[发明专利]一种用于绕轴往复运动的驱动装置

说明书

本发明公开了一种用于绕轴往复运动的驱动装置，包括：一个输出转矩周期和曲线可调的驱动电机，用于输出周期性转矩驱动载荷；一个或多个参数可调的储能器，用于在载荷减速时吸收能量，载荷加速时输出能量；一个载荷基座。其往复运动周期可调，往复运动零点位置可调，往复运动转角幅值可调。本发明用于驱动载荷作绕轴往复运动，采用力矩电机直接驱动转轴，取消了机械传动装置，并设置了储能器，具有运动参数可调，传动机构简单，分析计算方法方便，同时具有能耗低、可靠性高、噪声低、成本低等优点。

技术领域

本发明属于机电领域，特别涉及一种用于驱动载荷作绕轴往复运动的装置。

背景技术

在工业生产、科学研究和国防等领域，存在大量的绕轴往复运动的大型载荷，其中很多载荷具有质量大、尺寸大、往复周期短的特点。此类载荷在作绕轴往复运动时，需要克服较大的转动惯量或得到较大的角加速度，因此，需要在载荷上周期性地加载较大的驱动转矩。

对于这些载荷的驱动方案，可以分为两大类，机械传动和电机直驱两种。机械传动包括电机带动连杆机构驱动转动轴、电机输出减速后驱动转动轴等；电机直驱包括力矩电机直接驱动转动轴、圆弧导轨电机直接驱动载荷等。

电机输出减速后驱动载荷转动轴是最基本的驱动形式，传统电机的转速高，输出转矩小，减速器电机转速降至与往复运动周期匹配的范围，相应的输出转矩提高至满足载荷运动所需。由于减速器输出轴与载荷转动轴同轴，简化了运动和受力分析，通过控制电机转矩，可以实现对载荷运动过程的连续可控。其缺点是，电机输出端轴承和减速器的高速级齿轮润滑要求高，寿命有限，增加了维护成本；周期性加载大转矩对减速器输出级提出了更高的要求；满足高精度控制所要求的齿侧间隙和大减速比、大转矩输出的减速器设计加工困难，成本高；载荷在加速时所需的能量完全由电机提供，而在减速时完全消耗在制动电阻上，甚至需要消耗能量进行制动；电机需要频繁切换转动方向，需要消耗额外的能量克服转子惯量。

电机带动连杆机构驱动载荷转动轴，将载荷绕轴往复运动转换为电机的圆周运动；电机作圆周运动时，通过连杆机构将输出转矩传递至转动轴上。连杆机构避免了在载荷往复加减速过程中，电机频繁切换转动方向，免除了电机转子加减速时的能耗；同时，提高了传动比，降低了对电机输出转矩的要求。其缺点是连杆机构不易精确实现复杂的运动规律；传动效率较低；存在无法避免的振动与噪音，某些转速下，甚至会引起系统的失稳；运动和受力的分析过于复杂和繁琐，以及传动件的间隙，均不利于对载荷运动过程中的精确控制；对于设计好的连杆机构，圆周运动的电机只能够使载荷围绕特定零点、以特定的转角幅值作往复运动，对于其它零点或转角幅值，电机仍然需要以周期往复运动的形式输出转矩，连杆机构此时只能起减速器的作用；虽然避免了电机的运动方向切换，节省了克服电机转子惯量的能耗外，无法避免减速时对载荷动能的消耗。

力矩电机直接驱动载荷转动轴，取消了减速器、连杆机构等传动部件，将低速大转矩电机转子通过法兰直接与载荷转轴固定连接，从根本上提高了系统的可靠性，而且控制精度高，动态性能好。其缺点是，在载荷需求相同的前提下，力矩电机尤其是大转矩的力矩电机，设计生产加工难度高，选型范围窄，成本高，重量大，转子惯量大；力矩电机输出转矩与电流成正比，大转矩输出时，力矩电机的电流较大，铜损高，相应的控制器的输出功率、成本都较高；电机转子法兰与载荷转动轴固定，电机需要运行在载荷所需的转速，对于控制器开发而言，大转矩低转速控制是一个难点；同样无法克服周期性正反转时转子惯量引起的能耗，以及减速时载荷动能的浪费。

圆弧导轨电机直接驱动载荷，与力矩电机直接驱动转动轴类似，可以理解为从常规电机圆周上截取一段，定子为导轨，转子为滑块在导轨范围内往复运行，载荷固定在转子滑块上。其缺点是，设计生产加工难度较力矩电机更高，选型范围更窄，成本更高，自重更大；电流大，控制器成本高，控制难度高，能耗高，无法克服往复运动时滑块惯量引起的能耗，以及减速时动能的浪费。