CN109882470B - 一种步进式气缸 - Google Patents

Abstract

本发明属气动领域，具体涉及一种步进式气缸。缸体上下方都设有依次串联的上进孔、至少两个直径不等的沉腔一、沉腔二和上出孔，沉腔一和二内设有粘接有阀片的沉腔三；从左到右，上下方的沉腔一的直径分别依次减小和增加；缸体两端装有端盖，活塞将缸体体腔隔成分别与上下出孔连通的左右腔；盖板装在缸体上下两侧并将驱动器压接在沉腔一内构成压缩腔、将密封环压接在沉腔二内构成阀腔；上下进出孔及其串联的压缩腔和阀腔构成上下驱动单元；上进孔装有右阀一和二、下进孔装有左阀一和二，左右阀一的另一端与大气相通，左右阀二的另一端分别与左右腔相连；驱动器由基板和压电片粘接而成，工作中同一驱动单元内两相邻压缩腔中驱动器的变形方向相反。

Description

一种步进式气缸

技术领域

本发明属于气动技术领域，具体涉及一种步进式气缸。

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

本发明提出一种步进式气缸，本发明的实施方案是：缸体的外壁上方从右到左设有依次串联的上进孔、至少两个直径不等的沉腔一、沉腔二和上出孔，缸体的外壁下方从左到右设有依次串联的下进孔、至少两个直径不等的沉腔一、沉腔二和下出孔，沉腔一和二的顶壁或底壁上设有沉腔三；缸体上下方沉腔一的数量相等，且从右到左上方沉腔一的直径依次减小、下方沉腔一的直径依次增加；缸体左右两端都装有带通孔的端盖，活塞将缸体的体腔分隔成左腔和右腔，左右腔分别与上下出孔连通；盖板安装在缸体上下两侧并将驱动器压接在沉腔一内构成压缩腔、将密封环压接在沉腔二内构成阀腔，驱动器与缸体和盖板之间设有密封圈；沉腔三与其内所安装的阀片构成进口阀；上进出孔及其串联的压缩腔和阀腔构成上驱动单元，下进出孔及其串联的压缩腔和阀腔构成下驱动单元；上进孔经管路并列地安装有右阀一和二，右阀一另一端与大气相通、右阀二另一端经管路及端盖上的通孔与右腔相连；下进孔经管路并列地安装有左阀一和二，左阀一另一端与大气相通、左阀二另一端经管路及端盖上的通孔与左腔相连；驱动器由基板和压电片粘接而成，驱动器表面涂有绝缘漆或粘接有绝缘薄膜，压电片靠近盖板安装；工作中同一驱动单元内两相邻压缩腔中驱动器的变形方向相反。

本发明中，左阀一和二及右阀一和二均为常闭开关阀，工作中未提及开启时都为截止状态。

以具有三个驱动器的上驱动单元为例，按直径从大到小，驱动器依次定义为驱动器一、二和三，压缩腔依次定义为压缩腔一、二和三，则上驱动单元的工作过程为：

1)上半周期内，驱动器一和三向上弯曲变形、驱动器二向下弯曲变形，压缩腔一经上进孔吸入气体、压缩腔二内的气体进入压缩腔三，此为吸入过程；

2)下半周期内，驱动器一和三向下弯曲变形、驱动器二向上弯曲变形，压缩腔一内的气体进入压缩腔二，压缩腔三内的气体进入左腔，此为排出过程；

在上述的气体吸入和排出过程中，气体依次经历了压缩腔一、二和三的逐级压缩，输出压力得到了逐级提升。

本发明中，上下驱动单元独立单独工作，气缸的驱动过程包括：

1)蓄能阶段：左阀一和右阀一开启，上驱动单元经右阀一吸入气体、压缩后经上出孔排入左腔B1，下驱动单元经左阀一吸入气体、压缩后经下出孔排入右腔；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，右阀二开启，上驱动单元经右阀二从右腔吸入气体、压缩后排入左腔，活塞向右运动，此阶段右阀一可同时开启；②下驱动单元工作，左阀二开启，下驱动单元经左阀二从左腔吸入气体、压缩后排入右腔，活塞向左运动，此阶段左阀一可同时开启；

