CN109505941A - 一种低速大扭矩步进式执行系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低速大扭矩的步进式执行系统。步进式执行机构在柱塞缸的作用下驱动带蜗杆传动轴做步进式运动，蜗轮蜗杆减速机构将步进式运动平稳平滑输出。多个柱塞缸沿偏心轮周向间隔均布安装，偏心轮套装在带蜗杆传动轴光轴部分上，偏心轮绕带蜗杆传动轴偏心旋转，带蜗杆传动轴的蜗杆部分和蜗轮啮合形成蜗轮蜗杆传动副，蜗轮的中心套装输出轴。每个柱塞缸均经两位三通电磁阀分别和油泵、油箱连接，多组柱塞缸的两位三通电磁阀连接到功率放大器、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。本发明相对于电机输出，其扭矩明显增大，结构紧凑，相对于普通液压输出，其可以实现准确的步进输出。

Description

一种低速大扭矩步进式执行系统

技术领域

本发明属于液压和机械复合步进式传动领域，具体涉及了一种由蜗轮蜗杆减速机构、偏心轮、柱塞缸、电磁阀等组成的大扭矩的步进式执行系统。

背景技术

步进式执行机构一般是指能通过某些特定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运动形式的输出装置。目前，传统的、技术较为成熟的使用步进电机驱动的执行机构，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。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。相比电机驱动，液压驱动易于获得较大力或力矩，易于实现往复运动，传递运动平稳，可实现快速而且无冲击的变速和换向，因此在机器人驱动方面应用广泛。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。并且液压马达是通过连续旋转运动并输出扭矩，将液压能转换成转动形式的机械能输出，不能实现精确的输出位置控制。

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，对执行机构的精度、可控性、数字化、智能化也提出了更高的要求。目前，用于步进式控制的执行机构的发展趋势是，功率密度高，具有大扭矩输出、高可靠性、高防护性、便于安装维护等特点，而传统的基于电机的执行机构和基于液压的执行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，本发明提出了一种液压和机械传动复合的步进式执行系统，本发明通过控制电磁阀按顺序将压力油依次分配到不同油缸，输出端采用蜗轮蜗杆减速机构来实现步进输出。

为了实现上述功能要求，本发明采取如下技术方案：

本发明包括步进式执行机构和蜗轮蜗杆减速机构，步进式执行机构在柱塞缸的作用下驱动带蜗杆传动轴做步进式运动并通过带蜗杆传动轴的光轴部分输出至蜗轮蜗杆减速机构，蜗轮蜗杆减速机构经蜗轮蜗杆传动副将步进式运动平稳平滑输出；步进式执行机构中包含有沿偏心轮周向间隔均布安装的多个柱塞缸和带蜗杆传动轴，偏心轮套装在带蜗杆传动轴光轴部分的外围，带蜗杆传动轴光轴部分的旋转中心固定，偏心轮在多个柱塞缸的驱动下绕带蜗杆传动轴的光轴部分偏心旋转运动，带蜗杆传动轴的蜗杆部分和蜗轮啮合形成蜗轮蜗杆传动副，蜗轮的中心套装有输出轴；每个柱塞缸均经各自的两位三通电磁阀分别和油泵、油箱连接，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。

每个柱塞缸的柱塞杆朝向偏心轮径向布置，柱塞杆外周面套装有压缩弹簧，柱塞缸的柱塞杆端部经压缩弹簧接触连接到偏心轮的外周侧面。

控制器控制两位三通电磁阀依次向各自对应的柱塞缸供油，使得每个柱塞缸的柱塞杆依次伸出，推动偏心轮作平面步进式运动，带蜗杆传动轴的蜗杆部分在偏心轮的带动下旋转，蜗轮蜗杆传动副将平面步进式运动输出至输出轴。

所述输出轴的旋转角度和旋转速度由蜗轮蜗杆减速机构的几何参数、两位三通电磁阀的驱动频率和柱塞缸的个数来调节。

优选的，两位三通电磁阀一侧的独立端口与各自的柱塞缸相连，两位三通电磁阀另一侧的两个端口分别连接到油泵和油箱，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，柱塞缸经上导通位从油泵中进油，柱塞缸经下导通位回油到油箱。

优选的，控制器控制各组柱塞缸的柱塞杆依次伸出，或控制相邻的两个柱塞缸的柱塞杆同时伸出。

本发明在偏心轮圆周上均匀分布有六个柱塞缸，可以达到六个工作点位，并且相邻的两个柱塞缸可以同时供油，所以仅是柱塞缸可以在圆周上达到十二个点位，再到达输出位置之前还需要经过蜗杆传动，蜗轮蜗杆的传动可以大幅度提高分辨率，假设此时蜗轮蜗杆的传动比为60，那么输出的精度可以达到0.5°。相对于一般齿轮驱动，蜗轮蜗杆减速机构可以有效提高传动比，并且能实现自锁。相对于一般的液压驱动，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)本发明采用蜗轮蜗杆减速机构，相对于单级齿轮传动，有效提高传动比，提高了输出力矩，传动平稳，可以实现自锁。

