專利名稱：一種雙級螺旋內(nèi)反饋數(shù)字流體缸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于流體工作系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種用數(shù)字脈沖信號驅(qū)動電機再經(jīng)液壓放大的“雙級螺旋內(nèi)反饋數(shù)字流體缸”。
背景技術(shù)：
在流體傳動中，液壓缸作為終端執(zhí)行機構(gòu)被廣泛采用。傳統(tǒng)的液壓缸只是作為一個簡單的功率執(zhí)行元件，它的運動是靠其它的流體控制元件來控制，為了讓液壓缸滿足各種功能要求，因而發(fā)明了各種不同的流體控制元件，如方向閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、比例閥、伺服閥等等數(shù)十種規(guī)格，上百個產(chǎn)品來滿足液壓缸不同的控制要求，使得液壓技術(shù)變得十分復(fù)雜。但即使如此，仍然有許多問題不易解決，如高精度的速度控制，位置控制、多缸同步控制、長行程同步控制等等，是經(jīng)常碰到的液壓難題。為此人們不得不求助于極為復(fù)雜的液壓伺服技術(shù)，即在液壓缸上安裝電位移傳感器，通過傳感器檢測液壓缸的速度和行程，將此信號送到計算機，與計算機內(nèi)的速度設(shè)定和位置設(shè)定不斷進(jìn)行比較，將誤差值經(jīng)過數(shù)學(xué)處理，再輸出調(diào)節(jié)信號，控制伺服閥再轉(zhuǎn)換成液壓閥口開度，從而控制流量變化，達(dá)到控制油缸速度和位置的目的，這就是到目前為止普遍采用的傳統(tǒng)伺服控制技術(shù)，不但價格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳遞環(huán)節(jié)多，而且調(diào)試?yán)щy、難于維護(hù)、抗污染抗干擾能力差，從而大大的限制了該技術(shù)的推廣使用。
在計算機技術(shù)、數(shù)字技術(shù)飛速發(fā)展的今天，人們急需一種能夠直接接受計算機信號的液壓缸來完成各種控制功能。為此人們從70年代開始就進(jìn)行了研究，德國首先推出了一種利用梯形螺旋齒頂控制油路切換，利用步進(jìn)電機驅(qū)動螺旋轉(zhuǎn)動，從而控制油缸前進(jìn)后退的世界上第一臺數(shù)字油缸，引起世界極大的轟動。但是該數(shù)字油缸由于難于制造，價格昂貴，只能停留于實驗室階段而很難推廣。此后，日本、蘇聯(lián)、法國、瑞士、中國等相繼進(jìn)行了研究，推出了不同種類的單級螺旋內(nèi)反饋數(shù)字油缸，并獲得了一定成功的應(yīng)用，但是這些數(shù)字油缸，都有一個共同的缺點，無法作到高速、長行程、低價位，這種數(shù)字液壓缸的螺旋和閥芯作成了一個整體，該整體一端與液壓缸活塞桿上的螺母相連，另一端為液壓閥的換向閥芯，當(dāng)閥芯在步進(jìn)電機的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)時，閥芯在螺母的作用下會產(chǎn)生軸向移動，從而引起液壓油流動方向發(fā)生變化，推動油缸前進(jìn)的同時，通過螺母副將閥芯關(guān)閉，形成位置反饋。這種機構(gòu)由于螺旋導(dǎo)程不能作得太大，一般3-6mm，否則將自鎖，而步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速又受到結(jié)構(gòu)限制，一般3-5圈/秒，因而這種直接反饋的數(shù)字油缸速度一般都在30-50mm/秒以下，并且這種數(shù)字缸在無油壓而受外力作用時，活塞桿移動將損壞內(nèi)部機構(gòu)，這在許多情況下是可能發(fā)生的，這一缺陷就大大的限制了它的應(yīng)用范圍，因而盡管這些國家進(jìn)行了大量的研究，最后也不得不退出市場。后來，國外又推出了用滾珠螺母代替螺紋進(jìn)行位置反饋的數(shù)字缸，這種數(shù)字缸雖然也是采用的兩級反饋，但第一級采用的是市場上的滾珠螺母，導(dǎo)程不大，且體積較大，無法裝入小型油缸活塞桿內(nèi)。