一種水下電動舵機(jī)及舵角檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種操舵裝置，具體地說是一種水下電動舵機(jī)及舵角檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)中，自主水下機(jī)器人通常在艉部安裝螺旋槳實現(xiàn)推進(jìn)，并在螺旋槳前或螺旋槳后布置舵機(jī)來實現(xiàn)三維坐標(biāo)下多個自由度的連續(xù)運(yùn)動控制，如定向、定深、定高、上浮、下潛、轉(zhuǎn)艏等。淺水工作的自主水下機(jī)器人推進(jìn)器的舵機(jī)工作方式和魚雷等航行體相似，利用航行體外側(cè)的殼體給推進(jìn)裝置和舵機(jī)提供水密的艙室，隔絕外部海水和壓力的影響，然而隨著下潛深度的增加，對自主水下機(jī)器人體承壓能力的要求也急劇上升，將推進(jìn)裝置、舵機(jī)等密封在殼體內(nèi)，最終將導(dǎo)致殼體無法提供足夠的剩余正浮力，使自主水下機(jī)器人不能滿足航行要求，因此深海自主水下機(jī)器人通常采用開放式透水結(jié)構(gòu)，將設(shè)備、傳感器等直接水密后安裝于自主水下機(jī)器人框架上，通過浮力材提供額外的正浮力。傳統(tǒng)的舵機(jī)設(shè)計體積較大，且舵角檢測多采用在輸出軸端安裝光電編碼器等絕對式傳感器，深海應(yīng)用時，舵機(jī)體積過大需要設(shè)計較大直徑的筒體進(jìn)行封裝，而較大直徑的筒體需要較大殼體厚度來承受深海水壓，另一方面，在輸出軸端安裝光電傳感器需要增加額外的密封艙體，進(jìn)一步增大體積，造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種水下電動舵機(jī)及舵角檢測方法，整體結(jié)構(gòu)緊湊，采用獨(dú)立密封充油結(jié)構(gòu)，能夠滿足全海深低速較大轉(zhuǎn)矩力矩輸出的工作需求，并且通過增量式編碼器獲得角度位置反饋，測量簡單。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0005]—種水下電動舵機(jī)，包括輸出軸、機(jī)座、蝸輪、蝸桿、動力系統(tǒng)和舵機(jī)控制器，所述輸出軸、蝸輪和蝸桿均設(shè)置于所述機(jī)座中，所述動力系統(tǒng)依次通過所述蝸桿和蝸輪傳遞轉(zhuǎn)矩，所述蝸輪與所述輸出軸固連；所述機(jī)座的一端設(shè)有軸端端蓋，所述輸出軸由機(jī)座設(shè)有軸端端蓋的一端伸出，且所述輸出軸伸出至機(jī)座外的一端設(shè)有用于確定舵角零點位置的限位擺動片，所述軸端端蓋上設(shè)有擺動槽，所述限位擺動片通過所述輸出軸帶動在所述擺動槽內(nèi)擺動，所述動力系統(tǒng)中設(shè)有電機(jī)，所述舵機(jī)控制器與所述電機(jī)相連，所述電機(jī)上設(shè)有增量式編碼器。
[0006]所述動力系統(tǒng)設(shè)置于一個安裝在機(jī)座外側(cè)的殼體中，所述殼體和機(jī)座相通且所述殼體和機(jī)座內(nèi)部均為密封空間，所述殼體遠(yuǎn)離所述機(jī)座的一端與充油用的油管相連。
[0007]所述殼體上設(shè)有殼體端蓋，油管通過油嘴接頭和壓緊螺母安裝在所述殼體端蓋上。
[0008]所述動力系統(tǒng)中除所述電機(jī)外還包括一個減速機(jī)，所述電機(jī)與減速機(jī)相連，所述減速機(jī)與所述殼體固連，所述減速機(jī)的輸出軸與所述蝸桿相連，所述增量式編碼器設(shè)置于所述電機(jī)遠(yuǎn)離所述減速機(jī)的一端。