2)本发明通过蜗轮蜗杆减速机构减速比与偏心轮位置关系提高了步进式执行机构的分辨率，使得输出位置可以在任一位置停止。

3)采用电磁阀控制供油，实现涡轮步进输出的目的，在不使用步进电机的情况下实现了数字控制的步进输出。改变电磁阀控制顺序，可以控制执行机构的输出方向。

4)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。

5)本发明采用数字控制，通过对电磁阀控制进回油，使得执行机构达到了可以实现低速，大扭矩，精确控制，自锁等功能。

6)本发明在柱塞缸上使用了压缩弹簧，使得柱塞缸内无油时柱塞仍然保持紧贴偏心轮，避免冲击。

附图说明

图1是本发明的系统示意图；

图2是步进式执行机构的示意图；

图3是蜗轮蜗杆减速机构的示意图。

图中，1.油箱、2.油泵、3.二位三通电磁阀、4.柱塞缸、5.偏心轮、6.带蜗杆传动轴、7.压缩弹簧、8.蜗轮、9.输出轴、10.功率放大器、11.控制器。

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，步进式执行机构主要由油箱1、油泵2、二位三通电磁阀3、柱塞缸4、偏心轮5、带蜗杆传动轴6、压缩弹簧7、功率放大器10、控制器11组成。六个柱塞缸4沿偏心轮5周向间隔均布安装，偏心轮5套装在带蜗杆传动轴6光轴部分的外围，带蜗杆传动轴6包括连成一体的光轴部分和蜗杆部分，带蜗杆传动轴6光轴部分的旋转中心固定，偏心轮5在多个柱塞缸4的驱动下绕带蜗杆传动轴6的光轴部分偏心旋转运动，偏心轮5在柱塞缸4的作用下驱动带蜗杆传动轴6做步进式运动并通过带蜗杆传动轴6的光轴部分输出至蜗轮蜗杆减速机构，带蜗杆传动轴6的蜗杆部分连接蜗轮蜗杆减速机构。

如图1所示，每个柱塞缸4均经各自的两位三通电磁阀3分别和油泵2、油箱1连接，多组柱塞缸的两位三通电磁阀3共同连接到一个功率放大器10，功率放大器10连接控制器11，控制器11通过切换两位三通电磁阀3的端口实现对每组柱塞缸的控制。

两位三通电磁阀3一侧的独立端口与各自的柱塞缸4相连，两位三通电磁阀3另一侧的两个端口分别连接到油泵2和油箱1，两位三通电磁阀3同侧的两个端口分别为上导通位和下导通位，柱塞缸4经上导通位从油泵2中进油，柱塞缸4经下导通位回油到油箱13。

如图3所示，蜗轮蜗杆减速机构包括蜗轮8、输出轴9，带蜗杆传动轴6的蜗杆部分和蜗轮8啮合形成蜗轮蜗杆传动副，蜗轮的中心套装有输出轴9，蜗轮蜗杆减速机构经蜗轮蜗杆传动副将步进式运动平稳平滑输出。

控制器11控制两位三通电磁阀3依次向各自对应的柱塞缸4供油，使得每个柱塞缸4的柱塞杆依次伸出，推动偏心轮5作平面步进式运动，带蜗杆传动轴6的蜗杆部分在偏心轮5的带动下旋转，蜗轮蜗杆传动副将平面步进式运动输出至输出轴9。

控制器11控制二位三通电磁阀3对进入柱塞缸4的压力油进行间歇式分配，为步进式执行机构供油，并且实现输出轴的转动或锁死，最终输出轴9的旋转角度和速度取决涡轮蜗杆的几何参数、电磁阀的驱动频率和使用的柱塞缸数量。

如图2所示，每个柱塞缸4的柱塞杆朝向偏心轮5径向布置，柱塞杆外周面套装有压缩弹簧7，压缩弹簧7位于缸体与前端盖之间，压缩弹簧7紧抵偏心轮5的外周侧面使得柱塞缸4无油时柱塞杆能紧贴偏心轮5，避免冲击。柱塞缸4的柱塞杆端部经压缩弹簧7接触连接到偏心轮5的外周侧面。本系统也可以选择使用圆周均匀分布的多于六个柱塞缸4的方式，增加的柱塞缸4的数目越多，系统所得到的步距角越小。

