本發(fā)明屬于機電領(lǐng)域，特別涉及一種用于驅(qū)動載荷作繞軸往復運動的裝置。
背景技術(shù)：
在工業(yè)生產(chǎn)、科學研究和國防等領(lǐng)域，存在大量的繞軸往復運動的大型載荷，其中很多載荷具有質(zhì)量大、尺寸大、往復周期短的特點。此類載荷在作繞軸往復運動時，需要克服較大的轉(zhuǎn)動慣量或得到較大的角加速度，因此，需要在載荷上周期性地加載較大的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。
對于這些載荷的驅(qū)動方案，可以分為兩大類，機械傳動和電機直驅(qū)兩種。機械傳動包括電機帶動連桿機構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)動軸、電機輸出減速后驅(qū)動轉(zhuǎn)動軸等；電機直驅(qū)包括力矩電機直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動軸、圓弧導軌電機直接驅(qū)動載荷等。
電機輸出減速后驅(qū)動載荷轉(zhuǎn)動軸是最基本的驅(qū)動形式，傳統(tǒng)電機的轉(zhuǎn)速高，輸出轉(zhuǎn)矩小，減速器電機轉(zhuǎn)速降至與往復運動周期匹配的范圍，相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩提高至滿足載荷運動所需。由于減速器輸出軸與載荷轉(zhuǎn)動軸同軸，簡化了運動和受力分析，通過控制電機轉(zhuǎn)矩，可以實現(xiàn)對載荷運動過程的連續(xù)可控。其缺點是，電機輸出端軸承和減速器的高速級齒輪潤滑要求高，壽命有限，增加了維護成本；周期性加載大轉(zhuǎn)矩對減速器輸出級提出了更高的要求；滿足高精度控制所要求的齒側(cè)間隙和大減速比、大轉(zhuǎn)矩輸出的減速器設(shè)計加工困難，成本高；載荷在加速時所需的能量完全由電機提供，而在減速時完全消耗在制動電阻上，甚至需要消耗能量進行制動；電機需要頻繁切換轉(zhuǎn)動方向，需要消耗額外的能量克服轉(zhuǎn)子慣量。
電機帶動連桿機構(gòu)驅(qū)動載荷轉(zhuǎn)動軸，將載荷繞軸往復運動轉(zhuǎn)換為電機的圓周運動；電機作圓周運動時，通過連桿機構(gòu)將輸出轉(zhuǎn)矩傳遞至轉(zhuǎn)動軸上。連桿機構(gòu)避免了在載荷往復加減速過程中，電機頻繁切換轉(zhuǎn)動方向，免除了電機轉(zhuǎn)子加減速時的能耗；同時，提高了傳動比，降低了對電機輸出轉(zhuǎn)矩的要求。其缺點是連桿機構(gòu)不易精確實現(xiàn)復雜的運動規(guī)律；傳動效率較低；存在無法避免的振動與噪音，某些轉(zhuǎn)速下，甚至會引起系統(tǒng)的失穩(wěn)；運動和受力的分析過于復雜和繁瑣，以及傳動件的間隙，均不利于對載荷運動過程中的精確控制；對于設(shè)計好的連桿機構(gòu)，圓周運動的電機只能夠使載荷圍繞特定零點、以特定的轉(zhuǎn)角幅值作往復運動，對于其它零點或轉(zhuǎn)角幅值，電機仍然需要以周期往復運動的形式輸出轉(zhuǎn)矩，連桿機構(gòu)此時只能起減速器的作用；雖然避免了電機的運動方向切換，節(jié)省了克服電機轉(zhuǎn)子慣量的能耗外，無法避免減速時對載荷動能的消耗。
力矩電機直接驅(qū)動載荷轉(zhuǎn)動軸，取消了減速器、連桿機構(gòu)等傳動部件，將低速大轉(zhuǎn)矩電機轉(zhuǎn)子通過法蘭直接與載荷轉(zhuǎn)軸固定連接，從根本上提高了系統(tǒng)的可靠性，而且控制精度高，動態(tài)性能好。其缺點是，在載荷需求相同的前提下，力矩電機尤其是大轉(zhuǎn)矩的力矩電機，設(shè)計生產(chǎn)加工難度高，選型范圍窄，成本高，重量大，轉(zhuǎn)子慣量大；力矩電機輸出轉(zhuǎn)矩與電流成正比，大轉(zhuǎn)矩輸出時，力矩電機的電流較大，銅損高，相應(yīng)的控制器的輸出功率、成本都較高；電機轉(zhuǎn)子法蘭與載荷轉(zhuǎn)動軸固定，電機需要運行在載荷所需的轉(zhuǎn)速，對于控制器開發(fā)而言，大轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速控制是一個難點；同樣無法克服周期性正反轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子慣量引起的能耗，以及減速時載荷動能的浪費。
