CN109826928B - 一种直线运动变速变行程合成系统 - Google Patents

Abstract

一种直线运动变速变行程合成系统，与原动件连接的作动缸称为分动缸，承担合成运动功能的作动缸称为合成缸，每一个作动缸包括缸体、活塞、活塞杆和密封件，活塞将缸体分为上、下两个腔，并且两个腔分别通过各自的腔口实现流体介质的流入和流出，作动缸有三个及以上，至少两个作动缸为分动缸，至少一个作动缸为合成缸，将分动缸与开关阀通过管路连接组成基单元，分动缸的上、下腔口通过管路相互连接，并且管路中设有流通开关阀，形成可控制通断的上、下腔流体通路，分动缸的上、下腔口还通过管路分别与进出开关阀连接，再分别通过管路与合成缸的上、下腔口连接，形成可控制通断的流体通路。本发明低成本的同时实现较高的控制性能。

Description

一种直线运动变速变行程合成系统

技术领域

本发明涉及直线运动系统，尤其是一种直线运动变速变行程合成系统。

背景技术

运动变速及合成技术是动力传动科技的重要分支，也是自动机械、工程机械、车辆、机器人等领域的高新技术产品赖以发展的基础性技术。

1997年日本丰田汽车公司推出的混合动力汽车Prius，其关键技术之一就是它的运动变速及合成系统THS，这让工业界重新认识到运动变速及合成技术的重要性。之后，世界各大汽车公司、各新兴电动汽车公司先后推出了自己的混合动力汽车产品，功能类似于THS的旋转运动变速及合成系统层出不穷。但是在直线运动领域，经查阅大量公开发表的科技信息和文献，包括专利文献，未见有直线运动变速及合成系统相关的信息。

传统机械设备中有很大一类是直线运动机械，比较落后的是单速单行程作业的，比较先进的是采用变频电机或伺服电机驱动实现直线变速，但行程变不了。这类机械理论上可以采用可变速变行程的电液伺服系统驱动，但是成本是最大的制约，因为电液伺服驱动系统太昂贵。

新型的机械中最有可能大量运用变速变行程直线运动的是仿生机械，如机器人(兽)。对于需要行走的仿生机械，电液伺服驱动系统因为重量体积大，其应用基本被排除；而现有的其它直线运动技术因为无法满足其变速变行程的要求，只能在初级的仿生机械中使用。

市场上唯一具有变速变行程能力的直线运动驱动系统是电液伺服驱动系统，其变速变行程是由计算机程序产生和控制的，性能十分优越，但是其价格十分昂贵，而且重量大、体积大、能耗大，长期以来应用面很小。

发明内容

为了克服已有直线运动方式的无法兼顾成本和控制性能的不足，本发明提供一种低成本的同时实现较高的控制性能的直线运动变速变行程合成系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种直线运动变速变行程合成系统，包括作动缸、原动件、机体和流体介质，与原动件连接的作动缸称为分动缸，承担合成运动功能的作动缸称为合成缸，每一个作动缸包括缸体、活塞、活塞杆和密封件，活塞将缸体分为上、下两个腔，并且两个腔分别通过各自的腔口实现流体介质的流入和流出，所述作动缸有三个及以上，至少两个作动缸为分动缸，至少一个作动缸为合成缸，将分动缸与开关阀通过管路连接组成基单元，所述开关阀分为流通开关阀和进出开关阀，所述分动缸的上、下腔口通过管路相互连接，并且管路中设有流通开关阀，形成可控制通断的上、下腔流体通路，所述分动缸的上、下腔口还通过管路分别与进出开关阀连接，再分别通过管路与所述合成缸的上、下腔口连接，形成可控制通断的流体通路。

进一步，所述基单元中的开关阀按如下规则控制：

当要求某一基单元的分动缸与合成缸接通时，则流通开关阀“关”、进出开关阀“开”，

当要求某一基单元的分动缸与合成缸断开时，则流通开关阀“开”、进出开关阀“关”，

禁止流通开关阀和进出开关阀同时“开”或同时“关”。

再进一步，所述基单元中，在所述分动缸的活塞上设置流通开关阀，形成可控制通断的上、下腔流体通路，所述分动缸的上、下腔口还通过管路分别与进出开关阀连接，再分别通过管路与所述合成缸的上、下腔口连接。