控制器11控制每组柱塞缸4的柱塞杆依次伸出，或控制相邻的两个柱塞缸4的柱塞杆同时伸出。每单个柱塞缸4的柱塞杆依次伸出下对应一个偏心轮5旋转控制位置，不同个柱塞缸4的柱塞杆依次伸出下对应六个偏心轮5旋转控制位置，同理，控制相邻的两个柱塞缸4的柱塞杆同时伸出下又对应六个偏心轮5旋转控制位置，由此六个柱塞缸4就具有十二个旋转控制位置，从而形成沿偏心轮5周面较密集的控制位置，使得带蜗杆传动轴6的光轴部分的间歇式旋转较为连续，再经蜗轮蜗杆传动副的大传动比使得带蜗杆传动轴6的光轴部分旋转减速而更为连续，进而实现模拟伺服电机连续输出旋转且具有低速大扭矩特点。

具体实施中，上述步进式执行机构具体可采用申请号为201811313855.4、发明名称为：一种高分辨率、可调的步进式执行机构、申请日为2018.11.6的发明申请中发明内容所记载的步进式执行机构技术方案，其中以内齿大齿轮作为偏心轮5，以输出轴作为蜗杆6的光轴部分。

本发明的工作原理如下：

在执行机构处在工作状态时，控制器11控制电磁阀3阀芯均处于下位导通状态，柱塞缸4油路与油箱1连通。六个柱塞缸的柱塞(a、b、c、d、e、f、)分别于偏心轮外侧贴合。当油泵2需要向柱塞缸A供油时，控制器11控制柱塞缸A的电磁阀由下位导通运动到上位导通，使得油泵向柱塞缸A供油，而其余电磁阀3均还是处于下位导通，使得其余柱塞缸的油路与回油油路导通(回油箱)，柱塞杆a伸出到极限位置，其余柱塞缩回，从而推动偏心轮作平面步进式运动。偏心轮5带动蜗杆将动力传输到蜗轮8上，使蜗轮8绕轴旋转实现动力输出。当控制柱塞缸B的电磁阀由下位导通运动到上位导通，油泵2向柱塞缸B供油，柱塞b推动偏心轮继续做平面运动带动蜗杆和涡轮转动，而控制柱塞缸A的电磁阀3由上位导通运动回到下位导通，使柱塞缸A和其余柱塞缸会连通回油管路。如此依次循环往复带动涡轮连续转动从而实现步进式的动力输出。

当控制柱塞缸的电磁阀的控制顺序改变时，向六个柱塞缸依次供油的顺序也会发生改变，从而使得蜗轮8的旋转方向也发生反转。也就是说执行机构的输出方向也可以通过电磁阀的控制顺序来控制。并且当电磁阀的换向频率变化时，六个柱塞缸4的动作频率也会发生改变，从而改变涡轮的转动速度。

当执行机构需要在保持某一个工作位置时，六个电磁阀中处于上位导通的电磁阀仍然处于上位导通状态，油泵向一个电磁阀对应的柱塞缸中供油，使得该柱塞缸的柱塞处于极限位置。该极限位置对应于输出轴9上一个位置。

当执行机构需要在某一输出位置停止时，可以精确完成，因为在偏心轮圆周上均匀分布有六个柱塞缸4，可以达到六个点位，并且相邻的两个柱塞缸可以同时供油，所以仅是柱塞缸4可以在圆周上达到十二个点位，再到达输出位置之前还需要经过蜗杆传动，蜗轮蜗杆的传动可以大幅度提高分辨率，假设此时蜗轮蜗杆的传动比为60，那么输出的精度可以达到0.5°。

本发明的具体实施方式以六个柱塞缸4为例说明其工作过程，增加柱塞缸4数目后其工作过程和原理相同。柱塞缸4的个数越多，执行系统的输出就越平稳，步进精度越高。

如图2所示，控制器材11控制油泵2开始向油路中供油。通过控制二位三通电磁阀3可以实现对六个均布的柱塞缸4的供油与排油。正常工作状态下，电磁阀3是处于下位导通状态，控制器11依次控制电磁阀3从下位导通运动到上位导通，使得油泵2可以依次给A、B、C、D、E、F六个柱塞缸4供油。当油泵2给其中一个柱塞缸4供油量，其余的与油箱1油路相连的柱塞缸4的柱塞在压缩弹簧7的作用下与偏心轮5贴合，避免冲击。当控制柱塞缸A的电磁阀3换向时，柱塞缸A供油，其余柱塞缸4与排油油路连通，此时柱塞杆a伸出推进，其余柱塞后退。随着电磁阀的依次换向，各个柱塞依次推进、后退。

