CN1661244A

CN1661244A - 一种压电陶瓷伺服阀

Info

Publication number: CN1661244A
Application number: CN 200410004541
Authority: CN
Inventors: 焦宗夏; 李树立; 王少萍
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2024-02-23
Also published as: CN100406750C

Abstract

本发明属于液压伺服控制技术，涉及对压电陶瓷直接驱动伺服阀的改进。它包括一个带有滑阀阀芯、压电陶瓷驱动器和位移传感器的伺服阀，其特征在于，通过由铰链座和悬臂组成的杠杆将压电陶瓷驱动器的位移放大后驱动阀芯运动。本发明压电陶瓷伺服阀与没有进行位移放大的压电陶瓷直接驱动伺服阀相比，其输出流量大。

Description

一种压电陶瓷伺服阀

技术领域

本发明属于液压伺服控制技术，涉及对压电陶瓷直接驱动伺服阀的改进。

背景技术

目前，电液伺服控制系统应用领域的越来越宽，对电液伺服阀提出了某些特殊的技术要求：高频响，高可靠性，抗油液污染、结构简单、使用和维护方便以及成本低廉等，而传统的电液伺服阀已经难以达到这些要求，因此研制开发新型的电液伺服阀成为流体传动控制领域发展的一大难题。随着基于新型功能材料的驱动器的研制开发，机械制造、设计技术和微电子技术的发展，许多由基于新型功能材料的驱动器直接驱动的电液伺服阀便应运而生。它们的研制大大丰富了伺服阀的应用范围，满足了某些特殊领域的技术要求。图1是一种压电陶瓷直接驱动的电液伺服阀的原理图(张永杲，电液伺服的最新成果——压电元件驱动的超高速电液伺服阀，中国机械工程，1992年第4期，第11-12页)。图2是一种位移放大机构原理图(张赟，液压伺服阀的压电/电致伸缩驱动控制研究，西安交通大学硕士学位论文，第38页)。压电陶瓷驱动器，由于具有体积小、推力大、精度及位移分辨率高和频响高等优点，并且不发热，不产生噪声，已在直接驱动的伺服阀中有所应用。但是，图1原理结构的缺点是：由于压电陶瓷驱动器直接驱动阀芯运动，伺服阀阀芯位移小，因此，伺服阀输出流量小；图2虽提出一种滑阀阀芯位移放大机构，但没有说对阀芯位移采用双边放大还是单边放大，而且没有提出采用位移传感器对阀芯位移进行控制。

发明内容

本发明的目的是：提供一种阀芯位移大、输出流量大、而且输出流量可控的压电陶瓷直接驱动电液伺服阀。

本发明的技术方案是：一种压电陶瓷伺服阀，包括一个由左端盖10、阀座12和右端盖25组成的壳体，阀座12上有贯通的阀腔，阀腔内有滑阀阀芯13，左端盖10封盖阀腔的左端面，在左端盖10与阀腔的左端面之间有密封圈11，右端盖25封盖阀腔的右端面，在右端盖25与阀腔的右端面之间有密封圈15，在左端盖10和右端盖25上有与阀腔轴线同轴的孔，阀芯13的左、右端头分别从左端盖10和右端盖25上的孔伸出，在阀座12上有与阀腔连通的阀孔23；有同轴安装的驱动阀芯13运动的左压电陶瓷堆4和结构相同的右压电陶瓷堆19；有一个测量阀芯13位移量的位移传感器1，其特征在于，

(1)有一个左驱动壳体5和一个结构相同的右驱动壳体20，每个驱动壳体都由连接腔和安装腔组成，左、右驱动壳体的连接腔分别与阀座12的左、右端面连接，左、右压电陶瓷堆分别安装在，左、右驱动壳体的安装腔内并保持同轴，同时，左、右驱动壳体的轴线与阀芯13的轴线平行并隔开；

