一種復(fù)合式數(shù)字伺服執(zhí)行器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機(jī)械、液壓和電機(jī)復(fù)合式的數(shù)字伺服執(zhí)行器(以下簡稱執(zhí)行器)。更準(zhǔn)確的說，本發(fā)明涉及一種由微型調(diào)速電機(jī)、旋轉(zhuǎn)配油閥、液壓蓄能器、油路系統(tǒng)、內(nèi)嚙合齒輪對、控制器等組成的集成式、大扭矩的數(shù)字伺服執(zhí)行器。
【背景技術(shù)】
[0002]伺服執(zhí)行器一般是指能通過某些特定方式將現(xiàn)有的機(jī)械能、電能、或其他能量形式轉(zhuǎn)化為目標(biāo)運(yùn)動形式的輸出裝置。當(dāng)前，傳統(tǒng)的、技術(shù)較為成熟的執(zhí)行器有基于電機(jī)驅(qū)動的執(zhí)行器、基于液壓伺服控制的執(zhí)行器和基于氣動控制技術(shù)的執(zhí)行器。基于伺服電機(jī)(或者步進(jìn)電機(jī))的各種執(zhí)行器，可以方便地通過電機(jī)組合相應(yīng)的減速器，方便地實(shí)現(xiàn)伺服控制(或者數(shù)字控制)。但是電機(jī)功率密度低，要想實(shí)現(xiàn)真正的大功率輸出，微小型電機(jī)顯然無法滿足條件。傳統(tǒng)的液壓執(zhí)行器用壓力油作為執(zhí)行器的動力源，相對于電機(jī)驅(qū)動的執(zhí)行器，液壓執(zhí)行器的扭矩更大、慣性更小、運(yùn)行更平穩(wěn)。但現(xiàn)有的液壓執(zhí)行器由于最終的運(yùn)動輸出裝置均是基于液壓缸(或液壓馬達(dá))，對運(yùn)動的伺服控制只能通過精確地控制進(jìn)入液壓缸的液壓油流量來實(shí)現(xiàn)，因此還需要比例閥(伺服閥)，實(shí)現(xiàn)伺服控制的難度較大，價格也較為昂蟲貝ο
[0003]隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化和智能化程度的要求也在不斷提高。復(fù)雜生產(chǎn)線上各種動作的控制要求，對執(zhí)行器的精度、可控性、數(shù)字化、智能化也提出了更高的要求。目前，用于伺服控制的執(zhí)行器的發(fā)展趨勢是，功率密度高，具有大扭矩輸出、高可靠性、高防護(hù)性、體積小巧、便于安裝維護(hù)等特點(diǎn)，而傳統(tǒng)的基于電機(jī)的執(zhí)行器和基于液壓的執(zhí)行器都難以同時滿足上述需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出了一種數(shù)字控制的復(fù)合式伺服執(zhí)行器，其采用特別設(shè)計的旋轉(zhuǎn)配油閥按一定規(guī)律將壓力油依次分配到不同油缸，輸出端則采用內(nèi)嚙合的齒輪對來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)輸出，內(nèi)嚙合的齒輪對由圓周均布的液壓缸依次推動。其基本原理是，利用特別設(shè)計的旋轉(zhuǎn)配油閥對進(jìn)入液壓缸的壓力油進(jìn)行間歇式分配，為伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)供油，采用電磁閥實(shí)現(xiàn)對油路進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)輸出軸的轉(zhuǎn)動或鎖死，最終輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度和速度取決內(nèi)嚙合齒輪對的幾何參數(shù)及旋轉(zhuǎn)式配油閥的配油頻率。
[0005]同時提出了一種其簡化方案，在前述方案基礎(chǔ)上，略去了旋轉(zhuǎn)配油閥改由控制算法直接控制電磁閥實(shí)現(xiàn)配油，簡化方案結(jié)構(gòu)更加簡單，可以改變步進(jìn)角，但是不能達(dá)到第一方案的高頻率和高壽命。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述功能要求，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案:
本發(fā)明由旋轉(zhuǎn)式配油閥、微型調(diào)速電機(jī)、液壓缸、內(nèi)嚙合齒輪對、數(shù)字控制器、功率放大器、電磁閥、油栗、蓄能器等組成。
[0007]所述的旋轉(zhuǎn)式配油閥，包括驅(qū)動電機(jī)、閥體和配油轉(zhuǎn)子三個部分，電機(jī)帶動配油轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中，配油轉(zhuǎn)子內(nèi)部的各個配油通道依次開閉，從而實(shí)現(xiàn)壓力油的依次分配，最終依次供給到各個液壓缸，這是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)步進(jìn)控制的關(guān)鍵。
