于安装盘，所述安装盘与输出轴同轴设置，所述安装盘上绕其周向开设有多个腰型孔，以供螺钉穿设后螺纹连接于后壳体进行固定。

通过采用上述技术方案，在安装过程中，可实现角度传感器本体的小角度偏转调节，该偏转使传感器的输出值相应发生变化，角度传感器的输出值将同步跟随输出轴的偏转，从而实现执行机构的调零功能。

可选的，所述行星齿轮的齿数比内齿圈的齿数少1-4。

可选的，所述壳体包括前壳体和后壳体，所述壳体和后壳体内分别固定安装有输出轴前轴承和输出轴后轴承，且所述输出轴前轴承和输出轴后轴承同轴设置，以供输出轴前后两端分别安装。

可选的，所述第二传动轴安装于前壳体与后壳体之间，且第二传动轴的前后两侧均安装有钢球。

通过采用上述技术方案，当安装好第二传动轴后，第二传动轴通过前后两侧的钢球分别与前壳体、后壳体之间形成滚动式接触，用于限制第二传动轴在旋转时沿输出轴轴线方向串动。

可选的，所述角度传感器为导电塑料电位器式传感器。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.在实际工作过程中，具有超高速和小惯量特性的输入电机依次经直齿轮减速机构、锥齿轮减速机构以及少齿差行星减速机构进行减速后驱动输出轴，使输出轴具有所需的低速大扭矩特性，在满足角速度和频带宽度的前提下，可有效提高驱动负载的能力和功率质量比；同时，由于在锥齿轮减速机构前设置了直齿轮减速机构，使输入电机的安装位置更接近执行机构沿输出轴方向的中心，显著地减小了执行机构的轴向长度，以在相同输出扭矩下可以适应更小圆柱形的安装需求；

2.输入电机工作，通过小直齿轮、大直齿轮带动第一传动轴；第一传动轴通过小锥齿轮、大锥齿轮带动第二传动轴；第二传动轴带动行星齿轮进行偏心转动，且行星齿轮同步绕内齿圈做同步运动，使行星齿轮通过滚轮带动浮动盘转动，进而控制输出轴转动，以在相同负载力矩下以较小体积完成对输出轴的三级减速处理；

3.当安装好第二传动轴后，第二传动轴通过前后两侧的钢球分别与前壳体、后壳体之间形成滚动式接触，用于限制第二传动轴在旋转时沿输出轴轴线方向串动。

附图说明

图1是在飞行器中四个电动执行机构在圆柱形弹舱内的安装姿态示意图。

图2是本申请的整体结构轴向剖视图。

图3是本申请的整体结构轴向剖视图。

图4是本申请中行星齿轮与内齿圈相啮合的正视图。

附图标记说明：

1、壳体；11、前壳体；12、后壳体；13、上壳体；14、输出轴前轴承；15、输出轴后轴承；2、输入电机；3、输出轴；4、角度传感器；41、安装盘；42、腰型孔；5、直齿轮减速机构；51、小直齿轮；52、大直齿轮；53、第一传动轴；6、锥齿轮减速机构；61、小锥齿轮；62、大锥齿轮；63、第二传动轴；64、第二传动轴内圈轴承；7、少齿差行星减速机构；71、行星齿轮；72、内齿圈；73、浮动盘；74、第二传动轴外圈轴承；75、销轴；76、滚轮；77、浮动口；8、钢球。

具体实施方式

以下结合附图2-4对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种用于飞行器姿态控制的小型电动执行机构。

参照图2，用于飞行器姿态控制的小型电动执行机构包括壳体1以及安装于壳体1上的输入电机2、输出轴3、角度传感器4，输入电机2安装于壳体1顶部，输出轴3安装于壳体1内，壳体1内设置有直齿轮减速机构5、锥齿轮减速机构6以及少齿差行星减速机构7，且输入电机2依次经直齿轮减速机构5、锥齿轮减速机构6以及少齿差行星减速机构7进行减速后驱动输出轴3。角度传感器4安装于输出轴3尾部。

在实际工作过程中，具有超高速和小惯量特性的输入电机2依次经直齿轮减速机构5、锥齿轮减速机构6以及少齿差行星减速机构7进行减速后驱动输出轴3，通过增大总减速比使输出轴3具有所需的低速大扭矩特性，在满足角速度和频带宽度的前提下，可有效提高驱动负载的能力和功率质量比。同时，角度传感器4将当前角度信息以电信号的形式提供给控制器作为角度反馈信号。

另外，一方面，由于在锥齿轮减速机构6前设置了直齿轮减速机构5，使输入电机2的安装位置更接近执行机构沿输出轴3方向的中心，显著地减小了执行机构的轴向长度，以在相同输出扭矩下可以适应更小圆柱形的安装需求；另一方面，增加了直齿轮减速机构5，在使用超高速输入电机2时，可明显降低第二、三级的输入转速，有效降低了执行机构输出级的运转噪音，有效增加了执行机构的使用寿命。

参照图3，其中，壳体1包括前壳体11、后壳体12和上壳体13，输入电机2为超高速空心杯伺服电机，且选用转速大于22000rpm的型号。上壳体13固定安装于前壳体11与后壳体12顶部，且上壳体13两端分别固定于前壳体11和后壳体12。输入电机2竖直朝下固定安装于上壳体13，且输入电机2安装于前壳体11与后壳体12之间。输出轴3水平设置，前壳体11和后壳体12内分别固定安装有输出轴前轴承14和输出轴后轴承15，且输出轴前轴承14和输出轴后轴承15同轴设置，以供输出轴3前后两端分别安装，使输出轴3能够绕水平方向转动。