[0009]所述電機(jī)為直流無刷電機(jī)，所述減速機(jī)為行星齒輪減速機(jī)。
[0010]所述限位擺動片上對稱設(shè)有兩個限位凸塊，所述擺動槽內(nèi)設(shè)有多個限位面，所述限位擺動片通過限位凸塊與擺動槽內(nèi)的限位面相抵實現(xiàn)擺動限位。
[0011 ] 所述輸出軸通過第一軸承和第二軸承支承安裝在機(jī)座中，所述第一軸承設(shè)置于機(jī)座的座體中，所述機(jī)座遠(yuǎn)離所述軸端端蓋的一端設(shè)有側(cè)端蓋，所述第二軸承設(shè)置于所述側(cè)端蓋內(nèi)。
[0012]所述第一軸承通過一個孔用卡簧、一個軸用卡簧和所述軸端端蓋軸向定位，所述第一軸承為一對角接觸球軸承。
[0013]所述蝸輪和蝸桿的模數(shù)為1，導(dǎo)程角小于4°。
[0014]—種水下電動舵機(jī)的舵角檢測方法，其特征在于:所述限位擺動片在確定舵角零點位置時先通過舵機(jī)控制器控制轉(zhuǎn)動至一側(cè)的擺動極限位置并通過所述舵機(jī)控制器記錄該位置信息，然后所述限位擺動片通過所述舵機(jī)控制器控制反方向轉(zhuǎn)動到另一側(cè)的極限位置并通過所述舵機(jī)控制器記錄該位置信息，兩個極限位置之間的中點即通過所述舵機(jī)控制器設(shè)為舵角零點位置，所述輸出軸轉(zhuǎn)動到其他位置時的舵角絕對位置通過所述增量式編碼器檢測電機(jī)的輸出軸角度變化值確定，舵角位置信息在系統(tǒng)斷電時存儲于所述舵機(jī)控制器中，且所述舵機(jī)控制器在再次通電時通過讀取上次存儲的位置信息確定當(dāng)前舵角位置。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果為:
[0016]1.結(jié)構(gòu)簡單、體積小。本發(fā)明采用直流電機(jī)經(jīng)行星齒輪減速機(jī)減速后驅(qū)動蝸輪蝸桿，將高速小扭矩輸出轉(zhuǎn)化為低速較大扭矩輸出，滿足自主水下機(jī)器人舵驅(qū)動的轉(zhuǎn)速、力矩需求，轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)簡單；結(jié)構(gòu)緊湊，適合自主水下機(jī)器人艉部狹小的空間安裝需求。
[0017]2.整體充油水密，具有全海深工作能力。本發(fā)明中電機(jī)、蝸輪蝸桿等元件全部密封在舵機(jī)殼體內(nèi)，并在殼體內(nèi)部充油，依賴油管的壓縮補(bǔ)償海水壓力的影響，保證舵機(jī)在較小的殼體尺寸下具有全海深的承壓和密封能力。
[0018]4.承載能力好?？紤]到自主水下機(jī)器人舵機(jī)設(shè)計時會采用懸臂梁支撐結(jié)構(gòu)，本發(fā)明中在舵機(jī)輸出軸端采用一對角接觸球軸承支撐，對懸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計的舵具有更好的抗彎矩支撐承載能力。
[0019]5.舵角檢測方法簡單、可靠。本發(fā)明中采用與電機(jī)集成一體的增量式編碼器檢測角度的變化，結(jié)合機(jī)座上的限位點對舵角零點進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)而獲得每一個時刻舵軸的絕對角度位置信息。
[0020]6.應(yīng)用范圍廣。本發(fā)明中的舵機(jī)不僅可用于自主水下機(jī)器人舵的驅(qū)動，還可以用于驅(qū)動水下其它旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖一，