[0008]所述的齒輪步進(jìn)裝置包括三個液壓缸(或三個以上)、一個中心軸位置固定的小齒輪(外嚙合齒輪)、一個可以進(jìn)行平面運(yùn)動的大齒輪(內(nèi)嚙合齒輪)構(gòu)成。所述的小齒輪中心軸即為齒輪步進(jìn)裝置的輸出軸。
[0009]所述的三個液壓缸均勾分布在大齒輪外側(cè)，液壓缸與大齒輪外側(cè)貼合，推動大齒輪做平面運(yùn)動。且所述的液壓缸采用差動連接方式供油，可以提高液壓缸的運(yùn)動速度。
[0010]所述的油路系統(tǒng)由油栗、蓄能器、電磁閥、油管構(gòu)成。
[0011]其工作原理如下:
在執(zhí)行器處在工作狀態(tài)時，控制系統(tǒng)控制三個電磁閥處在上位，壓力油通過旋轉(zhuǎn)式配油閥通到液壓缸。三個液壓缸的柱塞(a、b、c)分別與齒輪外側(cè)貼合。當(dāng)旋轉(zhuǎn)式配油閥向液壓缸A供油時，液壓缸B、C的油路與回油油路導(dǎo)通(回油箱)，a柱塞伸出到極限位置，b、c柱塞縮回從而推動大齒輪做平面運(yùn)動。大齒輪帶動小齒輪繞主軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)動力輸出。當(dāng)旋轉(zhuǎn)式配油閥的閥芯繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，壓力油會向液壓缸B供油，柱塞b推動大齒輪繼續(xù)做平面運(yùn)動帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，同時液壓缸A、C回連通回油管路。如此依次循環(huán)往復(fù)帶動小齒輪連續(xù)轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)式的動力輸出。
[0012]當(dāng)旋轉(zhuǎn)式配油閥中閥芯的旋轉(zhuǎn)方向反轉(zhuǎn)時，向三個液壓缸依次供油的順序也會發(fā)生反轉(zhuǎn)，從而使得小齒輪的旋轉(zhuǎn)方向也發(fā)生反轉(zhuǎn)。也就是說執(zhí)行器的輸出方向可以通過旋轉(zhuǎn)式配油閥的旋轉(zhuǎn)方向來控制。但旋轉(zhuǎn)式配油閥的閥芯轉(zhuǎn)動速度變化時，三個液壓缸的動作頻率也會發(fā)生改變，從而使得小齒輪的轉(zhuǎn)動速度發(fā)生改變。
[0013]當(dāng)執(zhí)行器接收到命令從工作狀態(tài)轉(zhuǎn)到保持狀態(tài)，則根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的信號，三個電磁閥中的一個由上位導(dǎo)通運(yùn)動到下位導(dǎo)通，此時這一閥門連通的液壓缸將一直與高壓油路相通，因而一直保持對大齒輪的壓緊力，另外兩個液壓缸通過旋轉(zhuǎn)配油閥與出油口相連接，此時小齒輪將會被鎖死，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器在任意角度的位置保持。但三個液壓缸同時連通壓力油，則大齒輪會在三個液壓缸的共同作用下自動對中，從而與小齒輪脫離，小齒輪就會處于自由運(yùn)動狀態(tài)，此時執(zhí)行器處于漂浮狀態(tài)。
[0014]作為優(yōu)選的，本執(zhí)行器輸出采用三個短行程液壓缸驅(qū)動內(nèi)嚙合齒輪對的輸出形式，相對于電機(jī)驅(qū)動其可以顯著提高轉(zhuǎn)矩。相對于一般的液壓驅(qū)動，其可以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的步進(jìn)式輸出。
[0015]液壓缸的個數(shù)可以多于三個，個數(shù)越多，執(zhí)行器的輸出越平穩(wěn)，步進(jìn)距離越小，示圖中以三個為例，實(shí)際使用可以視具體情況而定。
[0016]作為優(yōu)選的，本執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用專門設(shè)計的旋轉(zhuǎn)配油閥配油，省去了復(fù)雜的配油系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)，降低成本的同時使得執(zhí)行器體積明顯縮小。
[0017]本發(fā)明中的執(zhí)行器用一般液壓油作為動力源，同一油源可以供應(yīng)多個執(zhí)行機(jī)構(gòu)，很容易實(shí)現(xiàn)集成。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明采用液壓作為動力源，相對于伺服電機(jī)，其輸出力矩顯著提高。
[0019]2、采用旋轉(zhuǎn)配油閥供油，齒輪步進(jìn)輸出，在不使用步進(jìn)電機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制的步進(jìn)輸出。改變配油閥閥芯的旋轉(zhuǎn)方向，可以控制執(zhí)行器的輸出方向。
