CN109458383A - 一种重载的复合式步进执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重载的复合式步进执行机构。偏心轴外围安装有少齿差齿轮对和柱塞缸步进驱动组件，偏心轴套装在外啮合齿轮的内圈，外啮合齿轮外圈套装有输出端内啮合齿轮，外啮合齿轮的外圈齿与输出端内啮合齿轮内圈齿啮合形成少齿差齿轮对，输出端内啮合齿轮经输出部件作为执行机构的动力输出。柱塞缸步进驱动组件的每组柱塞缸绕偏心轴周向间隔均布，柱塞杆沿偏心轴径向布置，柱塞缸经弹簧连接到偏心轴外周侧面。每组柱塞缸均经两位三通电磁阀连接到供油装置和油箱，控制器通过切换两位三通电磁阀的端口实现对每组柱塞缸的控制。本发明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

一种重载的复合式步进执行机构

技术领域

本发明属于步进式复合传动领域，具体涉及一种由少齿差的内啮合齿轮对、偏心轴、柱塞缸、控制器、功率放大器等组成的具有高承载能力的步进式执行机构。

背景技术

步进式执行机构一般是指能通过某些特定的机械传动结构，将现有的机械能、电能或其他能量形式，转化为目标步进运动形式的传动装置。目前，基于电机的各类执行机构，可以通过组合相应的减速器，方便地实现步进式控制。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。传统的液压执行机构用压力油作为执行机构的动力源，相对于电机驱动的执行机构，液压执行器的扭矩更大、惯性更小、运行更平稳。但现有的液压执行机构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控制液压油的流量来实现，进行伺服控制的难度较大，系统复杂，能效比不高，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，对执行机构的负载、可靠性也提出了更高的要求。目前，步进式执行机构的发展趋势是，功率密度高，具有高负载、高能效比、高防护性、结构紧凑、安装维护方便等特点，而传统的基于电机或者液压的执行机构都难以同时满足上述需求。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种重载的复合式步进执行机构。本发明将压力油依次分配到不同柱塞缸，由圆周均布的柱塞缸依次推动偏心轴转动，输出端则采用少齿差的内啮合齿轮对来实现动力输出。

本发明的技术方案如下：

本发明包括具有空腔的壳体、以及位于壳体空腔内的偏心轴、少齿差齿轮对和柱塞缸步进驱动组件，偏心轴的两端均铰接安装在壳体，壳体的外侧壁在对应偏心轴的两端处均安装有端盖。

偏心轴外围安装有少齿差齿轮对和柱塞缸步进驱动组件，少齿差齿轮对包括外啮合齿轮和输出端内啮合齿轮，偏心轴套装在外啮合齿轮的内圈，外啮合齿轮外圈套装有输出端内啮合齿轮，外啮合齿轮和输出端内啮合齿轮的径向尺寸有差异，外啮合齿轮与输出端内啮合齿轮具有齿数差，使得外啮合齿轮的外圈齿与输出端内啮合齿轮内圈齿啮合形成少齿差齿轮对，输出端内啮合齿轮的外圈经输出部件穿过壳体作为复合式步进执行机构的动力输出，输出端内啮合齿轮的外圈通过轴承固定在壳体内。

柱塞缸步进驱动组件包括沿偏心轴周向间隔均布安装的多组柱塞缸，每组柱塞缸包括柱塞缸、两位三通电磁阀和弹簧，柱塞缸的缸体绕偏心轴的旋转轴周向间隔均布且位置固定，每组柱塞缸的柱塞杆沿偏心轴径向布置，柱塞杆的外周面套装有弹簧，柱塞缸的缸体经弹簧连接到偏心轴外周侧面；每组柱塞缸的内腔与两位三通电磁阀一侧的独立端口相连，两位三通电磁阀另一侧的两个端口分别连接到供油装置和油箱；多组柱塞缸的两位三通电磁阀共同连接到一个功率放大器，功率放大器连接控制器，控制器通过切换两位三通电磁阀的端口实现对每组柱塞缸的控制。

输出端内啮合齿轮内圈齿的两端开有环形的槽口，两个内啮合齿轮对称安装到两个槽口中并固定到壳体上，两个内啮合齿轮与输出端内啮合齿轮同中心轴线设置，两个内啮合齿轮和输出端内啮合齿轮均与外啮合齿轮的外圈齿相啮合，两个内啮合齿轮与输出端内啮合齿轮的内径尺寸相同，两个内啮合齿轮与外啮合齿轮的齿数相同，使得执行机构受到外部反向冲击时外啮合齿轮与内啮合齿轮啮合卡死。