(2)在左驱动壳体5的连接腔内有一个由左铰链座9、左悬臂24组成的左杠杆，左铰链座9固定在阀座12的左端面上，左铰链座9与左悬臂24通过柔性铰链连接，有一个左推杆8，它的一端位于驱动壳体左安装腔内，顶住左压电陶瓷堆4的内端面，其另一端穿过驱动壳体连接腔和安装腔之间的隔板上的孔进入左连接腔，顶住左悬臂24的上端，左悬臂24的下端顶住阀芯13的左端头；在右驱动壳体20的连接腔内有一个由右铰链座14、右悬臂22组成的右杠杆，右铰链座14右柔性铰链14固定在阀座12的右端面上，右铰链座14与左悬臂22通过柔性铰链连接，有一个右推杆16，它的一端位于驱动壳体右安装腔内，顶住右压电陶瓷堆19的内端面，其另一端穿过驱动壳体连接腔和安装腔之间的隔板上的孔进入右连接腔，顶住右悬臂22的上端，右悬臂22的下端顶住阀芯13的右端头；

(3)在左或右驱动壳体上有夹持机构3，位移传感器1由该夹持机构3固定并与阀芯13保持同轴，位移传感器1的测量头穿过左或右驱动壳体上相应的孔进入左或右连接腔，顶住左或右悬臂的下端。

本发明的优点是：和具有同样的压电陶瓷驱动器而没有进行位移放大的压电陶瓷伺服阀相比，该阀输出流量大。而且，由于阀芯两边都采用带柔性铰链的杠杆对位移进行放大，避免了采用其它位移放大机构存在的摩擦和间隙。

附图说明

图1是现有的一种压电陶瓷直接驱动的电液伺服阀的原理图。图1中1是位移传感器，4是左压电陶瓷堆，12是阀座，13是阀芯，19是右压电陶瓷堆。

图2是现有的位移放大机构原理图。图2中1是柔性铰链放大杆，2是压电/电致伸缩器件，3是可调螺钉，4是基座。

图3是本发明的结构示意图。在图3中，1是位移传感器，2是左调节螺钉，3是夹持机构，4是左压电陶瓷堆，5是左驱动壳体，6是左垫片，7是左钢珠，8是左推杆，9是左铰链座，10是左端盖，11是密封圈，12是阀座，13是阀芯，14是右铰链座，15是密封圈，16是右推杆，17是右钢珠，18是右垫片，19是右压电陶瓷堆，20是右驱动壳体，21是右调节螺钉，22是右悬臂，23是阀孔，24是左悬臂，25是右端盖。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。参见图3，本发明压电陶瓷伺服阀，包括一个由左端盖10、阀座12和右端盖25组成的壳体。阀座12上有贯通的阀腔，阀腔内有滑阀阀芯13。左端盖10封盖阀腔的左端面，在左端盖10与阀腔的左端面之间有密封圈11。右端盖25封盖阀腔的右端面，在右端盖25与阀腔的右端面之间有密封圈15。在左端盖10和右端盖25上有与阀腔轴线同轴的孔，阀芯13的左、右端头分别从左端盖10和右端盖25上的孔伸出。在阀座12上有与阀腔连通的阀孔23。有两个同轴安装的驱动阀芯13运动的左压电陶瓷堆4和结构相同的右压电陶瓷堆19。有一个测量阀芯13位移量的位移传感器1，其特征在于：

1、有一个左驱动壳体5和一个结构相同的右驱动壳体20，每个驱动壳体都由连接腔和安装腔组成，左、右驱动壳体的连接腔分别与阀座12的左、右端面连接。在图3的实施例中，左、右驱动壳体连接腔的内轮廓与阀座12左、右端面的轮廓相同并且相互配合，阀座12的左、右端面插入左、右驱动壳体连接腔内并通过螺栓与左驱动壳体5和右驱动壳体20牢固连接。左、右压电陶瓷堆分别安装在，左、右驱动壳体的安装腔内并保持同轴，同时，左、右驱动壳体的轴线与阀芯13的轴线平行并隔开一定距离。为了便于固定并调整压电陶瓷堆，左驱动壳体5和右驱动壳体20的安装腔的外端有内螺纹，左调节螺钉2拧在左驱动壳体5安装腔的外端，右调节螺钉21拧在右驱动壳体20安装腔的外端。左右调节螺钉分别顶住左、右压电陶瓷堆的外端面。

