CN109764024A - 一种气缸 - Google Patents

Abstract

本发明属气动技术领域，具体涉及一种气缸。缸体上下两侧都设有依次串联的进孔、至少两个沉腔一和二及出孔，沉腔一和二的内壁上设有粘有阀片的阀腔；缸体两端都装有带通孔的端盖，活塞将缸体的体腔隔成左右腔；盖板安在缸体上下两侧并将压电驱动器压接在沉腔一内构成驱动腔、将压电换能器压接在沉腔二内构成传感腔；上下进出孔与其所串联的驱动腔及传感腔分别构成上下驱动单元；上进孔经管路装有右阀一、经管路及右阀二与下出孔相连，下出孔经管路、右阀三及右通孔与右腔相连，右腔经管路及右通孔与右阀四相连；下进孔经管路安装有左阀一、经管路及左阀二与上出孔相连，上出孔经管路、左阀三及左通孔与左腔相连，左腔经管路及左通孔与左阀四相连。

Description

一种气缸

技术领域

本发明属于气动技术领域，具体涉及一种气缸。

背景技术

气压传动与控制系统具有高能量密度、低噪音、无冲击等优势，在国民经济和国防工业的各个行业已成功应用多年。传统的气压动力系统通常都是由尺寸较大的电动机和机械式气泵进行驱动的，并通过换向阀、减压阀及调速阀等多类型阀的联合作业实现输出力、速度及位置等的有效控制，故体积庞大、结构连接及控制比较复杂，应用上具有很大的局限性：无法用于航空航天、行走机器人等微小系统及远程控制系统；同时，由于现有气压动力系统采用种类繁多的气阀进行联合控制，难以实现驱动力、速度及位置的精确控制与调节，无法用于精密机械加工与装配、精密测量、精密光学驱动等要求驱动、定位及控制精度高的领域。因此人们相继提出了多种类型的微小型气缸及气动系统，如中国专利201510843026.7、201310132556.1、201410611173.7等，因现有气缸或气动系统均由固定频率驱动的，实际工作中其驱动力及速度受工作负载影响较大，当具体工况下的驱动元件谐振频率与所设定的激励频率偏差较大时，气体输出量和压力都将大幅度下降，且根据设定驱动电压及频率计算所得的驱动力及速度精确度也较低。

发明内容

本发明提出一种气缸，本发明的实施方案是：缸体外壁上方从右到左设有依次串联的上进孔、至少两个沉腔一、沉腔二和上出孔，缸体外壁下方从左到右设有依次串联的下进孔、至少两个沉腔一、沉腔二和下出孔；沉腔一和二的顶壁上或底壁上设有阀腔；缸体左右两端分别装有带左通孔的左端盖和带右通孔的右端盖，活塞将缸体的体腔分隔成左腔和右腔；盖板安装在缸体上下两侧并经密封圈将驱动器压接在沉腔一内构成驱动腔、将换能器压接在沉腔二内构成传感腔，密封圈位于驱动器和换能器的上下两侧；阀腔与其内所安装的阀片构成进口阀；上进出孔及其串联的驱动腔和传感腔构成上驱动单元，下进出孔及其串联的驱动腔和传感腔构成下驱动单元；上进孔经管路安装有右阀一、经管路及右阀二与下出孔相连，下出孔经管路、右阀三及右通孔与右腔相连，右腔经管路及右通孔与右阀四相连；下进孔经管路安装有左阀一、经管路及左阀二与上出孔相连，上出孔经管路、左阀三及左通孔与左腔相连，左腔经管路及左通孔与左阀四相连。

驱动器为压电驱动器，换能器为含有驱动单元和传感单元的压电换能器；驱动器由基板一与压电片一粘接而成；换能器由基板二与压电片二粘接而成，压电片二表面电极被分割成两部分并分别与基板二构成驱动单元和传感单元；驱动器及换能器的驱动单元的驱动电压为直流电压；驱动电压作用下，上驱动单元或下驱动单元中相邻的换能器与驱动器之间、以及相邻的两个驱动器之间的变形方向相反；换能器的驱动单元受直流驱动电压作用变形并使传感单元输出电压达到极值时驱动电压换向，使上下驱动单元实现自激驱动。

本发明中，左阀一、二、三和四为常闭开关阀，右阀一、二、三和四为常闭开关阀，工作中未提及开启时都为截止状态。

本发明中，上下驱动单元可独立单独工作，此时气缸的驱动过程包括：1)蓄能阶段：左阀一和三及右阀一和三开启，上驱动单元经右阀一吸入气体、再经左阀三排入左腔；下驱动单元经左阀一吸入气体、再经右阀三排入右腔；左右腔蓄能过程结束后，左阀一和右阀一关闭；2)驱动阶段：①上驱动单元工作，左阀三及右阀二和三开启，上驱动单元经右阀二和三从右腔吸入气体、再经左阀三排入左腔，活塞向右运动，此阶段右阀一和四可同时开启；②下驱动单元工作，右阀三、左阀二和三开启，下驱动单元经左阀二和三从左腔吸入气体、再经右阀三排入右腔，活塞向左运动，此阶段左阀一和四可同时开启；3)定位及保持阶段：活塞运动到预定位置后，上下驱动单元均停止工作且所有的阀均关闭，或上下驱动单元均工作且左阀一和三及右阀一和三开启。