[0020]3、裝置采用轉(zhuǎn)閥配油加短行程液壓缸驅(qū)動齒輪輸出，裝置結(jié)構(gòu)緊湊，所需的工作介質(zhì)的總體積很小，相較于電機(jī)輸出可以明顯縮小體積。
[0021]4、此執(zhí)行器自身體積小巧，若干裝置可以采用同一油源供油，很容易實(shí)現(xiàn)集成，可以更方便應(yīng)用在復(fù)雜要求場所。
[0022]5、本發(fā)明采用數(shù)字控制，通過對配油閥旋轉(zhuǎn)和電磁閥導(dǎo)通的控制，保持小體積、低成本、大扭矩同時實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制。
【附圖說明】
[0023]圖1是本執(zhí)行器的系統(tǒng)示意圖。
[0024]圖2是本執(zhí)行器的簡化后示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。
[0026]如圖1所示，本執(zhí)行機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)配油閥1、溢流閥2、油栗3、單向閥4、蓄能器5、油箱
6、兩位兩通電磁閥7、液壓缸8、內(nèi)嚙合大齒輪9、外嚙合小齒輪12、功率放大器10、控制器11組成。
[0027]圖1中液壓缸8采用了圓周分布三個液壓缸的形式，本機(jī)構(gòu)也可以選擇使用圓周均勻分布五個或七個液壓缸的方式，其原理不變，步距角改變。下面以三個液壓缸為例說明其工作過程，增加液壓缸數(shù)目后其工作過程和原理相同。
[0028]當(dāng)開關(guān)打開后，由控制系統(tǒng)發(fā)出指令，旋轉(zhuǎn)配油閥開始按照設(shè)定好的方向和速度旋轉(zhuǎn)，同時油栗開始向系統(tǒng)和蓄能器中供油。旋轉(zhuǎn)配油閥可以實(shí)現(xiàn)對三個均布的液壓缸的供油與排油。正常工作狀態(tài)下，電磁閥7處在上位導(dǎo)通狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)配油閥旋轉(zhuǎn)過程中依次給A、B、C三個液壓缸供油。當(dāng)轉(zhuǎn)到給液壓缸A供油時，液壓缸B、C與排油油路連通，此時柱塞a推進(jìn)，b、c后退。隨著旋轉(zhuǎn)配油閥的選擇，柱塞a、柱塞b、柱塞c依次推進(jìn)、后退。
[0029]當(dāng)液壓缸的柱塞a推動大齒輪做平面運(yùn)動時，大齒輪和小齒輪保持嚙合，小齒輪軸的位置固定，在大齒輪帶動下，小齒輪繞主軸旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩輸出。
[0030]當(dāng)控制器發(fā)出位置保持指令信號時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行在給定位置的鎖緊動作。以液壓缸的柱塞a進(jìn)行保持為例說明:與液壓缸A相連的兩位兩通電磁閥中在電磁鐵作用下切換工作位，變成下位導(dǎo)通，同時，旋轉(zhuǎn)配油閥的閥芯停止轉(zhuǎn)動，此時，液壓缸B、C保持不變，液壓缸A則一直在壓力油的作用小壓緊大齒輪，從而將其鎖定。
[0031]當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出信號命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)反向轉(zhuǎn)動，則旋轉(zhuǎn)配油閥反向轉(zhuǎn)動，供油方向從A-B-C變成C-B-A，則大齒輪運(yùn)動狀態(tài)相反，帶動小齒輪反向旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行結(jié)構(gòu)的反向輸出。
[0032]基于上述方案，本發(fā)明同時提出了一種其簡化方案，不使用旋轉(zhuǎn)配油閥，改為使用程序直接控制電磁閥實(shí)現(xiàn)對液壓油的控制從而實(shí)現(xiàn)輸出。
[0033 ]具體的說，此方案通過控制算法，控制與A、B、C液壓缸相連接的電磁閥以此以下位導(dǎo)通。當(dāng)電磁閥處于下位導(dǎo)通的時候，直接向液壓缸供油，從而推動柱塞前進(jìn)。此方案也可以依次給A、B同時供油、B、C同時供油、A、C同時供油如此依次同時給兩個液壓缸供油可以改變步進(jìn)角。此方案通過編寫的控制算法控制電磁閥代替旋轉(zhuǎn)液壓閥進(jìn)行配油。
[0034]結(jié)合配圖進(jìn)行具體說明
圖2是本發(fā)明的簡化方案，此方案簡化后沒有使用旋轉(zhuǎn)換向閥，改為使用專門編寫的控制算法直接控制電磁閥。當(dāng)A推進(jìn)時，與A相連通的電磁閥處于下位導(dǎo)通，A的液壓缸進(jìn)油推動柱塞a運(yùn)動，B、C排油，從而推動大齒輪9運(yùn)動，大齒輪9進(jìn)行平面運(yùn)動，帶動小齒輪12做轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)輸出。其從復(fù)運(yùn)動原理和附圖1所述方案類似。
