CN108757372A - 一种步进电机和丝杆驱动的柱塞泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大步进电机驱动的柱塞泵，包括：微控制器、步进电机、联轴器、丝杆、泵盖、轴承、螺母运动副、泵壳、平行端面、泵后盖、滑履、柱塞、缸体、限位开关、止推环；所述柱塞泵的步进电机由微控制器控制，电机的输出轴丝杆相连并带动丝杆转动，丝杆插入泵内，与泵盖、轴承、泵壳和止推环配合固定，丝杆上的螺母运动副与缸体相连，柱塞均布于缸体圆周上的油腔内，柱塞的另一端通过滑履与平行端面相连。在丝杆螺纹区域的两端装有限位开关，微控制器采集限位信号，并发送脉冲控制信号控制步进电机，从而控制泵的各种动作。本发明具有机械结构简单，震动和噪音较小，排量和流速调节方便且精确等特点。

Description

一种步进电机和丝杆驱动的柱塞泵

技术领域

本发明涉及变量柱塞泵，特别是一种利用步进电机和丝杆作为动力单元的排量和速度可调的柱塞泵，属于液压工程机械领域。

背景技术

近年来，随着工业自动化的发展，液压系统以它独特的优点正在得到越来越广泛的应用，相比于传统的机械、电气和同样发展迅速的气动系统，液压系统在动力的提供和传递上具有用途广、效率高和结构简单的特点。一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件（附件）和液压油，其中动力元件的作用就是为整个系统提供动力，动力元件对于一个系统来说非常重要，它的性能直接关系到液压系统的工作能力。

柱塞泵是液压系统中非常常见的动力元件，它利用柱塞在缸体内的往复运动，造成液压油工作腔容积变化，从而实现吸油和压油。相比于常见的齿轮泵和叶片泵，柱塞泵的额定压力高、效率高、转速快，因此被广泛应用于高压、大流量的场合，诸如液压机、工程机械和船舶等领域。但随着液压工程机械的应用日益广泛，对液压泵的要求也越来越高，而传统的柱塞泵利用凸轮机构推动柱塞进行往复运动，低速状态下传动精度低，重载状态下容易造成振动，同时整个泵体结构固定，无法进行流量的调节。

为了解决上述问题，工程技术人员设计了新型的柱塞泵结构，实用新型专利“通轴斜盘式柱塞泵”（授权公告号：CN303979089S）提出了一种斜盘式柱塞泵结构，斜盘式柱塞泵不再使用凸轮机构带动柱塞进行往复运动，而是将传动轴与圆柱形的缸体固连在一起，缸体的圆周上均布有若干个轴向排列的柱塞，柱塞与缸体油孔通过精密的间隙配合，柱塞的一端放入油孔内，另一端使用滑履连接在位置固定的斜盘上，当缸体在传动轴的带动下旋转时，柱塞随缸体一起转动，柱塞转动时将经过斜盘圆周上不同的位置，斜盘带来的轴向距离的改变使得柱塞在缸体的油孔内往复移动，达到吸油和压油的目的。这种斜盘式柱塞泵结构更加紧凑，使用同心的旋转运动减少了传动过程中的振动和误差，斜盘结构的设计也使流量的改变成为现实，只需要调整其倾斜角度就可以改变柱塞在油孔内的运动行程，从而达到改变柱塞泵流量的目的。但斜盘式柱塞泵同样有其不足之处，斜盘端面与柱塞之间采用滑履进行连接，但因为倾斜度的因素将导致柱塞运动时滑履受力情况复杂，提高了零件的制造和加工要求，同时虽然泵体的流量可调，但需要拆卸泵体调整斜盘倾角，无法在运行过程中灵活改变排量，这也局限了该类柱塞泵的运用范围。

发明内容

本发明旨在解决上述缺陷，提供一种结构简单，加工方便，流量易于调节且适用范围广的新型柱塞泵，该柱塞泵提供结构简单的驱动单元，利用丝杆可将回转运动化为直线运动的特点解决了柱塞通过往复运动进行吸油和压油的技术要求，将柱塞的运动速度和柱塞泵的流量与结构简单的丝杆相关联，避免了斜盘式柱塞泵结构复杂，加工制造困难和流量调节不便的不足