本发明中，上下驱动单元可串联工作，此时气缸的驱动过程包括：1)蓄能阶段：左阀一和三及右阀一和三开启，上驱动单元经右阀一吸入气体、再经左阀三排入左腔；下驱动单元经左阀一吸入气体、再经右阀三排入右腔；左右腔蓄能过程结束后，左阀一和右阀一关闭；2)驱动阶段：①活塞向右运动，左阀一和三及右阀二和四开启，下驱动单元经左阀一吸入气体、再经右阀二供给上驱动单元，气体经上驱动单元再次压缩后经左阀三输入左腔，右腔内的气体经右阀四排出；②活塞向左运动，左阀一和三及右阀二和四开启，上驱动单元经右阀一吸入气体、再经左阀二供给下驱动单元，气体经下驱动单元再次压缩后经右阀三输入右腔，左腔内的气体经左阀四排出；此阶段中仅一个驱动单元的传感单元的输出电压有效；3)定位及保持阶段：活塞运动到预定位置后，上下驱动单元均停止工作且所有的阀均关闭，或上下驱动单元均工作且左阀一和三及右阀一和三开启。

本发明根据所需的气缸驱动力及速度确定驱动器数量；驱动器由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成，上下驱动单元独立工作可获得活塞的最大速度为最大驱动力为其中，η_q、η_p分别为阀片的速度和驱动力系数，R、H分别为驱动腔的半径和高度，h_p为压电片一的厚度，f为自激励频率，U₀为驱动电压，N为驱动器的数量，A为活塞的有效面积，F_f为气缸的滑动摩擦力。

特点及优势：驱动单元与缸体集成，体积小、集成度高、无需外界气源，可作为独立的标准部件应用；通过步进的方法实现较大行程内的精密驱动与定位控制，可避免爬行现象；根据换能器变形状态使直流驱动电压换向，实现换能器自激驱动，激励频率的负载等变化适应性强，驱动能力强、性能稳定。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中气缸的系统构成原理图；

图2是本发明一个较佳实施例中气缸蓄能阶段驱动器及换能器变形关系图；

图3是本发明一个较佳实施例中驱动电压的波形图；

图4是本发明一个较佳实施例中传感电压的波形图；

图5是缸体的结构示意图；

图6是图5的俯视图；

图7是本发明一个较佳实施例中换能器的结构示意图；

图8是图7的左视图；

图9是本发明一个较佳实施例中驱动器的结构示意图。

具体实施方式

缸体a的外壁上方从右到左设有依次串联的上进孔a1、至少两个沉腔一a2、沉腔二a3和上出孔a4，缸体a的外壁下方从左到右设有依次串联的下进孔a1’、至少两个沉腔一a2、沉腔二a3和下出孔a4’；缸体a上方的沉腔一a2和沉腔二a3的顶壁上或缸体a下方的沉腔一a2和下沉腔二a3的底壁上设有阀腔a5；缸体a左右两端分别装有带左通孔x1的左端盖x和带右通孔y1的右端盖y，活塞f将缸体a的体腔a6分隔成左腔B1和右腔B2；盖板b安装在缸体a上下两侧并经密封圈将驱动器d压接在沉腔一a2内构成驱动腔C1、将换能器c压接在沉腔二a3内构成传感腔C2，密封圈位于驱动器d和换能器c的上下两侧；阀腔a5与其内所安装的阀片e构成进口阀；上进孔a1、上出孔a4及其串联的驱动腔C1和传感腔C2构成上驱动单元S，下进孔a1’、下出孔a4’及其串联的驱动腔C1和传感腔C2构成下驱动单元T；上进孔a1经管路安装有右阀一t1、经管路及右阀二t2与下出孔a4’相连，下出孔a4’经管路、右阀三t3及右通孔y1与右腔B2相连，右腔B2经管路及右通孔y1与右阀四t4相连；下进孔a1’经管路安装有左阀一s1、经管路及左阀二s2与上出孔a4相连，上出孔a4经管路、左阀三s3及左通孔x1与左腔B1相连，左腔B1经管路及左通孔x1与左阀四s4相连。

驱动器d为压电驱动器，换能器c为含有驱动单元c21和传感单元c22的压电换能器；驱动器d由基板一d1与压电片一d2粘接而成；换能器c由基板二c1与压电片二c2粘接而成，换能器c含驱动单元c21和传感单元c22：压电片二c2表面电极被分割成两部分并分别与基板二c1构成驱动单元c21和传感单元c22；驱动器d及换能器c的驱动单元c21的驱动电压为直流电压；驱动电压作用下，上驱动单元S或下驱动单元T中相邻的换能器c与驱动d之间、以及相邻的两个驱动器d之间的变形方向相反；换能器c的驱动单元c21受驱动电压作用变形并使传感单元c22输出电压达到极值时驱动电压换向，使上驱动单元S和下驱动单元T实现自激驱动。

