CN105715606B - 一种复合式数字伺服执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用旋转配油阀的复合式数字伺服执行器。本发明中的齿轮步进装置包括至少三个液压缸、一个中心轴位置固定的外啮合齿轮、一个可以进行平面运动的内啮合齿轮；所述的小齿轮中心轴即为齿轮步进装置的输出轴；所述的液压缸均匀分布在内啮合齿轮外侧，液压缸与内啮合齿轮外侧贴合，推动内啮合齿轮做平面运动；所述可控配油装置依据液压缸的动作需求来给液压缸配油。本发明采用液压油作为动力源，采用旋转配油阀实现液压油分配，利用液压缸的柱塞驱动啮合齿轮最终实现步进输出。相对于伺服电机输出，其扭矩明显增大，体积减小，相对于普通液压输出，其可以实现准确的步进输出。

Description

一种复合式数字伺服执行器

技术领域

本发明涉及一种机械、液压和电机复合式的数字伺服执行器（以下简称执行器）。更准确的说，本发明涉及一种由微型调速电机、旋转配油阀、液压蓄能器、油路系统、内啮合齿轮对、控制器等组成的集成式、大扭矩的数字伺服执行器。

背景技术

伺服执行器一般是指能通过某些特定方式将现有的机械能、电能、或其他能量形式转化为目标运动形式的输出装置。当前，传统的、技术较为成熟的执行器有基于电机驱动的执行器、基于液压伺服控制的执行器和基于气动控制技术的执行器。基于伺服电机（或者步进电机）的各种执行器，可以方便地通过电机组合相应的减速器，方便地实现伺服控制（或者数字控制）。但是电机功率密度低，要想实现真正的大功率输出，微小型电机显然无法满足条件。传统的液压执行器用压力油作为执行器的动力源，相对于电机驱动的执行器，液压执行器的扭矩更大、惯性更小、运行更平稳。但现有的液压执行器由于最终的运动输出装置均是基于液压缸（或液压马达），对运动的伺服控制只能通过精确地控制进入液压缸的液压油流量来实现，因此还需要比例阀（伺服阀），实现伺服控制的难度较大，价格也较为昂贵。

随着工业技术的不断进步，对工业生产过程的自动化和智能化程度的要求也在不断提高。复杂生产线上各种动作的控制要求，对执行器的精度、可控性、数字化、智能化也提出了更高的要求。目前，用于伺服控制的执行器的发展趋势是，功率密度高，具有大扭矩输出、高可靠性、高防护性、体积小巧、便于安装维护等特点，而传统的基于电机的执行器和基于液压的执行器都难以同时满足上述需求。

发明内容

本发明提出了一种数字控制的复合式伺服执行器，其采用特别设计的旋转配油阀按一定规律将压力油依次分配到不同油缸，输出端则采用内啮合的齿轮对来实现步进输出，内啮合的齿轮对由圆周均布的液压缸依次推动。其基本原理是，利用特别设计的旋转配油阀对进入液压缸的压力油进行间歇式分配，为伺服执行机构供油，采用电磁阀实现对油路进行智能控制，实现输出轴的转动或锁死，最终输出轴的旋转角度和速度取决内啮合齿轮对的几何参数及旋转式配油阀的配油频率。

同时提出了一种其简化方案，在前述方案基础上，略去了旋转配油阀改由控制算法直接控制电磁阀实现配油，简化方案结构更加简单，可以改变步进角，但是不能达到第一方案的高频率和高寿命。

为了实现上述功能要求，本发明采取如下技术方案：

本发明由旋转式配油阀、微型调速电机、液压缸、内啮合齿轮对、数字控制器、功率放大器、电磁阀、油泵、蓄能器等组成。

所述的旋转式配油阀，包括驱动电机、阀体和配油转子三个部分，电机带动配油转子旋转，在旋转过程中，配油转子内部的各个配油通道依次开闭，从而实现压力油的依次分配，最终依次供给到各个液压缸，这是本发明实现步进控制的关键。

所述的齿轮步进装置包括三个液压缸（或三个以上）、一个中心轴位置固定的小齿轮（外啮合齿轮）、一个可以进行平面运动的大齿轮（内啮合齿轮）构成。所述的小齿轮中心轴即为齿轮步进装置的输出轴。

