CN103899518A - 基于压电陶瓷驱动的数字液压泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电陶瓷驱动的数字液压泵。本发明中的弹性膜片将泵体分为上下两部分，其中上部分为油路结构，下部分为驱动结构。油路结构包括进油口、出油口，进油口通过进油口单向阀与位于弹性膜片上方的泵腔联通，泵腔通过出油口单向阀与出油口联通；驱动结构包括压电叠堆致动器、刚性元件和弹簧，压电叠堆致动器的推杆上套置有弹簧，刚性元件设置在推杆的顶端并与弹性膜片固定连接；压电叠堆致动器、进油口单向阀和出油口单向阀受控于控制器。本发明采用大推力、大位移的压电叠堆致动器作为驱动源，最大额定工作压力可以达到10Mpa。通过设计的控制器来控制压电叠堆致动器中参与驱动的层数来实现对泵流量数字化的控制。

Description

基于压电陶瓷驱动的数字液压泵

技术领域

本发明涉及一种基于压电陶瓷驱动的数字泵（以下简称压电数字泵）。准确地说，涉及一种利用压电叠堆致动器驱动的高压小型数字液压泵。

背景技术

液压泵是一种将机械能转换为液压能的能量转换装置，为液压系统提供具有一定压力和流量的液压油。传统液压泵由电磁马达驱动，体积、重量大，工作时伴有剧烈的振动、磨损和噪声。此外，在复杂的液压驱动系统中，常常需要外接许多油管和伺服阀来将液压油分配至各个执行机构以实现复杂的驱动，如此会使得执行机构的运动受到油管的限制。因此，上述缺陷很大程度上限制了液压传动在微机电系统、微流体高精度输送、航空航天、行走机器人等领域的应用。为了解决传统液压泵的上述问题，微小型液压泵应运而生。

近年来，研究人员开始将智能材料驱动技术引入微小型液压泵驱动中，其中利用压电陶瓷逆压电效应驱动的液压泵（简称压电泵）就是其中一种极具应用前景的微小型泵。压电泵的特点是将能压电致动器高频振动产生的机械能转化为可控性强的液压能。它能将传统液压泵的驱动源部分、传动部分及泵体三者合为一体, 可以达到结构简单、体积小、重量轻、耗能低、无噪声、无电磁干扰的要求。此外，由于压电材料工作频率范围宽，可以通过对压电材料施加一定频率和大小的电压来实现对泵输出流量和压力的精确控制，因而在液压系统的设计中省去了节流机构，减压装置等，大大提高了液压系统的集成性能。

但是，目前国内外针对压电泵的研究大多是基于压电振子驱动的微型低压泵，其特点是低压、流量小，主要用于医疗领域的药液输送。而对基于压电叠堆致动器驱动的高压泵研究相对较少，特别是主动阀压电泵。此外，由于受到泵结构的限制，目前处于研究中的压电泵都是固定流量。因此，对于压电叠堆高压泵、主动阀控制、变流量输出三者结合的新型压电泵的研究具有重大意义，将极大地促进液压传动在微机电系统、微流体高精度输送、航空航天、行走机器人等领域的应用。

发明内容

本发明提出了一种基于压电叠堆致动器驱动的数字型液压泵。其基本原理是通过交替开闭的主动单向阀的控制，使得压电致动器的高频双向振动转换为液压油的单向运动，从而驱动执行机构。并且本发明提出的压电数字泵能够实现流量的数字化控制，从而为液压系统省去了节流机构，提高了液压系统的集成性能。

为了实现上述要求，本发明采用如下技术方案：一种基于压电陶瓷驱动的数字液压泵主要由泵体、压电叠堆致动器、刚性元件、弹性膜片、进油口单向阀、出油口单向阀和控制器组成，其特征在于：弹性膜片将泵体分为上下两部分，其中上部分为油路结构，下部分为驱动结构.

所述的油路结构包括进油口、出油口，进油口通过进油口单向阀与位于弹性膜片上方的泵腔联通，泵腔通过出油口单向阀与出油口联通.