两位三通电磁阀同侧的两个端口分别为上导通位和下导通位，柱塞缸通过上导通位从供油装置中进油，柱塞缸通过下导通位回油到油箱。

优选的，柱塞缸步进驱动组件固定安装在外啮合齿轮的内圈中，使得柱塞缸步进驱动组件套装在少齿差齿轮对内部。

优选的，端盖设有用于偏心轴贯穿通过的通孔，所述的端盖通孔和偏心轴之间采用密封毡圈密封。

优选的，控制器通过两位三通电磁阀控制带动各组柱塞缸依次工作，推动外啮合齿轮在垂直于偏心轴轴向的平面移动，进而使相啮合的输出端内啮合齿轮进行旋转运动，从而完成输出端内啮合齿轮的运动输出。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。

本发明在偏心轴外侧均匀设有多组柱塞缸，柱塞杆与偏心轴外侧贴合且推动偏心轴转动，偏心轴转动继而推动少齿差的内啮合齿轮对的转动，动力输出由输出端内啮合齿轮完成输出，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。

本发明的有益效果如下：

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)通过控制算法控制电磁阀配油，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。

3)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。

附图说明

图1是本发明的系统示意图；

图2是本发明的油路系统示意图。

图中，1.内啮合齿轮、2.外啮合齿轮、3.输出端内啮合齿轮、4.壳体、5.柱塞缸、6.弹簧、7.圆柱滚子轴承、8.端盖、9.密封毡圈、10.偏心轴、11.螺钉、12.弹簧挡圈、13.油箱、14.控制器、15.功率放大器、16.供油装置、17.两位三通电磁阀。

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，本发明包括具有空腔的壳体4、以及位于壳体4空腔内的偏心轴10、少齿差齿轮对和柱塞缸步进驱动组件，柱塞缸步进驱动组件驱动少齿差齿轮对在平面内转动，柱塞缸步进驱动组件为少齿差齿轮对提供动力。

如图1所示，偏心轴10主要由位于两端的主轴段以及位于主轴体之间的偏心轴段组成，偏心轴10两端的主轴段与中间的偏心轴段一体成型，偏心轴10两端的主轴段均通过一个圆柱滚子轴承7铰接安装在壳体4，壳体4的外侧壁在对应偏心轴10的两端处均安装有端盖8。端盖8设有用于偏心轴10的主轴段贯穿通过的通孔，所述的端盖8通孔和偏心轴10的主轴段之间采用密封毡圈9密封。

偏心轴10偏心轴段的外围安装有少齿差齿轮对和柱塞缸步进驱动组件，具体实施中，柱塞缸步进驱动组件与少齿差齿轮对可以安装在偏心轴10偏心轴段的两侧，也可以将柱塞缸步进驱动组件固定安装在外啮合齿轮2的内圈中，使得柱塞缸步进驱动装置套装在少齿差齿轮对内部。图1中柱塞缸步进驱动组件不在外啮合齿轮(2)的内圈中，当外啮合齿轮(2)的内圈尺寸变大，柱塞缸步进驱动组件尺寸变小时，柱塞缸步进驱动组件可位于外啮合齿轮(2)的内圈中。

如图1所示，少齿差齿轮对包括外啮合齿轮2和输出端内啮合齿轮3，偏心轴10的偏心轴段通过圆柱滚子轴承7套装在外啮合齿轮2的内圈，圆柱滚子轴承7通过弹簧挡圈12进行轴向定位，外啮合齿轮2外圈套装有输出端内啮合齿轮3，外啮合齿轮2和输出端内啮合齿轮3的径向尺寸有差异，输出端内啮合齿轮3的径向尺寸大于外啮合齿轮2的径向尺寸，外啮合齿轮2与输出端内啮合齿轮3具有齿数差，外啮合齿轮2的外圈设有齿，输出端内啮合齿轮3的内圈设有齿，使得外啮合齿轮2的外圈齿与输出端内啮合齿轮3内圈齿啮合形成少齿差齿轮对，输出端内啮合齿轮3的外圈经输出部件穿过壳体4作为复合式步进执行机构的动力输出，输出端内啮合齿轮3的外圈通过轴承固定在壳体4内。

柱塞缸步进驱动组件包括沿偏心轴10偏心轴段的周向间隔均布安装的多组柱塞缸，每组柱塞缸包括柱塞缸5、两位三通电磁阀17和弹簧6，柱塞缸5的缸体绕偏心轴10的旋转轴周向间隔均布且位置固定，具体实施中可以将柱塞缸5与壳体4固定连接，每组柱塞缸5的柱塞杆沿偏心轴10的偏心轴段径向布置，柱塞杆的外周面套装有弹簧6，弹簧6紧抵偏心轴10偏心轴体的外周侧面使得柱塞缸5无油时柱塞杆能紧贴所述偏心轴10，避免冲击。柱塞缸5的缸体经弹簧6连接到偏心轴10偏心轴段的外周侧面；每组柱塞缸5的内腔与两位三通电磁阀17一侧的独立端口相连，两位三通电磁阀17另一侧的两个端口分别连接到供油装置16和油箱13；两位三通电磁阀17同侧的两个端口分别为上导通位和下导通位，柱塞缸8通过上导通位从供油装置16中进油，柱塞缸8通过下导通位回油到油箱13。