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左阀一和二及右阀一和二均关闭，或左阀一和右阀一开启且上下驱动单元同时工作。

本发明根据所需的气体压力确定上下驱动单元中驱动器的数量，两驱动单元所含压缩腔数量相等且独立工作输出的最大气压为P_max＝P₀η_p{(1+α)/(1-α)[β+(1+α)/(1-α)]^n-1-1}，其中：P₀为标准大气压，η_p为效率系数，α＞0为压缩比、即驱动器变形引起的压缩腔容积变化量与压缩腔的容积之比，β＞1为同一驱动单元中两左右相邻压缩腔的半径比，n≥2为同一驱动单元中压缩腔的数量；工作中，同一驱动单元中两左右相邻压缩腔相互连通、即其间阀片开启时半径较大者的容积变化量不小于半径较小者的容积变化量；为获得最大压缩比，压缩腔的高度等于驱动器中心点的变形量，驱动器由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成时压缩腔的高度为

η_h、U₀分别为动态修正系数和驱动电压，d₃₁为压电常数，h_p为压电片厚度，r_i为压缩腔半径、即压缩腔中密封圈的内圆半径。

特点及优势：①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；②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；③采用具有不同直径压缩腔串联实现累积压缩的方法提高气体的压缩比，且易于通过增加压缩腔数量的方法获得所需的供气压力及流量。

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变形与阀片开关次序的关系图；

图3是分发明一个较佳实施例中缸体的结构示意图；

图4是图3的俯视图；

图5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、至少两个直径不等的沉腔一a2i、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’、至少两个直径不等的沉腔一a2i、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的底壁上设有沉腔三a5；缸体a上方和下方的沉腔一a2i的数量相等，且从右到左缸体a上方沉腔一a2i的直径依次减小、缸体a下方沉腔一a2i的直径依次增加；缸体a左右两端都装有带通孔x1的端盖x，活塞f将缸体a的体腔a6分隔成左腔B1和右腔B2，左腔B1和右腔B2分别与上出孔a4和下出孔a4’连通；盖板b安装在缸体a上下两侧并将驱动器di压接在沉腔一a2i内构成压缩腔Ci、将密封环c压接在沉腔二a3内构成阀腔C，驱动器di与缸体a和盖板b之间都设有密封圈；沉腔三a5与其内所安装的阀片e构成进口阀；上进孔a1、上出孔a4及其串联的压缩腔Ci和阀腔C构成上驱动单元S，下进孔a1’、下出孔a4’及其串联的压缩腔Ci和阀腔C构成下驱动单元T；上进孔a1经管路并列地安装有右阀一t1和二t2，右阀一t1的另一端与大气相通、右阀二t2的另一端经管路及端盖x上的通孔x1与右腔B2相连；下进孔a1’经管路并列地安装有左阀一s1和二s2，左阀一s1的另一端与大气相通、左阀二s2的另一端经管路及端盖x上的通孔x1与左腔B1相连；驱动器di由基板di1和压电片di2粘接而成，驱动器di表面涂有绝缘漆或粘接有绝缘薄膜，压电片di2靠近盖板b安装；工作中同一驱动单元内两相邻压缩腔Ci中驱动器di的变形方向相反。

本发明中，左阀一s1和二s2及右阀一t1和二t2均为常闭开关阀，工作中未提及开启时都为截止状态。

本发明中，驱动器di及压缩腔Ci中的i代表直径从大到小的序号，i＝1，2，3，...；以具有三个驱动器di的上驱动单元S为例，按直径从大到小，驱动器di依次定义为驱动器一d1、驱动器二d2和驱动器三d3，压缩腔Ci依次定义为压缩腔一C1、压缩腔二C2和压缩腔三C3，则上驱动单元S的工作过程为：

1)上半周期内，驱动器一d1和三d3向上弯曲变形、驱动器二d2向下弯曲变形，压缩腔一C1经上进孔a1吸入气体、压缩腔二C2内的气体进入压缩腔三C3，此为吸入过程；

2)下半周期内，驱动器一d1和三d3向下弯曲变形、驱动器二d2向上弯曲变形，压缩腔一C1内的气体进入压缩腔二C2，压缩腔三C3内的气体进入左腔B1，此为排出过程；

