CN109630348A - 一种适用于低速重载的步进式叶片马达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于低速重载的步进式叶片马达。环形外圈上开有可以嵌入叶片的槽，叶片的一端通过弹簧连接到槽的底部，另一端则通过弹簧作用始终抵住内齿轮的外缘。环形外圈、叶片和内齿轮便围成了若干密闭油腔。通过右端盖上的油口引入高压油和回油，通过配油盘和密封盘通向密闭油腔；配油盘由步进电机带动产生旋转，实现高压油和回油向各个密闭油腔的分配。高压油推动自由的内齿轮移动，并与轴向固定的外齿轮啮合；随着高压油和回油的分配，外齿轮会在不同的地方与内齿轮产生啮合，进而使外齿轮产生旋转，并可通过键槽等方式将运动输出。本发明具有运动精度较高、可适用于重载场合等优点，可用于机器人等领域的精密控制。

Description

一种适用于低速重载的步进式叶片马达

技术领域

本发明属于精密传动领域，具体涉及了一种以液压技术作为动力源、以少齿差传动作为传动原理的步进式叶片马达。

背景技术

随着工业技术的不断发展，自动化和智能化程度的要求不断提高，对执行器的动作精度的要求十分严格，同时还要求执行器具有一定的承载能力。基于步进电机的各种执行器，可以方便地实现高精度的伺服控制，但是难以运用于重载的场合。液压驱动的执行器，用压力油作为动力源，相较于电机而言扭矩大、惯性小、运行平稳，可以用于重载场合。但传统的液压马达，对运动控制只能通过控制液压油的流量来实现，因此还需要比例阀，实现伺服控制的难度较大，系统较为复杂。

发明内容

本发明结合叶片马达结构和少齿差传动技术，提出了一种适用于低速重载的步进式叶片马达，使得马达具有较高的步进运动精度的同时，可以适用于重载场合。

为了实现上述功能要求，本发明采取如下技术方案：

本发明包括左端盖、右端盖、环形外圈、叶片、内啮合齿轮对、密封盘、配油盘、输入轴和输出轴，左端盖与右端盖之间同轴设有环形外圈和密封盘，左端盖、环形外圈、密封盘和右端盖依次密封连接，环形外圈的内圈中安装有内啮合齿轮对，内啮合齿轮对包括内齿轮和套装在内齿轮内圈中的外齿轮，内齿轮内圈为齿圈，外齿轮外圈为齿圈，内齿轮与外齿轮模数相等且具有齿数差，使得外齿轮的外圈齿与内齿轮的内圈齿啮合形成内啮合齿轮对；外齿轮内圈的中心同轴固定套装有输出轴，内齿轮在垂直于输出轴轴向的平面作平移运动，进而带动外齿轮进行旋转运动，外齿轮相对内齿轮旋转并通过输出轴进行输出；环形外圈的内圈面与内齿轮的外圈面之间具有环形间隙，环形外圈的内圈面沿径向开有多个用于嵌装叶片的凹槽，多个凹槽沿环形外圈的圆周方向均匀间隔设置，每个凹槽沿径向开设，每个凹槽内对应安装有一个叶片，叶片的一端通过弹簧连接到凹槽的槽底，叶片的另一端在弹簧作用下始终紧抵内齿轮的外圈面，叶片在弹簧的作用下在凹槽内沿径向移动，多个叶片将环形间隙分隔为多个液压作用腔，每个液压作用腔的两侧分别由左端盖和密封盘封闭形成多个互不相通的密闭油腔；密封盘在与右端盖密封连接的一侧的中心开有圆柱形空腔，圆柱形空腔内装有配油盘，配油盘的中心同轴套装有输入轴，输入轴与步进电机相连，输入轴和输出轴同轴布置但不相连；配油盘外周面在位于同一圆周上开有大、小两个弧形的导油槽，小导油槽对应占据一个密闭油腔的圆心弧度，大导油槽对应占据剩余密闭油腔相加的圆心弧度，大导油槽和小导油槽不相通；配油盘在靠近右端盖的端面上开有两道同圆心的内、外环形槽，内、外环形槽分别经配油盘内部通道贯通至大、小两个导油槽形成两个互不连通的油道，两个油道分别作为进油通道和回油通道；密封盘沿圆周方向开有与密闭油腔数量相同的配油通道，每个配油通道的一端分别与一个密闭油腔对应相连通，每个配油通道的另一端连通至柱形空腔且和导油槽相通，小导油槽仅和一个配油通道相通，大导油槽和剩余配油通道相通；步进电机带动输入轴旋转进而带动配油盘旋转，配油盘旋转使进油通道依次通过一个配油通道与对应的一个密闭油腔连通，其余的密闭油腔经各自的配油通道分别经各自的配油通道与回油通道连通。