2、在左驱动壳体5的连接腔内有一个由左铰链座9、左悬臂24组成的左杠杆，左铰链座9固定在阀座12的左端面上，左铰链座9与左悬臂24通过柔性铰链连接。柔性铰链有多种结构，例如图3中采用一体加工的柔性铰链，在柔韧性很好的材料上从两侧向中心切割凹槽，仅保留厚度很小的连接部分，形成柔性铰链。其上面是铰链座，下面是悬臂，构成杠杆。悬臂的长度根据左、右压电陶瓷堆的轴线和阀芯13轴线之间的距离确定。必须保证悬臂的下端能顶住阀芯13的端头。同时，也要考虑所需要的位移放大量，悬臂越长，位移放大量越大，当然所需要的驱动力也越大。为了传递压电陶瓷堆的驱动力，有一个左推杆8，它的一端位于驱动壳体左安装腔内，顶住左压电陶瓷堆4的内端面。其另一端穿过驱动壳体连接腔和安装腔之间的隔板上的孔进入左连接腔，顶住左悬臂24的上端。左悬臂24的下端顶住阀芯13的左端头。在右驱动壳体20的连接腔内有一个由右铰链座14、右悬臂22组成的右杠杆，右铰链座14固定在阀座12的右端面上，右铰链座14与右悬臂22通过柔性铰链连接。有一个右推杆16，它的一端位于驱动壳体右安装腔内，顶住右压电陶瓷堆19的内端面，其另一端穿过驱动壳体连接腔和安装腔之间的隔板上的孔进入右连接腔，顶住右悬臂22的上端。右悬臂22的下端顶住阀芯13的右端头。

3、在左或右驱动壳体上有夹持机构3，位移传感器1由该夹持机构3固定并与阀芯13保持同轴。位移传感器1的测量头穿过左或右驱动壳体上相应的孔进入左或右连接腔，顶住左或右悬臂的下端。位移传感器1测量阀芯13的位移量，以便通过反馈对阀芯13的位移进行精确闭环控制。

本发明的工作原理是：伺服阀开始工作前，先对左、右压电陶瓷堆同时加上+100V的偏置电压。工作时，对左、右压电陶瓷堆分别加等幅的正向电压和反向电压，则压电陶瓷堆一边伸长，同时另一边缩短，通过推杆将位移传递给悬臂，悬臂绕柔性铰链摆动，将左、右压电陶瓷堆的位移量放大后直接驱动伺服阀阀芯13移动。位移传感器1感受阀芯13的运动，通过反馈回路可精确定位阀口的开度x值，以保证伺服阀稳定的工作状态。为了提高左右推杆运动时的对中度和压电陶瓷堆受力的均匀性，在所说的左压电陶瓷堆4和左推杆8之间有左垫片6和左钢珠7，左垫片6与左压电陶瓷堆4的内端面牢固粘接，左钢珠7位于左垫片6和左推杆8端面的凹槽内；在所说的右压电陶瓷堆19和右推杆16之间有右垫片18和右钢珠17，右垫片18与右压电陶瓷堆19的内端面牢固粘接，右钢珠17位于右垫片18和右推杆16端面的凹槽内。

本发明伺服阀，由于两端都采用了柔性铰链对推杆位移进行了放大，克服了采用杠杆机构、齿轮机构或凸轮机构进行位移放大导致的摩擦和间隙，也克服了采用液压机构进行位移放大需要附加装置的麻烦，增大了阀芯位移，因此，提高了伺服阀的额定流量。而且由于采用了位移传感器，改善了伺服阀的控制效果。

