CN104271961B - 对能线性运动的元件的位置进行调节的致动器装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生线性的运动的致动器装置（10），该致动器装置具有一液压的致动器（12），所述致动器包括一用于操纵该致动器的第一活塞元件（14）和一用于产生所述线性的运动的第二活塞元件（18），为所述活塞元件分配了各自的、流体地相耦合的工作腔（16、20），所述工作腔的容积能够通过相应的活塞元件（14、18）的运动来改变，其中设置了用于将力施加到所述第一活塞元件（14）上的压电致动器（36）。

Description

对能线性运动的元件的位置进行调节的致动器装置及方法

本发明涉及一种按权利要求1的前序部分所述的、用于产生线性的运动的致动器装置以及一种用于对能够线性地运动的元件的位置进行调节的方法。

对于特定的调整任务来说需要致动器，利用所述致动器可以进行尽可能精确的线性的调节。在理想的情况下，这样的致动器应该尽可能地小，用电来运行，相对于环境条件、尤其是污染是稳定的，并且尽可能地抗磨。

在此知道，比较麻烦地人工进行这样的调整任务，或者设置电磁的线性致动器、主轴驱动装置或者气动-液压-致动器。压电式或者磁阻式致动器的使用也为人所知。对于较大的偏移来说，也知道压电式致动器，所述压电式致动器根据毛虫或者尺蠖原理（Raupen- bzw. Inchworm- Prinzip）来工作。为此，一般来说需要三个致动器，也就是前后各一个夹紧致动器元件以及一个用于前行运动的致动器元件。

所熟知的致动器一般来说比较昂贵，并且经不住污染和磨损。

除了上面所描述的致动器类型之外，也知道一种线性驱动装置，该线性驱动装置仅仅用一个质量块（Masse）、一个夹紧装置以及仅仅一个致动器元件就已够用。在所述质量块与所述夹紧装置之间放置一压电致动器，用上升的电压来如此操控所述压电致动器，使得所述质量块因从中产生的偏移力而得到加速，但是所述力保持低于所述夹紧装置的附着摩擦力，所述致动器支撑在所述夹紧装置上。在达到所述压电元件的最大偏移时，如此快地降低所述操控电压，使得所述压电元件的、从中产生的拉紧状态导致一种负的加速力，所述加速力虽然减少了所述质量块的运动，但是依然如此之大，从而超过所述夹紧装置的附着摩擦，也就是说所述夹紧装置被沿着运动方向拉紧并且在下一个偏移阶段中形成新的、现在沿着运动方向移动的支撑点。如果取代“缓慢的偏移、快速的拉紧”这种操控曲线轮廓模式而更换所述顺序，那么也掉转这种线性电动机的运动方向。

这种方法的缺点是所述偏移的、与所述夹紧元件的当前的附着摩擦的大小的相关性。尤其如果所述附着摩擦由于油或者脏物的进入而变化，那就会失去所述调节装置的、所期望的精确度或者也会失去所述调节装置的整个功能能力。此外，所述系统像在所有机械的系统中那样长期容易受到磨损的影响并且由此受到系统性能的变化的影响，其中在所述机械的系统中两个表面在彼此上面摩擦。

JP 2000 314402 A公开了一种用于产生线性的运动的致动器装置，该致动器装置具有一液压的致动器，该致动器包括一用于操纵该致动器的第一活塞元件和一用于产生所述线性的运动的第二活塞元件，为所述活塞元件分别分配了各自的、流体地相耦合的工作腔，所述工作腔的容积能够通过所述相应的活塞元件的运动来改变。在此设置了一用于将力施加到所述第一活塞元件上的压电致动器。此外，所述相应的工作腔通过两个相互相反地定向的止回阀相连接。

JP 2001 012402 A公开了一种具有两个活塞元件的致动器装置，为所述两个活塞元件分配了各自的、流体地相耦合的工作腔。通过所述相应的活塞元件的运动，可以改变所述工作腔的相应的容积。此外，设置了一用于将力施加到所述活塞元件之一上的磁性元件。

DE 10 2008 046 562 A1公开了一种具有活塞的液压的线性驱动装置，所述活塞以能够移动的方式被支承在缸中，其中所述缸具有一入口，通过该入口借助于一泵机构能够将流体加入到所述缸中。此外，所述缸具有一出口，通过该出口能够从所述缸中取出流体。在此规定，为了驱动所述泵机构而设置了压电的致动器和/或磁阻的致动器。