右端盖开有用于输入轴贯穿通过的通孔，右端盖的外侧设置有步进电机和控制器，控制器控制步进电机，输入轴的输入端穿出右端盖与步进电机的电机轴相连，右端盖上分别开有连接外部高压油源和回油的油口，高压油和回油经各自的油口分别与配油盘的进油通道和回油通道连通，外部高压油经通过配油盘和密封盘通向仅其中一个密闭油腔，其余的密闭油腔的回油经各自的配油通道排出到回油口。

所述的输出轴一侧安装有左端盖，左端盖设有用于输出轴贯穿通过的通孔，输出轴的输出端穿出左端盖进行动力输出。

所述外齿轮的步进旋转角度由设置的叶片的数量来调节，所述外齿轮的旋转速度由内齿轮与外齿轮啮合齿轮对的几何参数或配油盘的旋转速度调节。

所述配油盘不旋转且保持通高压油和回油，内齿轮始终受油压，从而始终保持对外齿轮的压紧力，使得外齿轮不产生旋转，输出轴不进行动力输出。

所述的弹簧替换为始终接通高压油的密闭腔室，即每个叶片的一端与所在凹槽的底面及内壁面构成一个密闭腔室，向密闭腔室中通入高压油，则叶片在油压的作用下在凹槽内沿径向滑动，始终紧抵内齿轮的外圈面；高压油源经由配油盘中的进油通道引入；密封盘的每个配油通道分别与每个密闭腔室相连通。

本发明借鉴了传统叶片马达的结构，让油压作用于内齿轮外缘的一个曲面上，增大了油压的作用面积，可使马达适用于重载场合。本发明通过配油盘的旋转向各个密闭空间分配油压，进而推动内齿轮移动，实现了步进控制。本发明采用一对内啮合齿轮对且因内外齿轮的齿数差非常小，比如两齿的齿数差，减速比非常大，使得马达具有运动较高的精度。

本发明的有益效果如下：

1)本发明采用液压作为动力源，且油压的作用面积较大，使得输出力矩较大，可使马达适用于重载场合；

2)本发明采用一对内啮合齿轮对，实现了步进式的输出，且因内、外齿轮的齿数差非常小(例如两齿)，减速比较大，因而使得控制精度大大提升；

3)本发明采用专门设计的配油盘配油，省去了复杂的配油系统和自动控制系统，降低成本的同时使得装置的体积减小；

4)本发明采用配油盘供油，改变配油盘的旋转方向，可以方便地控制外齿轮的旋转方向；改变配油盘的旋转速度，可以方便地控制外齿轮的旋转速度；

5)本发明提出的装置体积小巧、结构紧凑，很容易实现集成。

综上所述，本发明具有精度高、输出力矩大和结构紧凑等优点，可用于机器人等领域的精密控制。

附图说明

图1和图2是叶片马达的结构示意图。

图3是叶片马达工作原理的示意图，包含三个不同的工作状态。

图4(a)是配油盘的立体结构图，图4(b)是配油盘的半剖立体图。

图5(a)是密封盘的立体结构图，图5(b)是密封盘的半剖立体图。

图中，1环形外圈，2叶片，3弹簧，4内齿轮，5外齿轮，6左端盖，7密封盘，8配油盘，9右端盖，10输入轴，11步进电机，12输出轴，13控制器。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2所示，左端盖6与右端盖9之间同轴设有环形外圈1和密封盘7，左端盖6、环形外圈1、密封盘7和右端盖9依次密封连接，

环形外圈1的内圈中安装有内啮合齿轮对，内啮合齿轮对包括内齿轮4和套装在内齿轮4内圈中的外齿轮5，内齿轮4内圈为齿圈，外齿轮5外圈为齿圈，内齿轮4的内齿与外齿轮5的外齿相接触，内齿轮4与外齿轮5模数相等且具有齿数差，使得外齿轮5的外圈齿与内齿轮4的内圈齿啮合形成内啮合齿轮对；外齿轮5内圈的中心同轴固定套装有输出轴12，由于内齿轮4与外齿轮5具有齿数差，内齿轮4在垂直于输出轴12轴向的平面作平移运动，进而带动外齿轮5进行旋转运动，外齿轮5相对内齿轮4旋转并通过输出轴12进行输出；

