專利名稱：一種壓電晶片驅動的精密步進式液壓缸的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于機電液一體化技術領域，具體涉及一種壓電晶片驅動的精密步進式液壓缸，用于大行程的精密步進驅動、定位及振動控制。
背景技術：
隨著精密機械加工、精密測量、顯微醫學、精密光學工程以及航空航天等領域發展，大行程的精密步進驅動、定位及振動控制技術研究受到世界各國學者的廣泛關注。目前用于構造精密位移驅動器的主要是電磁、磁致伸縮、記憶合金及壓電陶瓷等功能材料，其中壓電陶瓷因具有高能量密度、高功率、輸出力大、高響應頻響、高分辨率及無電磁干擾等優勢，被廣泛應用。常見的壓電精密驅動器可簡單地歸納為4類1)直接利用壓電疊堆伸縮變
形輸出力和位移的直推式壓電驅動器；2)采用杠桿或柔性鉸鏈等放大機構的壓電驅動器；3)采用多壓電疊堆構造的嵌位式步進驅動器；4)利用超聲波原理形成的超聲型直線驅動器。前兩類壓電驅動器的結構簡單、輸出力大，但因運動行程或控制范圍過小，實際應用受到了一定的制約；后兩類壓電驅動器雖可獲得較大的運動行程，但結構及控制復雜、要求部件的加工精度高，且依靠摩擦力傳遞力和位移，故進給精度及剛度低、輸出力遠低于壓電體自身的驅動力，只有幾到幾十牛頓，無法滿足驅動力和位移都較大的使用場合，且當摩擦副表面磨損嚴重時會導致精度降低甚至無法使用。鑒于傳統壓電驅動器自身的局限性以及相關領域對結構緊湊、高輸出力、大位移、高精度、高能效精密步進驅動器的需求，人們先后提出了幾種基于壓電與流體耦合驅動的新型步進式壓電液壓驅動器，即利用壓電泵循環流體實現液壓缸的驅動，如中國專利200810051156. 7,200920093242. 4,201020180067. 5 等。由于壓電振子的變形極其微小、實際流體具有可壓縮性，因此為提高系統剛度、避免液壓缸活塞爬行，壓電液壓驅動器必須采用蓄能器提供背壓。但現有壓電液壓驅動器中壓電振子都是單側驅動的，即壓電振子僅一側直接或間接地與流體接觸，因此系統背壓會成為壓電振子的負載、嚴重地降低了驅動器總體的有效功率輸出，過大的系統背壓還會導致晶片型壓電振子破損，故現有壓電液壓驅動器的能量效率及可靠性都很低。
發明內容針對現有壓電驅動器及壓電液壓驅動器應用上的局限性，以及航空航天、機器人、精密加工等領域對高精度、大行程精密驅動器的需求現狀，本實用新型提出一種壓電晶片驅動的精密步進式液壓缸。本實用新型采用的技術方案是缸體兩端通過螺釘安裝有缸蓋；缸體中安裝有雙頭活塞，所述活塞將所述缸體內腔分成第一缸腔和第二缸腔；缸體外壁上通過螺釘安裝有第一泵蓋和第二泵蓋；所述缸體外壁上設有兩組數量為2-20個的泵腔、以及兩個閥腔，所述同一組泵腔中兩相鄰泵腔之間、以及相鄰的泵腔與閥腔之間分別通過所述缸體上的兩個腔間流道串聯；第一和第二泵蓋上各設有一組數量為2-20個的泵腔，所述同一泵蓋上相鄰兩泵腔之間分別通過其所在泵蓋上的腔間流道串聯；在所述各個泵腔內、以及缸體上的兩個閥腔內均設有閥片；缸體上的第一組串聯泵腔和第一泵蓋上的串聯泵腔之間通過密封圈壓接有壓電振子，缸體上的第一組串聯泵腔的進口和第一泵蓋上的串聯泵腔的出口連通，構成串聯泵I;缸體上的第二組串聯泵腔和第二泵蓋上的串聯泵腔之間通過密封圈壓接有壓電振子，缸體上的第二組串聯泵腔的進口和第二泵蓋上的串聯泵腔的出口連通，構成串聯泵II;串聯泵I的出口與缸體上的第一缸腔連通，進口經管路與第一蓄能器連通、再經第一開關閥以及缸體上的第一通孔與第二缸腔連接；同樣地，所述串聯泵I I的出口與缸體的第二缸腔連通，進口經管路與第二蓄能器連通、再經第二開關閥以及缸體上的第二通孔與第一缸腔連接。本實用新型所述的串聯泵I、II不同時工作；工作時同一個串聯泵中相鄰兩個泵腔中壓電振子驅動電壓的相位差為180度，壓電振子彎曲變形方向相反。本實用新型中，兩個串聯泵的作用是提供流體驅動力，實現流體的循環及活塞的驅動與控制；開關閥的作用是控制兩個串聯泵的進口與兩個缸腔之間的通斷；蓄能器的作用是提高流體的剛度和活塞的響應速度。