基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的數(shù)字液壓泵的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的數(shù)字液壓泵。本發(fā)明中的彈性膜片將泵體分為上下兩部分，其中上部分為油路結(jié)構(gòu)，下部分為驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。油路結(jié)構(gòu)包括進(jìn)油口、出油口，進(jìn)油口通過(guò)進(jìn)油口單向閥與位于彈性膜片上方的泵腔聯(lián)通，泵腔通過(guò)出油口單向閥與出油口聯(lián)通；驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)包括壓電疊堆致動(dòng)器、剛性元件和彈簧，壓電疊堆致動(dòng)器的推桿上套置有彈簧，剛性元件設(shè)置在推桿的頂端并與彈性膜片固定連接；壓電疊堆致動(dòng)器、進(jìn)油口單向閥和出油口單向閥受控于控制器。本發(fā)明采用大推力、大位移的壓電疊堆致動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)源，最大額定工作壓力可以達(dá)到10Mpa。通過(guò)設(shè)計(jì)的控制器來(lái)控制壓電疊堆致動(dòng)器中參與驅(qū)動(dòng)的層數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)泵流量數(shù)字化的控制。
【專利說(shuō)明】基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的數(shù)字液壓泵
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的數(shù)字泵(以下簡(jiǎn)稱壓電數(shù)字泵)。準(zhǔn)確地說(shuō)，涉及一種利用壓電疊堆致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的高壓小型數(shù)字液壓泵。
【背景技術(shù)】
[0002]液壓泵是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能的能量轉(zhuǎn)換裝置，為液壓系統(tǒng)提供具有一定壓力和流量的液壓油。傳統(tǒng)液壓泵由電磁馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，體積、重量大，工作時(shí)伴有劇烈的振動(dòng)、磨損和噪聲。此外，在復(fù)雜的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，常常需要外接許多油管和伺服閥來(lái)將液壓油分配至各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)，如此會(huì)使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)受到油管的限制。因此，上述缺陷很大程度上限制了液壓傳動(dòng)在微機(jī)電系統(tǒng)、微流體高精度輸送、航空航天、行走機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用。為了解決傳統(tǒng)液壓泵的上述問題，微小型液壓泵應(yīng)運(yùn)而生。
[0003]近年來(lái)，研究人員開始將智能材料驅(qū)動(dòng)技術(shù)引入微小型液壓泵驅(qū)動(dòng)中，其中利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的液壓泵(簡(jiǎn)稱壓電泵)就是其中一種極具應(yīng)用前景的微小型泵。壓電泵的特點(diǎn)是將能壓電致動(dòng)器高頻振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為可控性強(qiáng)的液壓能。它能將傳統(tǒng)液壓泵的驅(qū)動(dòng)源部分、傳動(dòng)部分及泵體三者合為一體，可以達(dá)到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、耗能低、無(wú)噪聲、無(wú)電磁干擾的要求。此外，由于壓電材料工作頻率范圍寬，可以通過(guò)對(duì)壓電材料施加一定頻率和大小的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)泵輸出流量和壓力的精確控制，因而在液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中省去了節(jié)流機(jī)構(gòu)，減壓裝置等，大大提高了液壓系統(tǒng)的集成性能。
