旋转机械设备的机电式限位制动机构及其安装、调整方法

摘要

旋转机械设备的机电式限位制动机构及其安装、调整方法。机电式限位制动机构通过动力传递装置与旋转系统的驱动系统中的传动机构相连，将旋转设备的运动传递给限位制动机构；特征是机电式限位制动机构中还设有旋转范围调整装置和紧急制动装置；其中，旋转范围调整装置的结构与紧急制动装置是采用电磁制动装置的结构分别作了创新。本发明解决了旋转机械的旋转轴系需要实现±0~360°范围甚至更大范围内的目标轨迹连续跟踪、抗机械冲击、紧急制动、防止电缆连续旋转式产生的拖拽与扭断问题。本发明装配工艺简单、维护成本低、承载能力强，整体仪器可靠性高、故障率低；旋转范围在±0~360°范围甚至更大范围内可调。

说明书

技术领域

    本发明涉及一种限位制动机构，具体涉及一种用于旋转机械设备的机电式限位制动机构。本发明还涉及这种机电式限位制动机构的安装、调整方法。本发明为来源于国家基金项目（项目编号：11273039）、江苏省产学研项目（项目编号：BY2011167）、中国科学院天文专项（项目编号：C-113)。

背景技术

    地平式天文望远镜跟踪系统由方位旋转轴和高度俯仰轴构成，通过方位轴和高度轴的转动，实现±0~360°范围甚至更大范围的目标跟踪。望远镜进行目标跟踪时，方位旋转轴和高度轴连续转动，高度轴上各测量传感器和驱动电机的输入输出信号可以通过滑环实现信号传输。但是，导电滑环会使导线阻值发生一定范围的随机变化，这对目标跟踪中弱信号光谱特性和幅值影响很大。望远镜的跟踪驱动方式主要由涡轮蜗杆传动、齿轮传动、摩擦传动和直接驱动。直接驱动技术具有刚度高、易于装配，维护成本低等优点。使得直接驱动技术被越来与广泛的应用到天文望远镜跟踪系统中，目前，国际上进行预研的30米级及以上口径的望远镜中驱动方式均绝大数采用了直接驱动技术。但是直接驱动方式需要专门的制动装置来实现设备的紧急制动。天文望远镜在跟踪过程中，需要在一定旋转范围内实现限位、制动、防止机械冲击。因此，为了防止上述及其相似装备的伺服系统出现故障时对系统的造成的破坏，需要设置紧急制动装置，使导线不因连续旋转而扭断，实现±0~360°范围甚至更大范围的目标旋转。需要研制满足上述需求的限位制动机构。目前的现有技术中，尚未有能够满足以上要求的技术方案。

发明内容

为了解决旋转机械的轴系需要实现±0~360°甚至更大范围的目标连续跟踪、旋转、紧急制动、防止电缆连续旋转式产生的拖拽与扭断问题，本发明将提供一种用于旋转机械设备的机电式限位制动机构，本发明可以同时实现紧急制动、旋转范围可调及机械限位于一体的机电式限位制动机构。本发明可以避免设备失常时产生的剧烈撞击。本发明还提供这种机电式限位制动机构的安装、调整方法。

完成上述发明任务的技术方案是：一种用于旋转机械设备的机电式限位制动机构，本机电式限位制动机构通过动力传递装置与旋转系统的驱动系统中的传动机构相连，将旋转设备的运动传递给限位制动机构；其特征在于，所述的机电式限位制动机构中还设有旋转范围调整装置和紧急制动装置；

其中，旋转范围调整装置的结构是：传动齿轮通过涨紧套与传动轴连接，传动轴上设计有梯形螺纹或者滚珠螺旋槽，限位挡块通过梯形螺纹或者滚珠螺旋槽与传动轴连接，当传动轴随旋转机械的传动机构一起旋转时，限位槽板上有一个矩形槽，将限位挡块限定在沿传动轴轴向方向正反往复直线移动，限位挡块上固定了磁性元件A和磁性元件B，磁性元件A和磁性元件B随限位挡块往复做直线运动，当磁性元件A，B与相应的传感器（接近开关）A、B、C、D、E和F接触时，将反馈相应的信号给上位控制器，并通知系统做出相应的动作；传感器（接近开关）A、传感器B、传感器C、传感器D、传感器E和传感器F分三组固定于可沿传动轴轴向移动的限位调整片上；