所述的三个液压缸均匀分布在大齿轮外侧，液压缸与大齿轮外侧贴合，推动大齿轮做平面运动。且所述的液压缸采用差动连接方式供油，可以提高液压缸的运动速度。

所述的油路系统由油泵、蓄能器、电磁阀、油管构成。

其工作原理如下：

在执行器处在工作状态时，控制系统控制三个电磁阀处在上位，压力油通过旋转式配油阀通到液压缸。三个液压缸的柱塞（a、b、c）分别与齿轮外侧贴合。当旋转式配油阀向液压缸A供油时，液压缸B、C的油路与回油油路导通（回油箱），a柱塞伸出到极限位置，b、c柱塞缩回从而推动大齿轮做平面运动。大齿轮带动小齿轮绕主轴旋转实现动力输出。当旋转式配油阀的阀芯继续转动时，压力油会向液压缸B供油，柱塞b推动大齿轮继续做平面运动带动小齿轮转动，同时液压缸A、C回连通回油管路。如此依次循环往复带动小齿轮连续转动从而实现步进式的动力输出。

当旋转式配油阀中阀芯的旋转方向反转时，向三个液压缸依次供油的顺序也会发生反转，从而使得小齿轮的旋转方向也发生反转。也就是说执行器的输出方向可以通过旋转式配油阀的旋转方向来控制。但旋转式配油阀的阀芯转动速度变化时，三个液压缸的动作频率也会发生改变，从而使得小齿轮的转动速度发生改变。

当执行器接收到命令从工作状态转到保持状态，则根据控制系统发出的信号，三个电磁阀中的一个由上位导通运动到下位导通，此时这一阀门连通的液压缸将一直与高压油路相通，因而一直保持对大齿轮的压紧力，另外两个液压缸通过旋转配油阀与出油口相连接，此时小齿轮将会被锁死，从而实现执行器在任意角度的位置保持。但三个液压缸同时连通压力油，则大齿轮会在三个液压缸的共同作用下自动对中，从而与小齿轮脱离，小齿轮就会处于自由运动状态，此时执行器处于漂浮状态。

作为优选的，本执行器输出采用三个短行程液压缸驱动内啮合齿轮对的输出形式，相对于电机驱动其可以显著提高转矩。相对于一般的液压驱动，其可以实现更加精准的步进式输出。

液压缸的个数可以多于三个，个数越多，执行器的输出越平稳，步进距离越小，示图中以三个为例，实际使用可以视具体情况而定。

作为优选的，本执行机构采用专门设计的旋转配油阀配油，省去了复杂的配油系统和自动控制系统，降低成本的同时使得执行器体积明显缩小。

本发明中的执行器用一般液压油作为动力源，同一油源可以供应多个执行机构，很容易实现集成。

本发明的优点：

1、本发明采用液压作为动力源，相对于伺服电机，其输出力矩显著提高。

2、采用旋转配油阀供油，齿轮步进输出，在不使用步进电机的情况下实现了数字控制的步进输出。改变配油阀阀芯的旋转方向，可以控制执行器的输出方向。

3、装置采用转阀配油加短行程液压缸驱动齿轮输出，装置结构紧凑，所需的工作介质的总体积很小，相较于电机输出可以明显缩小体积。

4、此执行器自身体积小巧，若干装置可以采用同一油源供油，很容易实现集成，可以更方便应用在复杂要求场所。

5、本发明采用数字控制，通过对配油阀旋转和电磁阀导通的控制，保持小体积、低成本、大扭矩同时实现了数字控制。

附图说明

图1 是本执行器的系统示意图。

图2是本执行器的简化后示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本执行机构由旋转配油阀1、溢流阀2、油泵3、单向阀4、蓄能器5、油箱6、两位两通电磁阀7、液压缸8、内啮合大齿轮9、外啮合小齿轮12、功率放大器10、控制器11组成。

图1中液压缸8采用了圆周分布三个液压缸的形式，本机构也可以选择使用圆周均匀分布五个或七个液压缸的方式，其原理不变，步距角改变。下面以三个液压缸为例说明其工作过程，增加液压缸数目后其工作过程和原理相同。

当开关打开后，由控制系统发出指令，旋转配油阀开始按照设定好的方向和速度旋转，同时油泵开始向系统和蓄能器中供油。旋转配油阀可以实现对三个均布的液压缸的供油与排油。正常工作状态下，电磁阀7处在上位导通状态下，旋转配油阀旋转过程中依次给A、B、C三个液压缸供油。当转到给液压缸A供油时，液压缸B、C与排油油路连通，此时柱塞a推进，b、c后退。随着旋转配油阀的选择，柱塞a、柱塞b、柱塞c依次推进、后退。