[0004]但是，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)壓電泵的研究大多是基于壓電振子驅(qū)動(dòng)的微型低壓泵，其特點(diǎn)是低壓、流量小，主要用于醫(yī)療領(lǐng)域的藥液輸送。而對(duì)基于壓電疊堆致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的高壓泵研究相對(duì)較少，特別是主動(dòng)閥壓電泵。此外，由于受到泵結(jié)構(gòu)的限制，目前處于研究中的壓電泵都是固定流量。因此，對(duì)于壓電疊堆高壓泵、主動(dòng)閥控制、變流量輸出三者結(jié)合的新型壓電泵的研究具有重大意義，將極大地促進(jìn)液壓傳動(dòng)在微機(jī)電系統(tǒng)、微流體高精度輸送、航空航天、行走機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出了一種基于壓電疊堆致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的數(shù)字型液壓泵。其基本原理是通過(guò)交替開閉的主動(dòng)單向閥的控制，使得壓電致動(dòng)器的高頻雙向振動(dòng)轉(zhuǎn)換為液壓油的單向運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。并且本發(fā)明提出的壓電數(shù)字泵能夠?qū)崿F(xiàn)流量的數(shù)字化控制，從而為液壓系統(tǒng)省去了節(jié)流機(jī)構(gòu)，提高了液壓系統(tǒng)的集成性能。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述要求，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的數(shù)字液壓泵主要由泵體、壓電疊堆致動(dòng)器、剛性元件、彈性膜片、進(jìn)油口單向閥、出油口單向閥和控制器組成，其特征在于:彈性膜片將泵體分為上下兩部分，其中上部分為油路結(jié)構(gòu)，下部分為驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu).所述的油路結(jié)構(gòu)包括進(jìn)油口、出油口，進(jìn)油口通過(guò)進(jìn)油口單向閥與位于彈性膜片上方的泵腔聯(lián)通，泵腔通過(guò)出油口單向閥與出油口聯(lián)通. 所述的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)包括壓電疊堆致動(dòng)器、剛性元件和彈簧，壓電疊堆致動(dòng)器的推桿上套置有彈簧，剛性元件設(shè)置在推桿的頂端并與彈性膜片固定連接；
所述的壓電疊堆致動(dòng)器、進(jìn)油口單向閥和出油口單向閥都受控于控制器。
[0007]其工作原理如下:壓電疊堆致動(dòng)器通交流電后將產(chǎn)生雙向振動(dòng)，使彈性膜片產(chǎn)生高頻振動(dòng)，從而使泵腔容積產(chǎn)生變化。當(dāng)致動(dòng)器收縮時(shí)，泵腔容積增大，同時(shí)控制進(jìn)油口單向閥開啟，出油口單向閥關(guān)閉，泵腔此時(shí)處于吸油狀態(tài)，吸入低壓油；當(dāng)致動(dòng)器收縮時(shí)，泵腔容積減小，同理控制進(jìn)油口單向閥關(guān)閉，出油口單向閥開啟，泵腔此時(shí)處于壓油狀態(tài)，輸出高壓油。
[0008]作為優(yōu)選的，壓電數(shù)字泵由壓電疊堆致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。壓電疊堆致動(dòng)器采用機(jī)械上串聯(lián)、電壓上并聯(lián)的方式將若干性能參數(shù)相同的壓電陶瓷片、絕緣體、內(nèi)部電極以及外部電極通過(guò)特殊工藝壓制為一體。它除了具有壓電晶片響應(yīng)快的特點(diǎn)外，還具有輸出位移大，輸出力大，位移可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，此外，對(duì)壓電疊堆致動(dòng)器的工作電壓大小和頻率進(jìn)行控制，使其達(dá)到系統(tǒng)的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)泵的最大輸出性能。
[0009]作為優(yōu)選的，本發(fā)明還可以通過(guò)設(shè)計(jì)的控制器對(duì)壓電數(shù)字泵進(jìn)行流量控制，實(shí)現(xiàn)流量數(shù)字化的目標(biāo)。由于壓電疊堆致動(dòng)器的輸出位移是每片壓電片應(yīng)變的疊加，而應(yīng)變大小決定了泵腔容積的變化大小，從而決定泵的流量。其實(shí)現(xiàn)方式是:控制器發(fā)出的數(shù)字信號(hào)用于控制加載在每一層壓電片上的驅(qū)動(dòng)電壓。最主要的就是對(duì)疊堆致動(dòng)器中參與驅(qū)動(dòng)的層數(shù)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電泵流量的精確控制。
