專利名稱：一種自驅(qū)動(dòng)的精密步進(jìn)式液壓動(dòng)力裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于液壓驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自驅(qū)動(dòng)的精密步進(jìn)式液壓動(dòng)力裝置，用于精密驅(qū)動(dòng)、定位及振動(dòng)控制。
背景技術(shù)：
液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)具有高能量密度、低噪音、無(wú)沖擊等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防工業(yè)的各個(gè)行業(yè)已成功應(yīng)用多年。傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)通常都是由尺寸較大的電動(dòng)機(jī)和機(jī)械式液壓泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，并通過(guò)換向閥、溢流閥、減壓閥、節(jié)流閥及調(diào)速閥等多類型閥的聯(lián)合作業(yè)實(shí)現(xiàn)液壓缸輸出力、速度及位置等的有效控 制，因此，其體積龐大、結(jié)構(gòu)連接及控制比較復(fù)雜，應(yīng)用上具有很大的局限性無(wú)法用于航空航天、行走機(jī)器人等微小系統(tǒng)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)；同時(shí)，由于現(xiàn)有液壓動(dòng)力系統(tǒng)采用種類繁多的液壓閥進(jìn)行聯(lián)合控制，也難以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力、速度及位置的精確控制與調(diào)節(jié)，也無(wú)法用于精密機(jī)械加工與裝配、精密測(cè)量、精密光學(xué)驅(qū)動(dòng)等要求驅(qū)動(dòng)、定位及控制精度高的領(lǐng)域。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有液壓動(dòng)力系統(tǒng)在精密驅(qū)動(dòng)與控制領(lǐng)域應(yīng)用的局限性，本實(shí)用新型提出一種自驅(qū)動(dòng)的精密步進(jìn)式液壓動(dòng)力裝置，作為獨(dú)立部件用于要求控制精度高、使用空間受限的航空航天、機(jī)器人、及精密加工等領(lǐng)域。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是缸體兩端通過(guò)螺釘安裝有缸蓋，缸體的內(nèi)腔中安裝有雙頭活塞，所述活塞將缸體內(nèi)腔分成第一缸腔和第二缸腔；缸體外壁上通過(guò)螺釘安裝有第一泵蓋和第二泵蓋；所述缸體外壁上設(shè)有兩組數(shù)量為2-20個(gè)的泵腔，所述的同一組中相鄰兩泵腔之間通過(guò)缸體上的腔間流道串聯(lián)；所述第一泵蓋和第二泵蓋上各設(shè)有一組數(shù)量為2-20個(gè)的泵腔，所述同一泵蓋上相鄰兩泵腔之間通過(guò)其所在泵蓋上的腔間流道串聯(lián)；所述缸體上第一組串聯(lián)泵腔和第一泵蓋上的串聯(lián)泵腔之間通過(guò)密封圈壓接有壓電振子，構(gòu)成第一驅(qū)動(dòng)單元；缸體上第二組串聯(lián)泵腔和第二泵蓋上的串聯(lián)泵腔之間通過(guò)密封圈壓接有壓電振子，構(gòu)成第二驅(qū)動(dòng)單元；在所述各泵腔內(nèi)、以及第一泵蓋及第二泵蓋上的閥腔內(nèi)均設(shè)有一個(gè)薄膜閥片；第一驅(qū)動(dòng)單元中缸體上的串聯(lián)泵腔的出口和第一泵蓋上串聯(lián)泵腔的出口經(jīng)第一泵蓋上的閥腔連通后再與缸體的第一缸腔連通，所述兩組串聯(lián)泵腔的進(jìn)口與第一蓄能器連通，第一蓄能器再經(jīng)第一開(kāi)關(guān)閥及缸體上的第一通孔與第二缸腔連接；同樣地，所述第二驅(qū)動(dòng)單元的兩組串聯(lián)泵腔的出口經(jīng)第二泵蓋上的閥腔連通后再與第二缸腔連通，所述兩組串聯(lián)泵腔的進(jìn)口連通后再經(jīng)管路與第二蓄能器連通，第二蓄能器再經(jīng)第二開(kāi)關(guān)閥及缸體上的第二通孔與第一缸腔連接。