專利名稱：陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及機(jī)電一體化、伺服電機(jī)、輪系技術(shù)領(lǐng)域。 技術(shù)背景伺服電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛和重要。伺服電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速可受數(shù) 控系統(tǒng)編程控制的特點(diǎn)極大地提高了生產(chǎn)制造的柔性和效率。然而，伺服電機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在， 還有諸多不足之處。首先，由于高容量、大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速的伺服電機(jī)成本高、體積大等原因使得單臺伺 服電機(jī)單一驅(qū)動的方式在大型機(jī)器設(shè)備上的使用受到了限制。其次，由于上述原因，在大型機(jī)器設(shè)備上一般會采用兩個或多個中小型伺服電機(jī) 串聯(lián)驅(qū)動的方式以便得到足夠大的功率。但是串聯(lián)驅(qū)動中的各伺服電機(jī)之間存在運(yùn)動干 涉，從而增加了控制難度和成本。
發(fā)明內(nèi)容陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊包括控制器、伺服電機(jī)組和差動器，其特征在于受控 制器控制的伺服電機(jī)組把各個伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速狀態(tài)傳輸給差動器后，由差動器輸出合成后 的轉(zhuǎn)速狀態(tài)或速度狀態(tài)。陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊可以解決在驅(qū)動大型設(shè)備時，因使用 單臺大功率伺服電機(jī)的成本高、體積大而難以布置的問題以及使用兩臺或多臺伺服電機(jī)在 串聯(lián)驅(qū)動情況下會發(fā)生運(yùn)動干涉的問題。在陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊中，控制器通過調(diào)節(jié)每個伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速狀態(tài)，從 而使整個模塊輸出的轉(zhuǎn)速狀態(tài)或速度狀態(tài)達(dá)到某一期望值或形成某種所期望的變化過程。差動器是一種多自由度的行星回轉(zhuǎn)輪系。多個差動器還可以互相組合成更多自由 度的差動器。每個伺服電機(jī)以轉(zhuǎn)速輸入的形式來約束差動器中的某一個或某幾個自由度。 一般情況下，差動器的所有自由度被伺服電機(jī)、負(fù)載、過載保護(hù)機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)等約束。差動 器將兩個或以上的輸入量合成后給出輸出量，其中每個輸出量與各輸入量之間都存在著線 性關(guān)系，這種線性關(guān)系由輸出量與輸入量之間的固有傳動系數(shù)矩陣決定。若陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊中伺服電機(jī)的數(shù)量等于差動器的自由度數(shù)，每個伺
服電機(jī)以轉(zhuǎn)速輸入的方式約束差動器中的一個自由度，并且差動器的輸出量同樣為轉(zhuǎn)速，
那么模塊中的某一個輸出轉(zhuǎn)速與各輸入轉(zhuǎn)速之間存在以下線性關(guān)系 1 nN = -YkiNi(1)
η /=1其中N為輸出轉(zhuǎn)速，Ni為第i個伺服電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速，Ici為第i個伺服電機(jī)的輸 入轉(zhuǎn)速與模塊輸出轉(zhuǎn)速之間的固有傳動系數(shù)(該處固有傳動系數(shù)是指除第i個伺服電機(jī)的 轉(zhuǎn)速輸入不為零外，其余每個自由度的轉(zhuǎn)速輸入為零時，N與隊(duì)之間的傳動關(guān)系數(shù))。當(dāng)陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊中的某一個轉(zhuǎn)速輸出為零時，則必然滿足以下關(guān)系 式
3[0012]0 =去￡ ⑵
