CN110374954B - 分段增力式直线运动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分段增力式直线运动装置，包括缸筒；隔板，固定设置在所述缸筒内，所述隔板上设置有一活塞孔；前活塞，滑动设置在所述缸筒内的隔板的第一端，所述前活塞的第一端与一前活塞杆固定连接；后活塞，滑动设置在所述缸筒内的隔板的第二端，所述后活塞的第一端固定设置有一后活塞杆，所述后活塞杆与所述活塞孔相对应设置；定子和动子，所述定子环绕设置在所述缸筒的内侧壁上，所述动子设置在所述定子之间，所述动子的第一端与所述后活塞固定连接。本发明包括多段式的直线前进、复位过程，具有工作速度快，直线驱动力大的优点，还具有较高的动态刚性，气压传动稳定，克服了单一直线电机或气缸使用的缺陷。

Description

分段增力式直线运动装置

技术领域

本发明涉及直线驱动装置技术领域，特别涉及一种分段增力式直线运动装置。

背景技术

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的驱动装置。直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形，它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。随着自动控制技术和微型计算机的高速发展，对各类自动控制***的定位精度提出了更高的要求，在这种情况下，传统的旋转电机再加上一套变换机构组成的直线运动驱动装置，已经远不能满足现代控制***的要求。为此，世界许多国家都在研究、发展和应用直线电机，使得直线电机的应用领域越来越广。

但是直线电机的动态刚性极低，不能起缓冲阻尼作用，在高速运动时容易引起机床其它部分共振；并且，直线电机不能自锁紧，为了保证操作可靠，直线电机驱动的运动轴，尤其是垂直运动轴，得要额外配备锁紧机构，增加了机床的复杂性；此外，直线电机的推力不够大，较难满足重载工况的需求。

气缸是气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。气缸是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件等组成。气缸可在恶劣条件下可靠地工作，且操作简单，基本可实现免维护。气缸擅长作往复直线运动，尤其适用于工业自动化中最多的传送要求——工件的直线搬运。

然而，气缸通常需要和空压机等配合使用，增加了设备占地面积，增加了生产成本。气压传动过程中气压可能发生变化，导致稳定性差。因此，如何更好地实现直线运动已经成为了机械装备发展的一个重要研究方向，目前市场上也亟需一种能够避免直线电机和气缸缺点的新型直线运动装置。

发明内容

本发明提供了一种分段增力式直线运动装置，其目的是为了解决现有的直线电机动态刚性低，不能起缓冲阻尼作用，不能自锁紧，推力不够大，单一的气缸通常需要和空压机等配合使用，气压传动过程中气压可能发生变化，稳定性不高的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种分段增力式直线运动装置，包括：

缸筒，所述缸筒的第一端设置有一前缸盖，所述缸筒第二端设置有一后缸盖，所述前缸盖和所述后缸盖上均开设有通孔；

隔板，所述隔板固定地设置在所述缸筒内，所述隔板上设置有一活塞孔；

前活塞，所述前活塞滑动地设置在所述缸筒内的隔板的第一端，所述前活塞的第一端与一前活塞杆固定连接，所述前活塞杆滑动设置在所述前缸盖的通孔内；

后活塞，所述后活塞滑动设置在所述缸筒内的隔板的第二端，所述后活塞的第一端固定设置有一后活塞杆，所述后活塞杆与所述活塞孔相对应设置；

定子和动子，所述定子环绕设置在所述缸筒的内侧壁上，所述定子位于所述后活塞的第二端，所述动子设置在所述定子之间，所述动子的第一端与所述后活塞固定连接。

所述前活塞、隔板和缸筒围成第一腔，所述隔板、后活塞和缸筒围成第二腔，所述后活塞、后缸盖和缸筒围成第三腔；

所述缸筒的侧壁上设置有一管路，所述管路连通所述缸筒的第二腔和第三腔。

其中，所述前活塞的第一端还设置有弹簧装置，所述弹簧装置的两端分别与所述前活塞和前缸盖连接。

其中，所述前活塞和所述后活塞的外径相等，且所述前活塞和所述后活塞与所述缸筒的内侧壁均为间隙配合。

其中，所述后活塞杆与所述活塞孔之间为间隙配合。

其中，所述前活塞、所述后活塞的外侧壁以及所述活塞孔的内侧壁均环绕设置有密封圈。

其中，在所述后活塞杆未***所述活塞孔前，所述后活塞杆第一端与所述隔板后表面之间的最大距离等于所述后活塞的厚度，所述管路的两个连通口之间的距离等于所述后活塞的前表面与所述隔板的后表面之间的最大距离。

