CN108194451B

CN108194451B - 一种微分液压缸

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Publication number: CN108194451B
Application number: CN201810069289.0A
Authority: CN
Inventors: 黄�俊
Original assignee: Liuzhou Robert Technology Co ltd
Current assignee: Liuzhou Robert Technology Co ltd
Priority date: 2018-01-24
Filing date: 2018-01-24
Publication date: 2022-03-22
Anticipated expiration: 2038-01-24
Also published as: CN108194451A

Abstract

一种微分液压缸，包括油箱、驱动装置和液压输出单元，油箱等分为左腔室和右腔室，左、右腔室内分别设置左、右卷丝轮架和左、右卷丝轮，左、右卷丝轮上缠绕软丝，左卷丝轮上缠绕的软丝通过输丝管缠绕在右卷丝轮上，左、右卷丝轮分别与箱体外的驱动装置传动连接，安装在油箱顶部的液压输出单元的油路与油箱顶部的油口连通；通过驱动装置逆时针或顺时针转动改变左、右腔室软丝的量，从而改变左、右腔室的油压，为液压输出单元提供动力，实现直线或圆弧运动的控制。该一种微分液压缸能精确的进行位置和速度控制，特别适合于需要精密控制及对重量和空间有限制的场合，它不需要液压泵、管道、油箱、丝杆和滑轨，能大大减轻重量、降低成本。

Description

一种微分液压缸

技术领域

本发明属于机械工程技术领域，涉及一种液压传动系统，特别是一种用于机器人驱动器的微分液压缸。

背景技术

随着社会的发展，人力成本日益上升，机器人的需求越来越大同，作为机器人的核心部件的驱动器，包括控制直线运动和控制转角（圆弧）运动的驱动器，常用的传动方式一般有机械传动、气压传动、电器传动、液压传动等，其中液压传动和其它传动方式相比，具有传动平稳、惯性小、反应快、易于实现快速启动及频繁换向等特点，得到了广泛的应用。现有用于驱动器的液压系统存在如下不足：

1．典型的液压系统一般由液压泵、执行元件、控制元件和辅助元件等组成，涉及到电机、液压泵、液压缸、液压马达、管道、油箱、滤油器等，整套系统结构复杂、体积及重量大、生产及维护成本相对较高；

2．采用比例阀、伺服阀、电动缸可以进行速度、位置、推力的精确控制，然而，比例阀或者伺服阀需要一整套液压系统，电动缸需要滚珠丝杆、精密轨道等，仍然存在结构复杂、成本高、重量大的问题；

以上均不适宜用于一般机器人的驱动器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种新型的微分液压缸，以克服已有技术所存在的上述不足，满足一般机器人驱动器的需求。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种微分液压缸，包括油箱、驱动装置和液压输出单元，所述油箱等分为左腔室和右腔室，左腔室与右腔室之间通过输丝管连通，左、右腔室内充满液压油，左、右腔室内分别设置左、右卷丝轮架，左、右卷丝轮架分别安装左、右卷丝轮，左、右卷丝轮上缠绕软丝，左卷丝轮上缠绕的软丝通过输丝管缠绕在右卷丝轮上，带动左、右卷丝轮转动的左、右驱动轴分别与箱体外的驱动装置传动连接；

所述液压输出单元安装在油箱顶部，液压输出单元的油路与油箱顶部的出油口和回油口连通；驱动装置逆时针转动时，左卷丝轮带动软丝从右卷丝轮向左卷丝轮缠绕使左腔室油压增加、右腔室油压下降，驱动装置顺时针转动时，右卷丝轮带动软丝从左卷丝轮向右卷丝轮缠绕使右腔室油压增加、左腔室油压下降，从而为液压输出单元提供油压推动其液压缸活塞伸出或缩回。

其进一步的技术方案是：

所述输丝管左、右两侧分别设有约束轮，左、右腔室交界处设有电磁控制压丝杆，当驱动装置运转时，电磁控制压丝杆自动往上收缩，当驱动装置停转时，电磁控制压丝杆伸进输丝管往下压住软丝。

更进一步

所述缠绕在左、右卷丝轮上的软丝为一圈或多圈，软丝的材质或为金属、或为塑料或橡胶。

更进一步：

所述液压输出单元为单液压缸输出单元，单液压缸输出单元之液压缸与左腔室顶部的出油口连通，液压缸的回油管与右腔室顶部的回油口连通，液压缸的活塞与直线往复运动单元连接。

