CN101701594B - 独立可控大转角电液伺服摆动液压缸 - Google Patents

Abstract

一种独立可控大转角电液伺服摆动液压缸，包括液压缸、螺旋缸和控制系统，液压缸包括左缸盖、液压缸筒以及活塞，螺旋缸包括螺旋缸筒、右缸盖以及螺旋活塞，液压缸筒和螺旋缸筒之间设有连接透盖，在液压缸和螺旋缸的中部贯穿有一根输出螺杆，在液压缸的左侧设有装在输出螺杆端部的光电编码器，在螺旋缸的右侧为输出螺杆的输出端轴，液压缸的活塞套装在输出螺杆上并且小端穿过连接透盖，螺旋活塞通过轴向限位装置套装在液压缸活塞的右端，螺旋缸筒内嵌有耐磨螺旋衬套，耐磨螺旋衬套与输出螺杆的旋向相反，在螺旋缸筒内的输出螺杆上装有滚珠螺旋母，滚珠螺旋母与螺旋活塞小端固定连接。采用两段螺旋输出，其结构紧凑、低速稳定性强、输出扭矩大。

Description

独立可控大转角电液伺服摆动液压缸

技术领域

本发明涉及一种液压执行元件，特别是一种独立可控大转角电液伺服摆动液压缸。

背景技术

摆动液压缸是一种液压执行元件，它能输出往复的摆动运动，所以也称摆动液压马达。这种液压缸常用于分度机构、转位装置、机械手以及各种冶金机械、石化机械和矿山机械等。目前国内使用的摆动液压缸主要有两大类：叶片式和活塞组合式。叶片式摆动液压缸又分单叶片式和双叶片式两种，其最大缺点是液压缸结构尺寸大，输出力矩小，输出转角小于360°，密封性能差，其内泄漏的变化会影响伺服系统的性能。活塞组合式摆动液压缸由活塞液压缸和其它传动机构组成，主要包括齿轮齿条式、螺旋活塞式、链式、曲柄连杆式等。这类摆动液压缸的主要缺点是结构不紧凑，低速性能差，螺旋副泄漏大，效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出了一种结构紧凑、密封性好、低速稳定性强的独立可控大转角电液伺服摆动液压缸。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，一种独立可控大转角电液伺服摆动液压缸，其特点是：包括液压缸、螺旋缸和控制系统，液压缸包括左缸盖、液压缸筒以及活塞，螺旋缸包括螺旋缸筒、右缸盖以及螺旋活塞，液压缸筒和螺旋缸筒之间设有连接透盖，在液压缸和螺旋缸的中部贯穿有一根输出螺杆，在液压缸的左侧设有装在输出螺杆端部的光电编码器，在螺旋缸的右侧为输出螺杆的输出端轴，液压缸的活塞套装在输出螺杆上并且小端穿过连接透盖，螺旋活塞通过轴向限位装置套装在液压缸活塞的右端，螺旋缸筒内嵌有与螺旋活塞配合的耐磨螺旋衬套，耐磨螺旋衬套与输出螺杆的旋向相反，在螺旋缸筒内的输出螺杆上装有滚珠螺旋母，滚珠螺旋母与螺旋活塞小端固定连接。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，连接透盖使液压缸的液压腔完全封闭。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，滚珠螺旋母与螺旋活塞小端之间设有间隙调整垫片。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，螺旋活塞和滚珠螺旋母的螺旋升角相等。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，螺旋活塞与液压缸活塞之间的轴向限位装置包括设在螺旋活塞上的环形槽，在液压缸活塞上设有与上述环形槽配合的轴向定位销轴。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，控制系统包括电液压力流量伺服阀，由单片机、信号输入输出调理电路、输入键盘以及LED显示组成的控制器，光电编码器，以及安装在液压缸的两个工作油口上的压力传感器。

本发明与现有技术相比，采用两段螺旋输出，摆动液压缸为集机、电、液一体的独立产品，其结构紧凑、体积小、便于整机布置；密封性好，容积效率高，低速稳定性强；输出扭矩大，输出转角可大于360°转角大；采用了微机控制，可以准确输出扭矩和摆角；应用范围广，可直接应用于电液力、电液压力、电液位置以及电液速度伺服系统中。