圓弧導軌電機直接驅(qū)動載荷，與力矩電機直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動軸類似，可以理解為從常規(guī)電機圓周上截取一段，定子為導軌，轉(zhuǎn)子為滑塊在導軌范圍內(nèi)往復運行，載荷固定在轉(zhuǎn)子滑塊上。其缺點是，設(shè)計生產(chǎn)加工難度較力矩電機更高，選型范圍更窄，成本更高，自重更大；電流大，控制器成本高，控制難度高，能耗高，無法克服往復運動時滑塊慣量引起的能耗，以及減速時動能的浪費。
綜上所述，現(xiàn)有的大慣量或高角加速度需求的繞軸往復運動驅(qū)動裝置，采用直接或間接的手段，將電機轉(zhuǎn)矩輸出至載荷。都需要電機提供周期性重復的正反向轉(zhuǎn)矩；載荷加速所需的動能完全由電機提供，減速時則將動能消耗在制動電阻上，甚至消耗能量進行反接制動；機械傳動方案電效率較直驅(qū)高，成本低，但傳動規(guī)律復雜，精度低，潤滑、維護、壽命、噪音等問題難以解決；電機直接驅(qū)動精度高，動態(tài)性能好，但成本高，電流大，控制難。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于驅(qū)動載荷作繞軸往復運動的裝置，通過控制電機的轉(zhuǎn)矩參數(shù)和儲能器參數(shù)，以實現(xiàn)載荷往復運動的周期可調(diào)、幅值可調(diào)、零點位置可調(diào)，并降低運行能耗。
技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
一種用于繞軸往復運動的驅(qū)動裝置，包括：
一個輸出轉(zhuǎn)矩的重復周期和輸出轉(zhuǎn)矩相對于轉(zhuǎn)角的曲線可調(diào)的驅(qū)動電機，用于輸出周期性轉(zhuǎn)矩驅(qū)動載荷；
一個或多個參數(shù)可調(diào)的儲能器，用于在載荷減速時吸收能量，載荷加速時輸出能量；
一個載荷基座。
由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的用于繞軸往復運動的驅(qū)動裝置，其往復運動周期可調(diào)，往復運動零點位置可調(diào)，往復運動轉(zhuǎn)角幅值可調(diào)。
進一步的，所述載荷基座的轉(zhuǎn)動軸安裝在驅(qū)動電機的輸出軸上；驅(qū)動電機的外殼安裝在固定基座上；儲能器的活動端安裝在載荷基座上，固定端安裝在固定基座上。
進一步的，所述驅(qū)動電機為力矩電機。其輸出轉(zhuǎn)矩的重復周期精確可調(diào)；輸出轉(zhuǎn)矩相對于轉(zhuǎn)角的曲線精確可調(diào)。
進一步的，所述儲能器由兩組空氣彈簧組成。
進一步的，每組空氣彈簧包括活塞組件和氣室；活塞組件包括相連接的活塞桿和活塞，活塞位于氣室內(nèi)，且與氣室相適配，活塞桿遠離活塞的一端為空氣彈簧的活動端，鉸接安裝在載荷基座上；氣室封閉端為空氣彈簧的固定端，鉸接安裝在固定基座上。
進一步的，所述的兩組空氣彈簧沿載荷基座對稱軸的兩側(cè)對稱布置，空氣彈簧中心線與載荷基座轉(zhuǎn)動面共面。
進一步的，所述空氣彈簧的氣室充氣量精確可調(diào)；兩組空氣彈簧的氣室充氣量之比精確可調(diào)。