当液压缸的柱塞a推动大齿轮做平面运动时，大齿轮和小齿轮保持啮合，小齿轮轴的位置固定，在大齿轮带动下，小齿轮绕主轴旋转从而实现转矩输出。

当控制器发出位置保持指令信号时，执行机构需要进行在给定位置的锁紧动作。以液压缸的柱塞a进行保持为例说明：与液压缸A相连的两位两通电磁阀中在电磁铁作用下切换工作位，变成下位导通，同时，旋转配油阀的阀芯停止转动，此时，液压缸B、C保持不变，液压缸A则一直在压力油的作用小压紧大齿轮，从而将其锁定。

当控制系统发出信号命令执行机构反向转动，则旋转配油阀反向转动，供油方向从A-B-C变成C-B-A，则大齿轮运动状态相反，带动小齿轮反向旋转从而实现执行结构的反向输出。

基于上述方案，本发明同时提出了一种其简化方案，不使用旋转配油阀，改为使用程序直接控制电磁阀实现对液压油的控制从而实现输出。

具体的说，此方案通过控制算法，控制与A、B、C液压缸相连接的电磁阀以此以下位导通。当电磁阀处于下位导通的时候，直接向液压缸供油，从而推动柱塞前进。此方案也可以依次给A、B同时供油、B、C同时供油、A、C同时供油如此依次同时给两个液压缸供油可以改变步进角。此方案通过编写的控制算法控制电磁阀代替旋转液压阀进行配油。

结合配图进行具体说明

图2是本发明的简化方案，此方案简化后没有使用旋转换向阀，改为使用专门编写的控制算法直接控制电磁阀。当A推进时，与A相连通的电磁阀处于下位导通，A的液压缸进油推动柱塞a运动，B、C排油，从而推动大齿轮9运动，大齿轮9进行平面运动，带动小齿轮12做转动，从而实现输出。其从复运动原理和附图1所述方案类似。

图2方案可以通过A、B液压缸同时进油从而a、b柱塞同时推进，柱塞c后退，然后B、C同时供油b、c柱塞推动，柱塞a后退，之后C、A液压缸同时供油，柱塞c、a推进，柱塞b后退。如此，两个柱塞同时推动大齿轮做平面运动可以改变推进的步距角。

方案二使用电磁阀直接控制其结构上更加简单，但是电磁阀频率有一定限制，频发切换其寿命也不如旋转配油阀，但可以实现步进角的改变。

上述方案中以三个液压缸为例，但是具体实施可以根据需要选择三个、五个、七个等，视具体情况而定。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种复合式数字伺服执行器，主要由齿轮步进装置和可控配油装置组成，其特征在于：

所述的齿轮步进装置包括至少三个液压缸、一个中心轴位置固定的外啮合齿轮、一个可以进行平面运动的内啮合齿轮；所述的外啮合齿轮的中心轴即为齿轮步进装置的输出轴；所述的液压缸均匀分布在内啮合齿轮外侧，液压缸与内啮合齿轮外侧贴合，推动内啮合齿轮做平面运动；所述可控配油装置依据液压缸的动作需求来给液压缸配油。

2.根据权利要求1所述的一种复合式数字伺服执行器，其特征在于：所述可控配油装置采用旋转配油阀，其包括驱动电机、阀体和配油转子，驱动电机带动配油转子旋转，在旋转过程中，配油转子内部的各个配油通道依次开闭，从而实现压力油的依次分配，最终依次供给到齿轮步进装置中的各个液压缸。

3.根据权利要求2所述的一种复合式数字伺服执行器，其特征在于：所述的旋转配油阀通过单向阀与油泵相连接；同时旋转配油阀的油口通过对应的电磁阀与液压缸相连接，油口的个数和液压缸个数相同。

4.根据权利要求3所述的一种复合式数字伺服执行器，其特征在于：所述的液压缸采用差动连接方式供油，来提高液压缸的运动速度。

5.根据权利要求3所述的一种复合式数字伺服执行器，其特征在于：所述的电磁阀采用两位两通电磁阀。

6.根据权利要求1所述的一种复合式数字伺服执行器，其特征在于：所述可控配油装置采用可控电磁阀，每个可控电磁阀控制一个液压缸的供油。