本发明所采用的技术方案是：一种由步进电机和丝杆驱动的柱塞泵，由微控制器1、步进电机2、联轴器3、丝杆4、泵盖5、轴承6、螺母运动副7、泵壳8、平行端面9、泵后盖10、滑履11、柱塞12、缸体13、限位开关14和止推环15组成，其中：泵壳8两端分别与泵盖5和泵后盖10相连，组成泵本体，泵盖5与泵壳8连接处设有轴承6和止推环15，步进电机2的输出轴通过联轴器与丝杆4一端相连，带动丝杆4转动；丝杆4另一端伸入泵本体内，与泵盖5、轴承6、泵壳8和止推环15配合固定，步进电机2和丝杆4组成了泵的动力单元；螺母运动副7套于丝杆4外，丝杆4上设有两个限位开关14，所述螺母运动副7能通过螺纹传动沿着丝杆4的螺纹段在两个限位开关14之间来回运动，缸体13固定于螺母运动副7上，柱塞12均布于缸体13圆周上的油腔内，柱塞一端通过滑履11与平行端面9相连，所述平行端面9连接泵后盖10，且位于泵本体内，步进电机2连接微控制器1，微控制器1采集限位信号，并发送脉冲控制信号控制步进电机2；

微控制器1根据柱塞泵当前动作的需求计算出步进电机2所需的转速、圈数和回转方向，并转化为实际的脉冲信号发送到步进电机2，步进电机2接收到信号后，按照指令输出相应的转速、方向和圈数，带动丝杆4进行转动，丝杆4上的螺母运动副7将回转运动转为自身的直线运动，并带动缸体13进行运动，缸体13圆周上的油腔与静止的柱塞12产生相对运动，改变油腔的容积，完成一个吸油或压油的动作，当丝杆运动了预定的圈数时，步进电机2将停止该方向的输出，直到接收到微控制器1下一步的指令，再以同样的方式完成下一个动作。

本发明中，如果在动作的过程中，螺母运动副7到达了两端的限位开关14的位置，限位开关14将产生限位信号，并发送到微控制器1中，由微控制器1产生急停指令，控制步进电机2停止转动，使螺母运动副7停止运动。。

本发明中，螺母运动副7通过螺栓螺母与缸体13相连。

本发明中，所述丝杆4通过泵盖5、轴承6和泵壳8的挤压实现径向的固定，通过止推环15和自身的轴肩结构的挤压实现轴向的固定。

本发明中，丝杆4的螺纹段和螺母运动副7通过螺栓螺母结构相连。

本发明的基本原理是：

1、 通过丝杆4和螺母运动副7的结构，利用螺纹传动的基本原理，将丝杆的回转运动变为螺母运动副的直线运动，并将缸体13直接与螺母运动副7通过螺栓螺母结构相连，使缸体与螺母运动副进行同步的直线运动。

2、 利用相对运动的原理，将位于缸体油腔内的柱塞12通过滑履11与静止的平行端面9相连，在缸体13进行往复的直线运动时，静止的柱塞与油腔形成相对运动，油腔内可用的容积随着缸体的左右运动不断变化，造成液压油的吸入和排出，完成泵的吸油和压油。

本发明的有益效果是：

1、机械结构紧凑简单。本发明由于使用丝杆作为传动机构，简化了柱塞泵的机械结构，利用丝杆机构回转和直线运动转化的机制，形成了步进电机输出轴回转运动、丝杆回转运动、螺母运动副直线运动、缸体油腔直线运动、油腔与柱塞相对运动的传动方式，通过相对简单的机械结构达到了改变油腔容积实现吸油和压油的目的，同时避免了复杂的传动结构中可能产生的震动和噪声，相比于简单而精度不足的凸轮传动和结构复杂的卧式直轴斜盘传动，兼顾了结构的简化和功能的实现。

2、排量调节方便精确。本发明使用步进电机与丝杆作为动力单元，使得丝杆旋转的圈数与油腔和柱塞的相对运动距离直接相关，通过对丝杆旋转圈数的控制可以直接控制柱塞的行程，从而直接控制油腔体积的改变量，达到排量可调的作用，同时利用步进电机对进给量的精确控制，使排量的调节变得非常精确。相比于通过其它排量调节装置来进行排量调节的柱塞泵而言，本发明结构简单，无需再添加排量调节装置，同时调节精度高，步进电机带来的高精度控制比其它大多数排量调节机构更加可靠。