如图1所示，环形外圈1的内圈面与内齿轮4的外圈面之间具有环形间隙，环形外圈1的内圈面沿径向开有十二个用于嵌装叶片2的凹槽，十二个凹槽沿环形外圈1的圆周方向均匀间隔设置，每个凹槽内对应安装有一个叶片2，叶片2在凹槽内径向滑动，且叶片2在极限位置时不会完全滑出凹槽。叶片2的一端通过弹簧3连接到凹槽的槽底，叶片2的另一端在弹簧3作用下始终紧抵内齿轮4的外圈面，叶片2在弹簧3的作用下在凹槽内沿径向移动，叶片2的另一端和内齿轮4的外圈面之间密封连接，多个叶片2将环形间隙分隔为多个液压作用腔，每个液压作用腔的两侧分别由左端盖6和密封盘7封闭形成十二个互不相通的密闭油腔。

附图1中以十二个叶片2为例对本发明进行详细说明，具体实施中，设置不同数目的叶片2均可，目的是实现推动环形的内齿轮4沿径向做平移运动。

如图2所示，密封盘7在与右端盖9密封连接的一侧开有柱形空腔，柱形空腔内装有配油盘8，配油盘8的中心套装有输入轴10，输入轴10的与步进电机11相连，输入轴10和输出轴12同轴布置但不相连。输出轴12一侧安装有左端盖6，左端盖6设有用于输出轴12贯穿通过的通孔，输出轴12的输出端穿出左端盖6进行动力输出。

如图4(a)和图4(b)所示，配油盘8外周面在位于同一圆周上开有大、小两个弧形的导油槽，小导油槽对应占据一个密闭油腔的圆心弧度，大导油槽对应占据剩余密闭油腔相加的圆心弧度，大导油槽和小导油槽不相通；配油盘8在靠近右端盖9的端面上开有两道同圆心的内、外环形槽，内、外环形槽分别经配油盘8内部通道贯通至大、小两个导油槽形成两个互不连通的油道，外环形槽经配油盘8内部通道贯通至小导油槽形成进油油道，内环形槽经配油盘8内部通道贯通至大导油槽形成回油油道，两个油道分别作为进油通道和回油通道。

如图5(a)和图5(b)所示，密封盘7沿圆周方向开有与密闭油腔数量相同的配油通道，每个配油通道的一端分别与一个密闭油腔相连通，每个配油通道的另一端连通至柱形空腔且和导油槽相通，小导油槽仅和一个配油通道相通，大导油槽和剩余配油通道相通。

控制器13控制步进电机11，步进电机11带动输入轴10旋转进而带动配油盘8旋转，配油盘8旋转使进油通道依次通过一个配油通道与对应的一个密闭油腔连通，其余的密闭油腔经各自的配油通道分别经各自的配油通道与回油通道连通。

如图1所示，右端盖9开有用于输入轴10贯穿通过的通孔，右端盖9的外侧设置有步进电机11和控制器13，输入轴10的输入端穿出右端盖9与步进电机11的电机轴相连，右端盖9上分别开有连接外部高压油源和回油的油口，高压油和回油经各自的油口分别与配油盘8的进油通道和回油通道连通，外部高压油经通过配油盘8和密封盘7仅通向其中一个密闭油腔，其余的密闭油腔的回油经各自的配油通道排出到回油口。

通有高压油的密闭油腔，密闭油腔受油压产生扩张的趋势，受油压的内齿轮4沿径向做平移运动，使得内齿轮4压向外齿轮5，其余密闭油腔未受油压的内齿轮4和外齿轮5齿轮处于脱离的状态，配油盘8由步进电机11带动并产生旋转，从而实现了高压油和回油向各个密闭油腔的分配。

具体实施中，密封盘7内以中心均匀分布有与十二个配油通道，配油盘8旋转使得其中一个配油通道连接配油盘8的进油通道(高压油路)，其余11个配油通道连接配油盘8的回油通道(回油油路)，使得高压油通过其中的一个配油通道流至一个密闭油腔，其余11个密闭油腔的油通过各自的配油通道与油箱相连通。

通高压油的密闭油腔，在油压的作用下，密闭油腔受油压产生油腔扩大的趋势，进而将压力传递至内齿轮4，内齿轮4受力产生径向移动进而压向外齿轮5，使得仅有通高压油的密闭空间附近的内齿轮4与外齿轮5相互啮合，其余内齿轮4与外齿轮5处于脱离的状态。