如图2所示，多组柱塞缸的两位三通电磁阀17共同连接到一个功率放大器15，功率放大器15连接控制器14，控制器7通过切换两位三通电磁阀17的端口实现对每组柱塞缸的控制。控制器7通过两位三通电磁阀17控制带动各组柱塞缸依次工作，推动外啮合齿轮2在垂直于偏心轴10轴向的平面移动，进而使相啮合的输出端内啮合齿轮3进行旋转运动，从而完成输出端内啮合齿轮3的运动输出。

输出端内啮合齿轮3内圈齿的两端开有环形的槽口，两个内啮合齿轮1对称安装到两个槽口中并通过螺钉11固定到壳体4上，两个内啮合齿轮1不转动但能增加整个装置的刚度。两个内啮合齿轮1与输出端内啮合齿轮3同中心轴线设置，两个内啮合齿轮1和输出端内啮合齿轮3均与外啮合齿轮2的外圈齿相啮合，两个内啮合齿轮1与输出端内啮合齿轮3的内径尺寸相同，两个内啮合齿轮1与外啮合齿轮2的齿数相同，使得执行机构受到外部反向冲击振动时外啮合齿轮2与内啮合齿轮1啮合卡死，减缓了冲击，起到保护机构的作用。

如图2所示，六个柱塞缸5沿偏心轴10圆周均布，本机构采用三个及以上数量的柱塞缸均可，利用不同工作状态下的柱塞缸数量差异，调节传动步进精度和传动速率。另外图2将油路系统进行了简化，仅给出了柱塞缸A的油路系统，其他柱塞缸的油路系统相同。

本发明的实施例以六个柱塞缸为例说明其工作过程，增加柱塞缸数目后，其工作过程和原理相同。

如图1、图2所示，在执行机构处在工作状态时，由控制器14依次控制与六个柱塞缸(A、B、C、D、E、F)相连接的电磁阀17处于上位导通。当柱塞缸A连接的电磁阀17处于上位导通的时候，供油装置16向柱塞缸5供油，从而推动柱塞杆伸出前进。当给柱塞缸A供油时，其余柱塞缸(B、C、D、E、F)的油路与回油油路导通，柱塞杆a伸出到极限位置，其余柱塞杆(b、c、d、e、f)缩回从而推动偏心轴10转动，进而偏心轴10驱动外啮合齿轮2做平面运动。当外啮合齿轮2和输出端内啮合齿轮3啮合时，输出端内啮合齿轮3在外啮合齿轮2的带动下转动起来。之后给柱塞缸B供油时，柱塞杆b推动偏心轴转动，偏心轴10驱动外啮合齿轮2继续做平面运动，进而外啮合齿轮2带动输出端内啮合齿轮3继续转动，同时其余柱塞缸(A、C、D、E、F)的油路与回油油路导通。如此依次循环往复带动输出端内啮合齿轮3连续转动从而实现步进式的动力输出。

当执行机构需要进行在给定位置进行锁紧动作，以柱塞缸A位置锁紧为例说明：控制器14通过控制程序使柱塞缸A对应的电磁阀17一直处于上位导通状态，则柱塞缸A一直与油路相同。柱塞杆a伸出，其余柱塞杆(b、c、d、e、f)缩进，柱塞杆a则压紧偏心轴10，进而使得输出端内啮合齿轮3的位置得到了保持。

当控制器14向六个柱塞缸(A、B、C、D、E、F)依次供油的顺序从A-B-C-D-E-F变成F-E-D-C-B-A，则偏心轴10的运动状态相反，最终使得输出端内啮合齿轮3反向旋转从而实现执行结构的反向输出。

作为优选的，本执行器输出采用六个短行程柱塞缸5驱动偏心轴10，进而偏心轴10驱动少齿差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。

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，而且通过电磁阀17依次配油，省去了复杂的配油系统，降低成本的同时使得执行器体积明显缩小。本发明通过控制电磁阀17对各个柱塞缸5进行间歇式供油，各柱塞缸5的柱塞杆推动偏心轴10转动，偏心轴10又推动外啮合齿轮2进行平面运动，内啮合齿轮在外啮合齿轮2的带动下定轴转动，内啮合齿轮作为输出端内啮合齿轮3，从而实现输出端内啮合齿轮3的转动或锁死，最终输出端内啮合齿轮3的步进精度和速度取决内啮合齿轮对的几何参数及间歇供油频率。