在非工作狀態下，第一開關閥和第二開關閥均處于關閉狀態，第一蓄能器和第二蓄能器的預置壓力相等，壓電振子兩側流體壓力相等、不產生彎曲變形，活塞靜止不動。串聯泵I工作時，第一開關閥開啟，串聯泵I的進口經第一開關閥及缸體上的第一通孔與第二缸腔連通；當壓電振子受電壓作用產生往復彎曲變形時，泵腔內的流體壓力交替地增加或減小，從而推動活塞向左運動。如圖6、圖7所示，串聯泵II工作時，第二開關閥開啟，串聯泵II的進口經第二開關閥及缸體上的第二通孔與第一缸腔連通；當壓電振子受電壓作用產生往復彎曲變形時，泵腔內流體壓力交替地增加或減小，從而推動活塞向右運動。根據本實用新型所述液壓缸的工作原理，活塞的最大運動速度為
V= 、最大進給步長為Λ = T7vWaf/*^最大驅動力為F = 2 nFnpS，其中%和1為與壓電振子結構及材料參數、蓄能器壓力、流體特性等有關的系數，Λν為壓電振子變形所引起的泵腔容積變化量，P為壓電振子受電壓作用時所產生的最大流體驅動壓力，η為壓電振子數量，S為活塞的有效截面積。本實用新型的顯著特點及優勢在于I)壓電振子兩側均與流體接觸，即雙側驅動，由此所帶來的優勢是①系統背壓作用于壓電振子兩側，流體背壓力為系統內力、不會成為壓電振子的負載或使壓電振子損壞，可采用較大系統背壓避免液壓缸活塞爬行，故可靠性及步進精度高驅動能力強，即使在無系統背壓時，壓電振子雙側驅動的驅動能力及效率也都遠高于壓電振子單側驅動的情況；2)利用多個晶片型壓電振子串聯驅動液壓缸，輸出力大、速度高，且成本低壓電晶片價格僅幾元人民幣，遠低于數千甚至上萬元的壓電疊堆；3)驅動單元與液壓缸體集成，體積小、集成度高、密封性好，可作為獨立的標準部件應用，并通過一次循環一個液滴的方法實現較大行程內的精密數字式步進驅動與定位控制。
圖I是本實用新型一個較佳實施例的結構剖面示意圖；圖2是圖I的A-A向視圖；圖3是圖I的B向視圖；圖4是本實用新型一個較佳實施例串聯泵I的前半工作周期結構示圖；圖5是本實用新型一個較佳實施例串聯泵I的后半工作周期結構示圖；圖6是本實用新型一個較佳實施例串聯泵II的前半 工作周期結構示圖；圖7是本實用新型一個較佳實施例串聯泵II的后半工作周期結構示具體實施方式
如圖I、圖2、圖3所示，缸體I兩端通過螺釘安裝有缸蓋2和2’，缸體I中安裝有雙頭活塞3，所述活塞3將所述缸體I的內腔分成第一缸腔Cl和第二缸腔C2 ;缸體I外壁上通過螺釘安裝有第一泵蓋4和第二泵蓋4’ ；所述缸體I外壁上設有兩組數量為2-20個的泵腔103和103’、以及兩個閥腔102和102’，所述同一組泵腔中兩相鄰泵腔之間、以及兩相鄰泵腔與閥腔之間分別通過缸體I上的腔間流道104或104’串聯；第一泵蓋4和第二泵蓋4’上各設有一組數量為2-20個的泵腔403和403’，所述同一泵蓋上相鄰兩泵腔之間分別通過其所在泵蓋上的兩個腔間流道104或104’串聯；在所述各個泵腔103、103’、403及403’內，以及缸體I上的兩個閥腔102和102’內均設有閥片6 ;缸體I上的第一組串聯泵腔103和第一泵蓋4上的串聯泵腔403之間通過密封圈壓接有壓電振子5，缸體I上的第一組串聯泵腔103的進口 105和第一泵蓋4上的串聯泵腔403的出口 401連通，構成串聯泵I ;缸體I上的第二組串聯泵腔103’和第二泵蓋4’上的串聯泵腔403’之間通過密封圈壓接有壓電振子5，缸體I上的第二組串聯泵腔103’的進口 105’和第二泵蓋4’上的串聯泵腔403’的出口 401’連通，構成串聯泵II ;串聯泵I的出口 101與缸體I上的第一缸腔Cl連通，進口 405經管路與第一蓄能器8連通、再經第一開關閥7以及缸體I上的第一通孔106與第二缸腔C2連接；同樣地，所述串聯泵II的出口 101’與缸體I的第二缸腔C2連通，進口 405’經管路與第二蓄能器8’連通、再經第二開關閥7’以及缸體I上的第二通孔106’與第一缸腔Cl連接。