配油盘8由步进电机11带动并产生旋转，从而实现了高压油和回油向各个密闭油腔的分配。随着高压油和回油的分配，内齿轮4和外齿轮5相啮合的位置不断发生改变，内齿轮4和外齿轮5具有齿数差，外齿轮5会转动一定角度直至与内齿轮4再次相互啮合，即产生了“错齿”运动，从而依靠内齿轮4与外齿轮5齿数差带动外齿轮5相对于内齿轮4转动，由于内齿轮4只移动不转动，外齿轮5在内齿轮4的不断推动下实现了步进式的旋转，并可通过设置键槽等方式通过输出轴12将旋转运动输出。

具体实施中，外齿轮5的步进旋转角度由设置的叶片2的数量来调节，所述外齿轮5的旋转速度由内齿轮4与外齿轮5啮合齿轮对的几何参数或配油盘8的旋转速度调节，具体为：

设置的叶片2的数量越多，马达输出越平稳，步进角度越小，步进分辨率越大。

外齿轮5的旋转速度与内啮合齿轮对的几何参数有关，具体和齿数差有关，齿数差越小，马达输出轴12输出的旋转速度越小。

外齿轮5的输出旋转速度还与配油盘8的旋转速度有关，通过改变配油盘8的转速或旋转方向可以调节外齿轮5的输出旋转速度或旋转方向，配油盘8的转速越高，外齿轮5的输出旋转速度越高，配油盘8反向旋转，外齿轮5的也反向旋转。

当马达需要保持某个工作位置时，一种实施方式为配油盘8不旋转，且保持通高压油和回油，内齿轮4始终受油压，从而始终保持对外齿轮5的压紧力，使得外齿轮5被锁死，角位置保持不变，不产生旋转，输出轴12不进行动力输出。可使配油盘8不旋转，且保持通高压油和回油。这样可以保持外齿轮5的压紧力，使得其被锁死，不产生旋转。

除了设置弹簧3使叶片2紧贴内齿轮4外缘以外，另一种实施方式是通过向叶片4靠近外圈1内缘一侧通入高压油来实现。即不设置弹簧3，弹簧3所在的区域作为一个独立的密闭腔室，即每个叶片2的一端与所在凹槽的底面及内壁面构成一个密闭腔室，向密闭腔室中通入高压油，则叶片2在油压的作用下在凹槽内沿径向滑动，始终紧抵内齿轮4的外圈面；配油盘8外周面上开有一个整圆周的导油槽，并经内部通道与进油通道相连通；密封盘7沿圆周方向再开12个配油通道，配油通道的一端与密闭腔室相连通，另一端经由导油槽与与进油通道相连通，引入高压油。

如图3所示，本装置的具体工作过程如下：

1)控制器13设定步进电机11的旋转方向和速度，步进电机11带动配油盘8按照设定好的方向和转速旋转，依次向各个密闭空间供油与排油。如图3的(a)所示，当空间a通高压油时，其余空间通回油，压力推动内齿轮4向空间g方向(空间a的反方向)移动，并在空间a附近与外齿轮5啮合。随着配油盘8的继续转动，可出现不同的啮合状态，如图3的(e)、图3的(i)所示。

2)由于内齿轮4和外齿轮5相啮合的位置不断发生改变，外齿轮5在内齿轮4的不断推动下产生转动，并可将转动输出。

3)当需要改变外齿轮5的旋转速度时，仅需通过控制器13改变配油盘8的旋转速度。当配油盘8反向转动时，供油方向从a－b－……－l变成a－l－……－b，外齿轮5的运动方向即反转。

4)当马达需要保持某个工作位置时，可通过控制器13使配油盘8不旋转，且保持通高压油和回油。这样在高压油的作用下，可使内齿轮4和外齿轮5在某一点紧密啮合，从而将其锁死，不产生旋转。

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)

1.一种适用于低速重载的步进式叶片马达，其特征在于：包括左端盖(6)、右端盖(9)、环形外圈(1)、叶片(2)、内啮合齿轮对、密封盘(7)、配油盘(8)、输入轴(10)和输出轴(12)，左端盖(6)与右端盖(9)之间同轴设有环形外圈(1)和密封盘(7)，左端盖(6)、环形外圈(1)、密封盘(7)和右端盖(9)依次密封连接；

环形外圈(1)的内圈中安装有内啮合齿轮对，内啮合齿轮对包括内齿轮(4)和套装在内齿轮(4)内圈中的外齿轮(5)，内齿轮(4)内圈为齿圈，外齿轮(5)外圈为齿圈，内齿轮(4)与外齿轮(5)模数相等且具有齿数差，使得外齿轮(5)的外圈齿与内齿轮(4)的内圈齿啮合形成内啮合齿轮对；外齿轮(5)内圈的中心同轴固定套装有输出轴(12)，内齿轮(4)在垂直于输出轴(12)轴向的平面作平移运动，进而带动外齿轮(5)进行旋转运动，外齿轮(5)相对内齿轮(4)旋转并通过输出轴(12)进行输出；