当柱塞缸的柱塞杆a推动偏心轮5作平面步进式运动时，蜗轮8与蜗杆6保持啮合，蜗轮8中心轴的位置固定，在偏心轮5带动蜗杆轴6运动下，蜗轮8绕中心轴旋转从而实现转矩输出。

当执行机构需要在给定位置锁紧时，以柱塞缸A的柱塞a为例进行保持说明：当控制器11控制与柱塞缸A相连的二位三通电磁阀3保持在上位导通状态不变，同时油路系统2继续供油，使得柱塞缸A的柱塞a到达极限位置，此时其余柱塞缸4保持不变，柱塞缸A则在油路内压力油的作用下压紧偏心轮5，从而将其锁定。

当控制器11可以反向控制电磁阀3的启闭顺序，即从原先A-B-C-D-E-F的顺序反向变成F-E-D-C-B-A，则偏心轮5的运动状态相反，带动带蜗杆传动轴6反向转动，最终实现蜗轮8上的输出轴9的反向输出。

本执行系统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。使用电磁阀3按一定顺序将压力油依次分配到不同柱塞缸4，输出端则采用蜗轮蜗杆减速机构来实现步进输出，蜗杆由圆周均布的柱塞缸4依次推动。通过采用六个短行程柱塞缸驱动蜗轮蜗杆减速机构的输出形式，相对于一般齿轮驱动，蜗轮蜗杆减速机构可以有效提高传动比，并且能实现自锁。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。

上述方案中以六个柱塞缸为例，但是具体实施可以根据需要选择多个柱塞缸，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)

1.一种低速大扭矩步进式执行系统，其特征在于：包括步进式执行机构和蜗轮蜗杆减速机构，步进式执行机构在柱塞缸的作用下驱动带蜗杆传动轴(6)做步进式运动并通过带蜗杆传动轴(6)的光轴部分输出至蜗轮蜗杆减速机构，蜗轮蜗杆减速机构经蜗轮蜗杆传动副将步进式运动平稳平滑输出；步进式执行机构中包含有沿偏心轮(5)周向间隔均布安装的多个柱塞缸(4)和带蜗杆传动轴(6)，偏心轮(5)套装在带蜗杆传动轴(6)光轴部分的外围，带蜗杆传动轴(6)光轴部分的旋转中心固定，偏心轮(5)在多个柱塞缸(4)的驱动下绕带蜗杆传动轴(6)的光轴部分偏心旋转运动，带蜗杆传动轴(6)的蜗杆部分和蜗轮(8)啮合形成蜗轮蜗杆传动副，蜗轮的中心套装有输出轴(9)；每个柱塞缸(4)均经各自的两位三通电磁阀(3)分别和油泵(2)、油箱(1)连接，多组柱塞缸的两位三通电磁阀(3)共同连接到一个功率放大器(10)，功率放大器(10)连接控制器(11)，控制器(11)通过切换两位三通电磁阀(3)的端口实现对每组柱塞缸的控制。

2.根据权利要求1所述的一种低速大扭矩步进式执行系统，其特征在于：

每个柱塞缸(4)的柱塞杆朝向偏心轮(5)径向布置，柱塞杆外周面套装有压缩弹簧(7)，柱塞缸(4)的柱塞杆端部经压缩弹簧(7)接触连接到偏心轮(5)的外周侧面。

3.根据权利要求1所述的一种低速大扭矩步进式执行系统，其特征在于：

所述的控制器(11)控制两位三通电磁阀(3)依次向各自对应的柱塞缸(4)供油，使得每个柱塞缸(4)的柱塞杆依次伸出，推动偏心轮(5)作平面步进式运动，带蜗杆传动轴(6)的蜗杆部分在偏心轮(5)的带动下旋转，蜗轮蜗杆传动副将平面步进式运动输出至输出轴(9)。

4.根据权利要求1所述的一种低速大扭矩步进式执行系统，其特征在于：

所述输出轴的旋转角度和旋转速度由蜗轮蜗杆减速机构的几何参数、两位三通电磁阀(3)的驱动频率和柱塞缸(4)的个数来调节。

5.根据权利要求1所述的一种低速大扭矩步进式执行系统，其特征在于：

所述的两位三通电磁阀(3)一侧的独立端口与各自的柱塞缸(4)相连，两位三通电磁阀(3)另一侧的两个端口分别连接到油泵(2)和油箱(1)，两位三通电磁阀(3)同侧的两个端口分别为上导通位和下导通位，柱塞缸(4)经上导通位从油泵(2)中进油，柱塞缸(4)经下导通位回油到油箱(13)。

6.根据权利要求1所述的一种低速大扭矩步进式执行系统，其特征在于：

所述的控制器(11)控制各组柱塞缸(4)的柱塞杆依次伸出，或控制相邻的两个柱塞缸(4)的柱塞杆同时伸出。