CN103133452B - 一体式小行程重载荷可精密数字化的无站式液压缸 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液压缸技术领域，具体涉及一种一体式小行程重载荷可精密数字化的无站式液压缸。现有技术存在重量重、造价高、加载过程不够精密的问题。为克服现有技术存在的不足，本发明提供的技术方案是：一种一体式小行程重载荷可精密数字化的无站式液压缸，包括电机和液压缸，所述液压缸包括工作活塞，所述工作活塞的一端设有活塞杆，活塞杆穿过液压缸前端盖设置，还包括螺杆小活塞，螺杆小活塞中部与电机前端盖通过导向槽配合连接，螺杆端与电机转子的螺纹通孔旋合连接，活塞端穿过油缸后盖中心设置。本发明显著降低了设备成本与设备重量，结构简单，低泄漏，静压式工作，发热量小，可以实现精确加载。

Description

一体式小行程重载荷可精密数字化的无站式液压缸

技术领域：

本发明涉及液压缸技术领域，具体涉及一种一体式小行程重载荷可精密数字化的无站式液压缸。

背景技术：

    剪板机、折弯机、冲压机、压模机械、压铸机、铆接枪等机械的核心是提供小行程大压力的运动。在这种形式动力的作用下，工件被剪切、折弯、冲压、压实、变形等。这种小行程大压力的运动，一般使用惯性轮或液压站提供动力。小行程重载荷的实验设备多由液压站提供动力，通过各种控制阀实现对实验件的加载。

    现行上述设备实现小行程重载荷运动最常见的方式有两种：一是使用惯性轮，二是使用液压站。

    1.使用惯性轮提供动力

    使用惯性轮方式为机械提供小行程大压力，需要根据压力与行程的要求，设计惯性轮以及配套的连杆滑块以及离合装置。其中惯性轮的质量往往很大，借以储备惯性动能，以便在需要的时候，通过离合装置，短时间内将其释放出来，根据功能守恒原理，会形成较大压力。

在这种方式中，质量巨大的惯性轮是整个设备重量的主要部分。因此，这类设备都比较笨重，成本因此提高不少。小行程重载荷的实验设备不可能由惯性轮方式提供动力，因为由这种方式提供的动力难以精密控制。

    2使用液压站提供动力

    液压系统借助流体力学原理可以提供较大压力。因此，许多现行设备使用了液压缸来实现来小行程大压力的要求，剪板机、折弯机、冲压机、压模机械、压铸机、铆接枪等机械所使用的液压缸均为小行程重载荷式。为了给液压缸提供动力，需要建立相应的液压站。标准的液压站由电机、液压泵、油箱、过滤器、溢流阀、压力表、换向阀、管路、冷却风扇以及各种连接接头等组成。

    与使用惯性轮提供动力方式相比，使用液压站提供动力可使设备的重量明显减轻。但由于使用了液压站，这类设备的造价反而有增无减。对于上述液压剪板机而言，其液压系统明显让人感觉头重脚轻：有些系统仅仅为了一个剪板缸而配置了一套完整复杂的液压系统。一方面，液压站的造价远远高于剪板油缸，另一方面液压站的重量也远远大于剪板油缸。

    上述使用惯性轮和使用液压站提供动力的方式，各有利弊：前者控制简单，但重量太重；后者重量稍轻，但复杂造价高。

    而现有小行程重载荷的实验设备，多由液压站提供动力，并通过各种控制阀实现对验件的加载。加载过程不够精密且数字化程度低，不便于进算机控制。

发明内容：

本发明提供一种一体式小行程重载荷可精密数字化的无站式液压缸，以克服现有加载系统重量重、造价高、加载过程不够精密的问题。

为克服现有技术存在的不足，本发明提供的技术方案是：一种一体式小行程重载荷可精密数字化的无站式液压缸，包括电机和液压缸，所述电机包括电机外壳、电机前端盖、电机后端盖、电机定子线圈和电机转子，电机转子的两端分别与电机的前、后端盖通过轴承连接，所述液压缸包括缸体、液压缸前端盖、液压缸后盖和工作活塞，所述工作活塞的一端设有活塞杆，活塞杆穿过液压缸前端盖设置，所述液压缸前端盖上开设有与大气环境相通的通孔，其特殊之处在于：还包括螺杆小活塞和连接套，所述电机前端盖与液压缸后盖之间通过连接套连接，所述电机转子轴的中心开设有螺纹通孔，所述轴承为向心推力轴承，所述螺杆小活塞一端为螺杆端，另一端为活塞端，螺杆小活塞中部与电机前端盖通过导向槽配合连接，螺杆端与电机转子的螺纹通孔旋合连接，活塞端穿过油缸后盖中心设置。

