CN106089863A - 一种数字式伺服液压马达 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种数字式液压伺服马达，其采用步进电机带动凸轮机构来控制一组配流滑阀依次动作，按一定规律将压力油依次分配到径向柱塞马达的不同柱塞腔，同时将其他柱塞腔内的液压油依次连通到回油路（油箱）。输出端集成摆线针轮减速机构实现低速输出，进一步降低转速，减小其步距角。其基本原理是，利用步进电机带动凸轮机构旋转，推动处于特定角度的配油阀阀芯，进行换向操作，从而对进入径向柱塞马达柱塞腔的压力油进行控制。通过对每个柱塞的运动进行开关控制，实现步进输出，通过摆线针轮减速机构实现低速输出，且具有伺服控制功能。

Description

一种数字式伺服液压马达

技术领域

本发明涉及一种由步进电机、径向滑阀配油机构、径向柱塞马达和减速机构、数字控制***组成的数字式伺服液压马达（以下简称数字液压马达）。更准确的说，本发明涉及一种由微型步进电机、凸轮结构、滑阀式配流油路***、径向柱塞液压马达、摆线针轮减速机构、控制器等组成的集成式、高精度的数字式伺服液压马达。

背景技术

液压马达作为一种液压执行元件，能将液压能转换成机械能对外做功。具有功率重量比大，尤其适应于重载情况下的旋转动作驱动，目前广泛应用于注塑机械、船舶、起扬机、工程机械、建筑机械、煤矿机械、矿山机械、冶金机械、船舶机械、石油化工、港口机械等。为实现中低速大扭矩的旋转动作驱动，大多数情况下都选用径向柱塞式液压马达，其主要特点是排量大、转速低(有时可达每分钟几转甚至零点几转)。随着工业技术的不断进步，对工业生产过程的自动化和智能化程度的要求也在不断提高。复杂生产线上各种动作的控制要求，对执行器的精度、可控性、数字化、智能化也提出了更高的要求。实际应用中，越来越多的应用场合要求对液压马达的输出角度和输出转速能进行精确的伺服控制，且要求控制方式简单，易于和其他控制***融合。

现有的液压马达的输出角度和转速控制，只能通过精确地控制进入液压马达的液压油流量来实现，因此还需要比例阀（伺服阀），实现伺服控制的难度较大、安装维护不便、价格也较为昂贵。更为重要的是，阀控***的节流损耗使得***的能耗很大，因而***的整体能效很低。通过采用泵控马达***，可以大幅提高***的整体能效，但每个马达都需单配一台液压泵和电机，限制了其应用。

另外，用于工业机器人和自动化生产线的各种执行部件和单元，还要求执行元件在具有功率密度高、大扭矩输出的同时，具有高可靠性、高防护性、体积小巧、便于安装维护等特点，而传统的液压马达很难满足上述需求。

发明内容

本发明提出了一种数字式液压伺服马达，其采用步进电机带动凸轮机构来控制一组配流滑阀依次动作，按一定规律将压力油依次分配到径向柱塞马达的不同柱塞腔，同时将其他柱塞腔内的液压油依次连通到回油路（油箱）。输出端集成摆线针轮减速机构实现低速输出，进一步降低转速，减小其步距角。其基本原理是，利用步进电机带动凸轮机构旋转，推动处于特定角度的配油阀阀芯，进行换向操作，从而对进入径向柱塞马达柱塞腔的压力油进行控制。通过对每个柱塞的运动进行开关控制，实现步进输出，通过摆线针轮减速机构实现低速输出，且具有伺服控制功能。

为了实现上述功能要求，本发明采取如下技术方案：

本发明由一组周向均布的滑阀式配油阀、步进电机、凸轮机构、径向柱塞马达、摆线针轮减速机构、数字控制器等组成。

微型步进电机、凸轮机构、一组周向均布的滑阀式配油阀、配油通道构成配油盘。凸轮机构沿特定角度区间内，旋转半径要较其他区域大。步进电机带动凸轮机构旋转，在旋转过程中，凸轮机构中旋转半径较大的部分将推动对应的配油阀的阀芯，进行换向操作，将压力油引入对应的柱塞腔内。而凸轮机构中半径较小的部分所对应的配油阀阀芯，则在复位弹簧作用下贴紧凸轮机构，将对应柱塞腔和油箱连通。通过数字脉冲信号对步进电机的转动方向、角度、转速进行控制，就可以控制径向柱塞马达的运动方向和速度。这是本发明实现步进控制的关键。