所述的驱动结构包括压电叠堆致动器、刚性元件和弹簧，压电叠堆致动器的推杆上套置有弹簧，刚性元件设置在推杆的顶端并与弹性膜片固定连接；

所述的压电叠堆致动器、进油口单向阀和出油口单向阀都受控于控制器。

其工作原理如下：压电叠堆致动器通交流电后将产生双向振动，使弹性膜片产生高频振动，从而使泵腔容积产生变化。当致动器收缩时，泵腔容积增大，同时控制进油口单向阀开启，出油口单向阀关闭，泵腔此时处于吸油状态，吸入低压油；当致动器收缩时，泵腔容积减小，同理控制进油口单向阀关闭，出油口单向阀开启，泵腔此时处于压油状态，输出高压油。

作为优选的，压电数字泵由压电叠堆致动器驱动。压电叠堆致动器采用机械上串联、电压上并联的方式将若干性能参数相同的压电陶瓷片、绝缘体、内部电极以及外部电极通过特殊工艺压制为一体。它除了具有压电晶片响应快的特点外，还具有输出位移大，输出力大，位移可重复性好等优点，此外，对压电叠堆致动器的工作电压大小和频率进行控制，使其达到系统的谐振频率，实现泵的最大输出性能。

作为优选的，本发明还可以通过设计的控制器对压电数字泵进行流量控制，实现流量数字化的目标。由于压电叠堆致动器的输出位移是每片压电片应变的叠加，而应变大小决定了泵腔容积的变化大小，从而决定泵的流量。其实现方式是：控制器发出的数字信号用于控制加载在每一层压电片上的驱动电压。最主要的就是对叠堆致动器中参与驱动的层数进行控制，从而实现对压电泵流量的精确控制。

作为优选的，本发明中的两个单向阀是由压电陶瓷驱动的一种主动阀，受外加驱动电源控制。此外，进油口单向阀、出油口单向阀与叠堆致动器三者驱动电压频率满足匹配规律，且相差一定相位角，使三者动作存在时序上的先后要求，进而使泵腔满足吸油与压油的条件。

作为优选的，进出油口的主动阀是通过特殊工艺在弹性基板上压制上一层压电陶瓷实现的，这是由于压电陶瓷质地脆硬，与弹性基板复合后，可以充分利用压电陶瓷产生的形变，又不至于使其在大变形下损坏，因此其特点是变形大、响应快。

作为优选的，致动器与弹性膜片之间采用一块刚性元件来实现二者固连。

作为优选的，振动膜片采用弹性性能较好的材料，一般采用铍青铜，并采用有限元分析与实验相结合的方法确定最优的厚度。

作为优选的，压电数字泵泵体采用不锈钢制造。利用有限元分析，在保证压电泵输出性能前提下，尽量减小泵体厚度，增大功率密度。

作为优选的，压电叠堆致动器在工作前需要预加一定大小的偏置力，保证致动器工作的稳定性，提高使用寿命，因此在致动器设计时，需要增加一个施加偏置应力的弹簧。

本发明的主要有着以下几个优点：

1. 本发明采用大推力、大位移的压电叠堆致动器作为驱动源，最大额定工作压力可以达到10Mpa。

2. 进出油口的单向阀采用压电陶瓷驱动的主动阀来实现，避免了被动阀无法与叠堆驱动器的高频相匹配缺点。

3. 通过设计的控制器来控制压电叠堆致动器中参与驱动的层数来实现对泵流量数字化的控制。

附图说明

图1是本发明装置整体剖视图；

图2是本发明装置中主动阀结构示意图；

图3是本发明装置吸油过程原理图；

图4是本发明装置压油过程原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示：一种基于压电陶瓷驱动的数字液压泵主要由压电叠堆致动器1、泵体2、弹簧3、刚性元件4、弹性膜片5、泵腔6、进油口主动阀7、进油口8、出油口9、出油口主动阀10、控制器11、驱动电源12、控制线13等零部件组成。