有益效果：(1)本發(fā)明采用力矩電機驅(qū)動載荷轉(zhuǎn)動軸，能夠精確地控制轉(zhuǎn)矩輸出周期和轉(zhuǎn)矩曲線，以控制往復運動的周期、零點和幅值，控制精度高，動態(tài)響應(yīng)性能好。(2)本發(fā)明采用儲能器吸收載荷減速時的動能，并在載荷加速時釋放，減小了能量損失，降低了電機的轉(zhuǎn)矩需求和運行能耗；在一定條件下，儲能器的運動控制方程可以近似為彈簧-質(zhì)點系統(tǒng)振動方程，便于控制參數(shù)的設(shè)計；(3)本發(fā)明采用充氣量可調(diào)的空氣彈簧組成儲能器，能夠精確控制彈簧氣室內(nèi)的充氣量，以控制往復運動的幅值和零點；結(jié)合對氣室充氣量的實時控制，能夠?qū)崿F(xiàn)一些特殊的運動特性；(4)本發(fā)明采用電機和儲能器共同驅(qū)動載荷的設(shè)計，根據(jù)載荷往復運動所要求的指標設(shè)計控制參數(shù)；往復運動周期由驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩的周期確定；往復運動零點由儲能器兩組空氣彈簧氣室充氣量之比確定；往復運動幅值由驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩周期、幅值、載荷慣量、阻尼系數(shù)、儲能器等效彈性系數(shù)等確定；儲能器等效彈性系數(shù)由兩組空氣彈簧的活塞行程和氣室總充氣量確定；(4)本發(fā)明可以選擇驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩周期、曲線和儲能器等效彈性系數(shù)，使載荷-儲能器組合體滿足共振條件，驅(qū)動電機輸入能量只需要克服系統(tǒng)的阻尼，可以將對驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩的需求降至最低，驅(qū)動電機、控制器、支撐結(jié)構(gòu)成本最優(yōu)，能效比最高；(5)本發(fā)明可以根據(jù)需求，實時調(diào)節(jié)空氣彈簧的氣室充氣量，結(jié)合合適的驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩曲線，能夠靈活設(shè)計載荷每個往復周期內(nèi)的角位移、角速度、角加速度相對于轉(zhuǎn)角的曲線；(6)實驗表明，本發(fā)明取消了傳動機構(gòu)，無傳動間隙，運動規(guī)律簡單，簡化了受力和運動分析仿真方法，運動過程控制精確、靈活、噪聲低；無高轉(zhuǎn)速部件，可靠性高，壽命長，維護要求低；運動參數(shù)靈活可調(diào)，尤其適合多工況要求的往復運動載荷；實現(xiàn)了減速時能量的儲存與釋放，驅(qū)動電機功率和轉(zhuǎn)矩只需要滿足克服阻尼的要求，極大地降低了驅(qū)動電機的成本，同時降低了系統(tǒng)的成本、重量、慣量等。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的原理示意圖。
圖中，1-載荷基座，2-驅(qū)動電機，3-儲能器，4-固定基座，5-氣室，6-活塞組件，61-活塞桿，62-活塞。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。
本發(fā)明的用于繞軸往復運動的驅(qū)動裝置，包括：一個輸出轉(zhuǎn)矩的重復周期和輸出轉(zhuǎn)矩相對于轉(zhuǎn)角的曲線可調(diào)的驅(qū)動電機，用于輸出周期性轉(zhuǎn)矩驅(qū)動載荷；參數(shù)可調(diào)的儲能器，用于在載荷減速時吸收能量，載荷加速時輸出能量；一個載荷基座。其往復運動周期可調(diào)，往復運動零點位置可調(diào)，往復運動轉(zhuǎn)角幅值可調(diào)。
具體的，如圖1，包括載荷基座1、驅(qū)動電機2、儲能器3、固定基座4；載荷基座1的轉(zhuǎn)動軸安裝在驅(qū)動電機2的輸出軸上；驅(qū)動電機2外殼安裝在固定基座4上；儲能器3活動端安裝在載荷基座1上，固定端安裝在固定基座4上。
驅(qū)動電機2采用力矩電機；其輸出轉(zhuǎn)矩的重復周期精確可調(diào)；輸出轉(zhuǎn)矩相對于轉(zhuǎn)角的曲線精確可調(diào)。