其中，所述前缸盖上还设置有一通气口，所述通气口连通所述缸筒的内部和外部。

其中，所述动子的第二端还与一电机轴固定连接，所述电机轴滑动设置在所述后缸盖的通孔内。

其中，所述后缸盖的通孔内还设置有一轴承，所述电机轴插设在所述轴承内，所述电机轴的外端设置于所述缸筒外部。

其中，所述定子与一电源电连接。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明的分段增力式直线运动装置，通过缸筒内的后活塞、后活塞杆和隔板等结构的设计与配合，形成了直线运动装置的两段式直线前进过程，第一段为速度较高的快速前行阶段，第二段为施力驱动时的增力前行阶段，同时还包括第三段的复位行程阶段，因此既具有工作速度快，又具有直线驱动力大的优点；

本发明的分段增力式直线运动装置，通过直线电机和气缸复合作用，具有较高的动态刚性，通过压缩气体、弹簧结构等起缓冲阻尼作用，压缩气体在各腔体内循环，气压传动的稳定好，克服了单一直线电机或气缸使用的缺陷。

附图说明

图1为本发明的整体结构剖视图。

【附图标记说明】

1-缸筒；2-前缸盖；3-后缸盖；4-隔板；5-活塞孔；6-前活塞；7-前活塞杆；8-后活塞；9-后活塞杆；10-定子；11-动子；12-电机轴；13-第一腔；14-第二腔；15-第三腔；16-管路；17-通气口；18-弹簧装置；19-密封圈；20-轴承。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的直线电机动态刚性低，不能起缓冲阻尼作用，不能自锁紧，推力不够大，单一的气缸通常需要和空压机等配合使用，气压传动过程中气压可能发生变化，稳定性不高的问题，提供了一种分段增力式直线运动装置。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种分段增力式直线运动装置，包括：缸筒1，所述缸筒1的第一端设置有一前缸盖2，所述缸筒1第二端设置有一后缸盖3，所述前缸盖2和所述后缸盖3上均开设有通孔；隔板4，所述隔板4固定设置在所述缸筒1内，所述隔板4上设置有一活塞孔5；前活塞6，所述前活塞6滑动设置在所述缸筒1内的隔板4的第一端，所述前活塞6的第一端与一前活塞杆7固定连接，所述前活塞杆7滑动设置在所述前缸盖2的通孔内；后活塞8，所述后活塞8滑动设置在所述缸筒1内的隔板4的第二端，所述后活塞8的第一端固定设置有一后活塞杆9，所述后活塞杆9与所述活塞孔5相对应设置；定子10和动子11，所述定子10环绕设置在所述缸筒1的内侧壁上，所述定子10位于所述后活塞8的第二端，所述动子11设置在所述定子10之间，所述动子11的第一端与所述后活塞8固定连接。所述前活塞6、隔板4和缸筒1围成第一腔13，所述隔板4、后活塞8和缸筒1围成第二腔14，所述后活塞8、后缸盖3和缸筒1围成第三腔15；所述缸筒1的侧壁上设置有一管路16，所述管路16连通所述缸筒1的第二腔14和第三腔15。

本发明的上述实施例所述的分段增力式直线运动装置，缸筒1内从前往后依次设置有前活塞6、隔板4和后活塞8，其中隔板4固定安装在缸筒1内无法移动，前活塞6和后活塞8均可在缸筒1内滑动。前活塞杆7设置于前活塞6的第一端，前活塞杆7的第二端与前活塞6固定连接，第一端穿过前缸盖2的通孔位于缸筒1外部，前活塞杆7随前活塞6的前后滑动在前缸盖2的通孔内滑动，前活塞杆7的第一端运动形成直线运动输出。在前活塞6与后活塞8之间设置一固定的隔板4，在隔板4上开设一活塞孔5，后活塞8的第一端固定设置一后活塞杆9，其尺寸与活塞孔5相匹配。后活塞8向前移动时可通过压缩空气传力推动前活塞6向前移动，后活塞8前移的前段行程里后活塞杆9未进入活塞孔5内，第二腔14和第一腔13为连通状态，由于后活塞8与前活塞6的截面积相等，前活塞6将在气压作用下随后活塞8以相同的速度快速前移，此时为直线运动装置的快速前行阶段，即第一行程阶段。当后活塞杆9进入活塞孔5后，将隔断第二腔14和第一腔13的连通，后活塞杆9通过压缩空气推动前活塞6缓慢地向前增力运动，根据帕斯卡原理，此时增压比等于前活塞6和后活塞杆9的截面积之比，直线运动装置进入增力前行阶段，即第二行程阶段。