并且滾珠螺母高昂的價格也是難于接受的，這種數(shù)字缸的速度也不高，故不能滿足工業(yè)應(yīng)用要求。近期，還有一種方法是采用方鋼或扁鋼機械扭轉(zhuǎn)成大導(dǎo)程螺旋體，代替滾珠螺母進(jìn)行反饋，這種方法盡管解決了大導(dǎo)程反饋的問題，但扭轉(zhuǎn)螺旋體不能形成準(zhǔn)確的螺距，重復(fù)性不能保證，扭轉(zhuǎn)螺旋體的配合螺母也難于加工成型，只能加大機械間歇來滿足配合要求，所以只能用在對位置要求不嚴(yán)格的地方。因此，這些形形色色的數(shù)字缸只在很小的領(lǐng)域使用，與傳統(tǒng)技術(shù)比較其優(yōu)勢不明顯，不能獲得廣泛應(yīng)用。由此，數(shù)字液壓缸怎樣十分方便的與數(shù)字技術(shù)和計算機相結(jié)合，又能作到準(zhǔn)確、高速、長行程、低價位的問題，變成了一個共同的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的難題，推出一種與數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)運動準(zhǔn)確、高速、長行程，而且顯著降低造價的數(shù)字流體缸。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種雙級螺旋內(nèi)反饋數(shù)字流體缸，它包括缸體，中空活塞桿，反饋套，撥銷，第一級大導(dǎo)程精密反饋螺旋桿，連接件，緊固件，推力軸承，壓蓋，第二級反饋螺母，小擋銷，閥芯，滑鍵，滑套，步進(jìn)電機，支座以及各個流道和進(jìn)回油口等組成一個整體。它是利用步進(jìn)電機接收數(shù)字脈沖信號驅(qū)動閥芯運動切換油路，推動活塞桿前進(jìn)后退，活塞桿在缸體中只作前進(jìn)后退的直線運動。該裝置又經(jīng)二級反饋螺桿完成負(fù)反饋，同時完成速度跟蹤和位置跟蹤。
該數(shù)字流體缸具有雙級反饋螺旋副，其中的第一級是采用不能自鎖的大導(dǎo)程螺旋槽與圓柱銷配合，從而將活塞桿直線運動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動的，因而它的導(dǎo)程必須較大，不能處于自鎖狀態(tài)。
所述第一級螺旋副，螺旋桿為圓柱形，其上加工有螺旋導(dǎo)槽，外部反饋套上有撥銷，撥銷與螺旋導(dǎo)槽滑動配合，通過撥銷撥動螺旋桿轉(zhuǎn)動。
所述第一級螺旋副是通過連接件與第二級反饋螺旋副相連形成一個整體。
所述雙級螺旋副中的第二級，其左端是異形螺母套，右側(cè)為閥芯，閥芯上有三個以上臺階，進(jìn)行油路密封和切換，閥芯左端部的螺紋與螺母套螺紋連接；異形螺母套右端部有一扇形突出部分，在該扇形突出部分內(nèi)側(cè)開有一扇形凹槽，閥芯左側(cè)螺紋中部固定一小檔銷，小檔銷的突出部分正好在螺母套右端部扇形突出部內(nèi)側(cè)扇形凹槽內(nèi)，閥芯右端部有鍵槽安裝滑鍵，通過滑套與步進(jìn)電機相連。
所述第二級螺母副是用壓蓋固定在閥體內(nèi)，螺母副的右端與閥芯的螺紋配合，左端用連接銷與反饋螺桿連接形成一個整體。
所述螺母套是用推力軸承支撐在壓蓋上，推力軸承用緊固件緊固。
本發(fā)明采用的步進(jìn)電機也可改換成其它傳動電機加傳感器或編碼器構(gòu)成閉環(huán)控制的形式，這時的數(shù)字流體缸即變成了伺服流體缸。
本發(fā)明采用的流體介質(zhì)可以是各種液體或氣體介質(zhì)。
所述數(shù)字缸的閥芯與電機軸的連接必須采用具有相對運動的滑動形式。
所述電機，必須與缸體固定，不允許相對運動。
所述第一級反饋螺旋副中的大導(dǎo)程螺旋桿上的螺旋槽可以是等距離也可以是不等距離。
本發(fā)明突破了數(shù)字缸的高速，長行程、低價位的三大難題，實現(xiàn)了數(shù)字流體缸高精度的速度控制和位置控制。


圖1是本發(fā)明一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是閥芯端部局部放大圖；圖3是圖2A-A剖視圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個實施例作出進(jìn)一步詳細(xì)敘述。
