CN102691693A

CN102691693A - 一种压电晶片驱动的精密步进式液压缸

Info

Publication number: CN102691693A
Application number: CN2012101754647A
Authority: CN
Inventors: 王淑云; 阚君武; 张忠华; 曾平; 程光明
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2032-05-23
Also published as: CN102691693B

Abstract

本发明涉及一种压电晶片驱动的精密步进式液压缸，属于机电液一体化技术领域。缸体两端装有缸盖，双头活塞安装于缸体内部并将其分成第一和第二缸腔；第一、第二泵盖与缸体间分别压接有2-20个压电振子，构成串联泵I和串联泵II；串联泵I的出口与缸体上的第一缸腔连通，进口经管路与第一蓄能器连通、再经第一开关阀以及缸体上的第一通孔与第二缸腔连接；同样地，串联泵II的出口与缸体的第二缸腔连通，进口经管路与第二蓄能器连通、再经第二开关阀以及缸体上的第二通孔与第一缸腔连接。特色及优点是：压电振子双侧驱动流体，驱动能力强、可靠性及步进精度高，可通过一次循环一个液滴的方法实现较大行程的精密数字式步进驱动与定位控制。

Description

一种压电晶片驱动的精密步进式液压缸

技术领域

本发明属于机电液一体化技术领域，具体涉及一种压电晶片驱动的精密步进式液压缸，用于大行程的精密步进驱动、定位及振动控制。

背景技术

随着精密机械加工、精密测量、显微医学、精密光学工程以及航空航天等领域发展，大行程的精密步进驱动、定位及振动控制技术研究受到世界各国学者的广泛关注。目前用于构造精密位移驱动器的主要是电磁、磁致伸缩、记忆合金及压电陶瓷等功能材料，其中压电陶瓷因具有高能量密度、高功率、输出力大、高响应频响、高分辨率及无电磁干扰等优势，被广泛应用。常见的压电精密驱动器可简单地归纳为4类：1)直接利用压电叠堆伸缩变形输出力和位移的直推式压电驱动器；2)采用杠杆或柔性铰链等放大机构的压电驱动器3)采用多压电叠堆构造的嵌位式步进驱动器；4)利用超声波原理形成的超声型直线驱动器。前两类压电驱动器的结构简单、输出力大，但因运动行程或控制范围过小，实际应用受到了一定的制约；后两类压电驱动器虽可获得较大的运动行程，但结构及控制复杂、要求部件的加工精度高，且依靠摩擦力传递力和位移，故进给精度及刚度低、输出力远低于压电体自身的驱动力，只有几到几十牛顿，无法满足驱动力和位移都较大的使用场合，且当摩擦副表面磨损严重时会导致精度降低甚至无法使用。

鉴于传统压电驱动器自身的局限性以及相关领域对结构紧凑、高输出力、大位移、高精度、高能效精密步进驱动器的需求，人们先后提出了几种基于压电与流体耦合驱动的新型步进式压电液压驱动器，即利用压电泵循环流体实现液压缸的驱动，如中国专利200810051156.7、200920093242.4、201020180067.5等。由于压电振子的变形极其微小、实际流体具有可压缩性，因此为提高***刚度、避免液压缸活塞爬行，压电液压驱动器必须采用蓄能器提供背压。但现有压电液压驱动器中压电振子都是单侧驱动的，即压电振子仅一侧直接或间接地与流体接触，因此***背压会成为压电振子的负载、严重地降低了驱动器总体的有效功率输出，过大的***背压还会导致晶片型压电振子破损，故现有压电液压驱动器的能量效率及可靠性都很低。

发明内容

针对现有压电驱动器及压电液压驱动器应用上的局限性，以及航空航天、机器人、精密加工等领域对高精度、大行程精密驱动器的需求现状，本发明提出一种压电晶片驱动的精密步进式液压缸。

