CN101025173A

CN101025173A - 基于压电陶瓷的功率电传静液加载系统

Info

Publication number: CN101025173A
Application number: CN 200610008123
Authority: CN
Inventors: 焦宗夏; 吴百昌; 王少萍; 尚耀星
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2007-08-29

Abstract

本发明提出一种基于压电陶瓷的静液功率电传加载系统，涉及改造之前提交的压电陶瓷泵的复合静液作动装置，应用于负载模拟器。其中包括：压电陶瓷作动器装置1，提供平稳的动力输出；斜盘17，将输出作动筒的线性输出转换为转动力矩；角位移传感器15，检测斜盘的角度位移量；力矩传感器16，检测传动轴上承受的力矩大小；补油蓄能器，增加吸油回路压力，防止吸空出现气穴。提供了体积小、高频响、无分布管路、无污染的功率电传加载系统。

Description

基于压电陶瓷的功率电传静液加载系统

技术领域

本发明涉及一种基于智能材料压电陶瓷的静液复合微量泵的加载系统。

背景技术

目前，负载模拟器的加载系统都是使用阀控液压缸或阀控摆动缸的电液伺服加载系统和电机直接加载的电动加载系统。但是前者液压源体积大、功耗和噪声大、能源利用率低、容易漏油、维护修理不方便、对油液中的污染物比较敏感而经常发生故障等，后者电动机体积大、频宽低、功率密度小、输出力矩有限、存在力矩波动等。本发明提出的基于智能材料的静液复合加载系统。本课题组提出的一种基于智能材料的一体化作动装置(参照已提交发明申请200610001042.2)，本发明在最外侧加上力反馈传感器构成力闭环，对负载模拟器进行加载。这种新型的加载系统应用于负载模拟器属于在国内外属于首创。该加载系统克服了电液伺服加载系统和电动加载系统的缺点，体积小、频宽高、功率密度大、无噪音、避免分布管路等优点，适用于小功率、高频响、高精度要求的加载装置。

发明内容

本发明的目的是：提供一种高频响、高精度、体积小的静液加载系统。

本发明的技术方案是：本发明提出一种基于压电陶瓷的静液功率电传加载系统，涉及改造之前提交的压电陶瓷泵的复合静液作动装置，应用于负载模拟器。其中包括：压电陶瓷作动器装置1，提供平稳的动力输出；斜盘17，将输出作动筒的线性输出转换为转动力矩；角位移传感器15，检测斜盘的角度位移量；力矩传感器16，检测传动轴上承受的力矩大小；补油蓄能器，增加吸油回路压力，防止吸空出现气穴。提供了体积小、高频响、无分布管路、无污染的功率电传加载系统。

本发明的优点是：本发明提出了一种全新的负载模拟器加载系统，能够精确控制，体积小、频响高、无噪音。

附图说明

图1是功率电传静液加载系统原理示意图。

图2是已提交发明申请200610001042.2的原理结构示意图。

图3是本发明的放大单元的结构图。

图4是本发明的变量泵的活塞的实体图。

图5是本发明的变量泵的缸套的实体图。

图6是本发明的变量泵的端盖的截面图。

图7是本发明的复合静液作动装置施加的驱动电压与对应输出流量曲线示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。参照图1，本发明的基于压电陶瓷的功率电传静液加载系统，主要由复合静液作动装置1、AD/DA转换单元，控制计算机11、斜盘17、角位移传感器15、力矩传感器16组成。角位移传感器15检测斜盘的偏转角度，力矩传感器16检测传动轴的转动力矩，通过AD转换器转换为数字信号发送给控制计算机11，控制计算机11根据反馈回来的角度信号和转矩信号对复合静液作动装置进行相应的控制。斜盘17是将输出作动筒的线性输出转换为转动力矩，对负载模拟器进行加载。

参见图2，本发明的复合静液作动装置，是压电陶瓷功率电传静液加载系统的核心单元，主要由输出单元21、垫块22、泵体23、上泵24、下泵25、放大单元25、基座27、未图示的补油单元以及连通这些单元的油路构成。其中，基座27用于支撑作动装置体；上泵24和下泵26是两个上下对称设置的压电陶瓷泵，通过共用的泵体23组合在一起，是作动装置的动力机构；放大单元25，是放大压电陶瓷伸长量的柔性铰链；垫块22，是连接输出单元21的下端和上泵24的上端的连接单元；输出单元21是作动装置的位移或力的输出单元，补油单元，通过两个单向阀连接在油路中，防止吸油不充分。

下面参照图2、图3、图4以及图5详细说明本发明的压电陶瓷作动装置的变量泵。图2是本发明的压电陶瓷作动装置原理结构示意图，图3是本发明的放大单元的结构图，图4是本发明的变量泵的活塞的实体图，图5是本发明的变量泵的缸套的实体图。上泵24和下泵26结构完全相同的，所以只说明上泵24的结构。上泵24，采用对称布置的两个压电陶瓷，其伸长量经过放大之后推动活塞。它由泵体23、缸套5、未图示的压电陶瓷堆、未图示的密封圈、活塞4、端盖6构成。

