ЛИНЕЙНЫЙ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫМИ КОМПОНЕНТАМИ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ Российский патент 2011 года по МПК F16H25/20 G01M9/08 H02K7/06 

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

Изобретение относится к линейному исполнительному механизму, в частности для дистанционного управления регулируемыми компонентами аэродинамических моделей. Линейный исполнительный механизм содержит кожух и редукторный двигатель для привода шпинделя с резьбой. На шпинделе с резьбой установлена гайка для перемещения толкателя. Причем шпиндель с резьбой соединен с редукторным двигателем с помощью цепной передачи. Вал редукторного двигателя и шпиндель с резьбой параллельны и направлены в противоположные стороны. При этом редукторный двигатель установлен с эксцентриситетом для обеспечения возможности натяжения цепи цепной передачи. Решение направлено на обеспечение повышения точности позиционирования и повторяемости линейного исполнительного механизма. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Линейный исполнительный механизм (1), в частности, для дистанционного управления регулируемыми компонентами аэродинамических моделей, содержащий кожух (2) и редукторный двигатель (13) для привода шпинделя (27) с резьбой, причем на шпинделе (27) с резьбой установлена гайка (28) для перемещения толкателя (11), шпиндель (27) с резьбой соединен с редукторным двигателем с помощью цепной передачи (14), шпиндель (27) с резьбой и вал (49) редукторного двигателя параллельны друг другу и направлены в противоположные стороны, при этом редукторный двигатель (13) установлен в устройстве крепления двигателя с эксцентриситетом для обеспечения возможности натяжения цепи (15) цепной передачи (14) путем поворота редукторного двигателя.

2. Линейный исполнительный механизм (1) по п.1, который снабжен, по меньшей мере, одним натяжителем (7) цепи (15).

3. Линейный исполнительный механизм (1) по п.1, в котором имеются два концевых выключателя (19, 20) для ограничения рабочего хода (50) толкателя (11), причем концевые выключатели (19, 20), срабатывающие от управляющего кулачка (25), расположенного в зоне толкателя (11).

4. Линейный исполнительный механизм (1) по п.3, в котором каждый концевой выключатель (19, 20) размещен на резьбовом стержне (21, 22), так что концевые выключатели (19, 20) могут перемещаться при вращении резьбового стержня (21, 22) для регулировки рабочего хода (50).

5. Линейный исполнительный механизм (1) по п.1, в котором кожух (2) содержит по меньшей мере один продольный направляющий элемент (3, 4), в который входит с возможностью скольжения по меньшей мере одна призматическая шпонка (5, 6), установленная на толкателе (11).

6. Линейный исполнительный механизм (1) по п.1, в котором шпиндель (27) с резьбой установлен коаксиально с толкателем (11).

7. Линейный исполнительный механизм (1) по п.1, в котором кожух (2) содержит переднее опорное устройство (31) и заднее опорное устройство (41).

8. Линейный исполнительный механизм (1) по п.7, в котором толкатель (11) и шпиндель (27) с резьбой в зоне переднего опорного устройства (31) установлены в подшипнике (40), в частности в линейном подшипнике.

9. Линейный исполнительный механизм (1) по любому из пп.1-8, который снабжен устройством контроля и/или управления.