CN114825753B - 基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸及缓冲控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动缸，特别涉及一种基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸及缓冲控制方法，在原有电动缸的结构基础上，本发明在螺母与推杆之间设置以碟簧组为缓冲件的缓冲装置，该设计占用空间小且缓冲刚度可调，匹配液压缓冲系统，当负载力突然增大时，通过调整变量泵摆角和伺服电机转速，显著降低了冲击载荷对机械部件的影响，提高电动缸可靠性和使用寿命。

Description

基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸及缓冲控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动缸，特别涉及一种基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸及缓冲控制方法。

背景技术

电动缸以电力作为动力源，采用各种类型的电机通过减速器带动不同形式的丝杠或螺母旋转，并通过构件间的螺旋运动转化为螺母或丝杠的直线运动，再由螺母或丝杠带动推杆或负载做往复直线运动。由于电动缸具有高能效、无污染和优良的控制性能等特点而被广泛应用于航空航天、机器人、国防装备、舰船、模拟平台、数控车床等高端装备领域，而且在一些领域正逐渐替代传统的液压缸执行器。但电动缸技术最大的瓶颈和不足是功率密度小，本身不具备缓冲功能，无法直接驱动重载和承受冲击载荷。因此，电动缸主要被应用于一些轻载场合，很难直接应用在重载或有冲击载荷的场合。

中国专利CN201811204507.3公开了一种直线驱动装置，该直线驱动装置在液压系统作用下具有承载力大的优点，但不具备抵抗冲击载荷的能力；中国专利CN201510938269.9公开了一种具有过载保护结构的电动直线驱动器，当电动缸驱动的对象出现卡滞时，控制器根据拉压力传感器检测到的负荷，控制电机停机，避免过载损坏。但是该结构只能在电动缸发生驱动卡滞现象后对电机进行一定的保护，无法对螺旋传动副等机械零部件进行保护，而且传感器和控制器存在一定的时间滞后，可靠性不高。

发明内容

针对现有的电动缸技术存在的瓶颈和不足，本发明提供一种基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸及缓冲控制方法，该电动缸具有大推力和缓和冲击功能，实现了电动缸驱动重载和抗冲击载荷功能，提高电动缸的应用场合、安全可靠性、和使用寿命。

本发明采用的技术方案是：一种基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸，包括缸筒，相互配合的丝杠和螺母，防转销钉，所述螺母外部包括依次设置的连接段、套装段与限位段，所述连接段设置有防转槽，所述限位段设置有外螺纹；

所述连接段外套装有连接滑套，所述连接滑套对应防转槽的位置开有销钉孔，所述防转销钉贯穿连接滑套的销钉孔并插到螺母的防转槽中，防止螺母在丝杠的驱动下发生转动，同时保证连接滑套与螺母在轴向上的相对运动；

所述套装段套装有碟簧组，所述碟簧组以螺母为导轨沿螺母轴线进行压缩；

所述限位段安装有碟簧预压缩调节螺母，所述预压缩调节螺母通过所述限位段的外螺纹与所述螺母连接；所述碟簧预压缩调节螺母通过与螺母限位段外螺纹旋合圈数的调整对碟簧组的预压缩量进行调节，进而调整刚度；

所述连接滑套与推杆连接，所述推杆的活塞体将缸筒分为无杆腔与有杆腔。

所述的基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸，其特征在于：所述碟簧组为多个碟簧片同向叠合组合形式，或多组碟簧片的对合组合形式，或由多个碟簧片叠合后对合组成的复合组合形式。

所述的基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸，其特征在于：所述丝杠和螺母为梯形丝杠副、滚珠丝杠副、行星滚柱丝杠副中的任意一种。

所述的基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸，其特征是在于：还包括伺服电机，减速器，以及缸筒，所述缸筒内侧安装有可拆缸底，可拆缸底内端面中心部位连续开有两个内径递减的圆槽，内径较大的圆槽连接有防撞块，内径较小的圆槽安装有轴承，所述防撞块朝向螺母一侧端面凸出于轴承。

所述的基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸，其特征在于：推杆与缸筒之间设置有第一U型孔用密封圈、第二U型孔用密封圈、及第一支撑环，第一U型孔用密封圈的开口朝向为无杆腔，第二U型孔用密封圈的开口朝向为有杆腔；所述无杆腔出油口连接有第一压力传感器，用于检测无杆腔压力；所述有杆腔出油口连接有第二压力传感器，用于检测有杆腔压力。

