CN102691694A

CN102691694A - 一种自驱动的精密步进式液压动力装置

Info

Publication number: CN102691694A
Application number: CN2012101754952A
Authority: CN
Inventors: 王淑云; 阚君武; 徐海龙; 温建明; 曾平; 程光明
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2032-05-23
Also published as: CN102691694B

Abstract

本发明涉及一种自驱动的精密步进式液压动力装置，属于液压驱动与控制技术领域。缸体两端通过螺钉安装有缸盖，缸体内部安装有双头活塞、并将缸体腔分成第一和第二缸腔；第一、第二泵盖与缸体的泵腔间分别压接有2-20个压电振子，构成第一、第二驱动单元；在所述各泵腔内、以及第一及第二泵盖上的阀腔内均设有一个薄膜阀片；第一驱动单元的出口与第一缸腔连通，进口与第一蓄能器连通后再经第一开关阀与第二缸腔连接；同样地，第二驱动单元出口与第二缸腔连通，进口与第二蓄能器连通后再经第二开关阀与第一缸腔连接。优点在于：无需外部电机及液压泵提供动力，体积小、控制简单，可通过一次循环一个液滴的方法实现精密的数字式步进驱动与定位控制。

Description

一种自驱动的精密步进式液压动力装置

技术领域

本发明属于液压驱动与控制技术领域，具体涉及一种自驱动的精密步进式液压动力装置，用于精密驱动、定位及振动控制。

背景技术

液压传动与控制系统具有高能量密度、低噪音、无冲击等优势，在国民经济和国防工业的各个行业已成功应用多年。传统的液压动力系统通常都是由尺寸较大的电动机和机械式液压泵进行驱动的，并通过换向阀、溢流阀、减压阀、节流阀及调速阀等多类型阀的联合作业实现液压缸输出力、速度及位置等的有效控制，因此，其体积庞大、结构连接及控制比较复杂，应用上具有很大的局限性：无法用于航空航天、行走机器人等微小系统及远程控制系统；同时，由于现有液压动力系统采用种类繁多的液压阀进行联合控制，也难以实现驱动力、速度及位置的精确控制与调节，也无法用于精密机械加工与装配、精密测量、精密光学驱动等要求驱动、定位及控制精度高的领域。

发明内容

针对现有液压动力系统在精密驱动与控制领域应用的局限性，本发明提出一种自驱动的精密步进式液压动力装置，作为独立部件用于要求控制精度高、使用空间受限的航空航天、机器人、及精密加工等领域。

本发明采用的技术方案是：缸体两端通过螺钉安装有缸盖，缸体的内腔中安装有双头活塞，所述活塞将缸体内腔分成第一缸腔和第二缸腔；缸体外壁上通过螺钉安装有第一泵盖和第二泵盖；所述缸体外壁上设有两组数量为2-20个的泵腔，所述的同一组中相邻两泵腔之间通过缸体上的腔间流道串联；所述第一泵盖和第二泵盖上各设有一组数量为2-20个的泵腔，所述同一泵盖上相邻两泵腔之间通过其所在泵盖上的腔间流道串联；所述缸体上第一组串联泵腔和第一泵盖上的串联泵腔之间通过密封圈压接有压电振子，构成第一驱动单元；缸体上第二组串联泵腔和第二泵盖上的串联泵腔之间通过密封圈压接有压电振子，构成第二驱动单元；在所述各泵腔内、以及第一泵盖及第二泵盖上的阀腔内均设有一个薄膜阀片；第一驱动单元中缸体上的串联泵腔的出口和第一泵盖上串联泵腔的出口经第一泵盖上的阀腔连通后再与缸体的第一缸腔连通，所述两组串联泵腔的进口与第一蓄能器连通，第一蓄能器再经第一开关阀及缸体上的第一通孔与第二缸腔连接；同样地，所述第二驱动单元的两组串联泵腔的出口经第二泵盖上的阀腔连通后再与第二缸腔连通，所述两组串联泵腔的进口连通后再经管路与第二蓄能器连通，第二蓄能器再经第二开关阀及缸体上的第二通孔与第一缸腔连接。