更进一步：

所述液压输出单元为双液压缸输出单元，包括左液压缸和右液压缸，左液压缸的油路与左腔室顶部的出油口连通，右液压缸的油路与右腔室顶部的回油口连通，左、右液压缸的活塞或通过钢丝绳、或通过链条、或通过齿轮齿条带动输出轮旋转，将动力输出传至输出轴。

更进一步：

所述驱动装置包括电机、左输入轴、右输入轴、左同步带和右同步带，左卷丝轮之左驱动轴通过左输入轴和左同步带与电机主轴传动连接，右卷丝轮之右驱动轴通过右输入轴和右同步带与电机主轴传动连接，所述电机为伺服电机或步进电机；

所述左输入轴上设有只能逆时针旋转做功的左棘轮，右输入轴上设有只能顺时针旋转做功的右棘轮：即驱动装置逆时针旋转时，左输入轴通过左棘轮带动左驱动轴和左卷丝轮逆时针旋转，而右棘轮释放使右卷丝轮跟随左卷丝轮逆时针旋转，当驱动装置顺时针旋转时，右棘轮带动右驱动轴和右卷丝轮顺时针旋转，而左棘轮释放使左卷丝轮跟随右卷丝轮顺时针旋转。

另进一步：

所述驱动装置包括左电机、右电机、左输入轴和右输入轴，左卷丝轮的左驱动轴通过左输入轴与左电机的主轴传动连接，右卷丝轮的右驱动轴通过右输入轴与右电机的主轴传动连接，左电机启动时通过左输入轴和左驱动轴带动左卷丝轮逆时针旋转，右电机启动时通过右输入轴和右驱动轴带动右卷丝轮顺时针旋转，所述左电机和右电机为伺服电机或步进电机。

由于采用上述结构，与现有技术相比，本发明之一种微分液压缸具有以下有益效果：

1．本发明之一种微分液压缸，不需要液压泵、管道和油箱等，也不需要丝杆和滑轨，因此能大大减轻重量并降低成本；

2．本发明之一种微分液压缸能精确的进行位置和速度控制，特别适合于需要精密控制及对重量和空间有限制的场合；该一种微分液压缸既可作为直线运动的控制（单液压缸），又可作为转角运动的控制（实施例四如附图9/10所示），特别适用于一般机器人各类关节的控制；

3．该一种微分液压缸采用软丝作为改变左、右腔室油压的载体，驱动装置旋转时带动卷丝轮旋转，由于软丝在拉力的作用下产生微量变形，使其顺利通过输丝管，而当驱动装置停转时，拉力消失，软丝恢复变形后又可堵住输丝管避免液压油通过输丝管流入低压缸体（见附图5/6所示），保持左、右腔室的油压差与软丝体积的改变成比例，从而保证液压输出单元控制的精确；

4．该一种微分液压缸输丝管两端设有约束轮，输丝管上部设电磁控制压丝杆，驱动装置旋转时电磁控制的压丝杆会自动往上收缩，使软丝顺利通过，当驱动装置停止旋转时，电磁控制的压丝杆会往下压住软丝，防止丝因左右腔室的压力差产生滑移，保证空着的精度；

5．该一种微分液压缸采取双电机作为驱动时，分别通过左、右电机控制左、右卷丝轮的正反转，从而免除棘轮控制，提高效率（如图4所示）；

6．该一种微分液压缸采用多圈软丝的方式，可增加工作行程或者工作范围（如实施例三和图7/8所示）。

下面，结合附图和实施例对本发明之一种微分液压缸的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1～图2为本发明实施例一之一种微分液压缸结构示意图：

图1为主视图（半剖），图2为图1之俯视图（去掉液压输出单元、剖视）；

图3～图4为本发明实施例二之一种微分液压缸结构示意图：

图3为主视图（半剖），图4为图3之俯视图（去掉液压输出单元、剖视）；

图5～图6为软丝通过输丝管受力状态示意图：

图5为受拉力状态，图6为不受力状态；

图7～图8为本发明实施例三之一种微分液压缸的结构示意图：

图7为主视图（半剖），图8为图7之俯视图（去掉液压输出单元、剖视）；

图9～图10为本发明实施例四之一种微分液压缸结构示意图：

图9为主视图（半剖），图10为图9之俯视图（去掉液压输出单元、剖视）；

图中：

1—输丝管，2—约束轮，3—软丝，41—左卷丝轮，42—右卷丝轮，51—左卷丝轮架，52—右卷丝轮架，61—左驱动轴，62—右驱动轴，7—油箱，71—左腔室，711—出油口，72—右腔室，721—回油口，8—液压油，9—液压缸，91—左液压缸，92—右液压缸，10—回油管，111—左棘轮，112—右棘轮，121—左同步带，122—右同步带，131—左输入轴，132—右输入轴，14—电机，141—左电机，142—右电机，15—电磁控制压丝杆，16—输出轮，17—输出轴。