附图说明

图1为本发明的结构简图。

图2为图1的俯视图。

图3为控制系统原理方框图。

具体实施方式

本发明的结构如图所示，1.光电编码器2.防尘密封装置3.端盖4.伺服阀座5、7.压力传感器6.电液压力流量伺服阀8.连接透盖9.接线柱10.控制器罩11.控制器12.轴承13.输出螺杆14.螺旋缸筒15.滚珠螺旋母16.垫片17销轴.18.螺旋活塞19.橡塑组合密封装置20.液压缸活塞21.液压缸筒22、23.橡塑组合密封24.触摸输入键盘25.LED显示26.右缸盖。

一种独立可控大转角电液伺服摆动液压缸，包括液压缸、螺旋缸和控制系统，液压缸包括左缸盖、液压缸筒以及活塞，螺旋缸包括螺旋缸筒、右缸盖以及螺旋活塞，液压缸筒和螺旋缸筒之间设有连接透盖，连接透盖使液压缸的液压腔完全封闭。在液压缸和螺旋缸的中部贯穿有一根输出螺杆，在液压缸的左侧设有装在输出螺杆端部的光电编码器，在螺旋缸的右侧为输出螺杆的输出端轴，液压缸的活塞套装在输出螺杆上并且小端穿过连接透盖，螺旋活塞通过轴向限位装置套装在液压缸活塞的右端，螺旋缸筒内嵌有与螺旋活塞配合的耐磨螺旋衬套，耐磨螺旋衬套与输出螺杆的旋向相反，在螺旋缸筒内的输出螺杆上装有滚珠螺旋母，滚珠螺旋母与螺旋活塞小端固定连接。

该结构主要由液压缸、螺旋缸、控制系统以及密封装置组成。液压缸由左缸盖3、液压缸筒21、连接透盖8以及活塞20组成。缸筒21左端与左缸盖3焊接，右端用螺钉与连接透盖连接，活塞20套在输出螺杆13上并穿过透盖8。

螺旋缸由螺旋缸筒14、右缸盖26、透盖8以及螺旋活塞18组成。螺旋缸筒14右端与右缸盖26焊接，左端用螺钉与连接透盖8连接，螺旋缸筒内嵌耐磨螺旋衬套，其螺旋方向与输出螺杆13旋向必须相反。螺旋活塞18套在液压缸活塞20右端，并用销轴17轴向定位。由于活塞20右端与销轴17配合处是一环形槽，所以允许螺旋活塞18相对液压缸活塞20相对转动。滚珠螺旋母15用螺钉与螺旋活塞小端18连接，滚珠螺旋母与螺旋活塞小端之间设有间隙调整垫片16，并可通过垫片16调整滚珠螺旋母与输出螺杆13的传动间隙。输出螺杆13和螺母15之间采用滚珠螺旋方式，提高了摆动液压缸的工作效率和旋转灵活性。

控制系统包括电液压力流量伺服阀6和由单片机、信号输入输出调理电路(滤波、放大、隔离以及A/D转换)、输入键盘以及LED显示组成的控制器11，传感器包括两个压阻式压力传感器5和7以及测量输出转角的光电编码器1。压力传感器分别安装在液压缸的两个工作油口上，光电编码器直接安装在输出螺杆的右端。

当压力油由A口，通入液压缸左腔，而液压缸右腔的油，由B口回油，则在压力作用下，活塞20以及螺旋活塞18一起向右运动。因为和固定的螺旋缸筒14螺旋啮合，所以螺旋活塞18在向右直线运动的同时，还伴随着转动，并带动滚珠螺旋母15一起转动。此时，与滚珠螺旋母相啮合的输出螺杆因轴向固定，所以也只能转动，从而完成了把输入液压缸活塞20的直线运动转变为输出螺杆13的旋转运动。

如果螺旋活塞18右移正好一个导程时，同时它也将正好转过360°。螺旋活塞18和滚珠螺旋母15的螺旋升角相等，但由于两处的直径不同，所以输出螺杆轴13旋转的角度将大于360°。

当摆动液压缸通过输出螺杆驱动负载旋转时，活塞20只做直线运动。由于角速度比较小，所以密封装置23和19处只需满足直线往复密封要求即可，而密封装置22处还有相对转动，但通常摆动液压缸的旋转角速度比较小，所以该处的密封还是以满足直线往复为主。密封性能的好坏，直接影响伺服摆动液压缸的工作稳定性，所以本发明所有密封装置均采用了新型橡塑组合密封方式。