所述的基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸，其特征在于：所述螺母内部设置有毛细管，所述无杆腔内部的油液通过毛细管流入螺母与丝杠的啮合齿面之间，形成压力油膜。

所述的基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸，其特征在于：所述可拆缸底与缸筒之间设有第一静密封圈，丝杠贯穿可拆缸底的位置设有旋转密封圈。

所述的基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸，其特征在于：还包括液压系统，所述液压系统包括电动机，变量泵，第一溢流阀，第二溢流阀，第三溢流阀，换向阀及油箱，换向阀的进油口P与变量泵出油口连通，换向阀的回油口T与油箱连通，换向阀的工作油口A和工作油口B分别与液压缓冲重载电动缸的无杆腔和有杆腔连通，第一溢流阀和第二溢流阀的进油口分别与无杆腔和有杆腔连通，第一溢流阀和第二溢流阀的出油口分别与油箱连通。

基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸的缓冲控制方法，基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸还包括控制器，所述推杆上安装有力传感器，用于检测外负载力，控制器端口分别连接伺服电机控制其转速、连接换向阀控制其换向、连接变量泵控制其摆角、连接力传感器接收推杆的负载力，具体为，

当所述力传感器检测到负载力突然变大时，即出现冲击载荷，此时将同时进行如下缓冲措施：

所述碟簧组被动压缩，无杆腔容积减小，无杆腔油液压力增大，克服部分冲击载荷；

所述控制器主动调整变量泵摆角，提高变量泵输出压力，无杆腔油液压力增大，克服部分冲击载荷；

所述控制器主动调整伺服电机转速，降低冲击载荷下伺服电机的进给速度；

当无杆腔压力大于第一溢流阀设定压力时，第一溢流阀连通，无杆腔通过第一溢流阀与油箱连通，防止系统出现压力冲击现象；

当有杆腔压力大于第二溢流阀设定压力时，第二溢流阀连通，有杆腔通过第二溢流阀与油箱连通，防止系统出现压力冲击现象。

本发明在原有电动缸的结构基础上，在螺母与推杆之间设置以碟簧组为缓冲件的缓冲装置，该设计占用空间小且缓冲刚度可调。进一步通过密封圈构建高压油液作用容腔，同时增设可克服冲击载荷的液压缓冲系统，有效缓解电动缸驱动负载时的冲击载荷。在压力油液作用下，丝杠与螺母啮合齿面间形成压力油膜，具有增润减摩和提高承载力的作用，极大提高了电动缸的可靠性和使用寿命。

附图说明

图1为本发明基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸结构及液压系统示意图；

图2为本发明碟簧压缩机构结构示意图；

图3为本发明螺母结构示意图；

图4为本发明控制器连接结构示意图；

图5为本发明螺母与丝杠的静压支撑传动结构示意图；

图6为本发明碟簧压缩机构结构中碟簧组无负载压缩状态图；

图7为本发明碟簧压缩机构结构中碟簧组受到冲击载荷压缩状态图；

图8为本发明缓冲控制方法流程图。

图中：1-伺服电机；2-减速器；3-可拆缸底；4-第一静密封圈；5-旋转密封圈；6-轴承；7-防撞块；8-无杆腔；9-丝杠；

10-螺母；101-连接段；102-套装段；103-限位段；104-防转槽；105-毛细管；106-压力油膜；

11-碟簧预压缩调节螺母；12-碟簧组；

13-连接滑套；131-销钉孔；

14-防转销钉；15-推杆；16-第一U型孔用密封圈；17-第一支撑环；18-第二U型孔用密封圈；19-有杆腔；20-缸筒；21-第二支撑环；22-轴用密封圈；23-防尘圈；24-第二静密封圈；25-缸盖；26-耳环；27-液压系统；28-第一溢流阀；29-第二溢流阀；30-换向阀；31-油箱；32-电动机；33-变量泵；34-第三溢流阀；35-控制器；36-力传感器；37-第一压力传感器；38-第二压力传感器；39-螺栓。

具体实施方式

如附图1所示，一种基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸，包括伺服电机1，减速器2，梯形丝杠副，碟簧压缩机构，推杆15，缸筒20，缸盖25，液压系统27。