本发明中，左阀一s1、二s2、三s3和四s4为常闭开关阀，右阀一t1、二t2、三t3和四t4为常闭开关阀，工作中未提及开启时都为截止状态。

本发明中，上驱动单元S和下驱动单元T可独立单独工作，此时气缸的驱动过程包括：1)蓄能阶段：左阀一s1和三s3及右阀一t1和三t3开启，上驱动单元S经右阀一t1吸入气体、再经左阀三s3排入左腔B1；下驱动单元T经左阀一s1吸入气体、再经右阀三t3排入右腔B2；左腔B1和右腔B2的蓄能过程结束后，左阀一s1和右阀一t1关闭；2)驱动阶段：①上驱动单元S工作，左阀三s3及右阀二t2和三t3开启，上驱动单元S经右阀二t2和三t3从右腔B2吸入气体、再经左阀三s3排入左腔B1，活塞f向右运动，此阶段右阀一t1和四t4可同时开启；②下驱动单元T工作，右阀三t3、左阀二s2和三s3开启，下驱动单元T经左阀二s2和三s3从左腔B1吸入气体、再经右阀三t3排入右腔B2，活塞f向左运动，此阶段左阀一s1和四s4可同时开启；3)定位及保持阶段：活塞f运动到预定位置后，上驱动单元S和下驱动单元T均停止工作且所有的阀均关闭，或上驱动单元S和下驱动单元T均工作且左阀一s1和三s3及右阀一t1和三t3开启。

本发明中，上驱动单元S和下驱动单元T可串联工作，此时气缸的驱动过程包括：1)蓄能阶段：左阀一s1和三s3及右阀一t1和三t3开启，上驱动单元S经右阀一t1吸入气体、再经左阀三s3排入左腔B1；下驱动单元T经左阀一s1吸入气体、再经右阀三t3排入右腔B2；左腔B1和右腔B2的蓄能过程结束后，左阀一s1和右阀一t1关闭；2)驱动阶段：①活塞f向右运动，左阀一s1和三s3及右阀二t2和四t4开启，下驱动单元T经左阀一s1吸入气体、再经右阀二t2供给上驱动单元S，气体经上驱动单元S再次压缩后经左阀三s3输入左腔B1，右腔B2内的气体经右阀四t4排出；②活塞f向左运动，左阀一s1和三s3及右阀二t2和四t4开启，上驱动单元S经右阀一t1吸入气体、再经左阀二s2供给下驱动单元T，气体经下驱动单元T再次压缩后经右阀三t3输入右腔B2，左腔B1内的气体经左阀四s4排出；此阶段中仅一个驱动单元的传感单元c22的输出电压有效；3)定位及保持阶段：活塞f运动到预定位置后，上驱动单元S和下驱动单元T均停止工作且所有的阀均关闭，或上驱动单元S和下驱动单元T均工作且左阀一s1和三s3及右阀一t1和三t3开启。

本发明根据所需的气缸驱动力及速度确定驱动器d的数量；驱动器d由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成，上驱动单元S和下驱动单元T独立工作可获得活塞f的最大速度为最大驱动力为其中，η_q、η_p分别为阀片e的速度和驱动力系数，R、H分别为驱动腔C1的半径和高度，h_p为压电片一d2的厚度，f为自激励频率，U₀为驱动电压，N为驱动器d的数量，A为活塞f的有效面积，F_f为气缸的滑动摩擦力。

Claims (1)

1.一种气缸，其特征在于：缸体外壁上方从右到左设有依次串联的上进孔、至少两个沉腔一、沉腔二和上出孔，缸体外壁下方从左到右设有依次串联的下进孔、至少两个沉腔一、沉腔二和下出孔；沉腔一和二的顶壁上或底壁上设有阀腔；缸体左右两端分别装有带左通孔的左端盖和带右通孔的右端盖，活塞将缸体的体腔分隔成左腔和右腔；盖板安装在缸体上下两侧并经密封圈将驱动器压接在沉腔一内构成驱动腔、将换能器压接在沉腔二内构成传感腔；阀腔与其内所安装的阀片构成进口阀；上进出孔及其串联的驱动腔和传感腔构成上驱动单元，下进出孔及其串联的驱动腔和传感腔构成下驱动单元；上进孔经管路安装有右阀一、经管路及右阀二与下出孔相连，下出孔经管路、右阀三及右通孔与右腔相连，右腔经管路及右通孔与右阀四相连；下进孔经管路安装有左阀一、经管路及左阀二与上出孔相连，上出孔经管路、左阀三及左通孔与左腔相连，左腔经管路及左通孔与左阀四相连；驱动器为压电驱动器，换能器为含有驱动单元和传感单元的压电换能器，驱动单元受直流驱动电压作用变形并使传感单元输出电压达到极值时驱动电压换向，使上下驱动单元实现自激驱动。