CN110094384A - 一种自供气气缸 - Google Patents

Abstract

本发明属气动领域，具体涉及一种自供气气缸。缸体上设有缸腔，带进出口阀的左右端盖装在缸腔两端并与活塞共同形成左右缸腔；缸腔外壁上下两侧部装有盖板，盖板经密封圈将换能器压接在泵腔内，换能器及密封圈与缸体和盖板分别形成内外泵腔；盖板将大小密封环压接在大小沉腔内并分别形成出口腔和进孔腔；进出孔腔与内外泵腔分别串联成内外泵，内外泵经进出孔腔并联成供气单元，两供气单元的出孔与蓄能器连通后再与左右进口阀连接；换能器由两个压电驱动器及垫圈构成，工作中两相邻换能器的变形方向相反；内直径最小驱动器含有驱动和传感单元，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，驱动器实现自激驱动。

Description

一种自供气气缸

技术领域

本发明属于气动技术领域，具体涉及一种自供气气缸。

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

本发明提出一种自供气气缸，本发明的实施方案是：缸体上设有缸腔，缸腔外壁的上下两侧从左到右 都依次设有进孔、小沉腔、至少两个直径依次减小的泵腔、大沉腔及出孔；左右端盖经螺钉安装在缸腔的 左右两端并与缸腔内的活塞共同形成左右缸腔，左端盖上设有左进出口阀，右端盖上设有右进出口阀；缸 腔外壁上下两侧都经螺钉安装有盖板，盖板经密封圈将换能器压接在泵腔内，换能器与其所在的泵腔的直 径相等，密封圈位于换能器上下两侧，换能器及密封圈与缸体形成内泵腔、与盖板形成外泵腔；盖板将小 密封环压接在小沉腔内形成进孔腔、将大密封环压接在大沉腔内形成出孔腔；进孔腔与进孔连通，出孔腔 与出孔连通；进孔腔与内泵腔及出孔腔串联成内泵，即：进孔腔与其相邻的内泵腔之间、两个相邻的内泵 腔之间、以及内泵腔与出孔腔之间都经内通孔和带阀片的内阀腔连通并依次串联成内泵；进孔腔与外泵腔 及出孔腔串联成外泵，即：进孔腔与其相邻的外泵腔之间、两相邻外泵腔之间、以及外泵腔与出孔腔之间 都经外通孔和带阀片的外阀腔连通并依次串联成外泵；内外泵经进孔腔和出孔腔并联成供气单元，缸体上 下两侧供气单元的出孔经管路与蓄能器相互连通后再经管路与左右进口阀连接，即两个供气单元并联，左 右进口阀并联。

换能器由两个驱动器及垫圈构成，驱动器由基板与压电片粘接而成，压电片靠近垫圈安装；一个供气 单元内直径最小的换能器中的两个驱动器含有驱动单元和传感单元，即压电片表面电极被分割成两部分并 分别与基板构成驱动单元和传感单元；驱动器及驱动单元的驱动电压为直流电压或交流电压；工作中，同 一换能器中两个驱动器的变形方向相同且代表换能器的变形方向，同一个供气单元中左右相邻的两个换能 器的变形方向相反；驱动电压为直流电压时，驱动器中驱动单元受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，驱动器实现自激驱动；传感单元的输出电压还用于表征活塞的运动速度和驱 动力。

本发明中，左进出口阀和右进出口阀均为常闭开关阀；气缸的驱动过程如下：

①蓄能过程：左右进口阀开启、左右出口阀关闭，各供气单元同步工作，所输出的气体同时进入左缸 腔和蓄能器；蓄能过程结束后，左右进口阀关闭；

②驱动阶段，各供气单元处于同步工作状态下，左进口阀和右出口阀开启、左出口阀和右进口阀关闭 时活塞向右运动，左进口阀和右出口阀关闭、左出口阀和右进口阀开启时活塞向左运动；

③定位及保持阶段，活塞运动到预定位置后，左进出口阀和右进出口阀均关闭，各供气单元停止工作。

本发明中，内外泵的结构参数和输出性能相同，工作中单个内外泵输出最大气压为 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内外泵腔容积变化量与内外泵腔的容积之比，β＞1为两左右相邻内泵腔或外 泵腔的半径比，n≥2为单个内外泵所含泵腔的数量；工作中，两左右相邻内外泵腔相互连通、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，内外泵腔的高度 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内外泵腔的高度为 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为内外泵腔半径、即内外泵腔中密封圈的内圆半径。

特点及优势：①供气单元与缸体集成，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 径泵腔串联实现累积压缩的方法提高气体的压缩比，且易于通过增加泵腔及供气单元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盖板的结构示意图；