梯形丝杠副包括相互配合的丝杠9和螺母10。梯形丝杠副也可替换为滚珠丝杠副或行星滚柱丝杠副中的任意一种。

伺服电机1通过减速器2与丝杠9连接，将伺服电机1的旋转运动通过减速增扭作用传递至丝杠9，丝杠9通过与螺母10之间的螺旋传动将其旋转运动转换为螺母10的直线运动。

碟簧压缩机构包括碟簧预压缩调节螺母11、碟簧组12和连接滑套13。碟簧组12在连接滑套13与碟簧预压缩调节螺母11之间。

如附图3所示，螺母10包括依次设置的连接段101、套装段102与限位段103。连接段101设置有轴向的防转槽104，限位段103设置有外螺纹。

如附图1、附图2所示，螺母10的连接段101外套装有连接滑套13，连接滑套13对应防转槽104的位置开有销钉孔131，防转销钉14贯穿连接滑套13的销钉孔131并插入螺母10的防转槽104中，防止螺母10在丝杠9的驱动下发生转动，同时保证连接滑套13与螺母10在轴向上的相对运动。

套装段102套装有碟簧组12，碟簧组12以螺母10为导轨沿螺母10轴线进行伸缩。碟簧组可以为多个碟簧片同向叠合组合形式，也可以为多对碟簧片的对合组合形式，也可以为附图1、6、7中多个碟簧片叠合后对合组成的复合组合形式。

螺母10的限位段103安装有碟簧预压缩调节螺母11。碟簧预压缩调节螺母11通过螺纹连接安装于螺母10的限位段103，螺母10的限位段103设置有安装碟簧预压缩调节螺母11的外螺纹，碟簧预压缩调节螺母11通过与限位段103外螺纹旋合圈数的调整对碟簧组12的预压缩量进行调节，进而调整该电动缸的运动控制刚度。

连接滑套13与推杆15通过螺栓39机械连接在一起，耳环26与推杆15通过螺纹旋合连接在一起，至此，耳环26、推杆15、连接滑套13固定连接在一起，共同构成电动缸的输出部件。推杆上安装有力传感器36，用于检测外负载力。

缸筒20与减速器2连接，缸筒20内侧安装有可拆缸底3，轴承6安装在可拆缸底3中，对丝杠9进行轴向限位与支撑。进一步地，为防止操作不当造成螺母10对轴承6的撞击，在可拆缸底3上安装一个防撞块7，防止螺母10过冲撞击到轴承6上，提高轴承安全性。具体结构为：可拆缸底3内端面中心部位连续开两个内径递减的圆槽，外侧内径较大的圆槽为防撞块安装槽，内径较小的圆槽为轴承安装槽，轴承6安装于轴承安装槽内，防撞块为环形结构，安装于防撞块安装槽内，防撞块7朝向螺母10一侧端面凸出于轴承6，从而起到防撞的目的。

进一步地，通过密封设计，缸筒20内部具有两个高压油液作用容腔：无杆腔8和有杆腔19，无杆腔8和有杆腔19被推杆15的活塞体分隔。具体为，可拆缸底3与缸筒20之间设有第一静密封圈4，丝杠9贯穿可拆缸底3的位置设有旋转密封圈5，进而实现无杆腔8与减速器2之间的密封；推杆15的活塞体与缸筒20之间设有第一U型孔用密封圈16、第二U型孔用密封圈18、及第一支撑环17，第一U型孔用密封圈16的开口朝向为无杆腔，第二U型孔用密封圈18的开口朝向为有杆腔，进而实现无杆腔与有杆腔的密封；推杆15与缸盖25之间设有第二支撑环21、轴用密封圈22、及防尘圈23；缸盖25与缸筒20之间设有第二静密封圈24。无杆腔出油口连接有第一压力传感器37，用于检测无杆腔压力。有杆腔出油口连接有第二压力传感器38，用于检测有杆腔压力。

基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸还包括控制器35，如附图4所示，控制器35端口分别连接伺服电机1控制其转速、连接换向阀30控制其换向、连接变量泵33控制其摆角、连接力传感器36接收推杆的负载力、连接第一压力传感器37接收无杆腔压力信号，连接第二压力传感器38接收有杆腔压力信号。