儲能器3由兩組空氣彈簧組成，每組空氣彈簧組成分別包括氣室5和活塞組件6；活塞組件6包括相連接的活塞桿61和活塞62，活塞62位于氣室5內(nèi)，且與氣室5相適配，活塞62的邊緣與氣室5的內(nèi)壁貼合，活塞62在氣室5內(nèi)做活塞運動時，能夠使氣室5內(nèi)的氣體壓縮或擴充；活塞桿61遠離活塞的一端為空氣彈簧的活動端，鉸接安裝在載荷基座1上；氣室5封閉端為空氣彈簧的固定端，鉸接安裝在固定基座4上；兩組空氣彈簧沿載荷基座對稱軸的兩側(cè)對稱布置，空氣彈簧中心線與載荷基座轉(zhuǎn)動面共面；當兩組氣室中的氣體壓強相等時，儲能器3無輸出。
空氣彈簧的氣室5充氣量精確可調(diào)；兩組空氣彈簧的氣室5充氣量之比精確可調(diào)。
對于慣量為j的載荷，要求往復運動周期為t、零點位置相對水平面夾角為α、幅值為θ。
設(shè)計時，通常選擇空氣彈簧的活塞隨載荷運動時，實際行程盡可能短，并選擇盡可能長的氣室有效行程，載荷-儲能器可以近似為一個彈簧振動系統(tǒng)；選擇載荷運動時轉(zhuǎn)角、角速度、角加速度相對于時間為正弦曲線。
選取驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩周期等于往復運動的周期，即輸出轉(zhuǎn)矩的頻率f為：
f＝1/t
設(shè)系統(tǒng)運行時的阻尼系數(shù)為r，系統(tǒng)在共振時，所需的電機轉(zhuǎn)矩幅值t為：
t＝2πf·θ·r
使系統(tǒng)滿足共振條件的儲能器的等效彈性系數(shù)k為：
k＝(2πf)2j
設(shè)運動過程中，空氣彈簧與載荷支架夾角近似保持90°；設(shè)空氣彈簧在載荷支架上的安裝點距軸心距離為r；設(shè)空氣彈簧氣室有效行程為l，活塞直徑為d，可以計算出氣室中氣體壓強p為：
設(shè)儲能器無輸出時，零點位置與水平方向夾角為0°，可以計算出兩組空氣彈簧氣室充氣量之比
工程設(shè)計時，根據(jù)理論仿真設(shè)計參數(shù)和物理仿真實驗的修正量，選擇合適的電機、儲能器(如空氣彈簧)電氣和機械參數(shù)；工程調(diào)試時再對工作參數(shù)進行微調(diào)優(yōu)化，作為該工況的預設(shè)工作參數(shù)組；工作時，實時測量轉(zhuǎn)角和角速度，根據(jù)測量值與設(shè)計值的偏差，實時修正電機輸出轉(zhuǎn)矩，以修正環(huán)境擾動、非線性誤差等影響，使載荷實際運動參數(shù)符合指標和設(shè)計曲線。
當有多工況需求時，根據(jù)上述方法針對每一種工況理論仿真計算和物理仿真實驗，選擇能夠滿足所有工況要求的電機、儲能器電氣和機械參數(shù)進行工程設(shè)計；工程調(diào)試時，分別針對各工況，對預設(shè)工作參數(shù)組進行微調(diào)優(yōu)化；工作時，根據(jù)指令或預設(shè)工況，調(diào)取對應(yīng)的預設(shè)工作參數(shù)組，并實時修正電機輸出，使載荷實際運動參數(shù)符合該工況下指標和設(shè)計曲線。
設(shè)某工況下，載荷轉(zhuǎn)角相對時間曲線按正弦曲線運行，慣量、周期、零點、幅值要求如下：
設(shè)阻尼系數(shù)及儲能器尺寸位置如下：
根據(jù)上述公式可以計算出電機、儲能器的工作參數(shù)如下：
根據(jù)角加速度峰值可以計算出運行過程中，運動所需的轉(zhuǎn)矩峰值，和電機輸出轉(zhuǎn)矩峰值對比如下：
本發(fā)明所述驅(qū)動電機消耗的電功率、傳統(tǒng)連桿方案電機電功率、僅使用力矩電機直驅(qū)的電功率對比如下：
由以上對比可以看出，本發(fā)明采用力矩電機和儲能器共同驅(qū)動繞軸往復運動的載荷，運動參數(shù)可調(diào)，傳動機構(gòu)簡單，分析計算方法簡便，同時具有能耗低、可靠性高、噪聲低、成本低等優(yōu)點。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。