本實(shí)用新型所述的第一驅(qū)動(dòng)單元和第二驅(qū)動(dòng)單元不同時(shí)工作；工作時(shí)，同一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元中相鄰兩個(gè)泵腔中壓電振子驅(qū)動(dòng)電壓的相位差為180度，壓電振子彎曲變形方向相反。本實(shí)用新型中，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的作用是提供流體驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)流體的循環(huán)及活塞的驅(qū)動(dòng)與控制；開(kāi)關(guān)閥的作用是控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元與兩個(gè)缸腔間的通斷；蓄能器的作用是提高流體的剛度和活塞的響應(yīng)速度。在非工作狀態(tài)下，第一開(kāi)關(guān)閥和第二開(kāi)關(guān)閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，第一蓄能器和第二蓄能器的的預(yù)置壓力相等，壓電振子兩側(cè)流體壓力相等、不產(chǎn)生彎曲變形，活塞靜止不動(dòng)。第一驅(qū)動(dòng)單元工作時(shí)，第一開(kāi)關(guān)閥接通，第一驅(qū)動(dòng)單元中兩組串聯(lián)泵腔的進(jìn)口經(jīng)第一開(kāi)關(guān)閥及缸體上的第一通孔與第二缸腔連通；當(dāng)壓電振子受電壓作用產(chǎn)生往復(fù)彎曲變形時(shí)，所述兩組串聯(lián)泵腔內(nèi)的流體壓力交替地增加或減小，其結(jié)果是向第一缸腔排入流體、從第二缸腔吸入流體，從而推動(dòng)活塞向使第一缸腔容積增加的方向運(yùn)動(dòng)。第二驅(qū)動(dòng)單元工作時(shí)，第二開(kāi)關(guān)閥開(kāi)啟，第二驅(qū)動(dòng)單元中兩組串聯(lián)泵腔的進(jìn)口經(jīng)第二開(kāi)關(guān)閥及缸體上的第二通孔與第一缸腔連通；當(dāng)壓電振子受電壓作用產(chǎn)生往復(fù)彎曲變形時(shí)，所述兩組串聯(lián)泵腔內(nèi)的流體壓力交替地增加或減小，其結(jié)果是向第二缸腔排入流體、從第一缸腔吸入流體，從而推動(dòng)活塞向使第一缸腔容積減小的方向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)本實(shí)用新型所述液壓動(dòng)力裝置的工作原理，活塞的最大運(yùn)動(dòng)速度為
V= UOi7vVGAiyM、最大進(jìn)給步長(zhǎng)為=最大驅(qū)動(dòng)力為F = nFnpS，其中ην和1為與壓電振子結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)、蓄能器壓力、流體特性等有關(guān)的系數(shù)，AV為壓電振子變形所引起的泵腔容積變化量，P為壓電振子受電壓作用時(shí)所產(chǎn)生的最大流體驅(qū)動(dòng)壓力，η為壓電振子數(shù)量，S為活塞的有效截面積。本實(shí)用新型特色及優(yōu)勢(shì)在于①利用薄片型壓電振子的彎曲變形驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞，無(wú)需電機(jī)、機(jī)械式液壓泵及油箱等附件，故體積小、集成度高、密封性好，可作為獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)部件應(yīng)用；②通過(guò)壓電振子的驅(qū)動(dòng)電壓即可實(shí)現(xiàn)力、速度及位置精度的控制與調(diào)節(jié)，控制元件少、方法簡(jiǎn)單；③壓電振子雙側(cè)驅(qū)動(dòng)流體，系統(tǒng)背壓不會(huì)引起壓電振子損壞、亦不會(huì)成為壓電振子的負(fù)載，故可靠性及能量效率高；④同一驅(qū)動(dòng)單元中兩組串聯(lián)泵腔在工作時(shí)一推、一拉，可有效防止活塞爬行，且比單測(cè)串聯(lián)泵腔驅(qū)動(dòng)時(shí)的速度提高一倍、步進(jìn)脈動(dòng)降低50%，工作介質(zhì)可為氣體或液體；⑤可通過(guò)一次循環(huán)一個(gè)液滴的方法實(shí)現(xiàn)精密的數(shù)字式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)與定位控制。