該數(shù)字流體缸如圖1所示，它包括缸體1、中空活塞桿2、反饋套3、撥銷4、大導(dǎo)程槽形螺旋桿5、連接銷6、緊固件7、推力軸承8、壓蓋9、螺母套10、帶螺紋閥芯11、滑鍵12、滑套13、步進(jìn)電機14、聯(lián)接螺釘15、支架16、外接油管17、通前腔油路18、回油口19、通后腔油路20、進(jìn)油口21、小檔銷22等。反饋套3與活塞桿2固定為一個整體，撥銷4固定在反饋套3內(nèi)，其探出端可在螺旋桿5的螺旋槽內(nèi)滑動，螺旋桿5的頭部與螺母套10通過連接銷6連為一個整體，螺母套10被壓蓋9可旋轉(zhuǎn)地固定在缸體1孔內(nèi)，壓蓋9由螺釘15固定在缸體1上，緊固件7將推力軸承8壓靠在壓蓋9上，步進(jìn)電機14輸出軸通過滑套13和滑鍵12與帶螺紋閥芯11相連，帶螺紋閥芯11一端帶有螺紋另一端帶有滑鍵，帶有螺紋的一端與螺母套10螺紋連接，閥芯11螺紋部分的中間部位固定有一小檔銷22，小檔銷22的突出部分間隙配合于螺母套10端部扇形突出部的扇形槽內(nèi)。閥芯11中間為多個凸臺，該凸臺起油路的密封和切換作用，高壓油從缸體進(jìn)油口21進(jìn)入二個閥芯凸臺之間被密封并等待流向分配，液壓油通過回油口19回油。
該數(shù)字流體缸是這樣工作的如果步進(jìn)電機14在數(shù)字脈沖信號的作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，則該運動通過滑套13，滑鍵12傳輸?shù)綆菁y閥芯11上，帶螺紋閥芯11在產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動的同時，在頭部螺紋和螺母套10的作用下產(chǎn)生軸向運動，例如向左運動，這時帶螺紋閥芯11的臺肩左移，高壓油經(jīng)通后腔油路20送入油缸后腔，而前腔的油通過油管17，通道18、臺肩開口和油道19回油，活塞桿2在前后腔壓差的作用下向前運動，活塞桿2移動的同時，通過撥銷4撥動大導(dǎo)程槽形螺旋桿5旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)方向與步進(jìn)電機14轉(zhuǎn)動方向相同，大導(dǎo)程槽形螺旋桿5的旋轉(zhuǎn)運動通過連接銷6帶動螺母10原地轉(zhuǎn)動，由于螺母轉(zhuǎn)動的方向與帶螺紋閥芯11轉(zhuǎn)動的方向相同，于是將閥芯11推回原位，因而實現(xiàn)了機械伺服負(fù)反饋，如果活塞桿2運行的速度低于步進(jìn)電機14輸入的指令速度，則反饋會使閥芯11控制的閥口自動增加，從而加快活塞桿2的運行速度，如果活塞桿2的運行速度高于步進(jìn)電機輸入的指令速度則閥口會自動減小，減慢活塞桿2的運行速度，從而實現(xiàn)了速度跟蹤輸入指令的脈沖頻率和位置跟蹤輸入指令的脈沖總數(shù)的雙自動調(diào)節(jié)。因為只有當(dāng)大導(dǎo)程槽形螺旋桿5的轉(zhuǎn)數(shù)與帶螺紋閥芯11相同時，帶螺紋閥芯11才能將2個油口完全遮閉，活塞桿2才能處于停止?fàn)顟B(tài)，所以閥芯11轉(zhuǎn)動的圈數(shù)乘上螺旋桿5的導(dǎo)程就是活塞桿2的行程。而閥芯11轉(zhuǎn)動的角位移，又是受步進(jìn)電機14直接控制的。眾所周知，步進(jìn)電機是接收計算機或數(shù)字控制器發(fā)出的數(shù)字脈沖信號而工作的，如果用n個脈沖可讓步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動一圈，相應(yīng)螺旋桿5也轉(zhuǎn)一圈，若螺旋桿5的導(dǎo)程為T，則每個脈沖對應(yīng)的位移即為S＝T/n，若T＝100mm，n＝1000，則S＝0.1mm，當(dāng)步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速為5圈/秒時，則活塞桿2的速度即可達(dá)500mm/秒，如果T＝200mm，則活塞桿2的速度即可達(dá)1000mm/秒，從而解決了數(shù)字流體缸實現(xiàn)高速運行的難題。