所述的径向柱塞马达可以有多个周向均布的液压柱塞（可以是五个，七个，九个等），柱塞头部与偏心轮贴合，在压力油依次推动下，柱塞推动偏心轮带动主轴转动。

所述的柱塞伸出的频率由步进电机来控制，通过数字脉冲信号，可以对输出转速和角度进行准确的伺服控制。

所述的摆线针轮减速机构是由外圈固定大齿轮、曲轴、偏心减速轮、输出轮四部分组成。当减速机构工作时，输入的力矩通过曲轴带动偏心减速轮绕固定大齿轮旋转，同时减速轮自转。输出轮通过多个销轴（7个或更多）和减速轮做相对运动，将减速后的旋转运动提取出来实现输出。

作为优选的，本数字液压马达采用专门设计的配油凸轮机构，由步进电机控制其动作，操纵滑阀式配油阀动作。加工和控制都很简单，省去了复杂的配油***和控制***，降低成本的同时使得液压伺服马达体积很小。

本发明中的液压伺服马达由为液压泵站提供液压油，同一油源可以供应多个液压伺服马达，很容易实现多个动作的联动，相互之间无干扰。

作为优选的，本发明采用摆线针轮减速机构，可以在很小体积下实现大减速比。

本发明中的动力源可以采用公共压力油。为保证***更稳定地工作，可在数字液压马达中集成一个微型液压蓄能器。由于每个柱塞的行程均很小，因此蓄能器也可以做的非常小。无公共液压油源时，则可以采用一个微型的直流电机带动一个微型的液压泵，来实现驱动。

本发明的优点：

1、本发明采用液压油作为动力源，具有液压***的功率重量比大的优越性。相同重量（体积）时，相对于伺服电机，其输出功率显著提高。

2、本发明采用步进电机带动凸轮机构，推动阀芯对每个柱塞进行单独配油，实现齿轮步进输出，且步进的方向、角度和速度都可精确控制。在不使用比例阀的情况下实现了输出的伺服控制，而输入的控制信号为输入给步进电机的数字信号或脉冲信号。

3、本发明中液压马达的输出轴在减速机构作用之前，其步进式输出角度的步距角取决于柱塞个数，经过减速机构后的最终步距角还与减速比有关。例如，设柱塞个数为n,则其步距角为2π/(2n)。采用摆线针轮减速机构，设其减速比为100，则数字液压马达输出角度的步距角为2π/(200n)。以n=9为例，其步距角为0.4度。

4、本发明提出的数字液压马达自身体积小巧，若干个数字液压马达可以采用同一油源供油，也可单独供油，很容易实现集成和联动，可以方便地应用于多个动作联动的数字控制。

5、本发明提出的数字液压马达，除了供给动力的液压油外，其控制接口就是用于控制步进电机的数字脉冲信号，控制方式非常简单，非常便于将其融入数字控制***。

6、本发明提出的数字液压马达，基于成熟的滑阀配流式径向柱塞马达的数字化改造，集成成熟的摆线针轮减速机构，加工制造工艺成熟，造价低廉。

7、本发明的综合性能优异，具有功率大，体积小，便于伺服控制，可以在占用很小的体积空间的情况下实现大功率伺服输出。

附图说明

图1为液压马达驱动机构。

图2为是摆线针轮减速机构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示。数字控制***1，其传出信号通过功率放大器2放大后到达旋转配油阀6的步进电机，控制步进电机运动。蓄能器3与供油油路连接，排油槽7与回油油路4连接。为了使结构简单，旋转配油阀内部设计有供油槽5，压力油在供油槽内，每当有一个配油活塞运动使得供油管道8与供油槽5联通，则压力油流向柱塞9。同样，配有阀设有排油槽7，当滑阀6运动使得供油管道8与排油槽联通，则柱塞所在腔内的液压油排出回油路。

柱塞A、B、C、D、E、F、G在压力油作用下伸出，而在柱塞腔连通回油路时在其他柱塞的推动作用下缩回。柱塞的伸出时推动轴11上固联的偏心轮10产生转动，从而实现输出轴11的转动输出。

如图2所示，图1输出的转动通过联轴器链接到曲轴15上，曲轴15带动小齿轮13沿着大齿轮16公转，同时小齿轮13绕曲轴15做自转, 所述大齿轮16固定在机架12上。小齿轮13上开有四个圆孔（或更多），输出轮14上有对应的四个柱销（随圆孔数量变化而变化）与孔壁接触。四个柱销直径小于孔，可以在孔内运动。小齿轮13做平面运动的同时通过柱销带动输出轮14转动，从而实现输出。