上述工作活塞的大端中开有盲孔，盲孔直径大于螺杆小活塞的活塞端的直径。

上述螺杆小活塞上连接有限位装置。

上述液压缸后盖上设有压力检测装置。

上述电机为三相异步电机或交流伺服电机、步进电机。

本发明相对于现有技术，具有如下优点和效果：

1．显著降低设备成本与设备重量

在小行程重载荷的应用场合，特别是一些设备只使用到一、两个液压缸的场合，若使用液压站系统，液压站的成本和重量占设备相当大一部分。若使用惯性方式提供大压力，设备重量因此增加不少，设备成本也会随之增加。而使用这种液压缸却可以显著降低设备成本与设备重量。

2．结构简单，低泄漏

与传统的液压缸系统相比，小行程重载荷无站式液压缸无需液压泵支持。由于是静压工作，无需溢流阀。无需换向阀。传统油缸中活塞的反方向运动是通过换向阀改变油液的流动方向实现的；在无站式油缸中，反向是通过电机反向运动带动小活塞形成负压实现的，充分利用了电机特性，使结构设简化。传统液压系统需要更多的管路与阀件，中间环节多，因而可能的泄漏点也多。而在无站式一体化油缸中，没有管路与阀件，而且是单边作用油缸，可能的泄漏点少。

3．静压式工作，发热量小

传统液压系统中，即便在液压缸不工作的间隙期，液压泵也必须一直运转，液压油由溢流阀回到油箱，由于节流被加热，液压油甚至还需要配置风扇、制冷空调以降低油温，能量被白白浪费。而在无站式油缸中，油液的工作方式为静压方式。即液压缸不工作时，电机并不运转，系统并无油液流动。因而既无需卸荷，油液也不会因节流而被加热。

4．可以实现精确加载

通过使用交流伺服电机或步进电机，这种液压缸可以实现精密的数字化控制。而传统实现精密控制都是通过模拟量由电液比例阀实现的，不便于计算机处理。

附图说明

图1为本发明原理框图；

图2为本发明结构图；

图3（a）为本发明工作活塞运动到左极限位置的示意图；

图3（b）为本发明工作活塞运动到右极限位置的示意图；

图4螺杆小活塞结构示意图；

图5为电机前端盖结构示意图；

图6为使用三相普通电机的液压缸控制原理图；

图7为使用三相普通电机适用于计算机控制的液压缸原理图；

图8为使用交流伺服电机或步进电机适用于数字控制的控制原理图；

其中，1-活塞杆、2-工作活塞、3-油液、4-液压缸后盖、5-螺杆小活塞、6-电机前端盖、7-电机转子、8-小活塞左限位、9-小活塞右限位、10-电机后端盖、11-液压缸前端盖、12-缸体、13-压力检测装置、14-连接套、15-轴承、16-电机外壳、17-电机定子线圈、18-小活塞限位装置、19-外导向槽、20-螺杆端、21-活塞端、22-内导向槽。

具体实施方式            

下面结合附图对本发明做详细说明。

参照图2、4、5，一种一体式小行程重载荷可精密数字化的无站式液压缸，包括电机和液压缸，所述电机包括电机外壳16、电机前端盖6、电机后端盖10、电机定子线圈17和电机转子7，电机转子7的两端分别通过电机的前、后端盖通过轴承15连接，所述液压缸包括缸体12、液压缸前端盖11、液压缸后盖4和工作活塞2，所述工作活塞2的一端设有活塞杆1，活塞杆1穿过液压缸前端盖11设置，所述液压缸前端盖11上开设有与大气环境相通的通孔，其特殊之处在于：还包括螺杆小活塞5和连接套14，所述电机前端盖6与液压缸后盖4之间通过连接套14连接，所述电机转子7的轴向中心开设有螺纹通孔，所述轴承15为向心推力轴承，所述螺杆小活塞5一端为螺杆端20，另一端为活塞端21，螺杆小活塞5中部与电机前端盖6通过导向槽配合连接，螺杆端20与电机转子7的螺纹通孔旋合连

接，活塞端21穿过液压缸后盖4中心设置。上述工作活塞2未设置活塞杆1的一侧对应液压缸后盖4中心开设有盲孔，盲孔直径大于螺杆小活塞5的活塞端的直径。上述螺杆小活塞5上连接有限位装置，限位装置包括小活塞左限位8、小活塞右限位9和小活塞限位装置18。上述液压缸后盖4上设有压力检测装置13。上述电机为三相异步电机或交流伺服电机、步进电机。一般的重载小行程时，使用普通三相异步电机，在需要精密数字化控制时使用伺服电机或步进电机。