圖I是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)及其剖面示意圖；圖2是圖I的A-A向視圖；圖3是圖I的B向視圖；圖4是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例第一驅(qū)動(dòng)單元工作時(shí)前半周期的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；圖5是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例第一驅(qū)動(dòng)單元工作時(shí)后半周期的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；圖6是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例第二驅(qū)動(dòng)單元工作時(shí)前半周期的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；圖7是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例第二驅(qū)動(dòng)單元工作時(shí)后半周期的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；具體實(shí)施方式
缸體I兩端通過(guò)螺釘安裝有缸蓋2和2’，缸體I的內(nèi)腔中安裝有雙頭活塞3，所述活塞3將缸體I的內(nèi)腔分成第一及第二缸腔；缸體I外壁上通過(guò)螺釘安裝有第一泵蓋4和第二泵蓋4’ ；所述缸體I外壁上設(shè)有兩組數(shù)量為2-20個(gè)的泵腔，所述的同一組中相鄰的兩個(gè)泵腔之間通過(guò)缸體I上的腔間流道串聯(lián)；所述第一泵蓋4和第二泵蓋4’上各設(shè)有一組數(shù)量為2-20個(gè)泵腔，所述同一泵蓋上相鄰兩泵腔之間通過(guò)其所在泵蓋上的腔間流道串聯(lián)；所述缸體I上第一組串聯(lián)泵腔和第一泵蓋4上的串聯(lián)泵腔之間通過(guò)密封圈5壓接有壓電振子6，構(gòu)成第一驅(qū)動(dòng)單元I ;缸體I上第二組串聯(lián)泵腔和第二泵蓋4’上的串聯(lián)泵腔之間通過(guò)密封圈壓接有壓電振子6，構(gòu)成第二驅(qū)動(dòng)單元II ;在所述各泵腔內(nèi)、以及第一泵蓋4及第二泵蓋4’上的閥腔內(nèi)均設(shè)有一個(gè)薄膜閥片7 ;第一驅(qū)動(dòng)單元I中缸體I上的串聯(lián)泵腔的出口和
第一泵蓋4上串聯(lián)泵腔的出口經(jīng)第一泵蓋4上的閥腔連通后再與缸體I的第一缸腔連通，所述兩組串聯(lián)泵腔的進(jìn)口與第一蓄能器9連通，第一蓄能器9再經(jīng)第一開(kāi)關(guān)閥8及缸體I上的第一通孔與第二缸腔連接；同樣地，所述第二驅(qū)動(dòng)單元II的兩組串聯(lián)泵腔的出口經(jīng)第二泵蓋4’上的閥腔連通后再與第二缸腔連通，所述兩組串聯(lián)泵腔的進(jìn)口連通后再經(jīng)管路與第二蓄能器9’連通，第二蓄能器9’再經(jīng)第二開(kāi)關(guān)閥8，及缸體上的第二通孔與第一缸腔連接。本實(shí)用新型所述的第一驅(qū)動(dòng)單元和第二驅(qū)動(dòng)單元不同時(shí)工作；工作時(shí)，同一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元中相鄰兩個(gè)泵腔中壓電振子驅(qū)動(dòng)電壓的相位差為180度，壓電振子彎曲變形方向相反。如圖I、圖2、和圖3所示，缸體I的兩端通過(guò)螺釘安裝有缸蓋2和缸蓋2’，缸體I的內(nèi)腔中安裝有雙頭活塞3，所述活塞3將所述缸體I的內(nèi)腔分成第一缸腔Cl和第二缸腔C2 ;缸體I的外壁上通過(guò)螺釘安裝有第一泵蓋4和第二泵蓋4’ ；所述缸體I外壁上設(shè)有兩組數(shù)量為2-20個(gè)的泵腔102和泵腔102’，所述相鄰的兩個(gè)泵腔102之間、兩個(gè)泵腔102’之間分別通過(guò)缸體I上的腔間流道103和103’串聯(lián)；所述第一泵蓋4和第二泵蓋4’上各設(shè)有一組數(shù)量為2-20個(gè)的泵腔402和泵腔402’，所述第一泵蓋4及第二泵蓋4’上相鄰的兩個(gè)泵腔402之間、兩個(gè)泵腔402’之間分別通過(guò)第一泵蓋4和第二泵蓋4’上的腔間流道103和103’串聯(lián)；所述缸體I上的第一組串聯(lián)泵腔102和第一泵蓋4上的串聯(lián)泵腔402之間通過(guò)密封圈5壓接有壓電振子6，構(gòu)成第一驅(qū)動(dòng)單元I ;缸體I上的第二組串聯(lián)泵腔102’和第二泵蓋4’上的串聯(lián)泵腔402’之間通過(guò)密封圈5壓接有壓電振子6，構(gòu)成第二驅(qū)動(dòng)單元II ；在所述各個(gè)泵腔102、102’、402及402’內(nèi)，第一泵蓋4上的閥腔405內(nèi)，以及第二泵蓋4’上的閥腔405’內(nèi)均設(shè)有一個(gè)薄膜閥片7 ;第一驅(qū)動(dòng)單元I中缸體I上的串聯(lián)泵腔102的出口 101和第一泵蓋4上串聯(lián)泵腔402的出口 401經(jīng)第一泵蓋4上的閥腔405連通后再與缸體I的第一缸腔Cl連通，所述兩組串聯(lián)泵腔的進(jìn)口 104和404與第一蓄能器9連通，第一蓄能器9再經(jīng)第一開(kāi)關(guān)閥8及缸體I上的第一通孔105與第二缸腔C2連接；同樣地，所述第二驅(qū)動(dòng)單元II的兩組串聯(lián)泵腔的出口 101’和出口 401’經(jīng)第二泵蓋4’上的閥腔405’連通后再與缸體I上的第二缸腔C2連通，所述兩組串聯(lián)泵腔的進(jìn)口 104’和進(jìn)口 404’連通后再經(jīng)管路與第二蓄能器9’連通，第二蓄能器9’再經(jīng)第二開(kāi)關(guān)閥8，及缸體I上的第二個(gè)通孔105’與第一缸腔Cl連接。如圖I所示，在非工作狀態(tài)下，第一開(kāi)關(guān)閥8和第二開(kāi)關(guān)閥8’均處于關(guān)閉狀態(tài)，第一蓄能器9和第二蓄能器9’的預(yù)置壓力相等，壓電振子6兩側(cè)流體壓力、不產(chǎn)生彎曲變形，活塞3靜止不動(dòng)。如圖4、圖5所示，第一驅(qū)動(dòng)單元I工作時(shí)，第一開(kāi)關(guān)閥8開(kāi)啟，第一驅(qū)動(dòng)單元I中串聯(lián)泵腔102的進(jìn)口 104和串聯(lián)泵腔402的進(jìn)口 404經(jīng)第一開(kāi)關(guān)閥8及缸體I上的第一通孔105與第二缸腔C2連通；當(dāng)壓電振子6受電壓作用產(chǎn)生往復(fù)彎曲變形時(shí)，串聯(lián)泵腔102和串聯(lián)泵腔402內(nèi)的流體壓力交替地增加或減小，其結(jié)果是向第一缸腔排入流體、從第二缸腔吸入流體，從而推動(dòng)活塞3向使第一缸腔Cl容積增加的方向運(yùn)動(dòng)。對(duì)于圖4所示的前半周期，缸體I上靠近出口 101的泵腔102輸出流體至第一缸體腔Cl，第一泵蓋4上靠近進(jìn)口 404的泵腔402從第二缸腔C2內(nèi)吸入流體，活塞3運(yùn)動(dòng)一步；對(duì)于圖5所示的后半周期，第一泵蓋4上靠近出口 401的泵腔402輸出流體至第一缸體腔Cl，缸體I上靠近進(jìn)口 104的泵腔102從第二缸腔C2內(nèi)吸入流體，活塞3再運(yùn)動(dòng)一步。如圖6、圖7所示，第二驅(qū)動(dòng)單元II工作時(shí)，第一開(kāi)關(guān)閥8’開(kāi)啟，第二驅(qū)動(dòng)單元II中串聯(lián)泵腔102’的進(jìn)口 104’和串聯(lián)泵腔402’的進(jìn)口 404’經(jīng)第二開(kāi)關(guān)閥8’及缸體I上的第二通孔105’與第一缸腔Cl連通；當(dāng)壓電振子6受電壓作用產(chǎn)生往復(fù)彎曲變形時(shí)，串聯(lián)泵腔102’和串聯(lián)402’內(nèi)的流體壓力交替地增加或減小，其結(jié)果是向第二缸腔排入流體、從第一缸腔吸入流體，從而推動(dòng)活塞3向使第一缸腔Cl容積減小的方向運(yùn)動(dòng)。對(duì)于圖6所示的前半周期，缸體I上靠近出口 101’的泵腔102’輸出流體至第二缸體腔C2，第二泵蓋4’上靠近進(jìn)口 404’的泵腔402’從第一缸腔Cl內(nèi)吸入流體，活塞3運(yùn)動(dòng)一步；對(duì)于圖7所示的后半周期，第二泵蓋4’上靠近出口 401’的泵腔402’輸出流體至第二缸體腔C2，缸體I上靠近進(jìn)口 104’的泵腔102’從第一缸腔Cl內(nèi)吸入流體，活塞3再運(yùn)動(dòng)一步。根據(jù)本實(shí)用新型所述液壓動(dòng)力裝置的工作原理，活塞3的最大運(yùn)動(dòng)速度為v = 〗20 ;v^APf/7S、最大進(jìn)給步長(zhǎng)為最大驅(qū)動(dòng)力為F = nFnpS，其中ην和1為與壓電振子結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)、蓄能器壓力、流體特性等有關(guān)的系數(shù)，AV為壓電振子變形所引起的泵腔容積變化量，P為壓電振子受電壓作用時(shí)所產(chǎn)生的最大流體驅(qū)動(dòng)壓力，η為壓電振子數(shù)量，S為活塞的有效截面積。