上述方案中以六个柱塞缸为例，但是具体实施采用三个或以上数量的柱塞缸均可，都是本发明的技术方案做出的技术变形。上述方案中六个柱塞缸位于内啮合齿轮外侧驱动偏心轴，但是具体实施时六个柱塞缸位于内啮合齿轮内侧驱动偏心轴也可，都是本发明的技术方案做出的技术变形。

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)

1.一种重载的复合式步进执行机构，其特征在于：包括具有空腔的壳体(4)、以及位于壳体(4)空腔内的偏心轴(10)、少齿差齿轮对和柱塞缸步进驱动组件，偏心轴(10)的两端均铰接安装在壳体(4)，壳体(15)的外侧壁在对应偏心轴(10)的两端处均安装有端盖(8)；偏心轴(10)外围安装有少齿差齿轮对和柱塞缸步进驱动组件，少齿差齿轮对包括外啮合齿轮(2)和输出端内啮合齿轮(3)，偏心轴(10)套装在外啮合齿轮(2)的内圈，外啮合齿轮(2)的外圈套装有输出端内啮合齿轮(3)，外啮合齿轮(2)和输出端内啮合齿轮(3)的径向尺寸有差异，外啮合齿轮(2)与输出端内啮合齿轮(3)具有齿数差，使得外啮合齿轮(2)的外圈齿与输出端内啮合齿轮(3)内圈齿啮合形成少齿差齿轮对，输出端内啮合齿轮(3)的外圈经输出部件穿过壳体(4)作为复合式步进执行机构的动力输出，输出端内啮合齿轮(3)的外圈通过轴承固定在壳体(4)内；柱塞缸步进驱动组件包括沿偏心轴(10)周向间隔均布安装的多组柱塞缸，每组柱塞缸包括柱塞缸(5)、两位三通电磁阀(17)和弹簧(6)，柱塞缸(5)的缸体绕偏心轴(10)的旋转轴周向间隔均布且位置固定，每组柱塞缸(5)的柱塞杆沿偏心轴(10)径向布置，柱塞杆的外周面套装有弹簧(6)，柱塞缸(5)的缸体经弹簧(6)连接到偏心轴(10)外周侧面；每组柱塞缸(5)的内腔与两位三通电磁阀(17)一侧的独立端口相连，两位三通电磁阀(17)另一侧的两个端口分别连接到供油装置(16)和油箱(13)；多组柱塞缸的两位三通电磁阀(17)共同连接到一个功率放大器(15)，功率放大器(15)连接控制器(14)，控制器(7)通过切换两位三通电磁阀(17)的端口实现对每组柱塞缸的控制。

2.根据权利要求1所述的一种重载的复合式步进执行机构，其特征在于：

所述的输出端内啮合齿轮(3)内圈齿的两端开有环形的槽口，两个内啮合齿轮(1)对称安装到两个槽口中并固定到壳体(4)上，两个内啮合齿轮(1)与输出端内啮合齿轮(3)同中心轴线设置，两个内啮合齿轮(1)和输出端内啮合齿轮(3)均与外啮合齿轮(2)的外圈齿相啮合，两个内啮合齿轮(1)与输出端内啮合齿轮(3)的内径尺寸相同，两个内啮合齿轮(1)与外啮合齿轮(2)的齿数相同，使得执行机构受到外部反向冲击时外啮合齿轮(2)与内啮合齿轮(1)啮合卡死。

3.根据权利要求1所述的一种重载的复合式步进执行机构，其特征在于：

所述的两位三通电磁阀(17)同侧的两个端口分别为上导通位和下导通位，柱塞缸(8)通过上导通位从供油装置(16)中进油，柱塞缸(8)通过下导通位回油到油箱(13)。

4.根据权利要求1所述的一种重载的复合式步进执行机构，其特征在于：

所述的柱塞缸步进驱动组件固定安装在外啮合齿轮(2)的内圈中，使得柱塞缸步进驱动组件套装在少齿差齿轮对内部。

5.根据权利要求1所述的一种重载的复合式步进执行机构，其特征在于：

所述的端盖(8)设有用于偏心轴(10)贯穿通过的通孔，所述的端盖(8)通孔和偏心轴(10)之间采用密封毡圈(9)密封。

6.根据权利要求1所述的一种重载的复合式步进执行机构，其特征在于：

所述的控制器(7)通过两位三通电磁阀(17)控制带动各组柱塞缸依次工作，推动外啮合齿轮(2)在垂直于偏心轴(10)轴向的平面移动，进而使相啮合的输出端内啮合齿轮(3)进行旋转运动，从而完成输出端内啮合齿轮(3)的运动输出。