工作原理：

参见图2，安装于电机外壳16内的电机定子线圈17通电，当电机转子7顺时针方向旋转，旋合于电机转子7内的螺杆小活塞5向左直线运动，油缸后盖4、缸体12以及工作活塞2围成的工作腔体中油液3受到挤压，形成的油压作用于工作活塞2的右端面，将工作活塞2、活塞杆1以及其上所加的外负载一起向左推动。当螺杆小活塞5向左运动到极限位置时，连接在小活塞上的小活塞限位装置18与小活塞左限位8作用，通过控制电路控制电机停转。工作活塞2由于电机停转，螺杆小活塞5与螺母式电机转子7的螺纹副自锁以及与油液的作用而停止在左端位置，见图3（a）。

而当电机定子线圈17通电，电机转子7逆时针方向旋转时，旋合于电机转子7内的螺杆小活塞5向右直线运动，缸体12的工作腔体中油液3受到负压作用，将工作活塞2、活塞杆1连同其上的负载一起向右拉动。当螺杆小活塞5向右移到极限位置时，连接在螺杆小活塞5上的小活塞限位装置18与小活塞右限位9作用，电机停转，工作活塞2停止在右端位置，见图3（b）。

如此电机的正反转就转换为活塞的左右移动。两个极限位置限定了这种液压缸的行程，见图3中的L。

螺杆小活塞5中部的外导向槽19（见图4）通过电机前端盖6上的内导向槽22（见图5），限制了螺杆小活塞5的旋转运动，使它只能沿轴线方向运动。

重载荷油缸的活塞比较粗，工作活塞2的中部开有盲孔，使螺杆小活塞5可以运动到这个孔中。以缩小整个油缸的体积。

压力检测装置13用于检测缸体12的工作腔体中油液3的油压。将它的信号接到控制电路上，当油压过载或负压超限时，可以起到安全保护作用。

当工作活塞2向右移动时，由于工作在负压状态，因此油缸前端盖11上开有孔，与大气环境相通，以使右移顺畅；左移动时，油缸前端盖11上的孔可以避免因空气压缩而增加的阻力。

这种油缸在工作时，电机转子7会受到较大轴向力的作用。因此，与普通的旋转电机不同，电机前端轴承与电机后端轴承必须使用一对向心推力轴承，以承受轴向上的作用力。

实际上，本发明的左半部分是一个单作用油缸，右半部分是一个直线电机，连接套14则将左边的单作用油缸与右边的直线电机连接成为一个整体。

对于重载荷的应用，直线电机可以由普通的三相交流异步电机改造得到；也可由两相交流电机改造得到，这对于无三相电源的环境很有用。对于小载荷的应用，直线电机可以使用各种微型电机改造。

在一些实验设备或要求精密控制载荷的场合如拉力压力试验机，直线电机可以使用交流伺服电机或步进电机，由于这类电动机的运转位移和速度可以精密地数字化控制，使得施加在试件上的载荷曲线更加精确，并且方便这类实验设备的数字化。

电气控制的工作原理：

电机使用三相交流异步电机或220V两相交流电机时，其主回路与控制回路如图6、图7所示。前者为使用三相普通电机的原理图，电路简单容易实现；后者则使用计算机控制，便于自动化的实现。

1．常用的液压缸控制原理：

主回路如图6左所示，电机可以正反两个方向旋转，分别由正向旋转接触器JCZ、反向旋转接触器JCF控制。RJ为电机的热保护。

其控制回路如图6右所示，按下控制回路的QAZ按钮，接触器JCZ得电，电机正转；按下QAF按钮，接触器JCF得电，电机反转；按下TA按钮，接触器JCZ和JCZ的控制线圈失电，电机停转。回路中的RJ、XWZ、XWF、YLC分别为电机的热保护、图2中小活塞左限位8、小活塞右限位9与压力检测装置13的常闭输出端。当电机过热时，RJ断开，电机停转；当小活塞运动到它的左限位位置时，XWZ断开，电机停转；当小活塞运动到它的右限位位置时，XWF断开，电机停转；当由于某些原因，压力检测装置13检测到液压油的压力（正压、负压）超过设定值时，YLC断开，电机停转。

2．计算机的液压缸控制原理：

在使用计算机控制的场合，可使用图7所示的控制原理图。

主回路如图7右所示，电机正反两个方向的旋转分别由接触器JCZ和JCF控制。

控制回路如图7左所示，由计算机发出的电机正反转信号由输出脚OUTZ、OUTF引脚通过三极管QZ、QF驱动继电器RLYZ、RLYF，RLYZ、RLYF又控制接触器JCZ、JCF实现电机的正反转与停转。