直线电机的定子10固定设置在缸筒1的内侧壁上，位于后活塞8的第二端，动子11设置在定子10之间，第一端通过一连接轴与后活塞8固定连接，当定子10通电时，动子11将在电磁场作用下向前移动，带动后活塞杆9和后活塞8同步向前移动。

在后活塞8前移时，将第二腔14内的空气压缩并从活塞孔5导入第一腔13，通过气压推动前活塞6向前移动，此时后活塞8的第一端与前活塞6的第二端气压相等。由于前活塞6的第一端腔体设置有通气口17，此腔体内的气体会逐渐溢出缸筒1，气压始终与外界保持一致，而弹簧装置18则被压缩。当后活塞杆9进入活塞孔5后的直线运动装置第二行程阶段，后活塞杆9已将活塞孔5堵塞，管路16则将第二腔14和第三腔15连通，第二腔14内的压缩空气将逐渐沿管路16进入第三腔15内，使得后活塞8的第一端与第二端气压保持一致，后活塞8本身向前移动不会由于气压差造成阻塞。而后活塞杆9则通过第一腔13内的压缩空气推动前活塞6缓慢地向前增力运动。

在直线运动装置完成向前直线运动后的复位行程阶段，即第三行程阶段，对定子10反向通电，使得动子11反向向后移动，带动后活塞杆9和后活塞8同步向后移动。第一腔13内的气压逐渐减小，前活塞6将在压缩的弹簧装置18作用下后移复位。当后活塞杆9进一步后移并离开活塞孔5后，第一腔13与第二腔14连通，前活塞6和后活塞8将继续后移至初始位置，准备开始下一轮的向前直线运动过程。

其中，所述前活塞6和后活塞8的外径均相等，且所述前活塞6和所述后活塞8与所述缸筒1的内侧壁均为间隙配合。前活塞6和后活塞8均能贴合地在缸筒1内滑动，具有较高的稳定性，通过压缩空气传递气压力。在直线运动装置的快速前行阶段，由于后活塞8与前活塞6的外径、截面积相等，前活塞6将在气压力作用下随后活塞8以相同的速度快速前移，体现直线运动装置第一行程阶段工作速度快的特点。

其中，所述后活塞杆9与所述活塞孔5之间为间隙配合。后活塞杆9能***活塞孔5内并沿活塞孔5内侧壁滑动，将活塞孔5堵塞，阻断第一腔13和第二腔14的连通，确保直线运动装置在第二行程阶段增力时通过后活塞杆9第一端对前活塞6的后表面传递气压力。

其中，所述前活塞6、所述后活塞8的外侧壁以及所述活塞孔5的内侧壁均环绕设置有密封圈19。通过密封圈19提升第一腔13和第二腔14的密封性，保证气压传力的效果。

其中，在所述后活塞杆9未***所述活塞孔5之前，所述后活塞杆9第一端与所述隔板4后表面之间的最大距离等于所述后活塞8的厚度，所述管路16的两个连通口之间的距离等于所述后活塞8的前表面与所述隔板4的后表面之间的最大距离。当直线运动装置位于第一行程阶段时，后活塞杆9第一端前移而逐渐地靠近隔板4的后表面，由于后活塞8的厚度等于后活塞杆9第一端与隔板4后表面之间的最大距离，因此在后活塞杆9未进入隔板4的活塞孔5内时，后活塞8的侧壁会将管路16位置靠后的连通口堵塞，使得第二腔14和第一腔13连通为一个密封的整体腔室，气压力从后活塞8的前表面传递至前活塞6的后表面。而当直线运动装置进入第二行程阶段时，后活塞杆9进入活塞孔5内，此时后活塞8的侧壁已整体地位于管路16位置靠后的连通口前方，因而管路16将第二腔14和第三腔15连通，使得在后活塞8继续前移时第二腔14内的压缩空气回流至第三腔15，保证了后活塞8的前表面和后表面气压在此阶段维持一致，防止形成气压差阻碍后活塞8继续前移。此时前活塞6后表面的气压力通过位于活塞孔5内的后活塞杆9第一端传递，依据帕斯卡原理产生增压的效果。