所述基单元中，在所述分动缸的活塞上设置流通开关阀，形成可控制通断的上、下腔流体通路，所述分动缸的上、下腔口直接设置进出开关阀，再分别通过管路与所述合成缸的上、下腔口连接。

所述基单元中的开关阀为组合开关阀，所述组合开关阀包括N、LS和LX三个腔，每个腔都有一个通路(流体可流通)和一个断路(流体不能流通)，所述组合开关阀设有“ON”和“OFF”两个工作位置，当组合开关阀位于“ON”位置时，则N腔接断路，LS和LX腔接通路，当组合开关阀位于“OFF”位置时，则N腔接通路，LS和LX腔接断路，此时，所述分动缸与组合开关阀通过管路连接组成基单元，其连接方式为所述分动缸的上、下腔口通过管路分别与N腔连接形成可控制通断的上、下腔流体通路，所述分动缸的上、下腔口还通过管路分别与LS和LX腔连接，再分别通过管路将LS和LX腔分别与所述合成缸的上、下腔口连接，形成可控制通断的流体通路。

所述原动件有至少两个。当然，原动件也可以是1个，该种情况下是“单输入-单输出”的模式；如果原动件至少两个，则是“多输入-单输出”模式。

所述分动缸的活塞杆可与原动件连接、缸体固定在机体上。

或者是：所述分动缸的缸体与原动件连接，活塞杆固定在机体上，

本发明提出了一种直线运动变速变行程合成系统技术方案，可将一种固定行程和速度的直线运动按内部基单元的组合转变为多种行程和速度的直线运动，即构成可变速变行程的“单输入-单输出”系统；还可将多路不同的行程和速度的直线运动按内部基单元的组合合成为一路具有多种行程和速度的直线运动，即构成可变速变行程的“多输入-单输出”系统，实现运动组合。

将分动缸与开关阀通过管路连接组成基单元，其连接方式为所述分动缸的上、下腔口通过管路相互连接，并且管路中设有流通开关阀，形成可控制通断的上、下腔流体通路，所述分动缸的上、下腔口还通过管路分别与进出开关阀连接，再分别通过管路与所述合成缸的上、下腔口连接。所述合成缸一般配置多个基单元与其连接，其速比的数量由基单元的数量通过组合产生(2个基单元可组合成3种速比，3个基单元可组合成7种速比，4个基单元可组合成15种速比，5个基单元可组合成31种速比，依次类推)，其速比的数值由多个基单元中分动缸的缸径组合产生，通过开关阀来选择不同的组合，进而获得不同的速比。若各分动缸均与一个原动件连接，则构成变速变行程的“单输入-单输出”系统；若各分动缸分别与多个原动件连接，则构成变速变行程的“多输入-单输出”系统，进而获得组合运动输出。

本发明自身不带动力系统，可作为任何一种直线运动机械的“变速器”使用。因此，本发明将给直线运动领域带来有益的技术进步推动作用。

本发明的有益效果主要表现在：可将单速单行程和变速单行程的直线运动转变为可变速变行程的直线运动，这对于扩大传统直线运动机械设备的作业能力具有重要价值；在未来的仿生机械领域，尤其是四足机械，可变速变行程直线运动系统可能会给她带来革命性变化。直线运动变速变行程合成系统采用的机械零件都是常规零件，控制方式是开关式控制，因此具有低成本的优势，有利于普及应用。

附图说明

图1是一种直线运动变速变行程“单输入-单输出”系统实施例1的原理图。

图2是一种直线运动变速变行程“双输入-单输出”系统实施例2的原理图。

图3是一种改进的直线运动变速变行程“单输入-单输出”系统实施例3的原理图。

图4是一种改进的直线运动变速变行程“双输入-单输出”系统实施例4的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种

实例1：图3所示的直线运动变速变行程“单输入-单输出”系统包括三个基单元、一个合成缸、一个原动件和管路，其中每个基单元包括一个分动缸、一个组合开关。每个基单元的分动缸的活塞杆均与原动件连接，缸体与机体固接。原动件为运动输入端，合成缸的活塞杆Z为运动输出端。合成缸的缸体与机体固接。

每个基单元的分动缸的上腔口均通过管路与组合开关阀的LS腔连接，再通过管路将LS腔与合成缸的下腔口连接；每个基单元的分动缸的下腔口均通过管路与组合开关阀的LX腔连接，再通过管路将LX腔与合成缸的上腔口连接；每个基单元的分动缸的上腔口均通过管路与组合开关阀的N腔连接，再通过管路将N腔与分动缸的下腔口连接。