而這種用一個撥銷傳動的大導(dǎo)程槽形螺旋桿加工又十分容易，并且可以采用拼接的方法加以延長，螺旋槽導(dǎo)程只要大到反向傳動不自鎖，就不受導(dǎo)程變化的限制，即使對于變化的導(dǎo)程也可以實現(xiàn)負(fù)反饋。從而突破了數(shù)字缸的高速，長行程、低價位的三大難題。又由于數(shù)字脈沖信號可以由計算機，可編程序控制器(PLC)和專用的數(shù)字脈沖發(fā)生器十分方便的獲得，因而實現(xiàn)了數(shù)字流體缸高精度的速度控制和位置控制，只要將脈沖頻率控制在步進(jìn)電機正常工作的范圍內(nèi)，就不會丟失脈沖，從而實現(xiàn)了高精度的開環(huán)控制，并可實現(xiàn)連續(xù)大范圍(1000倍以上)的調(diào)節(jié)活塞桿速度，同時實現(xiàn)了活塞桿的方向、速度和位置控制，幾乎取代了所有的傳統(tǒng)液壓元件，使傳統(tǒng)液壓技術(shù)真正實現(xiàn)了全程數(shù)字傳動，對液壓技術(shù)帶來了巨大的進(jìn)步。
參見圖2、圖3，小檔銷22用來防止螺母套10和閥芯11因失步而互相鎖死，防止步進(jìn)電機無法解鎖從而造成故障。閥芯11螺紋部分的中間部位固定該小檔銷22，小檔銷22的突出部分間隙配合于螺母套10端部扇形突出部的扇形槽內(nèi)。小檔銷22的作用是這樣的在正常工作時，由于螺母套10和閥芯11幾乎是同步旋轉(zhuǎn)的，兩者的相位差較小，小檔銷22是不參與任何工作的，只有在非正常狀態(tài)如系統(tǒng)流量和壓力跟不上步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速時，螺母套10與閥芯11的相位差會逐漸加大，當(dāng)大到一定程度時，小檔銷22會碰到螺母套10突出部分的側(cè)面，從而防止繼續(xù)加大失步而鎖死，由于小檔銷22是擋在螺母套10突出部分的側(cè)面，電機只要反轉(zhuǎn)就能解開，從而避免了失步造成無法從新正常工作的事故。此外，當(dāng)數(shù)字流體缸沒工作，而活塞桿2在外力作用下被移動時，由于撥銷4和大導(dǎo)程螺旋桿5的反饋作用，螺母套10會旋轉(zhuǎn)，由于小檔銷22的作用，會帶動閥芯11和步進(jìn)電機14一起旋轉(zhuǎn)，也防止了鎖死現(xiàn)象的發(fā)生。由此可見，由于小檔銷22的作用，就防止了各種操作失誤而損壞數(shù)字流體缸的可能，從而保證了長期可靠的正常工作。
權(quán)利要求
1.一種雙級螺旋內(nèi)反饋數(shù)字流體缸，包括缸體(1)，中空活塞桿(2)，電機(14)，以及各個流道和進(jìn)回油口，其特征是還包括反饋套(3)、撥銷(4)、大導(dǎo)程槽形螺旋桿(5)、連接銷(6)、緊固件(7)、推力軸承(8)、壓蓋(9)、螺母套(10)、帶螺紋閥芯(11)、滑鍵(12)、滑套(13)、支架(16)、外接油管(17)、通前腔油路(18)、回油口(19)、通后腔油路(20)、進(jìn)油口(21)。反饋套(3)與活塞桿(2)固定為一個整體，活塞桿(2)在缸體(1)內(nèi)只作直線運動，撥銷(4)固定在反饋套(3)內(nèi)，其探出端可在螺旋桿(5)的螺旋槽內(nèi)滑動，螺旋槽的旋向使螺旋桿(5)的轉(zhuǎn)動方向與電機(14)輸出軸的轉(zhuǎn)動方向一致，螺旋桿(5)的頭部與螺母套(10)通過連接銷(6)連接為一個整體，螺母套(10)被壓蓋(9)可旋轉(zhuǎn)地固定在缸體(1)孔內(nèi)，壓蓋(9)由螺釘(15)固定在缸體(1)上，緊固件(7)將推力軸承(8)壓靠在壓蓋(9)上，電機(14)通過支架(16)固定在缸體(1)上，其輸出軸通過滑套(13)和滑鍵(12)與帶螺紋閥芯(11)相連，帶螺紋閥芯(11)一端帶有螺紋另一端帶有滑鍵，中間為多個起油路的密封和切換作用的凸臺，被密封并等待流向分配的高壓油從缸體進(jìn)油口(21)進(jìn)入二個閥芯凸臺之間，液壓油通過回油口(19)回油，步進(jìn)電機(14)接收數(shù)字脈沖信號驅(qū)動閥芯(11)運動切換油路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字流體缸，其特征在于具有雙級反饋螺旋副，其中的第一級是采用不能自鎖的大導(dǎo)程螺旋槽與撥銷(4)配合，該第一級反饋螺旋副將活塞桿(2)直線運動轉(zhuǎn)換成螺旋桿(5)的旋轉(zhuǎn)運動，所述螺旋槽導(dǎo)程較大，不自鎖。