其中，传感器A、传感器B为一组，传感器C、传感器D为一组，传感器E和传感器F为一组。

所述紧急制动装置是采用电磁制动装置，其结构是：在机电式限位制动机构右侧（图1），电磁制动器通过右轴承端盖用固定螺栓连接，电磁制动器为失电时动作，望远镜跟踪系统正常工作时，电磁制动器通电，线圈将衔铁吸住，电磁制动器不起作用，当上位控制器发现系统存在故障时，控制信号会发出紧急控制信号，通知电磁制动器动作，电磁制动器失电，衔铁在弹簧的作用下，压紧刹车片；刹车片与花键套通过花齿相连传递运动；然后，制动力通过花键套传递给传动轴，进而通过小齿轮传递给旋转机械传动系统，实现对望远镜跟踪系统实施紧急制动。

以上所述的方案是以齿轮传动为例加以说明，但本发明的传动形式不限于此。

本发明有以下优化方案：

1、调整零位限位调整片B可以将机电式制动限位机构与旋转设备的零位相对应。调整正向限位调整片A，可以调整旋转设备正向运动范围，调整负向限位调整片C，可以调整旋转设备的负向运动范围。

2、限位槽板的矩形槽上面贴有耐磨材料，以减小摩擦力，提高使用寿命。

3、所述的机电式限位制动机构中还设有位置反馈系统、机械硬限位及其吸能缓冲装置；所述位置反馈系统的结构是：在机电式限位制动结构末端即电磁制动器7外侧装有绝对式编码器，通过第1步获得制动限位机构与旋转设备的对应零位后，通过设定偏差值就可以直接利用限位制动机构来获得旋转机械的运行位置，并可通过上位机控制软件设置设备的运动范围，从而可以不需要旋转机械设备自动的位置反馈信号，也可对设备进行控制。

所述机械硬限位及其吸能缓冲装置的结构是：在机电式限位制动机构中，设计了机械式限位制动装置，在正负限位外，安装了正向缓冲器A、负向缓冲器B，当控制系统失控时，望远镜转动部件会冲出其运动范围，而且望远镜转动惯量大，会产生剧烈撞击，因此设计的液压式缓冲器A、B将望远镜转动部件的能量吸收掉，及避免剧烈撞击造成光学仪器的破坏，同时将望远镜镜的大部分动能转化为热能消耗掉，避免设备反弹。

4、所述的传感器（接近开关）A、B、C、D、E和F采用冗余结构，以增加系统的可靠性。零点、正负最大位置的反馈都采用两个接近开关作为检测传感器，工作时，两个元件只要有一个能够正常工作，制动限位机构就可以正常运转。

具体地说，本发明如图1所示（图1-1、图1-2、图1-3）：传感器A、B、C、D、E和F分三组固定于可沿传动轴轴向移动的限位调整片A51、B52、C53上。调整零位限位调整片B52可以将制动限位机构与旋转设备的零位相对应。调整正向限位调整片A31，可以调整旋转设备正向运动范围，调整负向限位调整片C53，可以调整旋转设备的负向运动范围。限位挡块5通过螺纹与传动轴1连接，传转轴1转动时带动限位挡块5旋转，当到达传感器A、B时，到达最大的正向调整范围，由传感器A、B发出信号，通知上位机控制器，控制驱动系统采取相应的动作。当到达传感器C、D时，到达零位，当到达传感器E、F时，到达最大的负向调整范围，由传感器E、F发出信号，通知上位机控制器，控制驱动系统采取相应的动作。