由于采用了转速大于20000rpm 的超高速空心杯伺服电机（通常小于 15000rpm），显著地提高了电机的功率体积比；通过直齿轮减速、锥齿轮减速和少齿差行星减速形成的大减速比，加之空心杯电机极小的转子惯量，在满足执行机构快速性和频带宽度的同时，显著地提高了其输出扭矩。由于通过设置输出轴前轴承14和输出轴后轴承15，以供输出轴3前后两端分别安装，加大了两个轴承的支撑间距，有效提高了输出轴3的支撑刚度和抗弯能力。

具体的，直齿轮减速机构5包括小直齿轮51、大直齿轮52以及第一传动轴53；其中，上壳体13的左部和后壳体12顶部内分别固定安装有上轴承和下轴承，且上轴承和下轴承同轴设置，第一传动轴53竖直设置，安装于上壳体13与后壳体12之间，且第一传动轴53的上下两端分别安装于上壳体13和后壳体12中的上轴承和下轴承。小直齿轮51安装于输入电机2的电机轴，大直齿轮52同轴固定安装于第一传动轴53顶部，且大直齿轮52与小直齿轮51相啮合。

锥齿轮减速机构6包括小锥齿轮61、大锥齿轮62以及第二传动轴63；其中，第二传动轴63安装于前壳体11与后壳体12之间，输出轴3上套设有第二传动轴内圈轴承64，第二传动轴内圈轴承64与输出轴3同轴设置，且第二传动轴内圈轴承64的外径与第二传动轴63的内孔相适配，第二传动轴63套设于输出轴3，且第二传动轴63的内壁与第二传动轴内圈轴承64的外圈相固定，使第二传动轴63能够绕输出轴3进行转动。小锥齿轮61同轴固定安装于第一传动轴53底部，第二传动轴63外圆左部与输出轴3同轴设置，大锥齿轮62同轴固定安装于第二传动轴63外圆左部，且大锥齿轮62与小锥齿轮61相啮合。

参照图3、4，少齿差行星减速机构7包括行星齿轮71、内齿圈72以及浮动盘73，行星齿轮71的齿数比内齿圈72的齿数少1-4个，在本实施例中，行星齿轮71的齿数比内齿圈72的齿数少1个。其中，内齿圈72固定安装于前壳体11与后壳体12之间，且内齿圈72与输出轴3同轴设置。

第二传动轴63的外圆右部与输出轴3偏心设置，行星齿轮71通过第二传动轴外圈轴承74安装于第二传动轴63的外圆右部，且行星齿轮71与内齿圈72相啮合，在第二传动轴63外圆右部偏心旋转作用下，行星齿轮71与内齿圈72的内齿啮合并以偏心距为半径滚动。

浮动盘73安装于行星齿轮71与输出轴3之间，浮动盘73套设安装于输出轴3，且浮动盘73与输出轴3之间留有足够的间隙，使浮动盘73能够相对于输出轴3进行浮动式转动。行星齿轮71右端面上通过销轴75安装有两个滚轮76，且行星齿轮71上的两个滚轮绕行星齿轮71周向呈180︒对称布置。输出轴3的左端面上通过销轴75安装有两个滚轮76，且输出轴3上的两个滚轮绕输出轴3周向呈180︒对称布置。浮动盘73绕其周向开设有四个浮动口77，且四个浮动口77均匀间隔布置，行星齿轮71和输出轴3上的滚轮76分别一一对应安装于四个浮动口77，当滚轮76随行星齿轮71进行转动时，滚轮76能够在浮动口77内通过滑动方式进行浮动导向，以带动浮动盘73转动，进而带动输出轴3转动。

在本实施例中，第二传动轴63的前后两侧均安装有钢球8；其中，位于前侧的钢球8可滚动式嵌设安装于行星齿轮71端面，且可滚动式抵接于第二传动轴63右端面。位于右侧的钢球8可滚动式嵌设安装于第二传动轴63左端面，且可滚动式抵接于输出轴后轴承15，用于限制第二传动轴63在旋转时沿输出轴3轴线方向串动。

参照图3，具体的，角度传感器4通过安装盘41固定安装于后壳体12，角度传感器4为导电塑料电位器式传感器，且选用3mm超薄型，其使用寿命长。其中，角度传感器4固定安装于安装盘41，且角度传感器4与安装盘41同轴设置。安装盘41与输出轴3同轴设置，安装盘41上绕其周向开设有多个腰型孔42，以供螺钉穿设后螺纹连接于后壳体12进行固定。

一方面，由于采用了 3mm 左右超薄空心角度传感器4（通常大于 5mm），明显地压缩了电动执行机构的轴向长度，同样显著地减小了执行机构的轴向长度，相同输出扭矩下可以适应更小圆柱形的安装需求。另一方面，在安装过程中，可实现角度传感器4本体的小角度偏转调节，该偏转使角度传感器4的输出值相应发生变化，角度传感器4的输出值将同步跟随输出轴3的偏转，从而实现执行机构的调零功能。

实施原理为：

输入电机2工作，通过小直齿轮51、大直齿轮52带动第一传动轴53；第一传动轴53通过小锥齿轮61、大锥齿轮62带动第二传动轴63；第二传动轴63带动行星齿轮71进行偏心转动，且行星齿轮71同步绕内齿圈72实现多齿啮合传动，行星齿轮71和输出轴3上的滚轮76在浮动盘73上的对应的浮动口77内在小偏心距范围内滚动，以带动浮动盘73转动，进而浮动盘73带动输出轴3转动，以在相同负载力矩下以较小体积完成对输出轴3的三级减速处理。

本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，其中相同的零部件用相同的附图标记表示。故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。