本实施例的具体工作原理如下：

数字液压马达处在工作状态时，控制***通过数字脉冲信号来控制步进电机的转动方向、角度和转动速度，带动凸轮机构转动。凸轮机构中半径较大的部分克服复位弹簧的阻力推动滑阀式配油阀的阀芯进行换向动作，压力油通过配油阀引入到径向柱塞泵对应的柱塞腔。每个柱塞腔都分别由一个配油滑阀控制其换向，每个柱塞外端分别与大齿轮外侧贴合。当配油阀向柱塞腔A和B供油时，柱塞腔C、D、E、F、G的油路与回油油路导通（回油箱），A和B柱塞伸出到极限位置，C、D、E、F、G柱塞缩回，从而推动马达输出轴上固联的偏心轮转动，实现动力输出。当步进电机带动凸轮机构机械转动时，对应的滑阀式配油阀会依次动作，压力油会向柱塞腔B和C供油，柱塞B和C向外伸出，继续保持输出，同时柱塞腔D、E、F、G、A连通回油管路，柱塞D、E、F、G、A被压回柱塞孔。如此依次循环，实现步进输出。

当步进电机带动凸轮机构反向旋转时，向径向柱塞泵的各个柱塞腔依次供油的顺序也会发生反转，从而输出轴的旋转方向也会反转，实现反向输出。也就是说数字液压马达的输出方向可以通过步进电机的旋转方向来控制。当步进电机带动凸轮机构的转动速度变化时，径向柱塞马达中各个柱塞的动作频率也会发生改变，从而使得输出轴的输出转速也发生改变。也就是说，通过脉冲信号来控制步进电机的转动方向、角度和速度，可以实现输出轴转动的方向、角度、和速度的伺服控制。

当减速机构工作时，由液压马达输出轴带动摆线针轮减速机构转动，偏心减速轮做公转的同时也绕其自身中心轴自转，输出轮通过多个销轴和，偏心减速轮做相对运动，将减速后的旋转运动提取出来实现输出。

当数字液压马达接收到命令从工作状态转到保持状态，则根据控制***发出的信号，步进电机和凸轮机构都保持在某个给定角度，此时这一给定角度对应的滑阀阀芯将保持让对应的柱塞腔一直与高压油路相通，另外几个柱塞则通过各自的配油滑阀与回油路相连接。此时由于凸轮被对应的柱塞推到极限位置锁死，从而实现数字液压马达在任意角度的位置保持。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种数字式伺服液压马达,包括一组周向均布的滑阀式配油阀,步进电机、凸轮机构、径向柱塞马达、摆线针轮减速机构、数字控制器，其特征在于：

步进电机带动凸轮机构旋转，在旋转过程中，凸轮机构中旋转半径较大的部分推动对应的配油阀的阀芯，进行换向操作，将压力油引入对应的径向柱塞马达的柱塞腔内，凸轮机构中旋转半径较小的部分所对应的配油阀的阀芯，则在复位弹簧作用下贴紧凸轮机构，将对应的柱塞腔和油箱连通；

所述的径向柱塞马达有多个周向均布的液压柱塞，柱塞头部与偏心轮贴合，在压力油依次推动下，柱塞推动偏心轮带动主轴转动；

所述的柱塞伸出的频率由步进电机来控制，通过数字控制器输出的数字脉冲信号实现对输出转速和角度进行准确的伺服控制；

所述的摆线针轮减速机构由外圈固定大齿轮、曲轴、偏心减速轮、输出轮四部分组成；当减速机构工作时，通过与径向柱塞马达中的主轴相连的曲轴带动偏心减速轮绕固定大齿轮旋转，同时偏心减速轮自转；输出轮通过多个销轴和偏心减速轮做相对运动，将减速后的旋转运动提取出来实现输出。

2.根据权利要求1所述的一种数字式伺服液压马达,其特征在于：伺服液压马达由液压泵站提供液压油，同一油源可供应多个伺服液压马达，实现多个动作的联动，相互之间无干扰。

3.根据权利要求1所述的一种数字式伺服液压马达,其特征在于：动力源可采用公共压力油；为保证***更稳定地工作，可在数字液压马达中集成一个微型液压蓄能器。

4.根据权利要求3所述的一种数字式伺服液压马达,其特征在于：无公共压力油时，则可采用一个直流电机带动一个液压泵，来实现驱动。