權(quán)利要求1.一種自驅(qū)動(dòng)的精密步進(jìn)式液壓動(dòng)力裝置，其特征在于缸體兩端通過(guò)螺釘安裝有缸蓋，缸體的內(nèi)腔中安裝有雙頭活塞，所述活塞將缸體內(nèi)腔分成第一缸腔和第二缸腔；缸體外壁上通過(guò)螺釘安裝有第一泵蓋和第二泵蓋；所述缸體外壁上設(shè)有兩組數(shù)量為2-20個(gè)的泵腔，所述的同一組中相鄰兩泵腔之間通過(guò)缸體上的腔間流道串聯(lián)；所述第一泵蓋和第二泵蓋上各設(shè)有一組數(shù)量為2-20個(gè)的泵腔，所述同一泵蓋上相鄰兩泵腔之間通過(guò)其所在泵蓋上的腔間流道串聯(lián)；所述缸體上第一組串聯(lián)泵腔和第一泵蓋上的串聯(lián)泵腔之間通過(guò)密封圈壓接有壓電振子，構(gòu)成第一驅(qū)動(dòng)單元；缸體上第二組串聯(lián)泵腔和第二泵蓋上的串聯(lián)泵腔之間通過(guò)密封圈壓接有壓電振子，構(gòu)成第二驅(qū)動(dòng)單元；在所述各泵腔內(nèi)、以及第一泵蓋及第二泵蓋上的閥腔內(nèi)均設(shè)有一個(gè)薄膜閥片；第一驅(qū)動(dòng)單元中缸體上的串聯(lián)泵腔的出口和第一泵蓋上串聯(lián)泵腔的出口經(jīng)第一泵蓋上的閥腔連通后再與缸體的第一缸腔連通，所述兩組串聯(lián)泵腔的進(jìn)口與第一蓄能器連通，第一蓄能器再經(jīng)第一開(kāi)關(guān)閥及缸體上的第一通孔與第二缸腔連接；同樣地，所述第二驅(qū)動(dòng)單元的兩組串聯(lián)泵腔的出口經(jīng)第二泵蓋上的閥腔連通后再與第二缸腔連通，所述兩組串聯(lián)泵腔的進(jìn)口連通后再經(jīng)管路與第二蓄能器連通，第二蓄能器再經(jīng)第二開(kāi)關(guān)閥及缸體上的第二通孔與第一缸腔連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種自驅(qū)動(dòng)的精密步進(jìn)式液壓動(dòng)力裝置，其特征在于第一驅(qū)動(dòng)單元和第二驅(qū)動(dòng)單元不同時(shí)工作；工作時(shí)，同一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元中相鄰兩個(gè)泵腔中壓電振子驅(qū)動(dòng)電壓的相位差為180度，壓電振子彎曲變形方向相反。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種自驅(qū)動(dòng)的精密步進(jìn)式液壓動(dòng)力裝置，屬于液壓驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)領(lǐng)域。缸體兩端通過(guò)螺釘安裝有缸蓋，缸體內(nèi)部安裝有雙頭活塞、并將缸體腔分成第一和第二缸腔；第一、第二泵蓋與缸體的泵腔間分別壓接有2-20個(gè)壓電振子，構(gòu)成第一、第二驅(qū)動(dòng)單元；在所述各泵腔內(nèi)、以及第一及第二泵蓋上的閥腔內(nèi)均設(shè)有一個(gè)薄膜閥片；第一驅(qū)動(dòng)單元的出口與第一缸腔連通，進(jìn)口與第一蓄能器連通后再經(jīng)第一開(kāi)關(guān)閥與第二缸腔連接；同樣地，第二驅(qū)動(dòng)單元出口與第二缸腔連通，進(jìn)口與第二蓄能器連通后再經(jīng)第二開(kāi)關(guān)閥與第一缸腔連接。優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需外部電機(jī)及液壓泵提供動(dòng)力，體積小、控制簡(jiǎn)單，可通過(guò)一次循環(huán)一個(gè)液滴的方法實(shí)現(xiàn)精密的數(shù)字式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)與定位控制。
文檔編號(hào)F15B15/18GK202579446SQ20122024540
公開(kāi)日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月23日
發(fā)明者王淑云, 闞君武, 徐海龍, 溫建明, 曾平, 程光明 申請(qǐng)人:浙江師范大學(xué)