CN106602789A - 气动与电机混合驱动直线执行器 - Google Patents

Abstract

一种机械传动技术领域的气动与电机混合驱动直线执行器，包括：电机、丝杠、气缸筒、套筒螺母和第一活塞，其中：气缸筒两侧分别设有左、右端盖，电机固定在左端盖外侧且与丝杠相连，套筒螺母设置在气缸筒内，一端与丝杠相连、另一端设置在第一活塞内，第一活塞将气缸筒分隔为左、右腔室，左端盖设有与左腔室连通的第一气道，右端盖设有与右腔室连通的第二气道；所述的第一活塞设有密封段，密封段沿径向设有微型气缸结构，沿轴向设有连通右腔室和微型气缸的第三气道；所述的微型气缸内设有第二活塞，所述的套筒螺母对应设有与第二活塞配合的第一通孔。本发明能够结合气动驱动和电机驱动的优点，实现固定行程的快速高精度重复定位。

Description

气动与电机混合驱动直线执行器

技术领域

本发明涉及的是一种机械传动领域的技术，具体是一种气动与电机混合驱动直线执行器。

背景技术

气缸是一种将压缩空气的压力能转化为机械能的气动执行元件，用于提供直线往复运动或者摆动，输出力和直线速度或者摆动角速度。普通标准气缸的定位精度为1mm，工作压力在0.05MPa到1MPa之间。一般而言，气缸位置控制系统定位精度较低，输出负载力较小，但其工作速度快，能够快速到达目标，操作简单，价格便宜，适用于精度和负载要求不高，不需要中间定位或者仅需要较少中间定位点的简单场合。虽然气缸位置控制系统通过增加磁性开关可以达到多点定位的要求，但是精度还是较低。

电缸，也称为电动缸，以电力作为直接动力源，是一种具有与气缸运动相似特征的执行元件。通常采用电机带动各种螺杆或同步轮旋转，通过螺母或皮带转化为直线运动，并推动负载运动。利用现代运动控制技术、数控技术及总线技术，实现程序化、总线化控制。由于其控制、使用的方便性，可以实现气缸和液压缸传动所不能实现的精密运动控制。但是由于是由丝杠将圆周运动转化为直线运动，所以速度相对较慢。

尽管气缸和电缸均具有成熟的技术，也有着各自优异的性能，但是它们都只能在高速和高精度中偏重一个性能，而无法同时兼顾。

发明内容

本发明针对现有技术只能实现单一方向的高精度定位，受载荷的方向单一，相反方向的定位精度不高，回程速度靠微型弹簧决定，只能实现半联动位置速度控制，无法满足高速高精度双向受载荷重复定位的工况要求等等缺陷，提出了一种气动与电机混合驱动直线执行器，能够结合气动驱动和电机驱动的优点，通过气缸结构快速实现90％目标行程，再通过电机的丝杠精确补足剩余行程，在双向载荷作用下实现固定行程的快速高精度重复定位。

本发明是通过以下技术方案实现的，

本发明包括：电机(本发明所提及的电机主要包括但不限于步进电机、伺服电机等高精度电机)、丝杠、气缸筒、套筒螺母和第一活塞，其中：气缸筒两侧分别设有左端盖和右端盖，电机固定在左端盖外侧且与丝杠相连，丝杠设置在左端盖内，套筒螺母设置在气缸筒内，套筒螺母一端与丝杠相连、另一端插入第一活塞内，第一活塞设有密封段，密封段与气缸筒间隙配合并将气缸筒分隔为左腔室和右腔室，左端盖设有与左腔室连通的第一气道，右端盖设有与右腔室连通的第二气道。