每个组合开关阀均设有两个工作状态：“ON”和“OFF”。“ON”状态时，LS腔和LX腔为“开”，流体可通过；N腔为“关”,流体不能通过。“OFF”状态时，LS腔和LX腔为“关”，流体不能通过；N腔为“开”,流体可通过。

理论上，实例1的速比(行程)数量为7个，即原动件Y以一个固定的速度和行程运动输入，合成缸的活塞杆Z可产生7种速度和行程的运动输出。

实例1的基本工作过程为：

1)设定速比(行程)，例如可令组合开关阀K1和K2至“ON”状态，组合开关阀K3至“OFF”状态，

2)则基单元A和B的分动缸与合成缸接通，基单元C的分动缸与合成缸断开，

3)若对原动件Y施加一个Usin(ωt)的往复运动(式中U为振幅，ω为圆频率)，则基单元A和B的分动缸活塞杆将同步作Usin(ωt)的往复运动，

4)基单元A和B的分动缸上、下腔中的流体量将按Usin(ωt)规律分别流入流出合成缸的下、上腔，

5)合成缸的活塞杆则在流体的驱动下作Vsin(ωt)的往复运动，式中V为振幅，其大小与U、基单元A和B的分动缸缸径存在函数关系；合成缸活塞杆Z的运动频率与原动件Y运动频率相等。

若需换一个速比运行，则系统的基本工作过程为：

1)设定新的速比(行程)，例如可令组合开关阀K1和K3至“ON”状态，组合开关阀K2至“OFF”状态，

2)则基单元A和C的分动缸与合成缸接通，基单元B的分动缸与合成缸断开，

3)若对原动件Y施加一个Usin(ωt)的往复运动(式中U为振幅，ω为圆频率)，则基单元A和C的分动缸活塞杆将同步作Usin(ωt)的往复运动，

4)基单元A和C的分动缸上、下腔中的流体量将按Usin(ωt)规律分别流入流出合成缸的下、上腔，

5)合成缸的活塞杆则在流体的驱动下作Wsin(ωt)规律的往复运动，式中W为振幅，其大小与U、基单元A和C的分动缸缸径存在函数关系；合成缸活塞杆Z的运动频率与原动件Y运动频率相等。

实例2：图4所示的直线运动变速变行程“双输入-单输出”系统包括三个基单元、一个合成缸、两个原动件和管路，其中每个基单元包括一个分动缸、一个组合开关。基单元A和B的分动缸的活塞杆与原动件Y1连接，基单元C的分动缸的活塞杆与原动件Y2连接，各缸体与机体固接。原动件Y1和Y2为运动输入端，合成缸的活塞杆Z为运动输出端。合成缸的缸体与机体固接。

每个基单元的分动缸的上腔口均通过管路与组合开关阀的LS腔连接，再通过管路将LS腔与合成缸的下腔口连接；每个基单元的分动缸的下腔口均通过管路与组合开关阀的LX腔连接，再通过管路将LX腔与合成缸的上腔口连接；每个基单元的分动缸的上腔口均通过管路与组合开关阀的N腔连接，再通过管路将N腔与分动缸的下腔口连接。

每个组合开关阀均设有两个工作状态：“ON”和“OFF”。“ON”状态时，LS腔和LX腔为“开”，流体可通过；N腔为“关”,流体不能通过。“OFF”状态时，LS腔和LX腔为“关”，流体不能通过；N腔为“开”,流体可通过。

理论上，实例2的速比(行程)数量为7个，即原动件Y1以一个固定的速度和行程运动输入，原动件Y2以另一个固定的速度和行程运动输入，合成缸的活塞杆Z可产生7种速度和行程的运动输出，其中3种为组合运动输出。

实例2的基本工作过程为：

1)设定速比(行程、合成)，例如可令组合开关阀K1和K2至“ON”状态，组合开关阀K3至“OFF”状态，

2)则基单元A和B的分动缸与合成缸接通，基单元C的分动缸与合成缸断开，

3)若对原动件Y施加一个Usin(ωt)的往复运动(式中U为振幅，ω为圆频率)，则基单元A和B的分动缸活塞杆将同步作Usin(ωt)的往复运动，

4)基单元A和B的分动缸上、下腔中的流体量将按Usin(ωt)规律分别流入流出合成缸的下、上腔，

5)合成缸的活塞杆则在流体的驱动下作Vsin(ωt)的往复运动，式中V为振幅，其大小与U、基单元A和B的分动缸缸径存在函数关系；合成缸活塞杆Z的运动频率与原动件Y1运动频率相等。