在上述的气体吸入和排出过程中，气体依次经历了压缩腔一C1、二C2和三C3的逐级压缩，输出压力得到了逐级提升。

上驱动单元S和下驱动单元T独立单独工作，气缸的驱动过程包括：

1)蓄能阶段：左阀一s1和右阀一t1开启，上驱动单元S经右阀一t1吸入气体、压缩后经上出孔a4排入左腔B1，下驱动单元T经左阀一s1吸入气体、压缩后经下出孔a4’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，右阀二t2开启，上驱动单元S经右阀二t2从右腔B2吸入气体、压缩后排入左腔B1，活塞f向右运动，此阶段右阀一t1可同时开启；②下驱动单元T工作，左阀二s2开启，下驱动单元T经左阀二s2从左腔B1吸入气体、压缩后排入右腔B2，活塞f向左运动，此阶段左阀一s1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均停止工作且左阀一s1和二s2及右阀一t1和二t2均关闭，或左阀一s1和右阀一t1开启且上驱动单元S和下驱动单元T同时工作。

本发明根据所需的气体压力确定上驱动单元S和下驱动单元T中驱动器di的数量，两驱动单元所含压缩腔Ci数量相等且独立工作输出的最大气压为P_max＝P₀η_p{(1+α)/(1-α)[β+(1+α)/(1-α)]^n-1-1}，其中：P₀为标准大气压，η_p为效率系数，α＞0为压缩比、即驱动器di变形引起的压缩腔Ci容积变化量与压缩腔Ci的容积之比，β＞1为同一驱动单元中两左右相邻压缩腔Ci的半径比，n≥2为同一驱动单元中压缩腔Ci的数量；工作中，同一驱动单元中两左右相邻压缩腔Ci相互连通、即其间阀片e开启时半径较大者的容积变化量不小于半径较小者的容积变化量；为获得最大压缩比，压缩腔Ci的高度等于驱动器di中心点的变形量，驱动器di由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成时压缩腔Ci的高度为

η_h、U₀分别为动态修正系数和驱动电压，d₃₁为压电常数，h_p为压电片di2的厚度，r_i为压缩腔Ci半径、即压缩腔Ci中密封圈的内圆半径。

Claims (1)

1.一种步进式气缸，其特征在于：缸体的外壁上方从右到左设有依次串联的上进孔、至少两个直径不等的沉腔一、沉腔二和上出孔，缸体的外壁下方从左到右设有依次串联的下进孔、至少两个直径不等的沉腔一、沉腔二和下出孔，沉腔一和二的顶壁或底壁上设有沉腔三；缸体上下方沉腔一的数量相等，且从右到左上方沉腔一的直径依次减小、下方沉腔一的直径依次增加；缸体左右两端都装有带通孔的端盖，活塞将缸体的体腔分隔成左腔和右腔，左右腔分别与上下出孔连通；盖板安装在缸体上下两侧并将驱动器压接在沉腔一内构成压缩腔、将密封环压接在沉腔二内构成阀腔，驱动器与缸体和盖板之间设有密封圈；沉腔三与其内所安装的阀片构成进口阀；上进出孔及其串联的压缩腔和阀腔构成上驱动单元，下进出孔及其串联的压缩腔和阀腔构成下驱动单元；两驱动单元所含压缩腔数量相等且独立工作输出的最大气压为P_max＝P₀η_p{(1+α)/(1-α)[β+(1+α)/(1-α)]^n-1-1}，其中：P₀为标准大气压，η_p为效率系数，α＞0为压缩比，β＞1为同一驱动单元中两左右相邻压缩腔的半径比，n≥2为同一驱动单元中压缩腔的数量；上进孔经管路并列地安装有右阀一和二，右阀一另一端与大气相通、右阀二另一端经管路与右腔相连；下进孔经管路并列地安装有左阀一和二，左阀一另一端与大气相通、左阀二另一端经管路与左腔相连；驱动器由基板和压电片粘接而成；工作中，同一驱动单元内两相邻压缩腔中驱动器的变形方向相反，压缩腔的高度等于驱动器中心点的变形量，同一驱动单元中两左右相邻压缩腔相互连通时半径较大者的容积变化量不小于半径较小者的容积变化量。

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