从JP S62 28507 A中可以得知一种所熟知的、具有电致伸缩的本体的致动器。一根杆能够借助于所述电致伸缩的本体来运动。

最后，EP 1 190 829 A2公开了一种用于产生线性的运动的致动器装置，该致动器装置具有一布置在缸中的活塞。所述活塞能够运动，方法是：通过工作流体来向所述活塞加载压力。在此通过压电的元件的驱动力来将所述工作流体置于压力之下，用于驱动所述活塞。

由此，本发明的任务是，提供开头所提到的种类的一种致动器装置以及一种方法，所述装置和所述方法能够以特别简单的、成本低廉的、精确的并且抗磨的方法来产生明确定义的、线性的运动。

该任务通过一种具有权利要求1的特征的致动器装置并且通过一种具有权利要求5的特征的方法得到解决。

这样的用于产生线性的运动的致动器装置包括一液压的致动器，所述致动器则具有一用于操纵该致动器的第一活塞元件和一用于产生所述线性的运动的第二活塞元件，为所述活塞元件分配了各自的、流体地相耦合的工作腔，所述工作腔的容积能够通过相应的活塞元件的运动来改变。此外设置了一用于将力施加到所述第一活塞元件上的压电致动器。通过使得压电的操控与液压的传动相耦合起来，可以特别精确地产生线性运动。尤其可以如此构造所述两个活塞元件，从而以预先给定的传动比来传递由所述压电元件施加的力。所述第二活塞元件的、作为对于压电的操纵的反应的进给而后也得到这样的传动比，从而比如可以将所述压电元件的较大的进给运动转换为较小的活塞运动，这引起所述第二活塞元件的以及与其相连接的元件的、特别精确的放置。由此，所描述的致动器装置尤其适合于高度精确的调整过程及类似过程。

所述相应的工作腔通过两个互相相反地定向的止回阀彼此相连接。应该能够使工作流体在受控制的情况下在所述工作腔之间转移。根据本发明，所述两个止回阀具有不同的开启力。

此外有利的是，所述第一活塞元件的工作腔通过节流元件与用于所述液压的致动器的工作流体的容器相耦合。

现在，利用所描述的装置来产生以下用于产生线性运动的可行方案，所述线性运动也超出所述压电元件本身的运动余地。在第一运动阶段中如此操控所述压电元件，使得其产生快速的运动。所述快速的运动被传递到所述第一活塞上，并且在工作流体中产生压力，该压力足以用于朝所述第二工作腔的方向打开所述处于工作腔之间的阀。现在液体溢流到所述第二工作腔中，并且在那里使所述第二活塞元件运动，这产生所期望的向前运动。

在第二运动阶段中，使所述压电元件缓慢地反向于下述的方向运动：该压电元件在所述第一运动阶段中沿着该方向运动。由此，虽然同样沿着相反方向拉回所述第一活塞元件，但是，所述从第二工作腔朝第一工作腔定向的止回阀没有通过所述缓慢的运动而打开。在所述第一工作腔中的、相应的容积变化更确切地说由所述容器通过所述节流元件来补偿。压电元件和第一活塞元件由此又被复位到其原始位置中，而所述第二活塞元件则留在其位置中。

以交替的方式来重复所述两个阶段，由此可以获得所述第二活塞元件的任意幅度的进给，所述进给超过所述压电致动器的、真正的运动余地。这能够通过较长的线性的运动路径来特别精确地放置所述第二活塞元件，并且同时随之带来以下优点：为了保持所述第二活塞元件的预先给定的位置而不必花费任何能量。此外，与开头所描述的、按照尺蠖原理的致动器不同的是，所述运动过程不取决于所参与的组件的附着摩擦，并且因此不会受到污染、进油或者类似情况的不好的影响。

所述工作腔在此可以有利地通过相应的缸来构成，所述活塞以能够运动的方式被接纳在所述缸中。通过各自的、与所述活塞元件相耦合的波纹管来构成所述工作腔，这代表着一种替代方案。在这种实施方式中，所述致动器装置的、所有主要的能够运动的部件都被封装，并且由此受到保护以防止污染，从而实现所述装置的、长期可靠的并且抗磨的运动。

此外，本发明涉及一种用于对能够线性地运动的元件的位置进行调节的方法，其中借助于压电致动器来将力施加到第一活塞元件上，其中通过所述力的施加来改变为所述第一活塞元件分配的工作腔的容积，并且将所施加的力传递到第二活塞元件上，所述第二活塞元件的、所分配的工作腔得以流体地与所述第一工作腔相耦合。