所述的限位机构的传动装置主要由传动齿轮3、涨紧套2、轴承端盖4，6、传动轴1、限位槽板9、限位挡块5、圆锥滚子轴承101，102以及传动箱8组成。采用涨紧套2将传动齿轮3与传动轴1连接，可以具有传递动力和限制最大转矩的作用，保护传动系统产生破坏；传动轴1通过推力圆锥滚子轴承101，102固定在传动箱体8上，两侧用轴承端盖4，6限定轴向移动。采用推力圆锥滚子轴承可以承受较大的轴向载荷，且对轴向冲击不敏感。传动轴上加工有梯形螺纹或者滚珠螺旋槽，根据旋转机械载荷和传动比的大小，设计合适的螺纹（滚珠螺旋）规格和长度，以保证其运动范围能满足设备轴系的运动范围。限位槽板9（见图1）上设计有限位槽，且结构中设计了耐磨材料，以减小摩擦力，提高耐磨性。限位挡块5被约束在限位槽内正反往复直线运动。并通过固定在限位挡块5上的磁性元件A21、B22触发相应的传感器。

所述的限位机构的运动范围调整装置主要接近开关调整片A51、B52、C53、锁紧调整螺钉A61、A62、B61、B62、C61、C62、接近开关A、B、C、D、E、F、限位挡块5、磁性元件A21、B22组成。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述机电式限位制动机构的安装、调整方法，其特征在于，步骤如下：

⑴.安装时，首先根据望远镜的方位轴和高度轴的零点，将限位挡块5调整至限位槽（见图1限位槽板）中心位置，然后与旋转设备的传动系统连接好；

⑵.调整零位接近开关调整片B52；

⑶.零位接近开关C、D通过磁性元件A21、B22产生在响应信号，用锁紧调整螺钉B61、B62锁死零位接近开关调整片B52；

⑷.正向转动望远镜方位至正向最大位置；

⑸.调整正向接近开关调整片A51，正向接近开关A、B通过磁性元件B21、B22产生在响应信号，用锁紧调整螺钉A61、A62锁死正向接近开关调整片A51；

⑹.反向转动望远镜方位至负向最大位置，调整负向接近开关调整片C53，负向接近开关E，F通过磁性元件产生在响应信号，用锁紧调整螺钉C61、C62锁死负向接近开关调整片C53；

⑺.从而确定了望远镜方位轴的零点，正负运动范围。高度轴可以按同样的过程确定其零点，正负运动方位。

所述的机械限位机构，可以避免设备失常时产生的剧烈撞击。当旋转机械上位机控制系统出现异常，或者紧急制动装置失灵时，旋转机械的跟踪机构在惯性的作用下，会超出其设备规定的转动范围，这会对系统造成很大的破坏，为了把跟踪系统限定在许可的运动范围内，在转动范围的外侧，设计了机械限位机构。在正负限位的外侧均设置了机械限位机构，机械吸能元件正反向缓冲器A41、B42通过固定螺栓121、122与限位槽板连接，正负机械吸能元件A41、B42通过螺纹分别与正负机械吸能元件固定座连接，调整到合适的位置，通过双螺母将机械吸能元件与固定座锁死。机械吸能元件A41、B42可以望远镜方位和高度轴的动能转化为热能，从而避免产生剧烈撞击。其工作过程如下：将与当传动轴转动时，通过自身的梯形螺纹（滚珠螺旋）带动限位挡块5旋转，限位挡块5在限位槽板9限位槽的约束下，沿传动轴轴向正反往复直线运动。当限位挡块5到达传感器A、B时，到达最大的正向调整范围，只要A、B传感器有一个可以工作，就可以发出信号，通知上位机控制器，控制驱动系统采取相应的动作。如果传感器A、B全部出现故障，且制动器失灵，无法通知上位机控制器时，或者上位机控制器失控时，旋转机械的旋转轴就可能冲出限定的有效运动范围，这时，正向的机械吸能元件A41，将望远镜动能吸收转化为热能，防止产生激烈撞击，从而导致对主镜等精密仪器的破坏。同样等反向运行出现上述故障时，负向机械限位吸能原件B42可以起到相同的作用。

所述的紧急制动装置可以实现旋转机械意外发生时的紧急刹车。当需要设备在正常运转遇到紧急状况时，需要紧急停车，需要紧急制动系统，因此，在限制动位机构中设计有电磁制动装置。在螺旋限位结构右侧，电磁制动器7通过右轴承端盖6用固定螺栓112连接，电磁制动器7为失电时动作，望远镜跟踪系统正常工作时，电磁制动器7通电，线圈14将衔铁15吸住，制动器不起作用，当上位控制器发现系统存在故障时，控制信号21会发出紧急控制信号，通知电磁制动器7动作，电磁制动器7失电，衔铁15在弹簧17的作用下，压紧刹车片16。刹车片16与花键套18通过花齿相连传递运动。然后，制动力通过花键套18传递给传动轴1，进而通齿轮3（图1）传递给旋转机械传动系统，实现对望远镜跟踪系统的紧急制动。