若需换一个速比运行，则系统的基本工作过程为：

1)设定新的速比(行程、合成)，例如可令组合开关阀K1和K3至“ON”状态，组合开关阀K2至“OFF”状态，

2)则基单元A和C的分动缸与合成缸接通，基单元B的分动缸与合成缸断开，

3)若对原动件Y1施加一个U1sin(ωt)的往复运动(式中U1为振幅，ω为圆频率)，对原动件Y2施加一个U2sin(βt)的往复运动(式中U2为振幅，β为圆频率)，则基单元A和C的分动缸活塞杆将分别作U1sin(ωt)和U2sin(βt)的往复运动，

4)基单元A和C的分动缸上、下腔中的流体量将分别按U1sin(ωt)和U2sin(βt)规律流入流出合成缸的下、上腔，

5)合成缸的活塞杆Z则在流体的驱动下作W1sin(ωt)+W2sin(βt)规律的往复运动，式中W1和W2为振幅，W1的大小与U1、基单元A的分动缸缸径存在函数关系，W2的大小与U2、基单元C的分动缸缸径存在函数关系；式中ω和β为圆频率，即为两个原动件的圆频率ω和β。

Claims (5)

1.一种直线运动变速变行程合成系统，包括作动缸、原动件、机体和流体介质，与原动件连接的作动缸称为分动缸，承担合成运动功能的作动缸称为合成缸，每一个作动缸包括缸体、活塞、活塞杆和密封件，活塞将缸体分为上、下两个腔，并且两个腔分别通过各自的腔口实现流体介质的流入和流出，其特征在于：所述作动缸有三个以上，至少两个作动缸为分动缸，至少一个作动缸为合成缸，将分动缸与开关阀通过管路连接组成基单元，所述开关阀分为流通开关阀和进出开关阀，所述分动缸的上、下腔口通过管路相互连接，并且管路中设有流通开关阀，形成可控制通断的上、下腔流体通路，所述分动缸的上、下腔口还通过管路分别与进出开关阀连接，再分别通过管路与所述合成缸的上、下腔口连接，形成可控制通断的流体通路；

所述基单元中，在所述分动缸的活塞上设置流通开关阀，形成可控制通断的上、下腔流体通路，所述分动缸的上、下腔口还通过管路分别与进出开关阀连接，或者所述分动缸的上、下腔口直接设置进出开关阀，再分别通过管路与所述合成缸的上、下腔口连接；

所述基单元中的开关阀为组合开关阀，所述组合开关阀包括N、LS和LX三个腔，每个腔都有一个通路，即流体可流通和一个断路，即流体不能流通，所述组合开关阀设有“ON”和“OFF”两个工作位置，

当组合开关阀位于“ON”位置时，则N腔接断路，LS和LX腔接通路，

当组合开关阀位于“OFF”位置时，则N腔接通路，LS和LX腔接断路，

此时，所述分动缸与组合开关阀通过管路连接组成基单元，其连接方式为所述分动缸的上、下腔口通过管路分别与N腔连接形成可控制通断的上、下腔流体通路，所述分动缸的上、下腔口还通过管路分别与LS和LX腔连接，再分别通过管路将LS和LX腔分别与所述合成缸的上、下腔口连接，形成可控制通断的流体通路。

2.如权利要求1所述的直线运动变速变行程合成系统，其特征在于：所述基单元中的开关阀按如下规则控制：

当要求某一基单元的分动缸与合成缸接通时，则流通开关阀“关”、进出开关阀“开”，

当要求某一基单元的分动缸与合成缸断开时，则流通开关阀“开”、进出开关阀“关”，

禁止流通开关阀和进出开关阀同时“开”或同时“关”。

3.如权利要求1或2所述的直线运动变速变行程合成系统，其特征在于：所述原动件有至少两个。

4.如权利要求1或2所述的直线运动变速变行程合成系统，其特征在于：所述分动缸的活塞杆可与原动件连接、缸体固定在机体上。

5.如权利要求1或2所述的直线运动变速变行程合成系统，其特征在于：所述分动缸的缸体与原动件连接、活塞杆固定在机体上。