正如已经对所述按本发明的装置所描述的那样，就这样能够实现与所述第二活塞元件相耦合的、能够线性运动的元件的运动，该运动超出所述压电致动器本身的运动余地。为此，正如前面已经解释的那样，为了沿着预先给定的方向执行一种运动，使所述压电致动器在第一运动阶段中如此快地沿着所述预先给定的方向运动，使得在所述第一工作腔中的、通过所述运动所产生的压力克服沿着运动方向将所述工作腔流体地连接起来的止回阀的关闭力。由此将所述压电致动器的、在所述第一运动阶段中的运动传递到所述第二活塞元件上。

在第二运动阶段中使所述压电致动器如此缓慢地反向于所述预先给定的方向运动，使得在所述第一工作腔中的、通过所述运动产生的压力没有克服反向于所述运动方向将所述工作腔流体地连接起来的止回阀的关闭力。与所述第一运动阶段相反，在这里所述两个工作腔没有流体地相连接，所述压电致动器的运动由此没有被传递到所述第二活塞元件上。正如已经解释的那样，就这样可以产生一种运动，该运动超出所述压电致动器的真正的运动余地，这通过在所述两个活塞元件之间的传动比还可以得到加强或者也可以得到减轻。

为了在所述第二运动阶段中对在所述第一工作腔中的容积变化进行补偿，在所述第二运动阶段中从容器中通过节流元件将工作流体输送给所述第一工作腔或者从所述第一工作腔中将工作流体输出给所述容器。

优选交替地重复所述第一及第二运动阶段，直至所述第二活塞元件处于一种预先给定的额定位置中。由此可以以所描述的方式实现任意幅度的线性运动，所述线性运动仅仅受到所述第二活塞元件的运动余地的限制，但是没有受到所述压电致动器的最大偏移的限制。总之，所述方法能够以所述基础的装置的、尽可能少的磨损和特别紧凑的机械构造来特别精确地产生线性运动。

下面借助于附图来对本发明及其实施方式进行详细解释。附图示出：

图1是按本发明的装置的、一种实施方式的示意图，该装置具有用作液压的致动器的液压缸；

图2是按照图1的装置的、液压的等效线路图；

图3是按本发明的装置的、一种作为替代方案的实施例的示意图，该装置具有用作液压的致动器的波纹管；并且

图4是按照图3的装置的液压的等效线路图。

一种在总体上用10来表示的、用于产生比如用于调整任务的线性运动的装置，包括一液压的致动器12、一以能够运动的方式被接纳在所分配的接纳室16中的第一活塞14以及一以能够运动的方式被支承在第二接纳室20中的第二活塞18。所述接纳室16通过具有朝所述第二接纳室20的方向打开的单向阀24的第一管路22与所述第二接纳室20相连接。具有朝所述第一接纳室16的方向打开的第二单向阀28的第二管路26将所述第二接纳室20与所述第一接纳室16连接起来。此外，所述第一接纳室16通过一包括节流元件32的管路30与用于运行流体的容器34相连接。

为了操纵所述第一活塞14，设置了一压电致动器36。由所述压电致动器36施加到所述第一活塞14的活塞杆38上的力被从所述第一活塞14液压地传递到所述第二活塞18上，所述第二活塞的活塞杆40与有待运动的元件相耦合。

为了沿着箭头42的方向引起运动，按照力-时间-图表44来操控所述压电致动器36。在第一运动阶段中，在此使所述压电致动器36较快地沿着箭头46的方向运动。所述运动传递到所述第一活塞14上，其中在所述第一接纳室16中的、由此产生的压力超过所述阀24的关闭力，使得运行流体从所述第一接纳室16转移到所述第二接纳室20中，并且在那里有一种力作用于所述第二活塞18，使得该第二活塞沿着箭头42的方向运动。在第二运动阶段中，沿着箭头48的方向拉回所述压电元件36，但是这一过程明显地比所述第一运动阶段进行得慢。由此所述活塞14同样沿着箭头48的方向运动，但是通过所述缓慢的运动而没有超过所述阀28的关闭力。因而没有运行流体从所述第二接纳室20转移到所述第一接纳室16中，所述第二活塞18保持其位置。所述第一接纳室16的、由于第一活塞14的运动引起的容积变化通过从所述容器34中经过所述管路30和节流元件32流到所述第一接纳室16中的运行流体得到补偿。

通过所述两个运动阶段的交替的重复，由此可以使所述活塞18向前移动得比通过所述压电致动器36的运动有效距离所预先给定的情况远。在所述活塞14与18之间的传动比在此能够以特别高的精确性实现所述第二活塞18的定位，其中为了将所述活塞18保持定位而有利地不必费力。