如附图5所示，螺母10内部设置有毛细管105，无杆腔8的高压油液通过毛细管105流入螺母10与丝杠9的啮合间隙形成压力油膜106，压力油膜106在螺母10与丝杠9之间形成动静压支撑，具有增润减摩和提高承载力的作用。

液压系统27包括电动机32，变量泵33，第一溢流阀28，第二溢流阀29，第三溢流阀34，换向阀30及油箱31，换向阀30的进油口P与变量泵33出油口连通，换向阀30的回油口T与油箱31连通，换向阀30的工作油口A和工作油口B分别与无杆腔8和有杆腔19连通，第一溢流阀28和第二溢流阀29的进油口分别与无杆腔8和有杆腔19连通，第一溢流阀28和第二溢流阀29的出油口与油箱31连通。

基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸在伺服电机1的运动控制作用下进行伸出运动时，换向阀30工作在左位，换向阀30的进油口P与工作油口A连通，回油口T与工作油口B连通，变量泵33输出的高压油液通过换向阀30与无杆腔8连通，通过高功率密度的液压能对伺服电机1的运动控制进行助力，克服部分外负载，实现小功率伺服电机驱动控制大功率负载精确运动。

如附图6、附图7所示，当外部负载突然增大时，推杆15处于失衡状态，推杆15在外部冲击载荷作用下通过连接滑套13向左侧压缩碟簧组12，梯形丝杠副、减速器2和伺服电机1的受力均随着碟簧组12的压缩量的增加而逐渐增加。同时，由于碟簧组12的压缩作用，推杆15左移，无杆腔8的容积减小，因此，无杆腔压力随之增大，以克服外部冲击载荷。因此，当基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸突然受到冲击载荷时，其冲击力并不会直接全部作用到薄弱部件梯形丝杠副、减速器2和伺服电机1上。

如附图8所示，基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸的缓冲控制方法，具体为，

S1: 当力传感器36检测到负载力突然变大时，即出现冲击载荷时，将检测到的负载力传输至控制器35；

S2: 碟簧组12被动压缩，无杆腔8容积减小，无杆腔油液压力增大，克服部分冲击载荷；

S3: 控制器35接收到负载力变大的信号后，主动调整变量泵33的摆角，提高变量泵33输出压力，无杆腔8油液压力增大，克服部分冲击载荷；

S4: 控制器35主动调整伺服电机1转速，降低冲击载荷下伺服电机1的进给速度；

S5: 当无杆腔8压力大于第一溢流阀28设定压力时，第一溢流阀28连通，无杆腔8通过第一溢流阀28与油箱31连通进行泄压，防止系统出现压力冲击现象；

S6: 当有杆腔19压力大于第二溢流阀29设定压力时，第二溢流阀29连通，有杆腔19通过第二溢流阀29与油箱31连通进行泄压，防止系统出现压力冲击现象。

步骤S2-S4同步执行，通过碟簧组12的压缩，液压系统27的压力增大，克服大部分的冲击载荷，剩余的冲击载荷通过碟簧组12的压缩逐步传递至梯形丝杠副，显著降低了冲击载荷对机械部件的影响，提高电动缸可靠性和使用寿命。

基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸在伺服电机1的运动控制作用下进行缩回运动过程中，当伺服电机1突然停机时，换向阀30回到中位。如附图6、附图7所示，在外部负载的大惯性作用下，推杆15将向左压缩碟簧组12，无杆腔8的有效容积减小，无杆腔8的压力增加，对推杆15的惯性缩回形成较大的阻抗作用。如附图1所示，当无杆腔8的压力大于第一溢流阀28的设定压力值时，第一溢流阀28与油箱31连通，防止由于无杆腔8内部压力过大而产生液压冲击现象。

本实施例中的液压系统对助力及缓冲均起到辅助作用，即使取消液压系统，本实施例依然具备电动缸的所有功能以及对于机械结构的缓冲保护功能。

Claims (9)

1.一种基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸，包括缸筒（20），相互配合的丝杠（9）和螺母（10），防转销钉（14），其特征在于：

所述螺母外部包括依次设置的连接段（101）、套装段（102）与限位段（103），所述连接段设置有防转槽（104），所述限位段设置有外螺纹；

所述连接段外套装有连接滑套（13），所述连接滑套对应防转槽的位置开有销钉孔（131），所述防转销钉贯穿连接滑套的销钉孔并插到螺母的防转槽中，防止螺母在丝杠的驱动下发生转动，同时保证连接滑套与螺母在轴向上的相对运动；