本发明采用的技术方案是：缸体两端通过螺钉安装有缸盖；缸体中安装有双头活塞，所述活塞将所述缸体内腔分成第一缸腔和第二缸腔；缸体外壁上通过螺钉安装有第一泵盖和第二泵盖；所述缸体外壁上设有两组数量为2-20个的泵腔、以及两个阀腔，所述同一组泵腔中两相邻泵腔之间、以及相邻的泵腔与阀腔之间分别通过所述缸体上的两个腔间流道串联；第一和第二泵盖上各设有一组数量为2-20个的泵腔，所述同一泵盖上相邻两泵腔之间分别通过其所在泵盖上的腔间流道串联；在所述各个泵腔内、以及缸体上的两个阀腔内均设有阀片；缸体上的第一组串联泵腔和第一泵盖上的串联泵腔之间通过密封圈压接有压电振子，缸体上的第一组串联泵腔的进口和第一泵盖上的串联泵腔的出口连通，构成串联泵I；缸体上的第二组串联泵腔和第二泵盖上的串联泵腔之间通过密封圈压接有压电振子，缸体上的第二组串联泵腔的进口和第二泵盖上的串联泵腔的出口连通，构成串联泵II；串联泵I的出口与缸体上的第一缸腔连通，进口经管路与第一蓄能器连通、再经第一开关阀以及缸体上的第一通孔与第二缸腔连接；同样地，所述串联泵II的出口与缸体的第二缸腔连通，进口经管路与第二蓄能器连通、再经第二开关阀以及缸体上的第二通孔与第一缸腔连接。

本发明所述的串联泵I和串联泵II不同时工作；工作时同一个串联泵中相邻两个泵腔中压电振子驱动电压的相位差为180度，压电振子弯曲变形方向相反。

本发明中，两个串联泵的作用是提供流体驱动力，实现流体的循环及活塞的驱动与控制；开关阀的作用是控制两个串联泵的进口与两个缸腔之间的通断；蓄能器的作用是提高流体的刚度和活塞的响应速度。

在非工作状态下，第一开关阀和第二开关阀均处于关闭状态，第一蓄能器和第二蓄能器的预置压力相等，压电振子两侧流体压力相等、不产生弯曲变形，活塞静止不动。

串联泵I工作时，第一开关阀开启，串联泵I的进口经第一开关阀及缸体上的第一通孔与第二缸腔连通；当压电振子受电压作用产生往复弯曲变形时，泵腔内的流体压力交替地增加或减小，从而推动活塞向左运动。

如图6、图7所示，串联泵II工作时，第二开关阀开启，串联泵II的进口经第二开关阀及缸体上的第二通孔与第一缸腔连通；当压电振子受电压作用产生往复弯曲变形时，泵腔内流体压力交替地增加或减小，从而推动活塞向右运动。

根据本发明所述液压缸的工作原理，活塞的最大运动速度为

最大进给步长为

最大驱动力为F＝2η_FnpS，其中：η_v和η_F为与压电振子结构及材料参数、蓄能器压力、流体特性等有关的系数，ΔV为压电振子变形所引起的泵腔容积变化量，p为压电振子受电压作用时所产生的最大流体驱动压力，n为压电振子数量，S为活塞的有效截面积。

本发明的显著特点及优势在于：

1)压电振子两侧均与流体接触，即双侧驱动，由此所带来的优势是：①***背压作用于压电振子两侧，流体背压力为***内力、不会成为压电振子的负载或使压电振子损坏，可采用较大***背压避免液压缸活塞爬行，故可靠性及步进精度高；②驱动能力强，即使在无***背压时，压电振子双侧驱动的驱动能力及效率也都远高于压电振子单侧驱动的情况；

2)利用多个晶片型压电振子串联驱动液压缸，输出力大、速度高，且成本低：压电晶片价格仅几元人民币，远低于数千甚至上万元的压电叠堆；

3)驱动单元与液压缸体集成，体积小、集成度高、密封性好，可作为独立的标准部件应用，并通过一次循环一个液滴的方法实现较大行程内的精密数字式步进驱动与定位控制。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的结构剖面示意图；