图8是图7的仰视图；

图9是本发明一个较佳实施例中带驱动和传感单元的换能器结构示意图；

图10是图9的剖视图。

具体实施方式

缸体a上设有缸腔a8，缸腔a8外壁的上下两侧从左到右都依次设有进孔a1、小沉腔a2、至少两个直 径依次减小的泵腔a3、大沉腔a4及出孔a5；左端盖x和右端盖y经螺钉安装在缸腔a8的左右两端并与缸 腔a8内的活塞f共同形成左缸腔B1和右缸腔B2，左端盖x上设有左进口阀v1和左出口阀v2，右端盖y 上设有右进口阀v3和右出口阀v4；缸腔a8外壁的上下两侧都经螺钉安装有盖板b，盖板b经密封圈i将 换能器D压接在泵腔a3内，换能器D与其所在的泵腔a3的直径相等，密封圈i位于换能器D的上下两侧， 换能器D及密封圈i与缸体a形成内泵腔C1、与盖板b形成外泵腔C2；盖板b将小密封环g压接在小沉 腔a2内形成进孔腔C3、将大密封环h压接在大沉腔a4内形成出孔腔C4；进孔腔C3与进孔a1连通，出 孔腔C4与出孔a5连通；进孔腔C3与内泵腔C1及出孔腔C4串联成内泵q1，即：进孔腔C3与其相邻的 内泵腔C1之间、两个相邻的内泵腔C1之间、以及内泵腔C1与出孔腔C4之间都经内通孔a6和带阀片e 的内阀腔a7连通并依次串联形成内泵q1；进孔腔C3与外泵腔C2及出孔腔C4串联成外泵q2，即：进孔 腔C3与其相邻的外泵腔C2之间、两相邻外泵腔C2之间、以及外泵腔C2与出孔腔C4之间都经外通孔 b6和带阀片e的外阀腔b7连通并依次串联成外泵q2；内泵q1与外泵q2经进孔腔C3和出孔腔C4并联成 供气单元G，缸体a上下两侧供气单元G的出孔a5经管路与蓄能器k相互连通后再经管路与左进口阀v1 和右进口阀v3连接，即两供气单元G并联，左进口阀v1和右进口阀v3并联。

换能器D由两个驱动器d及垫圈d0构成，驱动器d由基板d1与压电片d2粘接而成，压电片d2靠近 垫圈d0安装；一个供气单元G内直径最小的换能器D中的两个驱动器d含有驱动单元d21和传感单元d22， 即压电片d2表面电极被分割成两部分并分别与基板d1构成驱动单元d21和传感单元d22；驱动器d及驱 动单元d21的驱动电压为直流电压或交流电压；工作中，同一换能器D中两个驱动器d的变形方向相同且 代表换能器D的变形方向，同一个供气单元G中左右相邻的两个换能器D的变形方向相反；驱动电压为 直流电压时，驱动器d中驱动单元d21受驱动电压作用变形并使传感单元d22输出电压达到极值时驱动电 压换向，驱动器d实现自激驱动；传感单元d22的输出电压还用于表征活塞f的运动速度和驱动力。

本发明中，左进口阀v1、左出口阀v2、右进口阀v3和右出口阀v4均为常闭开关阀；气缸的驱动过 程如下：

①蓄能过程：左进口阀v1和右进口阀v3开启、左出口阀v2和右出口阀v4关闭，各供气单元同步工 作，所输出的气体同时进入左缸腔B1、右缸腔B2和蓄能器k；蓄能过程结束后，左进口阀v1和右进口阀 v3关闭；

②驱动阶段，各供气单元G处于同步工作状态下，左进口阀v1和右出口阀v4开启、左出口阀v2和 右进口阀v3关闭时活塞f向右运动，左进口阀v1和右出口阀v4关闭、左出口阀v2和右进口阀v3开启时 活塞f向左运动；

③定位及保持阶段，活塞f运动到预定位置后，左进口阀v1、左出口阀v2、右进口阀v3和右出口阀 v4均关闭，各供气单元G停止工作。

本发明中，内泵q1和外泵q2的结构参数和输出性能相同，工作中单个内泵q1或外泵q2输出最大气 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d变形引起的内泵腔C1容积变化量与内泵腔C1的容积之比，β＞1为两左右相邻内 泵腔C1的半径比，n≥2为一个内泵q1所含内泵腔C1的数量；工作中，两左右相邻内泵腔C1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，内泵 腔C1的高度等于驱动器d中心点的变形量，驱动器d由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成时内泵腔 C1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d2的厚度，r为内泵腔C1半径、即内泵腔C1中密封圈的内圆半径。

Claims (1)

1.一种自供气气缸，其特征在于：缸体上设有缸腔，缸腔外壁的上下两侧从左到右都依次设有进孔、小沉腔、至少两个直径依次减小的泵腔、大沉腔及出孔；左右端盖装在缸腔的左右两端并与缸腔内的活塞共同形成左右缸腔，左端盖上设有左进出口阀，右端盖上设有右进出口阀；缸腔外壁上下两侧都装有盖板，盖板经密封圈将换能器压接在泵腔内，换能器及密封圈与缸体形成内泵腔、与盖板形成外泵腔；盖板将小密封环压接在小沉腔内形成进孔腔、将大密封环压接在大沉腔内形成出孔腔；进孔腔与进孔连通，出孔腔与出孔连通；进孔腔与内泵腔及出孔腔串联成内泵，进孔腔与外泵腔及出孔腔串联成外泵；内外泵经进孔腔和出孔腔并联成供气单元，缸体上下两侧供气单元的出孔经管路与蓄能器相互连通后再经管路与左右进口阀连接；换能器由两个驱动器及垫圈构成，驱动器由基板与压电片粘接而成；一个供气单元内直径最小的换能器中的两个驱动器含有驱动单元和传感单元；工作中，同一个供气单元中左右相邻的两个换能器的变形方向相反，内外泵腔的高度等于驱动器中心点的变形量；两左右相邻内外泵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，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。