其中，所述动子11的第二端还与一电机轴12固定连接，所述电机轴12滑动设置在所述后缸盖3的通孔内，所述后缸盖3的通孔内还设置有一轴承20，所述电机轴12插设在所述轴承20内，所述电机轴12的外端设置于所述缸筒1外部。电机轴12主要起导向作用，使动子11、后活塞8和后活塞杆9沿缸筒1轴向移动，电机轴12通过轴承20的支撑与进一步导向作用，提升动子11运动的直线度和稳定性。

其中，所述定子10与一电源电连接，定子10在通电后产生磁场，驱动动子11作沿缸筒1轴向的直线运动，对定子10反向通电则可改变磁场方向，驱动动子11反向运动，改变直线运动装置的行程阶段。

综上所述，本发明的上述实施例所述的分段增力式直线运动装置，通过缸筒1内的后活塞8、后活塞杆9和隔板4等结构的配合方式，形成了直线运动装置的两段式直线前进过程，第一段为速度较高的快速前行阶段，第二段为施力驱动时的增力前行阶段，同时还包括第三段的复位行程阶段，采用分段式多行程的方式，既具有工作速度快、又具有驱动力大的优点，通过直线电机和气缸复合作用，克服单一直线电机或气缸直线驱动的缺点，提供了一种新型的、使用价值高的直线运动装置。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种分段增力式直线运动装置，其特征在于，包括：

缸筒，所述缸筒的第一端设置有一前缸盖，所述缸筒的第二端设置有一后缸盖，所述前缸盖和所述后缸盖上均开设有通孔；

隔板，所述隔板固定设置在所述缸筒内，所述隔板上设置有一活塞孔；

前活塞，所述前活塞滑动设置在所述缸筒内的隔板的第一端，所述前活塞的第一端与一前活塞杆固定连接，所述前活塞杆滑动设置在所述前缸盖的通孔内；

后活塞，所述后活塞滑动设置在所述缸筒内的隔板的第二端，所述后活塞的第一端固定设置有一后活塞杆，所述后活塞杆与所述活塞孔相对应设置；

定子和动子，所述定子环绕设置在所述缸筒的内侧壁上，所述定子位于所述后活塞的第二端，所述动子设置在所述定子之间，所述动子的第一端与所述后活塞固定连接；

所述前活塞、隔板和缸筒围成第一腔，所述隔板、后活塞和缸筒围成第二腔，所述后活塞、后缸盖和缸筒围成第三腔；

所述缸筒的侧壁上设置有一管路，在所述后活塞杆未***所述活塞孔之前，所述后活塞杆第一端与所述隔板后表面之间的最大距离等于所述后活塞的厚度，所述管路的两个连通口之间的距离等于所述后活塞的前表面与所述隔板后表面之间的最大距离，当直线运动装置位于第一行程阶段时，后活塞杆第一端前移而逐渐地靠近隔板的后表面，后活塞的侧壁将管路位置靠后的连通口堵塞，使得第二腔和第一腔连通为密封的整体腔室，而当直线运动装置进入第二行程阶段时，后活塞杆进入活塞孔内，此时后活塞的侧壁已整体地位于管路位置靠后的连通口前方，管路将第二腔和第三腔连通。

2.根据权利要求1所述的分段增力式直线运动装置，其特征在于，所述前活塞的第一端还设置有弹簧装置，所述弹簧装置的两端分别与所述前活塞和前缸盖连接。

3.根据权利要求1所述的分段增力式直线运动装置，其特征在于，所述前活塞和所述后活塞的外径相等，且所述前活塞和所述后活塞与所述缸筒的内侧壁均为间隙配合。

4.根据权利要求3所述的分段增力式直线运动装置，其特征在于，所述后活塞杆与所述活塞孔之间为间隙配合。

5.根据权利要求4所述的分段增力式直线运动装置，其特征在于，所述前活塞、所述后活塞的外侧壁以及所述活塞孔的内侧壁均环绕设置有密封圈。

6.根据权利要求1所述的分段增力式直线运动装置，其特征在于，所述前缸盖上还设置有一通气口，所述通气口连通所述缸筒的内部和外部。

7.据权利要求1所述的分段增力式直线运动装置，其特征在于，所述动子的第二端还与一电机轴固定连接，所述电机轴滑动设置在所述后缸盖的通孔内。

8.根据权利要求7所述的分段增力式直线运动装置，其特征在于，所述后缸盖的通孔内还设置有一轴承，所述电机轴插设在所述轴承内，所述电机轴的外端设置于所述缸筒外部。

9.根据权利要求1所述的分段增力式直线运动装置，其特征在于，所述定子与一电源电连接。

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