11 /=1由(1)、(2)兩式可以推斷陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊主要優(yōu)點(diǎn)有第一，輸出功率大、各伺服電機(jī)之間無運(yùn)動干涉陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊的差動驅(qū)動方式是并聯(lián)驅(qū)動的一種，其中各個伺服電 機(jī)之間不會發(fā)生運(yùn)動干涉，因此它可以將多種類型的伺服電機(jī)的功率進(jìn)行合成。隨著伺服 電機(jī)數(shù)量的增加，模塊的輸出功率也會隨之增加。第二，綜合效率高由(1)式可知，陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊中的某一個轉(zhuǎn)速輸出的任何值N所對 應(yīng)的η個伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸入集合(N1, N2, ···, NJ都會有η-1維空間的無限解集。這說明不論整個模塊的轉(zhuǎn)速輸出是多少，大部分 伺服電機(jī)都可以工作在自身效率較高的最優(yōu)轉(zhuǎn)速附近，因此整個伺服電機(jī)組的綜合效率 高。而單一驅(qū)動中的單個伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和串聯(lián)驅(qū)動中的每個伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速都與傳動機(jī) 構(gòu)的最終輸出速度是一一對應(yīng)的。第三，良好的啟動性能和低速性能由(2)式可知，陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊的輸出在啟動或停止時，每個伺服電 機(jī)可以在自身轉(zhuǎn)矩相對較大且能耗相對較小的最優(yōu)轉(zhuǎn)速附近運(yùn)轉(zhuǎn)，從而降低了啟動能耗和 電網(wǎng)波動。第四，簡便、安全而又節(jié)能的過載保護(hù)功能在陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊中，由于差動器的輸入與輸出之間的固有傳動系數(shù) 為常數(shù)，因此每個伺服電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩與整個機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)矩是一種線性關(guān)系。當(dāng)機(jī)器臨近過載時，設(shè)定此時的負(fù)載傳遞到每個伺服電機(jī)的扭矩超過了其中某個 伺服電機(jī)的最大承受扭矩，當(dāng)負(fù)載繼續(xù)增加，這個伺服電機(jī)將被負(fù)載和其他伺服電機(jī)拖動， 吸收來自負(fù)載和其他伺服電機(jī)的能量并轉(zhuǎn)化為電能反饋給電網(wǎng)，從而對機(jī)器設(shè)備起到過載 保護(hù)作用。同樣，也可以用機(jī)械卸載機(jī)構(gòu)或液壓卸載機(jī)構(gòu)等約束差動器自由度的方式來實(shí) 現(xiàn)過載保護(hù)。與傳統(tǒng)過載保護(hù)方法相比，上述方法降低了能量的釋放并簡化了相應(yīng)的機(jī)構(gòu)。綜上敘述和分析，與現(xiàn)有技術(shù)相比，陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊解決了在驅(qū)動大 型設(shè)備時，因使用單臺大功率伺服電機(jī)的成本高、體積大而難以布置的問題以及使用兩臺 或多臺伺服電機(jī)在串聯(lián)驅(qū)動情況下會發(fā)生運(yùn)動干涉的問題。

圖1、圖2是陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊的兩種基本模塊的原理結(jié)構(gòu)圖，其中 1-伺服電機(jī)，2-行星輪，3-傘齒輪，4-太陽輪，5-軸，6-箱體，7-太陽輪，8-保持架，9-行星 輪，10-直齒輪。(在圖1、圖2中，去掉伺服電機(jī)，剩余部分是兩種不同的二自由度差動器。一個二 自由度差動器包括兩個能量輸入點(diǎn)和一個能量輸出點(diǎn)。把二自由度差動器中的兩個能量輸 入點(diǎn)稱為同列能量輸入點(diǎn)。自由度大于2的差動器都是由兩個或更多的二自由度差動器組 成，η+1自由度的差動器中至少有η個二自由度差動器，其中η彡2。如果一個陣列伺服電
4機(jī)差動驅(qū)動模塊有η個自由度，m個伺服電機(jī)，每個伺服電機(jī)約束其中一個自由度，并有k對 同列能量輸入點(diǎn)接有伺服電機(jī)，那么把這個陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊稱為η度m陣k列 伺服電機(jī)差動驅(qū)模塊。)圖3、圖4分別是圖1和圖2的原理結(jié)構(gòu)簡圖。圖5是一種四度四陣二列伺服電機(jī)差動驅(qū)模塊的原理結(jié)構(gòu)圖。其中只有一個輸出。圖6是另一種四度四陣二列伺服電機(jī)差動驅(qū)模塊的原理結(jié)構(gòu)圖。其中有四個線性 相關(guān)的輸出。圖7是一種三度三陣一列伺服電機(jī)差動驅(qū)模塊的原理結(jié)構(gòu)圖。其中有兩個線性相 關(guān)的輸出。圖8是一種八度八陣四列伺服電機(jī)差動驅(qū)模塊的原理結(jié)構(gòu)圖(雙點(diǎn)畫線框內(nèi)是用 簡圖表示)。