[0035]圖2方案可以通過A、B液壓缸同時進(jìn)油從而a、b柱塞同時推進(jìn)，柱塞c后退，然后B、C同時供油b、c柱塞推動，柱塞a后退，之后C、A液壓缸同時供油，柱塞c、a推進(jìn)，柱塞b后退。如此，兩個柱塞同時推動大齒輪做平面運(yùn)動可以改變推進(jìn)的步距角。
[0036]方案二使用電磁閥直接控制其結(jié)構(gòu)上更加簡單，但是電磁閥頻率有一定限制，頻發(fā)切換其壽命也不如旋轉(zhuǎn)配油閥，但可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)角的改變。
[0037]上述方案中以三個液壓缸為例，但是具體實(shí)施可以根據(jù)需要選擇三個、五個、七個等，視具體情況而定。
[0038]本發(fā)明的技術(shù)方案不限于上述具體實(shí)施例的限制，凡是根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的技術(shù)變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種復(fù)合式數(shù)字伺服執(zhí)行器，主要由齒輪步進(jìn)裝置和可控配油裝置組成，其特征在于: 所述的齒輪步進(jìn)裝置包括至少三個液壓缸、一個中心軸位置固定的外嚙合齒輪、一個可以進(jìn)行平面運(yùn)動的內(nèi)嚙合齒輪;所述的小齒輪中心軸即為齒輪步進(jìn)裝置的輸出軸;所述的液壓缸均勾分布在內(nèi)嗤合齒輪外側(cè)，液壓缸與內(nèi)嗤合齒輪外側(cè)貼合，推動內(nèi)嗤合齒輪做平面運(yùn)動;所述可控配油裝置依據(jù)液壓缸的動作需求來給液壓缸配油。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合式數(shù)字伺服執(zhí)行器，其特征在于:所述可控配油裝置采用旋轉(zhuǎn)配油閥，其包括驅(qū)動電機(jī)、閥體和配油轉(zhuǎn)子，驅(qū)動電機(jī)帶動配油轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中，配油轉(zhuǎn)子內(nèi)部的各個配油通道依次開閉，從而實(shí)現(xiàn)壓力油的依次分配，最終依次供給到齒輪步進(jìn)裝置中的各個液壓缸。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合式數(shù)字伺服執(zhí)行器，其特征在于:所述的旋轉(zhuǎn)配油閥通過單向閥與油栗相連接；同時旋轉(zhuǎn)配油閥的油口通過對應(yīng)的電磁閥與液壓缸相連接，油口的個數(shù)和液壓缸個數(shù)相同。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種復(fù)合式數(shù)字伺服執(zhí)行器，其特征在于:所述的液壓缸采用差動連接方式供油，來提高液壓缸的運(yùn)動速度。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種復(fù)合式數(shù)字伺服執(zhí)行器，其特征在于:所述的電磁閥采用兩位兩通電磁閥。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合式數(shù)字伺服執(zhí)行器，其特征在于:所述可控配油裝置采用可控電磁閥，每個可控電磁閥控制一個液壓缸的供油。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種使用旋轉(zhuǎn)配油閥的復(fù)合式數(shù)字伺服執(zhí)行器。本發(fā)明中的齒輪步進(jìn)裝置包括至少三個液壓缸、一個中心軸位置固定的外嚙合齒輪、一個可以進(jìn)行平面運(yùn)動的內(nèi)嚙合齒輪；所述的小齒輪中心軸即為齒輪步進(jìn)裝置的輸出軸；所述的液壓缸均勻分布在內(nèi)嚙合齒輪外側(cè)，液壓缸與內(nèi)嚙合齒輪外側(cè)貼合，推動內(nèi)嚙合齒輪做平面運(yùn)動；所述可控配油裝置依據(jù)液壓缸的動作需求來給液壓缸配油。本發(fā)明采用液壓油作為動力源，采用旋轉(zhuǎn)配油閥實(shí)現(xiàn)液壓油分配，利用液壓缸的柱塞驅(qū)動嚙合齒輪最終實(shí)現(xiàn)步進(jìn)輸出。相對于伺服電機(jī)輸出，其扭矩明顯增大，體積減小，相對于普通液壓輸出，其可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的步進(jìn)輸出。
【IPC分類】F15B13/02
【公開號】CN105715606
【申請?zhí)枴緾N201610207652
【發(fā)明人】王林翔, 欒宇, 李昕
【申請人】浙江大學(xué)