如图2中所示的泵体23，由航空铝材构成，上下凸出，上下凸部具有对称的通孔，凸部用于固定上述放大单元以及通孔固定上述缸套。在本实施形式中，上下泵共用一个泵体，也可以采用上下泵泵体分离的结构。

其中，如图5所示，缸套5是一个带有贯通内腔的圆柱体，上面有用于连接油路的通孔，通孔51，连接下泵26的通孔52，通孔52连接下泵26的通孔51，都用于上下泵之间的油路连通从而控制进出油口的开闭；通孔53，连接下泵26的通孔54以及输出单元的右侧油路接口，通孔54，连接下泵26的通孔53以及输出单元的左侧油路接口，都用于上下泵之间的油路连通从而控制进出油口的开闭。并且，这些通孔的截面图都是中间部分为矩形，两侧为对称半圆形。并且，在本实施形式中，通孔51、52、53的截面的矩形都是长2mm，宽1mm；而通孔54截面的矩形是长2mm，宽2mm；堵头的半圆都是以其矩形的宽为半径的半圆。，缸套的总长度为39mm。但是，上述通孔的尺寸并不局限于此这些。另外，通孔51之间的距离为2mm，通孔52之间的距离为37mm，通孔53之间的距离为2mm。

上下泵的活塞也是一样的，所以只说明上泵的活塞。如图3所示，活塞是由未图示的耐磨环，位于活塞的外侧圆环外键槽4 1中，用于延长活塞的使用寿命用；未图示的活塞封，位于活塞的内侧圆环外键槽42中，用于密封防止油液泄漏；环槽43，用于连接上下泵之间油路，控制进出油口的开闭，圆环外键槽41、42分别用于放置耐磨环和活塞封。其中，在本实施形式中，外键槽41的宽度为9.6mm，直径为12mm；外键槽42的宽度为2.2mm，直径为11mm；环槽43的宽为1mm，直径为14mm，当然尺寸并不局限于此。另外，外键槽43之间的距离为2mm，和缸套的通孔54正好对接。并且，活塞最外段之间的长度为36mm，比缸套上的通孔52之间距离小1mm，以保证两个通孔52是一直敞开的。并且，缸套的总长度为39mm，比活塞粗径部分长3毫米，活塞装进去之后，一边剩余1.5mm，这段空腔就是上泵的两个工作腔。并且工作腔通过常开通孔52与下泵的控制上泵进出油口开闭的通孔51连通。此外，在本实施形式中，耐磨环(也称摩擦环)，可以工作在-30～115℃环境中，流量限压应力可以达到450MN/m²；活塞封采用聚氨酯材料构成，工作压力为400bar，工作温度为-40～95℃。但是，并不限于这些材料。

放大单元3，如图3所示，是放大压电陶瓷堆的伸长量的柔性铰链。由对称分布的两个放大模块构成，分别放大对顶上泵24的活塞的两个压电陶瓷堆。31是调节螺纹，32是限制压电陶瓷堆后端的凹槽，33是和压电陶瓷堆前端接触的平块，34是连接平台33和放大杠杆36的铰链，35是支撑放大杠杆36的铰链，36是放大杠杆，37是连接放大杠杆36和与图4所示的活塞接触的平台38的铰链。未图示的压电陶瓷堆被限制在凹槽32和平台33之间。调节螺钉通过螺纹31与与压电陶瓷堆的后端接触，从而调节压电陶瓷的初始位置。在本实施形式中，放大杠杆短边长度为6.5mm，长边长度为32.5mm，放大倍数为5倍，当然放大倍数也可以是其它的合适的倍数。

另外，在本实施形式中，放大单元是由弹簧钢构成，也可以采用其它的材料构成。

下面，参照图6说明变量泵的端盖的结构。

图6是变量泵的端盖6的截面图。端盖6用于密封缸套中的油液，以防止泄漏和污染，所以其内部挖有两个圆环状的内键槽61和62，分别用于放置活塞拉杆封和防尘圈。未图示的活塞拉杆封，位于端盖的外侧圆环内键槽61中。未图示的防尘圈，位于端盖的内侧圆环内键槽62中。其中，在本实施形式中，内键槽61的宽度为3.4mm，直径为14.4mm；内键槽62的宽度为3.8mm，直径为14.6mm；内键槽61、62之间的距离为11.8mm，当然尺寸并不局限于此。

此外，在本实施形式中，活塞拉杆封，是由聚四氟乙烯材料构成，可以工作在-40～120℃环境中，工作压力可达到400bar；防尘圈采用聚氨酯材料构成，工作压力为400bar，工作温度为-40～95℃。当然也可以采用其它的能满足要求的材料。

补油单元，图中未示出。具有蓄能器，储存0.7Mpa恒定压力的油，用于补充循环油路；单向阀，将蓄能器连接到油路上，当循环油路压力低于蓄能器压力时打开。

输出单元，图2所示的输出单元由未图示的活塞、未图示的缸套、未图示的端盖构成。活塞具有活塞封和上述变量泵的活塞封结构一样，所以省略说明。端盖以及端盖内安装的活塞拉杆封和防尘圈与上述变量泵一样，所以省略说明。但是，由于输出单元的活塞频率不高，所以没有安装耐磨环。

