專利名稱：一種壓電晶片驅(qū)動的精密步進(jìn)式液壓缸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機電液一體化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種壓電晶片驅(qū)動的精密步進(jìn)式液壓缸，用于大行程的精密步進(jìn)驅(qū)動、定位及振動控制。
背景技術(shù)：
隨著精密機械加工、精密測量、顯微醫(yī)學(xué)、精密光學(xué)工程以及航空航天等領(lǐng)域發(fā)展，大行程的精密步進(jìn)驅(qū)動、定位及振動控制技 術(shù)研究受到世界各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前用于構(gòu)造精密位移驅(qū)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(yīng)頻響、高分辨率及無電磁干擾等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用。常見的壓電精密驅(qū)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(qū)動器；2)采用杠桿或柔性鉸鏈等放大機構(gòu)的壓電驅(qū)動器3)采用多壓電疊堆構(gòu)造的嵌位式步進(jìn)驅(qū)動器；4)利用超聲波原理形成的超聲型直線驅(qū)動器。前兩類壓電驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)簡單、輸出力大，但因運動行程或控制范圍過小，實際應(yīng)用受到了一定的制約；后兩類壓電驅(qū)動器雖可獲得較大的運動行程，但結(jié)構(gòu)及控制復(fù)雜、要求部件的加工精度高，且依靠摩擦力傳遞カ和位移，故進(jìn)給精度及剛度低、輸出力遠(yuǎn)低于壓電體自身的驅(qū)動カ，只有幾到幾十牛頓，無法滿足驅(qū)動カ和位移都較大的使用場合，且當(dāng)摩擦副表面磨損嚴(yán)重時會導(dǎo)致精度降低甚至無法使用。鑒于傳統(tǒng)壓電驅(qū)動器自身的局限性以及相關(guān)領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)緊湊、高輸出力、大位移、高精度、高能效精密步進(jìn)驅(qū)動器的需求，人們先后提出了幾種基于壓電與流體耦合驅(qū)動的新型步進(jìn)式壓電液壓驅(qū)動器，即利用壓電泵循環(huán)流體實現(xiàn)液壓缸的驅(qū)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(tǒng)剛度、避免液壓缸活塞爬行，壓電液壓驅(qū)動器必須采用蓄能器提供背壓。但現(xiàn)有壓電液壓驅(qū)動器中壓電振子都是單側(cè)驅(qū)動的，即壓電振子僅ー側(cè)直接或間接地與流體接觸，因此系統(tǒng)背壓會成為壓電振子的負(fù)載、嚴(yán)重地降低了驅(qū)動器總體的有效功率輸出，過大的系統(tǒng)背壓還會導(dǎo)致晶片型壓電振子破損，故現(xiàn)有壓電液壓驅(qū)動器的能量效率及可靠性都很低。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有壓電驅(qū)動器及壓電液壓驅(qū)動器應(yīng)用上的局限性，以及航空航天、機器人、精密加工等領(lǐng)域?qū)Ω呔?、大行程精密?qū)動器的需求現(xiàn)狀，本發(fā)明提出ー種壓電晶片驅(qū)動的精密步進(jìn)式液壓缸。本發(fā)明采用的技術(shù)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(nèi)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(shè)有兩組數(shù)量為2-20個的泵腔、以及兩個閥腔，所述同ー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(lián)；第一和第二泵蓋上各設(shè)有ー組數(shù)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(lián)；在所述各個泵腔內(nèi)、以及缸體上的兩個閥腔內(nèi)均設(shè)有閥片；缸體上的第一組串聯(lián)泵腔和第一泵蓋上的串聯(lián)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(lián)泵腔的進(jìn)口和第一泵蓋上的串聯(lián)泵腔的出口連通，構(gòu)成串聯(lián)泵I ;缸體上的第二組串聯(lián)泵腔和第二泵蓋上的串聯(lián)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(lián)泵腔的進(jìn)口和第二泵蓋上的串聯(lián)泵腔的出口連通，構(gòu)成串聯(lián)泵II;串聯(lián)泵I的出口與缸體上的第一缸腔連通，進(jìn)ロ經(jīng)管路與第一蓄能器連通、再經(jīng)第一開關(guān)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(lián)泵II的出口與缸體的第二缸腔連通，進(jìn)ロ經(jīng)管路與第二蓄能器連通、再經(jīng)第二開關(guān)閥以及缸體上的第二通孔與第一缸腔連接。