本发明解决了旋转机械的轴系需要实现±0~360°的目标连续跟踪、旋转、紧急制动、防止电缆连续旋转式产生的拖拽与扭断等一系列功能。本发明是能够同时实现紧急制动、旋转范围可调以及机械硬限位于一体的限位制动机构。本发明的装配工艺简单、维护成本低、承载能力强，整体仪器可靠性高、故障率低；旋转范围在±0~360°范围甚至更大范围内可调。

附图说明

图1（含图1-1、图1-2、图1-3）为望远镜限位制机构三维原理图；

图2为旋转机械限位调整及反馈原理图；

图3为限位机构传动装置结构图；

图4（含图4-1、图4-2、图4-3）为旋转机械运动范围调整及反馈原理图；

图5（含图5-1、图5-2）为旋转机械硬限位调整及反馈原理图；

图6为旋转机械紧急制动反馈及运转范围控制原理图；

图7为限位制动机构在望远镜跟踪系统应用原理图。

具体实施方式

实施例1，用于望远镜跟踪系统综合实验平台。采用该制动限位机构对该跟踪系统实施运动范围检测、系统异常保护以及紧急制动。

方位限位制动机构通过其传动齿轮与望远镜方位驱动系统的大齿轮相连，将望远镜的运动传递给限位制动机构，传动齿轮通过涨紧套与传动轴连接，传动轴上有梯形螺纹，限位挡块通过梯形螺纹与传动轴连接，当主轴旋转时，限位槽板9上有一个矩形槽，将限位挡块5限定在沿传动轴1轴向方向前后往复直线移动，限位挡块5上固定了磁性元件A21，磁性元件B22，磁性元件A21、B22 随限位挡块5往返做直线运动，当磁性元件与相应的接近开关接触式，将反馈相应的信号给上位控制器，并通知系通做出相应的动作。

详细的设计是所述的限位机构的传动装置主要由传动齿轮3、涨紧套2、轴承端盖4，6、传动轴1、限位槽板9、限位挡块5、圆锥滚子轴承101，102以及传动箱8组成（见图3）。采用涨紧套2将传动齿轮3与传动轴1连接，可以具有传递动力和限制最大转矩的作用，保护传动系统产生破坏；传动轴通过推力圆锥滚子轴承101，102固定在传动箱体8上，两侧用轴承端盖4，6限定轴向移动。采用推力圆锥滚子轴承可以承受较大的轴向载荷，且对轴向冲击不敏感。传动轴上加工有梯形螺纹，根据望远镜的大小，旋转合适的螺纹规格和长度，以保证其运动范围能满足望远镜方位和高度轴的运动范围。限位槽板9（见图1）上设计有限位槽，其尺寸根据望远镜尺寸的大小和运动范围确定。限位挡块5被约束在限位槽内正反往复直线运动。并通过固定在限位挡块5上的磁性元件A21，磁性元件B22出发相应的传感器。

所述的限位机构的运动范围调整装置主要接近开关调整片A31、B32、C33、锁紧调整螺钉A61、A62、B61、B62、C61、C62、接近开关A、B、C、D、E、F、限位挡块5、磁性元件A21、B22组成。安装时，首先根据望远镜的方位轴和高度轴的零点，将限位挡块5调整至限位槽（见图1限位槽板）中心位置，然后与望远镜连接好，调整零位接近开关调整片A51，零位接近开关C、接近开关D通过磁性元件A21、磁性元件B22时产生响应信号，用锁紧调整螺钉63、64锁死零位接近开关调整片B52；正向转动望远镜方位至正向最大位置，调整正向接近开关调整片A51，正向接近开关A、接近开关B通过磁性元件A21、磁性元件B22时产生在响应信号，用锁紧调整螺钉61、62锁死正向接近开关调整片A51；反向转动望远镜方位至负向最大位置，调整正向接近开关调整片C53，负向接近开关E、接近开关F通过磁性元件A21、磁性元件B22时产生在响应信号，用锁紧调整螺钉65、66锁死负向接近开关调整片C53；从而确定了望远镜方位轴的零点，正负运动范围。高度轴可以按同样的过程确定其零点，正负运动方位。接近开关采用了冗余结构以增加系统的可靠性。零点、正负最大位置的反馈都采用两个接近开关最为检测传感器，工作时，两个元件只要有一个能够正常工作，制动限位机构就可以正常运转。