图2所示的垫块22，用于连接上述压电陶瓷变量泵上端和输出单元的下端。在本实施形式中，垫块22由航空铝材构成，也可以采用其它的轻质材料构成。

图2所示的基座27，用于支撑上述复合静液作动装置。在本实施形式中，基座27由航空铝材构成，也可以采用其它的轻质材料构成。

参照图2所示的原理结构图，以及图6的驱动电压与对应输出流量曲线示意图详细说明作动装置的连接油路以及工作原理。当为上泵24下泵26都施加1/2工作电压的偏置电压时，活塞4处于中间位置，其上的环形槽43之间的凸部正好与缸套5上的通孔54连通，环槽43上侧正好被缸套5堵住，同时环槽43下侧正好与缸套5上的通孔51对接，缸套5上的通孔52也正好与下泵26的缸套的通孔51对接。上泵24和下泵26的左右两个压电陶瓷堆分别施加图7所示的电压，由图示，上泵24和上泵26的左右两个压电陶瓷堆分别施加相反的电压，而上泵24和下泵26的同侧(都是左侧或都是右侧)施加的电压相位相差90°，在0～T/4周期内，上泵24左侧施加电压从0升到200，上泵24的活塞在左侧压电陶瓷堆的作用下，被左侧从左侧推到右侧；上泵24的右侧施加与左侧相反的电压，右侧压电陶瓷堆缩短，从而不妨碍活塞向右移动；此时，下泵26的左侧压电陶瓷堆持续施加0电压，右侧压电陶瓷堆持续施加200V电压，下泵26的活塞位于左侧。此时，下泵26的活塞上的环槽43左侧一个与缸套上的通孔53左侧一个连通，从而与输出单元的左侧腔连通，而上泵24的左侧工作腔通过上泵24的缸套上通孔52左侧一个与下泵26缸套上通孔51左侧一个总是连通的，从而上泵24的左侧工作腔实现了吸油通路。另外，下泵26活塞上的环槽43右侧一个与缸套上的通孔54连通，从而与输出单元的右侧腔连通，而上泵24的右侧工作腔通过上泵24的缸套上通孔52右侧一个与下泵26缸套上通孔51总是连通的，从而上泵24的右侧工作腔实现了排油通路。此时，作动装置的输出单元的拉杆向左运动。

在T/4～T/2，上泵24的活塞到达右侧，所以左侧的压电陶瓷堆持续施加200V电压，右侧的压电陶瓷堆持续施加0电压，从而活塞停留在右侧T/4。此时，下泵26的左侧压电陶瓷堆施加电压从0V到200V，右侧是施加相反电压，在这个T/4中，下泵26的活塞，由于压电陶瓷堆的作用，被从左侧推到右侧。此时，上泵24的活塞上的环槽43左侧一个与缸套上的通孔54连通，从而与输出单元的左侧腔连通，而下泵26的左侧工作腔通过下泵26的缸套上通孔52左侧一个与上泵24缸套上通孔51左侧一个总是连通的，从而下泵26的左侧工作腔实现了吸油通路。另外，上泵24活塞上的环槽43右侧一个与缸套上的通孔53左侧一个连通，从而与输出单元的右侧腔连通，而下泵26的右侧工作腔通过下泵26的缸套上通孔52右侧一个与上泵24缸套上通孔51右侧一个总是连通的，从而下泵26的右侧工作腔实现了排油通路。此时，作动装置的输出单元的拉杆仍然向左运动。

在T/2～3T/4以及3T/4～T中，施加图7所示的电压，工作过程和在0～T/4以及T/4～T/2中一样的，所以省略说明。

另外，当上泵24施加的电压超前下泵26施加的电压的时，作动装置的输出单元的拉杆向左运动；当下泵26施加的电压超前下泵26施加的电压时，作动装置的输出单元的拉杆向右运动。由此，通过改变控制电压的相位能简单的控制作动装置的输出方向。

此外，本实施方式中输出作动筒输出的线性作动筒，也可以接旋转马达，只要是不脱离本发明的主旨，无论是线性输出还是直接输出旋转力矩都包括在本发明当中。

此外，在本实施形式中施加的是图7所示的控制电压，当然也可以施加其它的周期电压，只要是相位相差90度就可以了。

Claims

1、一种压电陶瓷的功率电传静液加载系统，其特征在于包括：

压电陶瓷作动器装置1，提供平稳的动力输出；

斜盘17，将输出作动筒的线性输出转换为转动力矩；

补油蓄能器，增加吸油回路压力，防止吸空出现气穴。

2、根据权利要求1所述的功率电传静液加载系统，其特征在于：

还具有，角位移传感器15，检测斜盘的角度位移量；

力矩传感器16，检测传动轴上承受的力矩大小。