环形外圈(1)的内圈面与内齿轮(4)的外圈面之间具有环形间隙，环形外圈(1)的内圈面沿径向开有多个用于嵌装叶片(2)的凹槽，多个凹槽沿环形外圈(1)的圆周方向均匀间隔设置，每个凹槽沿径向开设，每个凹槽内对应安装有一个叶片(2)，叶片(2)的一端通过弹簧(3)连接到凹槽的槽底，叶片(2)的另一端在弹簧(3)作用下始终紧抵内齿轮(4)的外圈面，叶片(2)在弹簧(3)的作用下在凹槽内沿径向移动，多个叶片(2)将环形间隙分隔为多个液压作用腔，每个液压作用腔的两侧分别由左端盖(6)和密封盘(7)封闭形成多个互不相通的密闭油腔；

密封盘(7)在与右端盖(9)密封连接的一侧的中心开有圆柱形空腔，圆柱形空腔内装有配油盘(8)，配油盘(8)的中心同轴套装有输入轴(10)，输入轴(10)与步进电机(11)相连，输入轴(10)和输出轴(12)同轴布置但不相连；配油盘(8)外周面在位于同一圆周上开有大、小两个弧形的导油槽，小导油槽对应占据一个密闭油腔的圆心弧度，大导油槽对应占据剩余密闭油腔相加的圆心弧度，大导油槽和小导油槽不相通；配油盘(8)在靠近右端盖(9)的端面上开有两道同圆心的内、外环形槽，内、外环形槽分别经配油盘(8)内部通道贯通至大、小两个导油槽形成两个互不连通的油道，两个油道分别作为进油通道和回油通道；密封盘(7)沿圆周方向开有与密闭油腔数量相同的配油通道，每个配油通道的一端分别与一个密闭油腔对应相连通，每个配油通道的另一端连通至柱形空腔且和导油槽相通，小导油槽仅和一个配油通道相通，大导油槽和剩余配油通道相通；步进电机(11)带动输入轴(10)旋转进而带动配油盘(8)旋转，配油盘(8)旋转使进油通道依次通过一个配油通道与对应的一个密闭油腔连通，其余的密闭油腔经各自的配油通道分别经各自的配油通道与回油通道连通。

2.根据权利要求1所述的一种适用于低速重载的步进式叶片马达，其特征在于：右端盖(9)开有用于输入轴(10)贯穿通过的通孔，右端盖(1)的外侧设置有步进电机(11)和控制器(13)，控制器(13)控制步进电机(11)，输入轴(10)的输入端穿出右端盖(9)与步进电机(11)的电机轴相连，右端盖(9)上分别开有连接外部高压油源和回油的油口，高压油和回油经各自的油口分别与配油盘(8)的进油通道和回油通道连通，外部高压油经通过配油盘(8)和密封盘(7)通向仅其中一个密闭油腔，其余的密闭油腔的回油经各自的配油通道排出到回油口。

3.根据权利要求1所述的一种适用于低速重载的步进式叶片马达，其特征在于：所述的输出轴(12)一侧安装有左端盖(6)，左端盖(6)设有用于输出轴(12)贯穿通过的通孔，输出轴(12)的输出端穿出左端盖(6)进行动力输出。

4.根据权利要求1所述的一种适用于低速重载的步进式叶片马达，其特征在于：所述外齿轮(5)的步进旋转角度由设置的叶片(2)的数量来调节，所述外齿轮(5)的旋转速度由内齿轮(4)与外齿轮(5)啮合齿轮对的几何参数或配油盘(8)的旋转速度调节。

5.根据权利要求1所述的一种适用于低速重载的步进式叶片马达，其特征在于：所述配油盘(8)不旋转且保持通高压油和回油，内齿轮(4)始终受油压，从而始终保持对外齿轮(5)的压紧力，使得外齿轮(5)不产生旋转，输出轴(12)不进行动力输出。

6.根据权利要求1所述的一种适用于低速重载的步进式叶片马达，其特征在于：所述的弹簧(3)替换为始终接通高压油的密闭腔室，即每个叶片(2)的一端与所在凹槽的底面及内壁面构成一个密闭腔室，向密闭腔室中通入高压油，则叶片(2)在油压的作用下在凹槽内沿径向滑动，始终紧抵内齿轮(4)的外圈面；高压油源经由配油盘(8)中的进油通道引入；密封盘(7)的每个配油通道分别与每个密闭腔室相连通。