计算机的IN1、IN2、IN3为输入脚，用于检测小活塞左限位8、小活塞右限位9与压力检测装置13的输出端。当小活塞运动到它的左限位位置时，IN1脚信号发生变化；当运动到右限位位置时，IN2脚信号发生变化；当油压超限时，IN3脚信号变化；计算机根据这些信号，控制电机。过热时，RJ断开，电机停转。

3．作为精密数字化液压缸时液压缸的控制原理：

当用作精密数字化液压缸时液压缸时，图2中的电机应使用交流伺服电机或步进电机，电气控制原理如图8所示。

计算机根据需要通过控制端口PULSE和DIR发出脉冲与方向信号，信号经信号调理电路连接到伺服驱动器或步进驱动器，通过伺服驱动器或步进驱动器控制交流伺服电机或步进电机，从而带动工作活塞的运动。

由于现有技术可以严格按照各种加载要求控制脉冲数量与发送脉冲的时间间隔，交流伺服电机与步进的运转位移和速度可以精密地数字化控制，这样使得液压缸运动位移、速度很精确，加载曲线很精密，从而可以实现精密加载，满足一些实验设备如拉力压力试验机的要求。

小行程重载荷无站式液压缸的原理分析：

设小活塞5的横截面积为s，

对油液施加的压力为p,

匀速左移距离为d，

匀速左移的速度为v；

工作活塞2的横截面积为S，

载荷为P，在小活塞5与油液的作用下，左移了距离D,

匀速左移的速度为V。

这种油缸通常工作活塞2的横截面积S总是大于小活塞5的横截面积，即                                               。

1．工作活塞上的载荷为P

按照流体力学力平衡原则，

，

即工作活塞上的载荷P为小活塞推力p的倍，由于，故，即力的放大作用。

2．工作活塞的运动距离

按照流体连续和不可压缩理论，

，

即工作活塞的运动距离为小活塞运动距离的倍，由于，故，即位移的缩小作用。

3．工作活塞的运动速度

按照流体连续原则，

，

即工作活塞的运动速度为小活塞运动速度的倍，由于，故。

由以上三式可见，这种油缸是以小活塞小推力的长距离移动来换取工作活塞的小行程与重载荷。

以上是活塞左移的情况，当活塞向右移动时，工作活塞工作在负压状态，其工作原理与左移时是类似的。

Claims (5)

1.一种一体式小行程重载荷可精密数字化的无站式液压缸，包括电机和液压缸，所述电机包括电机外壳(16)、电机前端盖(6)、电机后端盖(10)、电机定子线圈(17)和电机转子(7)，电机转子(7)的两端分别与电机的前、后端盖通过轴承(15)连接，所述液压缸包括缸体(12)、液压缸前端盖(11)、液压缸后盖(4)和工作活塞(2)，所述工作活塞(2)的一端设有活塞杆(1)，活塞杆(1)穿过液压缸前端盖(11)设置，所述液压缸前端盖(11)上开设有与大气环境相通的通孔，其特征在于：还包括螺杆小活塞(5)和连接套(14)，所述电机前端盖(6)与液压缸后盖(4)之间通过连接套(14)连接，所述电机转子(7)的轴向中心开设有螺纹通孔，所述轴承(15)为向心推力轴承，所述螺杆小活塞(5)一端为螺杆端(20)，另一端为活塞端(21)，螺杆小活塞(5)中部与电机前端盖(6)通过导向槽配合连接，螺杆端(20)与电机转子(7)的螺纹通孔旋合连接，活塞端(21)穿过液压缸后盖(4)中心设置；所述工作活塞（2）的直径大于螺杆小活塞（5）的直径。

2.根据权利要求1所述一体式小行程重载荷可精密数字化的无站式液压缸，其特征在于：所述工作活塞(2)小端的活塞杆(1)一侧对应液压缸后盖(4)中心的位置开设有盲孔，盲孔直径大于螺杆小活塞(5)的活塞端的直径。

3.根据权利要求1或2所述一体式小行程重载荷可精密数字化的无站式液压缸，其特征在于：所述螺杆小活塞(5)上连接有限位装置。

4.根据权利要求3所述一体式小行程重载荷可精密数字化的无站式液压缸，其特征在于：所述液压缸后盖(4)上设有压力检测装置(13)。

5.根据权利要求4所述一体式小行程重载荷可精密数字化的无站式液压缸，其特征在于：所述电机为三相异步电机、交流伺服电机或步进电机。