本實用新型所述的串聯泵I、II不同時工作；工作時同一個串聯泵中相鄰兩個泵腔中壓電振子驅動電壓的相位差為180度，壓電振子彎曲變形方向相反。如圖I所示，在非工作狀態下，第一開關閥7和第二開關閥7’均處于關閉狀態，第一蓄能器8和第二蓄能器8’的預置壓力相等，壓電振子5兩側流體壓力、不產生彎曲變形，活塞3靜止不動。如圖4、圖5所示，串聯泵I工作時，第一開關閥7開啟，串聯泵I的進口 405經第一開關閥7及缸體I上的第一通孔106與第二缸腔C2連通；當壓電振子5受電壓作用產生往復彎曲變形時，泵腔103和403內的流體壓力交替地增加或減小，從而推動活塞3向左運動對于圖4所示的前半周期，泵蓋4上與出口 405連通的泵腔403從第二缸腔C2中吸入流體，缸體I上與閥腔102連通的泵腔103向第一缸腔Cl排出流體，活塞3向左運動一步；對于圖5所示的后半周期，閥腔102內的閥片及靠近進口 405處的閥片均關閉，無流體排出或吸入，活塞3靜止不動。[0027]如圖6、圖7所示，串聯泵II工作時，第二開關閥V開啟，串聯泵II的進口 405’經第二開關閥7’及缸體I上的第二通孔106’與第一缸腔Cl連通；當壓電振子5受電壓作用產生往復彎曲變形時，泵腔103’和403’內的流體壓力交替地增加或減小，從而推動活塞3向右運動對于圖6所示的前半周期，泵蓋4’上與出口 405’連通的泵腔403’從第一缸腔Cl中吸入流體，缸體I上與閥腔102’連通的泵腔103’向第二缸腔C2排出流體，活塞3
向右運動一步；對于圖7所示的后半周期，閥腔102’內的閥片及靠近進口 405’處的閥片均關閉，無流體排出或吸入，活塞3靜止不動。
權利要求1.一種壓電晶片驅動的精密步進式液壓缸，其特征在于缸體兩端裝有缸蓋；缸體中裝有雙頭活塞，所述活塞將缸體腔分成第一、第二缸腔；缸體外壁上裝有第一、第二泵蓋；缸體外壁上設有兩組數量為2-20個的泵腔及兩個閥腔，所述同一組泵腔中兩相鄰泵腔之間、以及相鄰的泵腔與閥腔之間分別通過缸體上的腔間流道串聯；第一、第二泵蓋上各設一組數量為2-20個的泵腔，同一泵蓋上相鄰兩泵腔通過其所在泵蓋的腔間流道串聯；在所述各泵腔內、及缸體上的兩閥腔內均設有閥片；缸體上第一組串聯泵腔和第一泵蓋上的串聯泵腔之間通過密封圈壓接有壓電振子，缸體上第一組串聯泵腔的進口和第一泵蓋上的串聯泵腔出口連通，構成串聯泵I ;缸體上的第二組串聯泵腔和第二泵蓋上的串聯泵腔之間通過密封圈壓接有壓電振子，缸體上的第二組串聯泵腔的進口和第二泵蓋上的串聯泵腔的出口連通，構成串聯泵II ;串聯泵I的出口與第一缸腔連通，進口經管路與第一蓄能器連通、再經第一開關閥及缸體的第一通孔與第二缸腔連接；同樣，所述串聯泵II的出口與第二缸腔連通，進口經管路與第二蓄能器連通、再經第二開關閥及缸體上的第二通孔與第一缸腔連接。
2.根據權利要求I所述一種壓電晶片驅動的精密步進式液壓缸，其特征在于串聯泵I、II不同時工作；工作時，同一個串聯泵中相鄰兩個泵腔中壓電振子驅動電壓的相位差為·180 度。
專利摘要本實用新型涉及一種壓電晶片驅動的精密步進式液壓缸，屬于機電液一體化技術領域。缸體兩端裝有缸蓋，雙頭活塞安裝于缸體內部并將其分成第一和第二缸腔；第一、第二泵蓋與缸體間分別壓接有2-20個壓電振子，構成串聯泵I和串聯泵II；串聯泵I的出口與缸體上的第一缸腔連通，進口經管路與第一蓄能器連通、再經第一開關閥以及缸體上的第一通孔與第二缸腔連接；同樣地，串聯泵II的出口與缸體的第二缸腔連通，進口經管路與第二蓄能器連通、再經第二開關閥以及缸體上的第二通孔與第一缸腔連接。特色及優點是壓電振子雙側驅動流體，驅動能力強、可靠性及步進精度高，可通過一次循環一個液滴的方法實現較大行程的精密數字式步進驅動與定位控制。
文檔編號F15B15/18GK202579445SQ20122024537
公開日2012年12月5日 申請日期2012年5月23日 優先權日2012年5月23日
發明者王淑云, 闞君武, 張忠華, 曾平, 程光明 申請人:浙江師范大學