为了避免设备失常时产生的剧烈撞击，制动限位机构设计了机械限位机构。当望远镜上位机控制系统出现异常，或者紧急制动装置失灵时，望远镜的跟踪机构在惯性的作用下，会超出其设备规定的转动范围，这会对系统造成很大的破坏，为了把跟踪系统限定在许可的运动范围内，在转动范围的外侧，设计了机械限位机构。在正负限位的外侧均设置了机械限位机构，机械吸能元件正向缓冲器A41，负向缓冲器B42通过固定螺栓121，122与限位槽板9连接，正向缓冲器A41、负向缓冲器B42通过螺纹分别与正负机械吸能元件固定座连接，调整到合适的位置，通过双螺母将机械吸能元件与固定座锁死。机械吸能元件缓冲器A41、缓冲器B42可以将望远镜方位和高度轴的动能转化为热能，从而避免产生剧烈撞击。其工作过程如下：望远镜跟踪实验平台的高度轴和方位轴均安装了机电式限位制动机构，其中方位轴制动限位机构25通过本身的传动齿轮（小齿轮）3方位轴大齿轮24啮合实现方位轴的运动传动，高度轴制动限位机构23通过本身的小齿轮3与高度轴大齿轮23啮合实现高度轴的运动传动。以方位轴运动为例，说明机电式限位制动机构的工作原理及其安装、调整方法。望远镜方位轴运动时，通过方位大齿轮24与方位限位制动机构25的传动齿轮（小齿轮）3啮合，将运动传递个方位制动限位机构。带动方位制动限位机构25的传动轴1转动，传动轴1通过自身的梯形螺纹（滚珠螺旋）带动限位挡块5旋转，限位挡块5在限位槽板9限位槽的约束下，沿传动轴轴向正反往复直线运动。当限位挡块5到达传感器A、B时，到达最大的正向调整范围，只要A，B传感器有一个可以工作，就可以发出信号，通知上位机控制器，控制驱动系统采取相应的动作。如果A，B传感器全部出现故障，且制动器失灵，无法通知上位机控制器时，或者上位机控制器失控时，望远镜的方位轴或者高度轴就可能冲出限定的有效运动范围，这时，正向的机械吸能元件正向缓冲器A41，将望远镜动能吸收转化为热能，防止产生激烈撞击，从而导致对主镜等精密仪器的破坏。同样等反向运行出现上述故障时，负向机械限位吸能原件正向缓冲器B42可以起到相同的作用。图中的41-1与42-1分别是磁性元件A41与磁性元件B42的固定座。

紧急制动装置可以实现望远镜意外发生时的紧急刹车。当需要设备在正常运转遇到紧急状况时，需要紧急停车，需要紧急制动系统，因此，在方位轴限制动位机构25中设计有电磁制动装置。在机电式限位制动结构25右侧，电磁制动器7通过右轴承端盖6用固定螺栓112连接，电磁制动器7为失电时动作，望远镜跟踪系统正常工作时，电磁制动器7通电，线圈14将衔铁15吸住，电磁制动器7不起作用，当上位控制器发现系统存在故障时，控制信号21会发出紧急控制信号，通知电磁制动器7动作，电磁制动器7失电，衔铁15在弹簧17的作用下，压紧刹车片16。刹车片16与花键套18通过花齿相连传递运动。然后，制动力通过花键套18传递给传动轴1，进而通传动齿轮3（图1）传递给望远镜方位轴大齿轮24，实现对望远镜跟踪系统的方位轴实施紧急制动。

    高度轴的制动限位机构26的安装、调试与工作原理与方位轴相同，不在赘述。