[0022]圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖二，
[0023]圖3為圖1中本發(fā)明的電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，
[0024]圖4為圖1中本發(fā)明的電機(jī)殼體結(jié)構(gòu)示意圖，
[0025]圖5為圖1中本發(fā)明的工作狀態(tài)示意圖。
[0026]其中，I為輸出軸、2為軸端端蓋、3為機(jī)座、4為第一軸承、5為殼體、6為蝸輪、7為側(cè)端蓋、8為第一密封圈、9為孔用卡簧、10為軸用卡簧、11為限位擺動片、12為動力系統(tǒng)、13為螺釘、14為蝸桿、15為第二軸承、16為緊定螺釘、17為殼體端蓋、18為油管、19為油嘴接頭、20為壓緊螺母、21為頂絲，22為增量式編碼器，23為電機(jī)，24為減速機(jī)，25為座體，26為O型圈，27為第二密封圈，28為擺動槽，29為限位凸塊，30為第二限位位置，31為第一限位位置，32為限位面，33為開口，34為缺口，35為法蘭，36為O型圈，37為O型圈。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
[0028]如圖1?2所示，本發(fā)明包括輸出軸1、機(jī)座3、蝸輪6、蝸桿14、動力系統(tǒng)12和舵機(jī)控制器，其中所述機(jī)座3的座體25兩端分別設(shè)有側(cè)端蓋7和軸端端蓋2，所述輸出軸1、蝸輪6和蝸桿14均設(shè)置于所述機(jī)座3中，如圖1所示，所述輸出軸I通過第一軸承4和第二軸承15支承安裝在機(jī)座3中，且所述輸出軸I由機(jī)座3設(shè)有軸端端蓋2 —端伸出，所述第一軸承4設(shè)置于機(jī)座3的座體25中并通過一個孔用卡簧9、一個軸用卡簧10和所述軸端端蓋2軸向定位于所述輸出軸I中部，所述第二軸承15設(shè)置于所述側(cè)端蓋7內(nèi)，所述第一軸承4為一對角接觸球軸承，這樣可使輸出軸I具有更好的抗彎矩支撐承載能力。在所述側(cè)端蓋7與機(jī)座3的座體25之間設(shè)有第一密封圈8，所述軸端端蓋2內(nèi)側(cè)設(shè)有O型圈26實現(xiàn)與輸出軸I之間的動密封，所述軸端端蓋2與機(jī)座3的座體25之間設(shè)有第二密封圈27。
[0029]如圖1所示，所述蝸輪6設(shè)置于所述第一軸承4和側(cè)端蓋7之間，且所述蝸輪6安裝在所述輸出軸I上，所述蝸輪6與輸出軸I之間為鍵連接，如圖2所示，所述蝸桿14通過軸承支承設(shè)于所述機(jī)座3中，所述蝸桿14與蝸輪6相嚙合以傳遞力矩，本實施例中，所述蝸輪6和蝸桿14的模數(shù)為1，導(dǎo)程角小于4°，具有自鎖能力。
[0030]動力系統(tǒng)12安裝在機(jī)座3外部，如圖2?3所示，所述動力系統(tǒng)12設(shè)置于一個殼體5中，所述殼體5通過螺釘安裝在機(jī)座3外側(cè)，所述動力系統(tǒng)12包括相連的電機(jī)23和減速機(jī)24，所述減速機(jī)24通過螺釘13與所述殼體5相連，所述減速機(jī)24的輸出軸通過頂絲21與所述蝸桿14相連，減速機(jī)24將電機(jī)23輸出的高轉(zhuǎn)速低扭矩轉(zhuǎn)為低轉(zhuǎn)速高扭矩，并依次通過蝸桿14和蝸輪6的傳動驅(qū)動輸出軸I轉(zhuǎn)動。本實施例中，所述電機(jī)23為直流無刷電機(jī)，所述減速