具体实施方式

实施例一

一种微分液压缸（参见附图1/2），包括油箱7、驱动装置和液压输出单元，所述油箱等分为左腔室71和右腔室72，左腔室与右腔室之间通过输丝管1连通，左、右腔室内充满液压油8，左、右腔室内分别设置左、右卷丝轮架5，左、右卷丝轮架5分别安装左、右卷丝轮4，左、右卷丝轮上缠绕软丝3，左卷丝轮上缠绕的软丝通过输丝管1缠绕在右卷丝轮上；带动左、右卷丝轮转动的左、右驱动轴分别与箱体外的驱动装置传动连接；

所述液压输出单元安装在油箱顶部，液压输出单元的油路与油箱顶部的出油口和回油口连通；驱动装置逆时针转动时，左卷丝轮带动软丝从右卷丝轮向左卷丝轮缠绕使左腔室油压增加、右腔室油压下降，驱动装置顺时针转动时，右卷丝轮带动软丝从左卷丝轮向右卷丝轮缠绕使右腔室油压增加、左腔室油压下降，从而为液压输出单元提供油压推动其液压缸活塞推出或缩回。

所述输丝管左、右两侧分别设有约束轮2，左、右腔室交界处设有电磁控制压丝杆15，当驱动装置停转时，电磁控制压丝杆15伸进输丝管往下压住软丝，当驱动装置运转时，电磁控制压丝杆自动往上收缩。

所述缠绕在左、右卷丝轮上的软丝为一圈，软丝的材质或为金属、或为塑料或橡胶。

所述液压输出单元为单液压缸输出单元，单液压缸输出单元之液压缸14与左腔室71顶部的出油口711连通，液压缸的回油管10 与右腔室顶部的回油口721连通，液压缸的活塞与直线往复运动单元连接。

驱动装置逆时针转动时，左卷丝轮带动软丝从右卷丝轮向左卷丝轮缠绕使左腔室油压增加、右腔室油压下降，推动液压缸14活塞推出，液压油从回油管10经回油口721流回右腔室72；驱动装置顺时针转动时，右卷丝轮带动软丝从左卷丝轮向右卷丝轮缠绕使右腔室油压增加、左腔室油压下降，带动液压缸14活塞缩回。

所述驱动装置包括电机14、左输入轴131、右输入轴132、左同步带121和右同步带122，左卷丝轮41之左驱动轴61通过左输入轴131和左同步带121与电机14主轴传动连接，右卷丝轮42之右驱动轴62通过右输入轴132和右同步带122与电机14主轴传动连接，所述电机为伺服电机或步进电机；

所述左输入轴131上设有只能逆时针旋转做功的左棘轮111，右输入轴132上设有只能顺时针旋转做功的右棘轮112：即驱动装置逆时针旋转时，左输入轴131通过左棘轮111带动左驱动轴61和左卷丝轮41逆时针旋转，而右棘轮112释放使右卷丝轮42跟随左卷丝轮41逆时针旋转，当驱动装置顺时针旋转时，右棘轮112带动右驱动轴62和右卷丝轮42顺时针旋转，而左棘轮111释放使左卷丝轮41跟随右卷丝轮42顺时针旋转。

实施例二

一种微分液压缸（参见附图3/4），其基本机构与实施例一相同，一种微分液压缸，包括油箱7、驱动装置和液压输出单元，所述油箱等分为左腔室71和右腔室72，左腔室与右腔室之间通过输丝管1连通，左、右腔室内充满液压油8，左、右腔室内分别设置左、右卷丝轮架5，左、右卷丝轮架5分别安装左、右卷丝轮4，左、右卷丝轮上缠绕软丝3，左卷丝轮上缠绕的软丝通过输丝管1缠绕在右卷丝轮上；带动左、右卷丝轮转动的左、右驱动轴分别箱体外的驱动装置传动连接；

所述输丝管左、右两侧分别设有约束轮2，左、右腔室交界处设有电磁控制压丝杆15，当驱动装置停转时，电磁控制压丝杆15伸进输丝管往下压住软丝，当驱动装置运转时，电磁控制压丝杆自动往上收缩；