[0010]作為優(yōu)選的，本發(fā)明中的兩個(gè)單向閥是由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的一種主動(dòng)閥，受外加驅(qū)動(dòng)電源控制。此外，進(jìn)油口單向閥、出油口單向閥與疊堆致動(dòng)器三者驅(qū)動(dòng)電壓頻率滿足匹配規(guī)律，且相差一定相位角，使三者動(dòng)作存在時(shí)序上的先后要求，進(jìn)而使泵腔滿足吸油與壓油的條件。
[0011]作為優(yōu)選的，進(jìn)出油口的主動(dòng)閥是通過(guò)特殊工藝在彈性基板上壓制上一層壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)的，這是由于壓電陶瓷質(zhì)地脆硬，與彈性基板復(fù)合后，可以充分利用壓電陶瓷產(chǎn)生的形變，又不至于使其在大變形下?lián)p壞，因此其特點(diǎn)是變形大、響應(yīng)快。
[0012]作為優(yōu)選的，致動(dòng)器與彈性膜片之間采用一塊剛性元件來(lái)實(shí)現(xiàn)二者固連。
[0013]作為優(yōu)選的，振動(dòng)膜片采用彈性性能較好的材料，一般采用鈹青銅，并采用有限元分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法確定最優(yōu)的厚度。
[0014]作為優(yōu)選的，壓電數(shù)字泵泵體采用不銹鋼制造。利用有限元分析，在保證壓電泵輸出性能前提下，盡量減小泵體厚度，增大功率密度。
[0015]作為優(yōu)選的，壓電疊堆致動(dòng)器在工作前需要預(yù)加一定大小的偏置力，保證致動(dòng)器工作的穩(wěn)定性，提高使用壽命，因此在致動(dòng)器設(shè)計(jì)時(shí)，需要增加一個(gè)施加偏置應(yīng)力的彈簧。
[0016]本發(fā)明的主要有著以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明采用大推力、大位移的壓電疊堆致動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)源，最大額定工作壓力可以達(dá)至Ij IOMpa0
[0017]2.進(jìn)出油口的單向閥采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，避免了被動(dòng)閥無(wú)法與疊堆驅(qū)動(dòng)器的高頻相匹配缺點(diǎn)。
[0018]3.通過(guò)設(shè)計(jì)的控制器來(lái)控制壓電疊堆致動(dòng)器中參與驅(qū)動(dòng)的層數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)泵流量數(shù)字化的控制?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明裝置整體剖視圖；
圖2是本發(fā)明裝置中主動(dòng)閥結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明裝置吸油過(guò)程原理圖；
圖4是本發(fā)明裝置壓油過(guò)程原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0021]如圖1所示:一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的數(shù)字液壓泵主要由壓電疊堆致動(dòng)器1、泵體
2、彈簧3、剛性元件4、彈性膜片5、泵腔6、進(jìn)油口主動(dòng)閥7、進(jìn)油口 8、出油口 9、出油口主動(dòng)閥10、控制器11、驅(qū)動(dòng)電源12、控制線13等零部件組成。
[0022]壓電數(shù)字泵泵體2由不銹鋼加工而成。內(nèi)置壓電數(shù)字泵的核心驅(qū)動(dòng)部件一壓電疊堆致動(dòng)器I。壓電疊堆致動(dòng)器I內(nèi)部是由多層壓電陶瓷片、電極、絕緣物組成，通過(guò)特殊工藝壓制為一體形成的，并且封裝在金屬外殼中。整個(gè)致動(dòng)器整體與泵體2固連。本發(fā)明中的疊堆致動(dòng)器每片壓電陶瓷片獨(dú)立受各自驅(qū)動(dòng)電壓控制，由控制器控制參與驅(qū)動(dòng)的層數(shù)。與此同時(shí)，在壓電疊堆上端部與金屬殼之間安裝一個(gè)彈簧3，為致動(dòng)器提供偏置壓力，以此來(lái)提高致動(dòng)器的穩(wěn)定性和驅(qū)動(dòng)性能。
[0023]壓電疊堆致動(dòng)器I與彈性膜片5之間通過(guò)一個(gè)剛性元件4固連在一起，以保證致動(dòng)器輸出端與彈性膜片5的同步，同時(shí)也減小因輸出端相對(duì)較細(xì)而引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提聞I旲片的使用壽命。
[0024]進(jìn)油口主動(dòng)閥7與出油口主動(dòng)閥10分別由彈性基體和壓電陶瓷通過(guò)特殊工藝壓制在一起。當(dāng)壓電陶瓷通電后產(chǎn)生應(yīng)變，帶動(dòng)彈性基體材料產(chǎn)生應(yīng)變，進(jìn)而使整個(gè)單向閥發(fā)生形變，從而實(shí)現(xiàn)閥口的開閉。