所述套装段套装有碟簧组（12），所述碟簧组以螺母为导轨沿螺母轴线进行压缩；

所述限位段安装有碟簧预压缩调节螺母（11），所述预压缩调节螺母通过所述限位段的外螺纹与所述螺母连接；所述碟簧预压缩调节螺母通过与螺母限位段外螺纹旋合圈数的调整对碟簧组的预压缩量进行调节，进而调整刚度；

所述连接滑套（13）与推杆（15）连接，所述推杆（15）的活塞体将缸筒分为无杆腔（8）与有杆腔（19）。

2.根据权利要求1所述的基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸，其特征在于：所述碟簧组为多个碟簧片同向叠合组合形式，或多组碟簧片的对合组合形式，或由多个碟簧片叠合后对合组成的复合组合形式。

3.根据权利要求1所述的基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸，其特征在于：所述丝杠和螺母为梯形丝杠副、滚珠丝杠副、行星滚柱丝杠副中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸，其特征是在于：还包括伺服电机（1），减速器（2），以及缸筒（20），所述缸筒内侧安装有可拆缸底（3），可拆缸底内端面中心部位连续开有两个内径递减的圆槽，内径较大的圆槽连接有防撞块（7），内径较小的圆槽安装有轴承（6），所述防撞块（7）朝向螺母（10）一侧端面凸出于轴承（6）。

5.根据权利要求1所述的基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸，其特征在于：推杆与缸筒之间设置有第一U型孔用密封圈（16）、第二U型孔用密封圈（18）、及第一支撑环（17），第一U型孔用密封圈的开口朝向为无杆腔，第二U型孔用密封圈的开口朝向为有杆腔；所述无杆腔出油口连接有第一压力传感器（37），用于检测无杆腔压力；所述有杆腔出油口连接有第二压力传感器（38），用于检测有杆腔压力。

6.根据权利要求5所述的基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸，其特征在于：所述螺母内部设置有毛细管（105），所述无杆腔内部的油液通过毛细管流入螺母与丝杠的啮合齿面之间，形成压力油膜（106）。

7.根据权利要求4所述的基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸，其特征在于：所述可拆缸底与缸筒之间设有第一静密封圈（4），丝杠贯穿可拆缸底的位置设有旋转密封圈（5）。

8.根据权利要求5所述的基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸，其特征在于：还包括液压系统（27），所述液压系统包括电动机（32），变量泵（33），第一溢流阀（28），第二溢流阀（29），第三溢流阀（34），换向阀（30）及油箱（31），换向阀的进油口P与变量泵出油口连通，换向阀的回油口T与油箱连通，换向阀的工作油口A和工作油口B分别与液压缓冲重载电动缸的无杆腔和有杆腔连通，第一溢流阀和第二溢流阀的进油口分别与无杆腔和有杆腔连通，第一溢流阀和第二溢流阀的出油口分别与油箱连通。

9.基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸的缓冲控制方法，采用如权利要求5、6、8中任意一项所述的基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸，其特征在于：基于碟簧压缩的液压缓冲重载电动缸还包括控制器（35），推杆上安装有力传感器（36），用于检测外负载力，控制器（35）端口分别连接伺服电机（1）控制其转速、连接换向阀（30）控制其换向、连接变量泵（33）控制其摆角、连接力传感器（36）接收推杆的负载力，具体为，

当所述力传感器检测到负载力突然变大时，即出现冲击载荷，此时将同时进行如下缓冲措施：

所述碟簧组被动压缩，无杆腔容积减小，无杆腔油液压力增大，克服部分冲击载荷；

所述控制器主动调整变量泵摆角，提高变量泵输出压力，无杆腔油液压力增大，克服部分冲击载荷；

所述控制器主动调整伺服电机转速，降低冲击载荷下伺服电机的进给速度；

当无杆腔压力大于第一溢流阀设定压力时，第一溢流阀连通，无杆腔通过第一溢流阀与油箱连通，防止系统出现压力冲击现象；

当有杆腔压力大于第二溢流阀设定压力时，第二溢流阀连通，有杆腔通过第二溢流阀与油箱连通，防止系统出现压力冲击现象。

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