本发明所述的第一驱动单元和第二驱动单元不同时工作；工作时，同一个驱动单元中相邻两个泵腔中压电振子驱动电压的相位差为180度，压电振子弯曲变形方向相反。

本发明中，两个驱动单元的作用是提供流体驱动力，实现流体的循环及活塞的驱动与控制；开关阀的作用是控制两个驱动单元与两个缸腔间的通断；蓄能器的作用是提高流体的刚度和活塞的响应速度。在非工作状态下，第一开关阀和第二开关阀均处于关闭状态，第一蓄能器和第二蓄能器的的预置压力相等，压电振子两侧流体压力相等、不产生弯曲变形，活塞静止不动。

第一驱动单元工作时，第一开关阀接通，第一驱动单元中两组串联泵腔的进口经第一开关阀及缸体上的第一通孔与第二缸腔连通；当压电振子受电压作用产生往复弯曲变形时，所述两组串联泵腔内的流体压力交替地增加或减小，其结果是向第一缸腔排入流体、从第二缸腔吸入流体，从而推动活塞向使第一缸腔容积增加的方向运动。

第二驱动单元工作时，第二开关阀开启，第二驱动单元中两组串联泵腔的进口经第二开关阀及缸体上的第二通孔与第一缸腔连通；当压电振子受电压作用产生往复弯曲变形时，所述两组串联泵腔内的流体压力交替地增加或减小，其结果是向第二缸腔排入流体、从第一缸腔吸入流体，从而推动活塞向使第一缸腔容积减小的方向运动。

根据本发明所述液压动力装置的工作原理，活塞的最大运动速度为

最大进给步长为

最大驱动力为F＝η_FnpS，其中：η_v和η_F为与压电振子结构及材料参数、蓄能器压力、流体特性等有关的系数，ΔV为压电振子变形所引起的泵腔容积变化量，p为压电振子受电压作用时所产生的最大流体驱动压力，n为压电振子数量，S为活塞的有效截面积。

本发明特色及优势在于：①利用薄片型压电振子的弯曲变形驱动液压缸活塞，无需电机、机械式液压泵及油箱等附件，故体积小、集成度高、密封性好，可作为独立的标准部件应用；②通过压电振子的驱动电压即可实现力、速度及位置精度的控制与调节，控制元件少、方法简单；③压电振子双侧驱动流体，系统背压不会引起压电振子损坏、亦不会成为压电振子的负载，故可靠性及能量效率高；④同一驱动单元中两组串联泵腔在工作时一推、一拉，可有效防止活塞爬行，且比单测串联泵腔驱动时的速度提高一倍、步进脉动降低50％，工作介质可为气体或液体；⑤可通过一次循环一个液滴的方法实现精密的数字式步进驱动与定位控制。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的结构及其剖面示意图；