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)字流體缸，其特征在于第一級螺旋副是通過連接件與第二級反饋螺旋副相連接形成一個整體。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)字流體缸，其特征在于雙級螺旋副中的第二級，其左端是異形螺母套(10)，右端為閥芯(11)，閥芯上有三個以上進(jìn)行油路密封和切換的臺階，閥芯(11)左端部為螺紋與螺母套(10)螺紋連接，右端部有鍵槽安裝滑鍵(12)，通過滑套(13)與步進(jìn)電機(14)相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)字流體缸，其特征在于第二級螺母副是用壓蓋(9)固定在缸體(1)內(nèi)，螺母套(10)的右端與閥芯(11)螺紋連接，左端用連接銷(6)與螺桿(5)連接形成一個整體。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)字流體缸，其特征在于異形螺母套(10)是用推力軸承(8)支撐在壓蓋9上，推力軸承用緊固件7緊固。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字流體缸，其特征在于電機(14)是步進(jìn)電機，也可以是傳動電機加傳感器或編碼器構(gòu)成閉環(huán)控制的形式，這時的數(shù)字流體缸為伺服液壓缸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字流體缸，其特征在于流體介質(zhì)可以是各種液體或氣體介質(zhì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的數(shù)字流體缸，其特征在于第一級反饋螺旋副中的大導(dǎo)程螺旋桿(5)上的螺旋槽可以是等距離也可以是不等距離。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的數(shù)字流體缸，其特征在于閥芯(11)螺紋部分的中間部位固定一小檔銷(22)，小檔銷(22)的突出部分間隙配合于異形螺母套(10)端部扇形突出部的扇形槽內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙級螺旋內(nèi)反饋的數(shù)字流體缸，它包括缸體(1)、中空活塞桿(2)、反饋套(3)、撥銷(4)、大導(dǎo)程精密槽形螺旋桿(5)、連接銷(6)、緊固件(7)、推力軸承(8)、壓蓋(9)、螺母套(10)、帶螺紋閥芯(11)、滑鍵(12)、滑套(13)、步進(jìn)電機(14)、聯(lián)接螺釘(15)、支架(16)、外接油管(17)、通前腔油路(18)、回油口(19)、通后腔油路(20)、進(jìn)油口(21)、小檔銷22等。步進(jìn)電機接收數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)動帶螺紋閥芯(11)的同時控制閥口接通流體缸，活塞桿(2)在液壓油的推動下移動，在運動過程中通過中空活塞桿上的撥銷(4)撥動第一級大導(dǎo)程槽形螺旋桿(5)、再帶動第二級螺母套(10)反饋到控制閥芯(11)上，由于第一級大導(dǎo)程槽形螺旋桿(5)的放大作用，在步進(jìn)電機(14)轉(zhuǎn)速不高的情況下，實現(xiàn)了油缸的高速運動和位置跟蹤，從而真正實現(xiàn)了數(shù)字流體缸的高速高精度全程數(shù)字傳動與控制。
文檔編號F15B15/16GK1724882SQ20041006939
公開日2006年1月25日 申請日期2004年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月22日
發(fā)明者楊世祥, 楊濤, 李桂英 申請人:楊世祥, 楊濤, 李桂英