如果要沿着相反方向、也就是沿着箭头15的方向拉回所述活塞18，那就如所述力-时间-图表52所表明的那样倒转所述两个运动阶段。也就是说，首先使所述压电致动器36快速地沿着箭头48的方向运动，使得在所述第一接纳室16中的、所产生的压力变化超过所述单向阀28的关闭力，并且液体可以从所述第一接纳室20溢流到所述第一接纳室16中，由此所述活塞18沿着箭头50的方向运动。在所述第二运动阶段中，使所述压电致动器36缓慢地沿着箭头46的方向运动，由此又不超过所述单向阀24的关闭力，因而所述第二活塞18保持其位置，并且液压流体从所述第一接纳室16通过所述节流元件32和所述管路30流回到所述容器34中。在这里，也可以通过所述两个运动阶段的、交替的重复来产生所述活塞18的进一步的运动。

图3和4示出了所述装置10的一种作为替代方案的实施方式，在该实施方式中取代液压缸而使用了波纹管54、56，所述波纹管与所述活塞元件14、18相连接，并且就这样形成所述接纳室16、20。所述容器34也通过一波纹管58来构成。在其它方面，按照图3和4的装置10与按照图1和2的装置10在功能上相同。波纹管54、56、58的使用能够基本上以封装的方式来构成所述整个装置10，使得其对于污染和磨损来说具有尽可能小的易受影响性。一种这样的装置10在此可以在保持相同的精确性的情况下运行得特别长。

Claims (7)

1.用于产生线性的运动的致动器装置（10），具有一液压的致动器（12），所述致动器包括一用于操纵该致动器的第一活塞元件（14）和一用于产生所述线性的运动的第二活塞元件（18），为所述第一活塞元件（14）和第二活塞元件（18）分配了各自的、流体地相耦合的第一工作腔（16）和第二工作腔（20），所述第一工作腔（16）和第二工作腔（20）的容积能够通过相应的所述第一活塞元件（14）和第二活塞元件（18）的运动来改变，其中，设置了用于将力施加到所述第一活塞元件（14）上的压电致动器（36），并且其中相应的所述第一工作腔（16）和第二工作腔（20）通过两个互相相反地定向的止回阀（24、28）相连接，

其特征在于，

所述两个止回阀（24、28）具有不同的打开力。

2.按权利要求1所述的致动器装置（10），

其特征在于，

所述第一活塞元件（14）的第一工作腔（16）通过节流元件（32）与用于所述液压的致动器（12）的工作流体的容器（34）相耦合。

3.按权利要求1或2所述的致动器装置（10），

其特征在于，

所述第一工作腔（16）和第二工作腔（20）通过相应的缸来构成，所述第一活塞元件（14）和第二活塞元件（18）以能够运动的方式被接纳在所述缸中。

4.按权利要求1或2所述的致动器装置（10），

其特征在于，

所述第一工作腔（16）和第二工作腔（20）通过相应的波纹管（54、56）来构成。

5.用于对能够线性地运动的元件的位置进行调节的方法，其中借助于压电致动器（36）来将力施加到第一活塞元件（14）上，其中通过所述力的施加来改变为所述第一活塞元件（14）分配的第一工作腔（16）的容积，并且将所施加的力传递到第二活塞元件（18）上，所述第二活塞元件的、所分配的第二工作腔（20）流体地与所述第一工作腔（16）相耦合，

其特征在于，

为了沿着预先给定的方向执行一种运动，使所述压电致动器（36）在第一运动阶段中如此快地沿着所述预先给定的方向运动，使得在所述第一工作腔（16）中的、通过所述运动所产生的压力克服一种沿着运动方向将所述第一工作腔（16）和第二工作腔（20）流体地连接起来的止回阀（24、28）的关闭力，其中，在第二运动阶段中使所述压电致动器（36）如此缓慢地反向于所述预先给定的方向进行运动，使得在所述第一工作腔（16）中的、通过所述运动而产生的压力没有克服反向于所述运动方向将所述第一工作腔（16）和第二工作腔（20）流体地连接起来的止回阀（24、28）的关闭力。

6.按权利要求5所述的方法，

其特征在于，

在所述第二运动阶段中为了对在所述第一工作腔（16）中的容积变化进行补偿，通过节流元件（32）在所述第一工作腔（16）与容器（34）之间交换工作流体。

7.按权利要求5或6所述的方法，

其特征在于，

交替地重复所述第一运动阶段及第二运动阶段，直至所述第二活塞元件（18）处于预先给定的额定位置中。