[0025]控制器11主要用于控制壓電疊堆致動(dòng)器I和進(jìn)出油口主動(dòng)閥7、10的電壓。其控制主要有三個(gè)目的:一是實(shí)現(xiàn)泵輸出流量數(shù)字化的目標(biāo)；而是控制主動(dòng)閥7、10和致動(dòng)器I的工作頻率與壓電數(shù)字泵的系統(tǒng)諧振頻率相匹配；三是通過(guò)控制三者驅(qū)動(dòng)電壓的相位來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)閥7、10和致動(dòng)器I的動(dòng)作時(shí)序先后控制。
[0026]本發(fā)明裝置工作時(shí)分為吸油和壓油過(guò)程:
吸油過(guò)程:如圖2所示，控制器11控制壓電疊堆致動(dòng)器收縮，泵腔6容積增大，此時(shí)控制器11控制進(jìn)油口主動(dòng)閥7開啟，同時(shí)保持出油口主動(dòng)閥11閉合，在泵腔6內(nèi)的負(fù)壓作用下開始吸油。
[0027]壓油過(guò)程:如圖3所示，控制器11控制壓電疊堆致動(dòng)器伸長(zhǎng)，泵腔6容積減小，此時(shí)控制器11控制出油口主動(dòng)閥10開啟，同時(shí)保持進(jìn)油口主動(dòng)閥7閉合，在泵腔6內(nèi)的正壓作用下開始?jí)河汀?br> [0028]流量數(shù)字化控制過(guò)程:如圖1所示，控制器發(fā)出數(shù)字信號(hào)來(lái)控制參與疊堆致動(dòng)器中參與驅(qū)動(dòng)的層數(shù)來(lái)改變致動(dòng)器振幅的大小，從而改變泵的流量的大小。
【權(quán)利要求】
1.基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的數(shù)字液壓泵，主要由泵體、壓電疊堆致動(dòng)器、剛性元件、彈性膜片、進(jìn)油口單向閥、出油口單向閥和控制器組成，其特征在于:彈性膜片將泵體分為上下兩部分，其中上部分為油路結(jié)構(gòu)，下部分為驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)； 所述的油路結(jié)構(gòu)包括進(jìn)油口、出油口，進(jìn)油口通過(guò)進(jìn)油口單向閥與位于彈性膜片上方的泵腔聯(lián)通，泵腔通過(guò)出油口單向閥與出油口聯(lián)通； 所述的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)包括壓電疊堆致動(dòng)器、剛性元件和彈簧，壓電疊堆致動(dòng)器的推桿上套置有彈簧，剛性元件設(shè)置在推桿的頂端并與彈性膜片固定連接； 所述的壓電疊堆致動(dòng)器、進(jìn)油口單向閥和出油口單向閥受控于控制器； 當(dāng)壓電疊堆致動(dòng)器通交流電后產(chǎn)生雙向振動(dòng)，使彈性膜片產(chǎn)生高頻振動(dòng)，從而使泵腔容積產(chǎn)生變化；其中當(dāng)致動(dòng)器收縮時(shí)，泵腔容積增大，同時(shí)控制進(jìn)油口單向閥開啟，出油口單向閥關(guān)閉，泵腔此時(shí)處于吸油狀態(tài)，吸入低壓油；當(dāng)致動(dòng)器伸長(zhǎng)時(shí)，泵腔容積減小，控制進(jìn)油口單向閥關(guān)閉，出油口單向閥開啟，泵腔此時(shí)處于壓油狀態(tài)，輸出高壓油。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的數(shù)字液壓泵，其特征在于:壓電疊堆致動(dòng)器采用機(jī)械上串聯(lián)、電壓上并聯(lián)的方式將若干性能參數(shù)相同的壓電陶瓷片、絕緣體、內(nèi)部電極以及外部電極制為一體；其工作電壓的大小和頻率可控，可以控制其匹配系統(tǒng)的諧振頻率，達(dá)到最大輸出特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的數(shù)字液壓泵，其特征在于:通過(guò)控制器的數(shù)字信號(hào)控制壓電疊堆致動(dòng)器中參與驅(qū)動(dòng)的層數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字液壓泵流量數(shù)字化的控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的數(shù)字液壓泵，其特征在于:所述彈性膜片采用鈹青銅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的數(shù)字液壓泵，其特征在于:所述泵體采用不銹鋼制造。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的數(shù)字液壓泵，其特征在于:所述彈簧用于施加偏置應(yīng)力。
【文檔編號(hào)】F04B53/10GK103899518SQ201410114188
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】王林翔, 陳惟峰, 吳庭 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)