图2是图1的A-A向视图；

图3是图1的B向视图；

图4是本发明一个较佳实施例串联泵I的前半工作周期结构示图；

图5是本发明一个较佳实施例串联泵I的后半工作周期结构示图；

图6是本发明一个较佳实施例串联泵II的前半工作周期结构示图；

图7是本发明一个较佳实施例串联泵II的后半工作周期结构示图；

具体实施方式：

如图1、图2、图3所示，缸体1两端通过螺钉安装有缸盖2和2’，缸体1中安装有双头活塞3，所述活塞3将所述缸体1的内腔分成第一缸腔C1和第二缸腔C2；缸体1外壁上通过螺钉安装有第一泵盖4和第二泵盖4’；所述缸体1外壁上设有两组数量为2-20个的泵腔103和103’、以及两个阀腔102和102’，所述同一组泵腔中两相邻泵腔之间、以及两相邻泵腔与阀腔之间分别通过缸体1上的腔间流道104或104’串联；第一泵盖4和第二泵盖4’上各设有一组数量为2-20个的泵腔403和403’，所述同一泵盖上相邻两泵腔之间分别通过其所在泵盖上的两个腔间流道104或104’串联；在所述各个泵腔103、103’、403及403’内，以及缸体1上的两个阀腔102和102’内均设有阀片6；缸体1上的第一组串联泵腔103和第一泵盖4上的串联泵腔403之间通过密封圈压接有压电振子5，缸体1上的第一组串联泵腔103的进口105和第一泵盖4上的串联泵腔403的出口401连通，构成串联泵I；缸体1上的第二组串联泵腔103’和第二泵盖4’上的串联泵腔403’之间通过密封圈压接有压电振子5，缸体1上的第二组串联泵腔103’的进口105’和第二泵盖4’上的串联泵腔403’的出口401’连通，构成串联泵II；串联泵I的出口101与缸体1上的第一缸腔C1连通，进口405经管路与第一蓄能器8连通、再经第一开关阀7以及缸体1上的第通孔106与第二缸腔C2连接；同样地，所述串联泵II的出口101’与缸体1的第二缸腔C2连通，进口405’经管路与第二蓄能器8’连通、再经第二开关阀7’以及缸体1上的第二通孔106’与第一缸腔C1连接。

如图1所示，在非工作状态下，第一开关阀7和第二开关阀7’均处于关闭状态，第一蓄能器8和第二蓄能器8’的预置压力相等，压电振子5两侧流体压力、不产生弯曲变形，活塞3静止不动。

如图4、图5所示，串联泵I工作时，第一开关阀7开启，串联泵I的进口405经第一开关阀7及缸体1上的第一通孔106与第二缸腔C2连通；当压电振子5受电压作用产生往复弯曲变形时，泵腔103和403内的流体压力交替地增加或减小，从而推动活塞3向左运动：对于图4所示的前半周期，泵盖4上与出口405连通的泵腔403从第二缸腔C2中吸入流体，缸体1上与阀腔102连通的泵腔103向第一缸腔C1排出流体，活塞3向左运动一步；对于图5所示的后半周期，阀腔102内的阀片及靠近进口405处的阀片均关闭，无流体排出或吸入，活塞3静止不动。

如图6、图7所示，串联泵II工作时，第二开关阀7’开启，串联泵II的进口405’经第二开关阀7’及缸体1上的第二通孔106’与第一缸腔C1连通；当压电振子5受电压作用产生往复弯曲变形时，泵腔103’和403’内的流体压力交替地增加或减小，从而推动活塞3向右运动：对于图6所示的前半周期，泵盖4’上与出口405’连通的泵腔403’从第一缸腔C1中吸入流体，缸体1上与阀腔102’连通的泵腔103’向第二缸腔C2排出流体，活塞3向右运动一步；对于图7所示的后半周期，阀腔102’内的阀片及靠近进口405’处的阀片均关闭，无流体排出或吸入，活塞3静止不动。

Claims

1.一种压电晶片驱动的精密步进式液压缸，其特征在于：缸体两端装有缸盖；缸体中装有双头活塞，所述活塞将缸体腔分成第一、第二缸腔；缸体外壁上装有第一、第二泵盖；缸体外壁上设有两组数量为2-20个的泵腔及两个阀腔，所述同一组泵腔中两相邻泵腔之间、以及相邻的泵腔与阀腔之间分别通过缸体上的腔间流道串联；第一、第二泵盖上各设一组数量为2-20个的泵腔，同一泵盖上相邻两泵腔通过其所在泵盖的腔间流道串联；在所述各泵腔内、及缸体上的两阀腔内均设有阀片；缸体上第一组串联泵腔和第一泵盖上的串联泵腔之间通过密封圈压接有压电振子，缸体上第一组串联泵腔的进口和第一泵盖上的串联泵腔出口连通，构成串联泵I；缸体上的第二组串联泵腔和第二泵盖上的串联泵腔之间通过密封圈压接有压电振子，缸体上的第二组串联泵腔的进口和第二泵盖上的串联泵腔的出口连通，构成串联泵II；串联泵I的出口与第一缸腔连通，进口经管路与第一蓄能器连通、再经第一开关阀及缸体的第一通孔与第二缸腔连接；同样，所述串联泵II的出口与第二缸腔连通，进口经管路与第二蓄能器连通、再经第二开关阀及缸体上的第二通孔与第一缸腔连接。

2.根据权利要求1所述一种压电晶片驱动的精密步进式液压缸，其特征在于：串联泵I、II不同时工作；工作时，同一个串联泵中相邻两个泵腔中压电振子驱动电压的相位差为180度。