所述的密封段沿径向设有微型气缸，沿轴向设有连通右腔室和微型气缸的第三气道；所述的微型气缸内设有第二活塞，所述的套筒螺母对应设有与第二活塞配合的第一通孔。

所述的第一活塞设有活塞杆段，所述的活塞杆段经第二气道从右端盖伸出并通过第一活塞头密封件密封。

所述的第二活塞顶部依次连接有微型弹簧和第二活塞盖，第二活塞盖与微型气缸壁固定连接。

所述的套筒螺母包括螺纹段和直杆段，其中：螺纹段通过螺纹与丝杠连接并通过密封圈密封，直杆段与第一活塞间隙配合并设有第一通孔。

所述直杆段的顶部设有缓冲柱，缓冲柱的中心沿套筒螺母轴向设有通气孔，所述的通气孔与第一通孔连通；所述直杆段沿轴向在表面设有导向槽，所述的导向槽与第一通孔连通。

所述的直杆段沿轴向设有活塞导向键，所述的第一活塞对应设有键槽，以保证套筒螺母与第一活塞在相对运动中只进行轴向的相对运动。

优选地，所述螺纹段外表面呈正多边形，左端盖在相应位置处与螺纹段外表面间隙配合，以限制套筒螺母径向自由度，保证套筒螺母轴向运动的进行。

技术效果

与现有技术相比，本发明采用气动与电机混合驱动的方式，能够克服气动驱动定位精度低、电缸运动速度慢的缺陷，在双向载荷作用下实现固定行程内快速高精度重复定位，定位精度可达到与所用丝杠同级别精度，适用行程与常用气缸行程等同，适用工况与普通气缸相当。

附图说明

图1为本发明装置剖面结构示意图；

图2为本发明装置轴测图；

图3为本发明中套筒螺母结构示意图；

图4为本发明中第一活塞结构示意图；

图5为本发明中盲孔结构示意图；

图6为本发明中第二活塞结构示意图；

图中：电机1、丝杠2、气缸筒3、套筒螺母4、第一活塞5、左端盖6、右端盖7、第一气道8、第二气道9、第一活塞杆密封件10、微型弹簧11、第一定位面12、密封圈13、第二活塞盖15、第二活塞16、缓冲密封件17、第二活塞头密封件18、第二活塞杆密封件19、左腔室31、右腔室32、螺纹段41、直杆段42、第一通孔43、缓冲柱44、通气孔45、导向槽46、活塞导向键47、第二定位面48、密封段51、微型气缸52、第三气道53、键槽54、活塞杆段55、盲孔56、缓冲柱室57、第三定位面58。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1、图2和图3所示，本实施例包括：电机1(以下简称电机1)、丝杠2、气缸筒3、套筒螺母4和第一活塞5，其中：气缸筒3两侧分别设有左端盖6和右端盖7，电机1固定在左端盖6外侧且与丝杠2相连，丝杠2设置在左端盖6内，套筒螺母4设置在气缸筒3内，套筒螺母4中螺纹段41与丝杠2相连、直杆段42插入第一活塞5内，第一活塞5将气缸筒3分隔为左腔室31和右腔室32，左端盖6设有与左腔室31连通的第一气道8，右端盖7设有与右腔室32连通的第二气道9；

如图4、图5和图6所示，所述的第一活塞5包括密封段51和活塞杆段55，其中：活塞杆段55经第二气道9从右端盖7伸出并通过第一活塞头密封件10密封，密封段51与气缸筒3间隙配合；所述的密封段51在底部沿径向设有微型气缸52，沿轴向设有连通右腔室32和微型气缸52的第三气道53；所述的微型气缸52内在径向依次设有第二活塞16、微型弹簧11和第二活塞盖15；所述的直杆段42对应设有与第二活塞16配合的第一通孔43。

所述的电机1为电机。

所述的第二活塞16在微型气缸52内分别通过第二活塞头密封件18和第二活塞杆密封件19实现密封，防止左右腔室气压泄漏。

优选地，所述的微型气缸52在密封段51上沿第一活塞5轴向上下对称设置，数量为两个；所述的第三气道53对应设置。

如图3所示，所述直杆段42的顶部依次设有第一通孔43和缓冲柱44，所述缓冲柱44的中心沿套筒螺母4轴向设有通气孔45，所述的通气孔45与第一通孔43连通；所述直杆段42沿轴向在表面设有导向槽46，所述的导向槽46与第一通孔43连通。

所述的第一活塞5轴向设有盲孔56，盲孔56与直杆段42间隙配合，所述的盲孔56顶部设有与缓冲柱44配合的缓冲柱室57。

所述的直杆段42沿轴向设有活塞导向键47，所述的盲孔56对应设有键槽54，以保证套筒螺母4与第一活塞5在相对运动中只进行轴向的相对运动。

优选地，所述螺纹段41外表面呈正方形，左端盖6在相应位置处同样设置为正方形与螺纹段41外表面间隙配合，以限制套筒螺母4径向自由度和绕轴转动，保证套筒螺母4轴向运动的进行。