3、速度调节方便精确。本发明使用步进电机加丝杠的传动方式，可以通过控制丝杠的转速来控制螺母运动副和其上缸体的直线运动速度，从而控制柱塞的相对运动速度，达到排油速度的调节，而丝杆的转速可以由步进电机做到精确控制，从而达到排油速度精确控制的目的。

附图说明

图1是本发明步进电机驱动的柱塞泵的结构示意图。

图2是本发明步进电机驱动的柱塞泵的外观参考简图（主视图）。

图3是本发明步进电机驱动的柱塞泵的外观参考简图（侧视图）。

图中标号：1——微控制器（MCU）；2——步进电机；3——联轴器；4——丝杆；5——泵盖；6——轴承；7——螺母运动副；8——泵壳；9——平行端面；10——泵后盖；11——滑履；12——柱塞；13——缸体；14——限位开关；15——止推环。

具体实施方式：

下面结合附图通过对实施例的描述给出本发明的细节，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例1：

本发明装置各部件的结构组成叙述如下：

如图1所示，该柱塞泵包括：微控制器1、步进电机2、联轴器3、丝杆4、泵盖5、轴承6、螺母运动副7、泵壳8、平行端面9、泵后盖10、滑履11、柱塞12、缸体13、限位开关14和止推环15。

其中，步进电机2的输出轴与丝杆4的一端通过联轴器3相连，丝杆4插入柱塞泵内，与泵盖5、轴承6、泵壳8和止推环15形成配合，其中泵盖5、轴承6和泵壳8相互挤压完成丝杆径向的固定，泵盖5、泵后盖10、止推环15和丝杆轴肩结构的端面相互挤压，完成丝杆轴向的固定。丝杆4的螺纹段连接着螺母运动副7，螺母运动副7通过螺栓螺母与缸体13相连，并带动缸体13运动，缸体13的圆周上有均匀分布的油腔，柱塞12的一端通过精密的间隙配合放入油腔内，柱塞的另一端通过滑履11与固定的平行端面9相连，在丝杆螺纹区域的两端装有限位开关14，限位开关14信号连接微控制器1，微控制器1连接步进电机2，收集采集的限位信号，根据实际工作需求给步进电机2发送合适的控制指令，控制步进电机2正转和反转、转速和圈数，从而控制泵的吸油和压油，调节泵的排量和流速。

本发明的工作原理如下：

通过微控制器1来提供控制信号驱动步进电机2，步进电机2负责输出转矩，经由联轴器3带动丝杆4转动，丝杆4转动时，位于丝杆4螺纹区域的螺母运动副7将丝杆的回转运动转化为丝杆轴向的直线运动，并通过螺栓螺母机构带动缸体13一起运动。柱塞12一端插入缸体13圆周上的油腔内，一端通过滑履11连接到静止的平行端面9，滑履11可以在平行端面9上做径向和周向的滑动，但不可进行轴向运动脱离端面，所以柱塞12被滑履11和平行端面9进行轴向固定。当缸体13的油腔被螺母运动副7带动进行轴向直线运动时，轴向固定的柱塞12和运动的油腔便产生了轴向的相对运动，这将引起油腔的容积变化，导致液压油被吸入或排出，使泵体完成吸油和压油的动作。

在泵进行工作时，缸体13一次左右往复运动代表泵的一次吸油和压油的动作，而泵的排量与吸油和压油的体积直接相关，即与缸体13和柱塞12在相对运动时的行程有关，该行程与缸体13的直线运动行程，也就是螺母运动副7的行程有关，而螺母运动副7的直线运动则取决于丝杆回转运动的圈数和回转的方向，所以可以利用微控制器1发送脉冲信号，改变步进电机的进给量和转矩输出方向，从而控制丝杆4的运动圈数和回转方向，达到调节泵排量的效果，同时因为该操作可以通过微控制器发送指令来进行，所以相比于其它设备更加方便和灵活。

微控制器1还可以改变脉冲信号的频率，从而改变步进电机2输出轴的转速，从而控制丝杆4的转速，致使螺母运动副7的直线运动速度相应地发生改变，从而使得柱塞12和油腔之间的相对运动速度改变，达到调节泵的吸油和压油速度的目的。