Claims

1、一种压电陶瓷伺服阀，包括一个由左端盖[10]、阀座[12]和右端盖[25]组成的壳体，阀座[12]上有贯通的阀腔，阀腔内有滑阀阀芯[13]，左端盖[10]封盖阀腔的左端面，在左端盖[10]与阀腔的左端面之间有密封圈[11]，右端盖[25]封盖阀腔的右端面，在右端盖[25]与阀腔的右端面之间有密封圈[15]，在左端盖[10]和右端盖[25]上有与阀腔轴线同轴的孔，阀芯[13]的左、右端头分别从左端盖[10]和右端盖[25]上的孔伸出，在阀座[12]上有与阀腔连通的阀孔[23]；有同轴安装的驱动阀芯[13]运动的左压电陶瓷堆[4]和结构相同的右压电陶瓷堆[19]；有一个测量阀芯[13]位移量的位移传感器[1]，其特征在于，

(1)有一个左驱动壳体[5]和一个结构相同的右驱动壳体[20]，每个驱动壳体都由连接腔和安装腔组成，左、右驱动壳体的连接腔分别与阀座[12]的左、右端面连接，左、右压电陶瓷堆分别安装在，左、右驱动壳体的安装腔内并保持同轴，同时，左、右驱动壳体的轴线与阀芯[13]的轴线平行并隔开；

(2)在左驱动壳体[5]的连接腔内有一个由左铰链座[9]、左悬臂[24]组成的左杠杆，左铰链座[9]固定在阀座[12]的左端面上，左铰链座[9]与左悬臂[24]通过柔性铰链连接，有一个左推杆[8]，它的一端位于驱动壳体左安装腔内，顶住左压电陶瓷堆[4]的内端面，其另一端穿过驱动壳体连接腔和安装腔之间的隔板上的孔进入左连接腔，顶住左悬臂[24]的上端，左悬臂[24]的下端顶住阀芯[13]的左端头；在右驱动壳体[20]的连接腔内有一个由右铰链座[14]、右悬臂[22]组成的右杠杆，右铰链座[14]固定在阀座[12]的右端面上，右铰链座[14]与左悬臂[22]通过柔性铰链连接，有一个左推杆[16]，它的一端位于驱动壳体右安装腔内，顶住右压电陶瓷堆[19]的内端面，其另一端穿过驱动壳体连接腔和安装腔之间的隔板上的孔进入右连接腔，顶住右悬臂[22]的上端，右悬臂[22]的下端顶住阀芯[13]的右端头；

(3)在左或右驱动壳体上有夹持机构[3]，位移传感器[1]由该夹持机构[3]固定并与阀芯[13]保持同轴，位移传感器[1]的测量头穿过左或右驱动壳体上相应的孔进入左或右连接腔，顶住左或右悬臂的下端。

2、根据权利要求1所述的压电陶瓷伺服阀，其特征在于，在所说的左压电陶瓷堆[4]和左推杆[8]之间有左垫片[6]和左钢珠[7]，左垫片[6]与左压电陶瓷堆[4]的内端面牢固粘接，左钢珠[7]位于左垫片[6]和左推杆[8]端面的凹槽内；在所说的右压电陶瓷堆[19]和右推杆[16]之间有右垫片[18]和右钢珠[17]，右垫片[18]与右压电陶瓷堆[19]的内端面牢固粘接，右钢珠[17]位于右垫片[18]和右推杆[16]端面的凹槽内。

3、根据权利要求1或2所述的压电陶瓷伺服阀，其特征在于，左驱动壳体[5]和右驱动壳体[20]的安装腔的外端有内螺纹，左调节螺钉[2]拧在左驱动壳体[5]安装腔的外端，右调节螺钉[21]拧在右驱动壳体[20]安装腔的外端。