图2是图1的A-A向视图；

图3是图1的B向视图；

图4是本发明一个较佳实施例第一驱动单元工作时前半周期的结构及其剖面示意图；

图5是本发明一个较佳实施例第一驱动单元工作时后半周期的结构及其剖面示意图；

图6是本发明一个较佳实施例第二驱动单元工作时前半周期的结构及其剖面示意图；

图7是本发明一个较佳实施例第二驱动单元工作时后半周期的结构及其剖面示意图；

具体实施方式：

缸体1两端通过螺钉安装有缸盖2和2’，缸体1的内腔中安装有双头活塞3，所述活塞3将缸体1的内腔分成第一及第二缸腔；缸体1外壁上通过螺钉安装有第一泵盖4和第二泵盖4’；所述缸体1外壁上设有两组数量为2-20个的泵腔，所述的同一组中相邻的两个泵腔之间通过缸体1上的腔间流道串联；所述第一泵盖4和第二泵盖4’上各设有一组数量为2-20个泵腔，所述同一泵盖上相邻两泵腔之间通过其所在泵盖上的腔间流道串联；所述缸体1上第一组串联泵腔和第一泵盖4上的串联泵腔之间通过密封圈5压接有压电振子6，构成第一驱动单元I；缸体1上第二组串联泵腔和第二泵盖4’上的串联泵腔之间通过密封圈压接有压电振子6，构成第二驱动单元II；在所述各泵腔内、以及第一泵盖4及第二泵盖4’上的阀腔内均设有一个薄膜阀片7；第一驱动单元I中缸体1上的串联泵腔的出口和第一泵盖4上串联泵腔的出口经第一泵盖4上的阀腔连通后再与缸体1的第一缸腔连通，所述两组串联泵腔的进口与第一蓄能器9连通，第一蓄能器9再经第一开关阀8及缸体1上的第一通孔与第二缸腔连接；同样地，所述第二驱动单元II的两组串联泵腔的出口经第二泵盖4’上的阀腔连通后再与第二缸腔连通，所述两组串联泵腔的进口连通后再经管路与第二蓄能器9’连通，第二蓄能器9’再经第二开关阀8’及缸体上的第二通孔与第一缸腔连接。

如图1、图2、和图3所示，缸体1的两端通过螺钉安装有缸盖2和缸盖2’，缸体1的内腔中安装有双头活塞3，所述活塞3将所述缸体1的内腔分成第一缸腔C1和第二缸腔C2；缸体1的外壁上通过螺钉安装有第一泵盖4和第二泵盖4’；所述缸体1外壁上设有两组数量为220个的泵腔102和泵腔102’，所述相邻的两个泵腔102之间、两个泵腔102’之间分别通过缸体1上的腔间流道103和103’串联；所述第一泵盖4和第二泵盖4’上各设有一组数量为2-20个的泵腔402和泵腔402’，所述第一泵盖4及第二泵盖4’上相邻的两个泵腔402之间、两个泵腔402’之间分别通过第一泵盖4和第二泵盖4’上的腔间流道103和103’串联；所述缸体1上的第一组串联泵腔102和第一泵盖4上的串联泵腔402之间通过密封圈5压接有压电振子6，构成第一驱动单元I；缸体1上的第二组串联泵腔102’和第二泵盖4’上的串联泵腔402’之间通过密封圈5压接有压电振子6，构成第二驱动单元II；在所述各个泵腔102、102’、402及402’内，第一泵盖4上的阀腔405内，以及第二泵盖4’上的阀腔405’内均设有一个薄膜阀片7；第一驱动单元I中缸体1上的串联泵腔102的出口101和第一泵盖4上串联泵腔402的出口401经第一泵盖4上的阀腔405连通后再与缸体1的第一缸腔C1连通，所述两组串联泵腔的进口104和404与第一蓄能器9连通，第一蓄能器9再经第一开关阀8及缸体1上的第一通孔105与第二缸腔C2连接；同样地，所述第二驱动单元II的两组串联泵腔的出口101’和出口401’经第二泵盖4’上的阀腔405’连通后再与缸体1上的第二缸腔C2连通，所述两组串联泵腔的进口104’和进口404’连通后再经管路与第二蓄能器9’连通，第二蓄能器9’再经第二开关阀8’及缸体1上的第二个通孔105’与第一缸腔C1连接。

如图1所示，在非工作状态下，第一开关阀8和第二开关阀8’均处于关闭状态，第一蓄能器9和第二蓄能器9’的预置压力相等，压电振子6两侧流体压力、不产生弯曲变形，活塞3静止不动。