压电数字泵泵体2由不锈钢加工而成。内置压电数字泵的核心驱动部件——压电叠堆致动器1。压电叠堆致动器1内部是由多层压电陶瓷片、电极、绝缘物组成，通过特殊工艺压制为一体形成的，并且封装在金属外壳中。整个致动器整体与泵体2固连。本发明中的叠堆致动器每片压电陶瓷片独立受各自驱动电压控制，由控制器控制参与驱动的层数。与此同时，在压电叠堆上端部与金属壳之间安装一个弹簧3，为致动器提供偏置压力，以此来提高致动器的稳定性和驱动性能。

压电叠堆致动器1与弹性膜片5之间通过一个刚性元件4固连在一起，以保证致动器输出端与弹性膜片5的同步，同时也减小因输出端相对较细而引起的应力集中现象，提高膜片的使用寿命。

进油口主动阀7与出油口主动阀10分别由弹性基体和压电陶瓷通过特殊工艺压制在一起。当压电陶瓷通电后产生应变，带动弹性基体材料产生应变，进而使整个单向阀发生形变，从而实现阀口的开闭。

控制器11主要用于控制压电叠堆致动器1和进出油口主动阀7、10的电压。其控制主要有三个目的：一是实现泵输出流量数字化的目标；而是控制主动阀7、10和致动器1的工作频率与压电数字泵的系统谐振频率相匹配；三是通过控制三者驱动电压的相位来实现主动阀7、10和致动器1的动作时序先后控制。

本发明装置工作时分为吸油和压油过程：

吸油过程：如图2所示，控制器11控制压电叠堆致动器收缩，泵腔6容积增大，此时控制器11控制进油口主动阀7开启，同时保持出油口主动阀11闭合，在泵腔6内的负压作用下开始吸油。

压油过程：如图3所示，控制器11控制压电叠堆致动器伸长，泵腔6容积减小，此时控制器11控制出油口主动阀10开启，同时保持进油口主动阀7闭合，在泵腔6内的正压作用下开始压油。

流量数字化控制过程：如图1所示，控制器发出数字信号来控制参与叠堆致动器中参与驱动的层数来改变致动器振幅的大小，从而改变泵的流量的大小。

Claims (6)

1. 基于压电陶瓷驱动的数字液压泵，主要由泵体、压电叠堆致动器、刚性元件、弹性膜片、进油口单向阀、出油口单向阀和控制器组成，其特征在于：弹性膜片将泵体分为上下两部分，其中上部分为油路结构，下部分为驱动结构；

所述的油路结构包括进油口、出油口，进油口通过进油口单向阀与位于弹性膜片上方的泵腔联通，泵腔通过出油口单向阀与出油口联通；

所述的驱动结构包括压电叠堆致动器、刚性元件和弹簧，压电叠堆致动器的推杆上套置有弹簧，刚性元件设置在推杆的顶端并与弹性膜片固定连接；

所述的压电叠堆致动器、进油口单向阀和出油口单向阀受控于控制器；

当压电叠堆致动器通交流电后产生双向振动，使弹性膜片产生高频振动，从而使泵腔容积产生变化；其中当致动器收缩时，泵腔容积增大，同时控制进油口单向阀开启，出油口单向阀关闭，泵腔此时处于吸油状态，吸入低压油；当致动器伸长时，泵腔容积减小，控制进油口单向阀关闭，出油口单向阀开启，泵腔此时处于压油状态，输出高压油。

2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的数字液压泵，其特征在于：压电叠堆致动器采用机械上串联、电压上并联的方式将若干性能参数相同的压电陶瓷片、绝缘体、内部电极以及外部电极制为一体；其工作电压的大小和频率可控，可以控制其匹配系统的谐振频率，达到最大输出特性。

3.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的数字液压泵，其特征在于：通过控制器的数字信号控制压电叠堆致动器中参与驱动的层数来实现数字液压泵流量数字化的控制。

4.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的数字液压泵，其特征在于：所述弹性膜片采用铍青铜。

5.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的数字液压泵，其特征在于：所述泵体采用不锈钢制造。

6.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的数字液压泵，其特征在于：所述弹簧用于施加偏置应力。

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