本发明的计算机伺服电液控制系统如图所示。当需要准确控制摆动液压缸的输出转角和扭矩时，可通过键盘24输入期望转角和扭矩，单片机输出相应的信号，该信号经过输出调理电路的D/A转换和放大，驱动电液伺服压力流量阀6。伺服阀将向液压缸输入相应输入信号的压力和流量，使液压缸输出对应的扭矩和转角，同时编码器1和压力传感器5、7将检测到的实际输出扭矩和转角反馈至单片机，与输入的期望值进行比较。如果有误差，单片机将输出信号驱动伺服阀再次工作，液压缸进一步动作，使其输出的实际扭矩和转角与期望值完全相符，控制系统停止工作，LED显示器显示准确的扭矩和转角值。另外，利用单片机的时钟，记录液压缸的工作时间，依据已测转角值，能够计算出摆动液压缸的平均回转角速度。

在大多数情况下，伺服摆动液压缸的输出扭矩和转角并不需要同时控制，所以本发明采用了既能控制压力又能控制流量的复合式电液伺服阀，它可通过转换开关分别选择控制系统压力和流量。如果需要同时控制压力和流量，那只需更换伺服阀座4，并同时安装伺服压力阀和伺服流量阀即可。

本发明即可作为独立可控的动力装置，也可作为分布式控制系统中的单元，通过单片机上的接口和系统控制中心计算机通讯，以发送信息或接受指令。

主要性能参数计算：

1.输出理论扭矩T

$T=\frac{1}{2}\mathrm{dSptg}(\mathrm{\α}-\mathrm{\β})---N\·m$

式中d——螺旋活塞的平均直径，m；

S——液压缸活塞面积，m²；

p——液压缸输入压力，Pa；

α——螺旋活塞的螺旋升角，(°)；

β——螺旋副的摩擦角，(°)。

2.输出角速度ω

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\πLSq}}{60}---\mathrm{rad}/s$

式中L——螺旋活塞的导程，m；

S——液压缸活塞面积，m²；

q——液压缸输入流量，m³/s

3.工作总效率η

η＝η₁·η₂·η₃·

式中η₁——液压缸的容积效率，通常取0.98；

η₂——螺旋活塞与螺旋缸筒螺旋副的机械效率， ${\mathrm{\η}}_2=\frac{\mathrm{tg}(\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}{\mathrm{tg\α}}$

η₃——输出螺杆与滚珠螺旋母滚动螺旋副的机械效率，通常取0.93。

Claims (6)

1.一种独立可控大转角电液伺服摆动液压缸，其特征在于：包括液压缸、螺旋缸和控制系统，液压缸包括左缸盖、液压缸筒以及活塞，螺旋缸包括螺旋缸筒、右缸盖以及螺旋活塞，液压缸筒和螺旋缸筒之间设有连接透盖，在液压缸和螺旋缸的中部贯穿有一根输出螺杆，在液压缸的左侧设有装在输出螺杆端部的光电编码器，在螺旋缸的右侧为输出螺杆的输出端轴，液压缸的活塞套装在输出螺杆上并且其小端穿过连接透盖，螺旋活塞通过轴向限位装置套装在液压缸活塞的右端，螺旋缸筒内嵌有与螺旋活塞配合的耐磨螺旋衬套，耐磨螺旋衬套与输出螺杆的旋向相反，在螺旋缸筒内的输出螺杆上装有滚珠螺旋母，滚珠螺旋母与螺旋活塞小端固定连接。

2.根据权利要求1所述的独立可控大转角电液伺服摆动液压缸，其特征在于：连接透盖使液压缸的液压腔完全封闭。

3.根据权利要求1所述的独立可控大转角电液伺服摆动液压缸，其特征在于：滚珠螺旋母与螺旋活塞小端之间设有间隙调整垫片。

4.根据权利要求1所述的独立可控大转角电液伺服摆动液压缸，其特征在于：螺旋活塞和滚珠螺旋母的螺旋升角相等。

5.根据权利要求1所述的独立可控大转角电液伺服摆动液压缸，其特征在于：螺旋活塞与液压缸活塞之间的轴向限位装置包括设在螺旋活塞上的环形槽，在液压缸活塞上设有与上述环形槽配合的轴向定位销轴。

6.根据权利要求1所述的独立可控大转角电液伺服摆动液压缸，其特征在于：控制系统包括电液压力流量伺服阀，由单片机、信号输入输出调理电路、输入键盘以及LED显示组成的控制器，光电编码器，以及安装在液压缸的两个工作油口上的压力传感器。

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