如图4、图5所示，第一驱动单元I工作时，第一开关阀8开启，第一驱动单元I中串联泵腔102的进口104和串联泵腔402的进口404经第一开关阀8及缸体1上的第一通孔105与第二缸腔C2连通；当压电振子6受电压作用产生往复弯曲变形时，串联泵腔102和串联泵腔402内的流体压力交替地增加或减小，其结果是：向第一缸腔排入流体、从第二缸腔吸入流体，从而推动活塞3向使第一缸腔C1容积增加的方向运动。对于图4所示的前半周期，缸体1上靠近出口101的泵腔102输出流体至第一缸体腔C1，第一泵盖4上靠近进口404的泵腔402从第二缸腔C2内吸入流体，活塞3运动一步；对于图5所示的后半周期，第一泵盖4上靠近出口401的泵腔402输出流体至第一缸体腔C1，缸体1上靠近进口104的泵腔102从第二缸腔C2内吸入流体，活塞3再运动一步。

如图6、图7所示，第二驱动单元II工作时，第一开关阀8’开启，第二驱动单元II中串联泵腔102’的进口104’和串联泵腔402’的进口404’经第二开关阀8’及缸体1上的第二通孔105’与第一缸腔C1连通；当压电振子6受电压作用产生往复弯曲变形时，串联泵腔102’和串联402’内的流体压力交替地增加或减小，其结果是：向第二缸腔排入流体、从第一缸腔吸入流体，从而推动活塞3向使第一缸腔C1容积减小的方向运动。对于图6所示的前半周期，缸体1上靠近出口101’的泵腔102’输出流体至第二缸体腔C2，第二泵盖4’上靠近进口404’的泵腔402’从第一缸腔C1内吸入流体，活塞3运动一步；对于图7所示的后半周期，第二泵盖4’上靠近出口401’的泵腔402’输出流体至第二缸体腔C2，缸体1上靠近进口104’的泵腔102’从第一缸腔C1内吸入流体，活塞3再运动一步。

根据本发明所述液压动力装置的工作原理，活塞3的最大运动速度为

最大进给步长为

Claims

1.一种自驱动的精密步进式液压动力装置，其特征在于：缸体两端通过螺钉安装有缸盖，缸体的内腔中安装有双头活塞，所述活塞将缸体内腔分成第一缸腔和第二缸腔；缸体外壁上通过螺钉安装有第一泵盖和第二泵盖；所述缸体外壁上设有两组数量为2-20个的泵腔，所述的同一组中相邻两泵腔之间通过缸体上的腔间流道串联；所述第一泵盖和第二泵盖上各设有一组数量为2-20个的泵腔，所述同一泵盖上相邻两泵腔之间通过其所在泵盖上的腔间流道串联；所述缸体上第一组串联泵腔和第一泵盖上的串联泵腔之间通过密封圈压接有压电振子，构成第一驱动单元；缸体上第二组串联泵腔和第二泵盖上的串联泵腔之间通过密封圈压接有压电振子，构成第二驱动单元；在所述各泵腔内、以及第一泵盖及第二泵盖上的阀腔内均设有一个薄膜阀片；第一驱动单元中缸体上的串联泵腔的出口和第一泵盖上串联泵腔的出口经第一泵盖上的阀腔连通后再与缸体的第一缸腔连通，所述两组串联泵腔的进口与第一蓄能器连通，第一蓄能器再经第一开关阀及缸体上的第一通孔与第二缸腔连接；同样地，所述第二驱动单元的两组串联泵腔的出口经第二泵盖上的阀腔连通后再与第二缸腔连通，所述两组串联泵腔的进口连通后再经管路与第二蓄能器连通，第二蓄能器再经第二开关阀及缸体上的第二通孔与第一缸腔连接。

2.根据权利要求1所述一种自驱动的精密步进式液压动力装置，其特征在于：第一驱动单元和第二驱动单元不同时工作；工作时，同一个驱动单元中相邻两个泵腔中压电振子驱动电压的相位差为180度，压电振子弯曲变形方向相反。