所不同的是：所述驱动装置包括左电机141、右电机142、左输入轴131和右输入轴132，左卷丝轮41的左驱动轴61通过左输入轴131与左电机141的主轴传动连接，右卷丝轮42的右驱动轴62通过右输入轴132与右电机142的主轴传动连接，左电机启动时通过左输入轴和左驱动轴带动左卷丝轮逆时针旋转，右电机启动时通过右输入轴和右驱动轴带动右卷丝轮42顺时针旋转，所述左电机和右电机为伺服电机或步进电机。

实施例三

一种微分液压缸（参见附图7/8），其基本机构与实施例二相同，一种微分液压缸，包括油箱7、驱动装置和液压输出单元，所述油箱等分为左腔室71和右腔室72，左腔室与右腔室之间通过输丝管1连通，左、右腔室内充满液压油8，左、右腔室内分别设置左、右卷丝轮架5，左、右卷丝轮架5分别安装左、右卷丝轮4，左、右卷丝轮上缠绕软丝3，左卷丝轮上缠绕的软丝通过输丝管1缠绕在右卷丝轮上；带动左、右卷丝轮转动的左、右驱动轴分别箱体外的驱动装置传动连接；

所述驱动装置包括左电机141、右电机142、左输入轴131和右输入轴132，左卷丝轮41的左驱动轴61通过左输入轴131与左电机141的主轴传动连接，右卷丝轮42的右驱动轴62通过右输入轴132与右电机142的主轴传动连接，左电机启动时通过左输入轴和左驱动轴带动左卷丝轮逆时针旋转，右电机启动时通过右输入轴和右驱动轴带动右输入轴132顺时针旋转，所述左电机和右电机为伺服电机或步进电机。

所不同的是：所述缠绕在左、右卷丝轮上的软丝为多圈。

实施例四

一种微分液压缸（参见附图9/10），其基本机构与实施例一相同，包括油箱7、驱动装置和液压输出单元，所述油箱等分为左腔室71和右腔室72，左腔室与右腔室之间通过输丝管1连通，左、右腔室内充满液压油8，左、右腔室内分别设置左、右卷丝轮架5，左、右卷丝轮架5分别安装左、右卷丝轮4，左、右卷丝轮上缠绕软丝3，左卷丝轮上缠绕的软丝通过输丝管1缠绕在右卷丝轮上；带动左、右卷丝轮转动的左、右驱动轴分别箱体外的驱动装置传动连接；

所不同的是：所述液压输出单元为双液压缸输出单元，包括左液压缸91和右液压缸92，左液压缸的油路与左腔室顶部的出油口711连通，右液压缸的油路与右腔室顶部的回油口721连通，左、右液压缸的活塞或通过钢丝绳、或通过链条、或通过齿轮齿条带动输出轮16旋转，将动力输出传至输出轴17，带动输出轴做旋转运动。

作为实施例一和四的变换：所述左棘轮（111）和右棘轮（112）也可以直接装在电机（14）的轴上，可以达到同样的效果。

工作原理

初始状态时，两边卷丝轮上缠绕的软丝量相同，因此体积相同，油缸处于中间位置；

驱动装置逆时针转动时，经左同步带121传动至左棘轮111，再带动左输入轴131逆时针旋转，将软丝经输丝管1从右腔室输送至左腔室，使左腔室软丝的总体积增加，由于液体不能压缩的特性，使左腔室油压增加，从而推动液压缸9活塞上升，液压油经回油管10回归右腔室；

同理当驱动装置顺时针转动时，经右同步带122传动至右棘轮112，再带动右输入轴132顺时针旋转，将软丝经输丝管1从左腔室输送至右腔室，使左腔室软丝的总体积减少，使左腔室油压下降，从而带动液压缸9活塞下降。

相对于软丝的体积，可以忽略软丝的微量变形，因此理论上软丝的长度和其所占的空间体积相对应，由于液体不可压缩的特性，丝的总长度（即体积）相等比于油缸高度，因此，通过伺服或者步进电机通过转动丝轮控制两边丝的长度，可以实现油缸的高度控制，或者实现输出轮的角度控制。