具体工作过程如下：

微控制器1根据柱塞泵当前动作的需求计算出步进电机2所需的转速、圈数和回转方向，并转化为实际的脉冲信号发送到步进电机2，步进电机2接收到信号后按照指令输出相应的转速、方向和圈数，带动丝杆4进行转动，丝杆4上的螺母运动副7将回转运动转为自身的直线运动，并带动缸体13进行运动，因此缸体13圆周上的油腔与静止的柱塞12产生相对运动，改变油腔的容积，完成一个吸油或压油的动作，当丝杆4运动了预定的圈数时，步进电机2将停止该方向的输出，直到接收到微控制器1下一步的指令，再以同样的方式完成下一个动作。如果在动作的过程中螺母运动副7到达了两端的限位，限位开关14将产生限位信号，并发送到微控制器1中，由微控制器1决定下一步的指令。

以上所述仅为本发明在柱塞泵设计中的一个实例，对于本技术领域的技术人员来说，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种由步进电机和丝杆驱动的柱塞泵，由微控制器（1）、步进电机（2）、联轴器（3）、丝杆（4）、泵盖（5）、轴承（6）、螺母运动副（7）、泵壳（8）、平行端面（9）、泵后盖（10）、滑履（11）、柱塞（12）、缸体（13）、限位开关（14）和止推环（15）组成，其特征在于：泵壳（8）两端分别与泵盖（5）和泵后盖（10）相连，组成泵本体，泵盖（5）与泵壳（8）连接处设有轴承（6）和止推环（15），步进电机（2）的输出轴通过联轴器与丝杆（4）一端相连，带动丝杆（4）转动；丝杆（4）另一端伸入泵本体内，与泵盖（5）、轴承（6）、泵壳（8）和止推环（15）配合固定，步进电机（2）和丝杆（4）组成了泵的动力单元；螺母运动副（7）套于丝杆（4）外，丝杆（4）上设有两个限位开关（14），所述螺母运动副（7）能通过螺纹传动沿着丝杆（4）的螺纹段在两个限位开关（14）之间来回运动，缸体（13）固定于螺母运动副（7）上，柱塞（12）均布于缸体（13）圆周上的油腔内，柱塞一端通过滑履（11）与平行端面（9）相连，所述平行端面（9）连接泵后盖（10），且位于泵本体内，步进电机（2）连接微控制器（1），微控制器（1）采集限位信号，并发送脉冲控制信号控制步进电机（2）；

微控制器（1）根据柱塞泵当前动作的需求计算出步进电机（2）所需的转速、圈数和回转方向，并转化为实际的脉冲信号发送到步进电机（2），步进电机（2）接收到信号后，按照指令输出相应的转速、方向和圈数，带动丝杆（4）进行转动，丝杆（4）上的螺母运动副（7）将回转运动转为自身的直线运动，并带动缸体（13）进行运动，缸体（13）圆周上的油腔与静止的柱塞（12）产生相对运动，改变油腔的容积，完成一个吸油或压油的动作，当丝杆运动了预定的圈数时，步进电机（2）将停止该方向的输出，直到接收到微控制器（1）下一步的指令，再以同样的方式完成下一个动作。

2.根据权利要求1所述的一种由步进电机和丝杆驱动的柱塞泵，其特征在于：如果在动作的过程中，螺母运动副（7）到达了两端的限位开关（14）的位置，限位开关（14）将产生限位信号，并发送到微控制器（1）中，由微控制器（1）产生急停指令，控制步进电机（2）停止转动，使螺母运动副（7）停止运动。

3.根据权利要求1所述的一种由步进电机和丝杆驱动的柱塞泵，其特征在于：螺母运动副（7）通过螺栓螺母与缸体（13）相连。

4.根据权利要求1所述的一种由步进电机和丝杆驱动的柱塞泵，其特征在于：所述丝杆（4）通过泵盖（5）、轴承（6）和泵壳（8）的挤压实现径向的固定，通过止推环（15）和自身的轴肩结构的挤压实现轴向的固定。

5.根据权利要求1所述的一种由步进电机和丝杆驱动的柱塞泵，其特征在于：丝杆（4）的螺纹段和螺母运动副（7）通过螺栓螺母结构相连。