本发明实施例在工作时包括以下三个阶段：

1)准备阶段：电机1反转，套筒螺母4向左移动至左端盖6的第一定位面12上，在密封圈13的配合下密封套筒螺母4和丝杠2的连接部；同时右腔室32通高压气体，将第一活塞5向左推，使得盲孔56的第三定位面58与套筒螺母4上的第二定位面48紧密配合；此时系统处于零位位置，准备阶段完成；

2)工作阶段包括两个行程：

第一行程：第二气道9向右腔室32通低压或常压气体，第一气道8向左腔室31通高压气体，在压力差作用下第一活塞5迅速向右移动，在第一活塞5上的微型气缸52移动至第一通孔43位置处，第二活塞16在径向失去约束，在微型弹簧11的作用力下落入第一通孔43中，此时第一活塞5和套筒螺母4通过微型弹簧11和微型气缸52紧固连接形成刚体；第一行程结束，第一活塞5在压力差的作用下快速地完成90mm的行程；

第二行程：第一气道8和第二气道9停止通入气体，电机1开始正转，通过丝杠2驱动套筒螺母4向右移动，完成10mm的行程；通过外置的位移传感器反馈实际的位移，并通过电机丝杠螺母精确补偿第一行程中产生的误差；根据所使用丝杠2的精度，在第二行程上重复定位精度可达0.01mm；第一行程和第二行程的平均速度为100-300mm/s，负载为10-50kg；

3)回程阶段：第二气道9向右腔室32通高压气体，第一气道8向左腔室31通低压或常压气体，高压气体通过第三气道53将第二活塞16顶起，第一活塞5和套筒螺母4分离，在压力差作用下第一活塞5回程，同时电机1反转驱动套筒螺母3回程，回到零位。

Claims (10)

1.一种气动与电机混合驱动直线执行器，其特征在于，包括：电机、丝杠、气缸筒、套筒螺母和第一活塞，其中：气缸筒两侧分别设有左端盖和右端盖，电机固定在左端盖外侧且与丝杠相连，丝杠设置在左端盖内，套筒螺母设置在气缸筒内，一端与丝杠相连、另一端插入第一活塞内，第一活塞设有密封段，密封段与气缸筒间隙配合并将气缸筒分隔为左腔室和右腔室，左端盖设有与左腔室连通的第一气道，右端盖设有与右腔室连通的第二气道；

所述的密封段沿径向设有微型气缸，沿轴向设有连通右腔室和微型气缸的第三气道；所述的微型气缸内设有第二活塞，所述的套筒螺母对应设有与第二活塞配合的第一通孔。

2.根据权利要求1所述的气动与电机混合驱动直线执行器，其特征是，所述的第二活塞顶部依次连接有微型弹簧和第二活塞盖，第二活塞盖与微型气缸壁固定连接。

3.根据权利要求2所述的气动与电机混合驱动直线执行器，其特征是，所述的第二活塞上下分别设有第二活塞头密封件和第二活塞杆密封件。

4.根据权利要求1所述的气动与电机混合驱动直线执行器，其特征是，所述的套筒螺母包括螺纹段和直杆段，其中：螺纹段通过螺纹与丝杠连接并通过密封圈密封，直杆段与第一活塞间隙配合且沿径向设有与第二活塞配合的第一通孔。

5.根据权利要求4所述的气动与电机混合驱动直线执行器，其特征是，所述直杆段的顶部设有缓冲柱，缓冲柱的中心沿套筒螺母轴向设有通气孔，所述的通气孔与第一通孔连通；所述直杆段沿轴向在表面设有导向槽，所述的导向槽与第一通孔连通。

6.根据权利要求5所述的气动与电机混合驱动直线执行器，其特征是，所述的第一活塞轴向设有盲孔，盲孔与直杆段间隙配合，所述的盲孔顶部设有与缓冲柱配合的缓冲柱室。

7.根据权利要求6所述的气动与电机混合驱动直线执行器，其特征是，所述的直杆段沿轴向设有活塞导向键，所述的盲孔对应设有键槽。

8.根据权利要求4所述的气动与电机混合驱动直线执行器，其特征是，所述螺纹段外表面呈正多边形，左端盖在相应位置处与螺纹段外表面间隙配合。

9.根据权利要求1所述的气动与电机混合驱动直线执行器，其特征是，所述的微型气缸和第三气道沿密封段周向均布设置。

10.根据权利要求1所述的气动与电机混合驱动直线执行器，其特征是，所述的第一活塞设有活塞杆段，所述的活塞杆段经第二气道从右端盖伸出并通过第一活塞头密封件密封。