其中有八個輸出點(diǎn)，雙點(diǎn)畫線框內(nèi)的四個輸出點(diǎn)線性相關(guān)，雙點(diǎn)畫線框外的四 個輸出點(diǎn)線性無關(guān)，并且雙點(diǎn)畫線框內(nèi)的任一個輸出點(diǎn)都可以被線框外的四個輸出點(diǎn)線性 表達(dá)。圖9是一種八度八陣四列伺服電機(jī)差動驅(qū)模塊的動滑輪分析圖(假設(shè)其中每根線 無限長)。圖10是一種六度六陣二列伺服電機(jī)差動驅(qū)模塊的動滑輪分析圖。圖11是一種四度三陣零列伺服電機(jī)差動驅(qū)模塊的動滑輪分析圖(其中一個自由 度被固定約束，可以用于過載保護(hù)等功能)。圖12、圖13是一種八度八陣四列伺服電機(jī)差動驅(qū)模塊的等軸測效果圖及其俯視 圖。
具體實(shí)施方式
如圖1中所示，兩個伺服電機(jī)1分別驅(qū)動二自由度差動器中的兩個太陽輪4，兩個 太陽輪的差速將造成行星輪2的公轉(zhuǎn)，行星輪的公轉(zhuǎn)帶動軸5轉(zhuǎn)動，從而，兩個伺服電機(jī)的 轉(zhuǎn)速經(jīng)過差動合成后由軸5輸出，并且負(fù)載力矩由兩個伺服電機(jī)共同承擔(dān)。當(dāng)兩個太陽輪 4的差速為零時，軸5的輸出亦為零，但此時兩個伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速并不一定為零，因此，零轉(zhuǎn) 速輸出情況下仍然可以保持高轉(zhuǎn)矩。像這樣的兩個直接驅(qū)動同一個二自由度差動器的伺服 電機(jī)是同列伺服電機(jī)。如圖5中所示，兩對同列伺服電機(jī)的兩個差動合成輸出又分別作為另一個二自由 度差動器的兩個輸入，從而實(shí)現(xiàn)四個伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的合成，并且負(fù)載力矩由四個伺服電機(jī) 共同承擔(dān)。圖6所示陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊與圖5所示類型相同，但圖6中有四個線 性相關(guān)的輸出，這樣可以同步驅(qū)動四套機(jī)構(gòu)。如圖8中所示，八個伺服電機(jī)向差動器輸入轉(zhuǎn)速，差動器輸出八個轉(zhuǎn)速。由矩陣?yán)?論可知，八個互不相關(guān)的伺服電機(jī)可以作為八維空間的一個基，雙點(diǎn)畫線框內(nèi)的四個輸出 轉(zhuǎn)速線性相關(guān)，雙點(diǎn)畫線框外的四個輸出轉(zhuǎn)速線性無關(guān)，并且雙點(diǎn)畫線框內(nèi)的任一個輸出 轉(zhuǎn)速都可以被線框外的四個輸出轉(zhuǎn)速線性表達(dá)。從而產(chǎn)生一系列特定的轉(zhuǎn)速滿足每個機(jī)構(gòu) 的需要。以圖8為例，當(dāng)輸出端出現(xiàn)過載時，此時傳遞給伺服電機(jī)a的扭矩超過其所能承載的最大扭矩，伺服電機(jī)a將被負(fù)載和其它伺服電機(jī)拖動，并將能量返回給電網(wǎng)，從而對機(jī)器 設(shè)備起到過載保護(hù)作用。
權(quán)利要求1.陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊，包括控制器、伺服電機(jī)組和差動器，其特征在于受控 制器控制的伺服電機(jī)組把各個伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速狀態(tài)傳輸給差動器后，由差動器輸出合成后 的轉(zhuǎn)速狀態(tài)或速度狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊，其特征在于所述差動器是一 種多自由度的行星回轉(zhuǎn)輪系。
專利摘要本實(shí)用新型涉及的陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊包括控制器、伺服電機(jī)組和差動器，其特征在于受控制器控制的伺服電機(jī)組把各個伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速狀態(tài)傳輸給差動器后，由差動器輸出合成后的轉(zhuǎn)速狀態(tài)或速度狀態(tài)。陣列伺服電機(jī)差動驅(qū)動模塊可以將多種類型的伺服電機(jī)的功率進(jìn)行合成，從而實(shí)現(xiàn)大功率、大轉(zhuǎn)矩，并能保證各個伺服電機(jī)之間不會發(fā)生運(yùn)動干涉，不僅如此，它還具有較好的低速性能、較高的電能利用率和簡便、安全而又節(jié)能的過載保護(hù)功能等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H02J3/38GK201904747SQ201020538080
公開日2011年7月20日 申請日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者陳福建 申請人:陳福建