以上实施例是本发明较常用的实施方式之一，不能认定本发明的具体实施只局限于此，对于本发明所属技术领域，在不脱离本发明构思的前提下，做出简单推演或替换，上述机构都应当视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种微分液压缸，其特征在于：包括油箱（7）、驱动装置和液压输出单元，所述油箱等分为左腔室（71）和右腔室（72），左腔室与右腔室之间通过输丝管（1）连通，左、右腔室内充满液压油（8），左、右腔室内分别设置左卷丝轮架（51）和右卷丝轮架（52），左、右卷丝轮架上分别安装左卷丝轮（41）和右卷丝轮（42），左、右卷丝轮上缠绕软丝（3），左卷丝轮上缠绕的软丝通过输丝管（1）缠绕在右卷丝轮上；带动左、右卷丝轮转动的左、右驱动轴分别与箱体外的驱动装置传动连接；

所述液压输出单元安装在油箱顶部，液压输出单元的油路与油箱顶部的出油口和回油口连通，驱动装置逆时针转动时，左卷丝轮（41）带动软丝（3）从右卷丝轮（42）向左卷丝轮（41）缠绕使左腔室（71）油压增加、右腔室（72）油压下降，驱动装置顺时针转动时，右卷丝轮（42）带动软丝（3）从左卷丝轮（41）向右卷丝轮（42）缠绕使右腔室（72）油压增加、左腔室（71）油压下降，从而为液压输出单元提供油压推动其液压缸活塞伸出或缩回。

2.如权利要求1所述一种微分液压缸，其特征在于：所述输丝管左、右两侧分别设有约束轮（2），左、右腔室交界处设有电磁控制压丝杆（15），当驱动装置运转时，电磁控制压丝杆自动往上收缩，当驱动装置停转时，电磁控制压丝杆（15）伸进输丝管往下压住软丝。

3.如权利要求2所述一种微分液压缸，其特征在于：所述缠绕在左、右卷丝轮上的软丝（3）为一圈或多圈，软丝的材质或为金属、或为塑料或橡胶。

4.如权利要求3所述一种微分液压缸，其特征在于：所述液压输出单元为单液压缸输出单元，单液压缸输出单元之液压缸（9）与左腔室（71）顶部的出油口（711）连通，液压缸的回油管（10）与右腔室顶部的回油口（721）连通，液压缸的活塞与直线往复运动单元连接。

5.如权利要求3所述一种微分液压缸，其特征在于：所述液压输出单元为双液压缸输出单元，包括左液压缸（91）和右液压缸（92），左液压缸的油路与左腔室（71）顶部的出油口（711）连通，右液压缸的油路与右腔室（72）顶部的回油口（721）连通，左、右液压缸的活塞或通过钢丝绳、或通过链条、或通过齿轮齿条带动输出轮（16）旋转，将动力输出传至输出轴（17），输出轴与转角往复运动单元连接。

6.如权利要求4或5所述一种微分液压缸，其特征在于：所述驱动装置包括电机（14）、左输入轴（131）、右输入轴（132）、左同步带（121）和右同步带（122），左卷丝轮（41）之左驱动轴（61）通过左输入轴（131）和左同步带（121）与电机（14）主轴传动连接，右卷丝轮（42）之右驱动轴（62）通过右输入轴（132）和右同步带（122）与电机（14）主轴传动连接，所述电机为伺服电机或步进电机；

所述左输入轴（131）上设有只能逆时针旋转做功的左棘轮（111），右输入轴（132）上设有只能顺时针旋转做功的右棘轮（112）：即驱动装置逆时针旋转时，左输入轴（131）通过左棘轮（111）带动左驱动轴（61）和左卷丝轮（41）逆时针旋转，而右棘轮（112）释放使右卷丝轮（42）跟随左卷丝轮（41）逆时针旋转，当驱动装置顺时针旋转时，右棘轮（112）带动右驱动轴（62）和右卷丝轮（42）顺时针旋转，而左棘轮（111）释放使左卷丝轮（41）跟随右卷丝轮（42）顺时针旋转。

7.如权利要求4或5所述一种微分液压缸，其特征在于：所述驱动装置包括左电机（141）、右电机（142）、左输入轴（131）和右输入轴（132），左卷丝轮（41）的左驱动轴（61）通过左输入轴（131）与左电机（141）的主轴传动连接，右卷丝轮（42）的右驱动轴（62）通过右输入轴（132）与右电机（142）的主轴传动连接，左电机（141）启动时通过左输入轴（131）和左驱动轴（61）带动左卷丝轮（41）逆时针旋转，右电机（142）启动时通过右输入轴（132）和右驱动轴（62）带动右卷丝轮（42）顺时针旋转，所述左电机和右电机为伺服电机或步进电机。