本發(fā)明所述的串聯(lián)泵I和串聯(lián)泵II不同 時工作；工作時同一個串聯(lián)泵中相鄰兩個泵腔中壓電振子驅(qū)動電壓的相位差為180度，壓電振子彎曲變形方向相反。本發(fā)明中，兩個串聯(lián)泵的作用是提供流體驅(qū)動力，實現(xiàn)流體的循環(huán)及活塞的驅(qū)動與控制；開關(guān)閥的作用是控制兩個串聯(lián)泵的進(jìn)ロ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(yīng)速度。在非工作狀態(tài)下，第一開關(guān)閥和第二開關(guān)閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，第一蓄能器和第二蓄能器的預(yù)置壓力相等，壓電振子兩側(cè)流體壓カ相等、不產(chǎn)生彎曲變形，活塞靜止不動。串聯(lián)泵I工作時，第一開關(guān)閥開啟，串聯(lián)泵I的進(jìn)ロ經(jīng)第一開關(guān)閥及缸體上的第一通孔與第二缸腔連通；當(dāng)壓電振子受電壓作用產(chǎn)生往復(fù)彎曲變形時，泵腔內(nèi)的流體壓カ交替地增加或減小，從而推動活塞向左運動。如圖6、圖7所示，串聯(lián)泵II工作時，第二開關(guān)閥開啟，串聯(lián)泵II的進(jìn)ロ經(jīng)第二開關(guān)閥及缸體上的第二通孔與第一缸腔連通；當(dāng)壓電振子受電壓作用產(chǎn)生往復(fù)彎曲變形吋，泵腔內(nèi)流體壓カ交替地增加或減小，從而推動活塞向右運動。根據(jù)本發(fā)明所述液壓缸的工作原理，活塞的最大運動速度為V = 60//v、最大進(jìn)給步長為/z = ；7vV^Ar/S、最大驅(qū)動カ為F = 2nFnpS，其中ην和、為與壓電振子結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)、蓄能器壓力、流體特性等有關(guān)的系數(shù)，AV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(chǎn)生的最大流體驅(qū)動壓力，η為壓電振子數(shù)量，S為活塞的有效截面積。本發(fā)明的顯著特點及優(yōu)勢在于I)壓電振子兩側(cè)均與流體接觸，即雙側(cè)驅(qū)動，由此所帶來的優(yōu)勢是①系統(tǒng)背壓作用于壓電振子兩側(cè)，流體背壓カ為系統(tǒng)內(nèi)力、不會成為壓電振子的負(fù)載或使壓電振子損壞，可采用較大系統(tǒng)背壓避免液壓缸活塞爬行，故可靠性及步進(jìn)精度高；②驅(qū)動能力強，即使在無系統(tǒng)背壓時，壓電振子雙側(cè)驅(qū)動的驅(qū)動能力及效率也都遠(yuǎn)高于壓電振子單側(cè)驅(qū)動的情況；2)利用多個晶片型壓電振子串聯(lián)驅(qū)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(yuǎn)低于數(shù)千甚至上萬元的壓電疊堆；3)驅(qū)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(biāo)準(zhǔn)部件應(yīng)用，并通過一次循環(huán)ー個液滴的方法實現(xiàn)較大行程內(nèi)的精密數(shù)字式步進(jìn)驅(qū)動與定位控制。


圖I是本發(fā)明一個較佳實施例的結(jié)構(gòu)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是本發(fā)明一個較佳實施例串聯(lián)泵I的前半工作周期結(jié)構(gòu)示圖；
圖5是本發(fā)明一個較佳實施例串聯(lián)泵I的后半工作周期結(jié)構(gòu)示圖；圖6是本發(fā)明一個較佳實施例串聯(lián)泵II的前半工作周期結(jié)構(gòu)示圖；圖7是本發(fā)明一個較佳實施例串聯(lián)泵II的后半工作周期結(jié)構(gòu)示具體實施例方式如圖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(nèi)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(shè)有兩組數(shù)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(lián)；第ー泵蓋4和第二泵蓋4’上各設(shè)有ー組數(shù)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(lián)；在所述各個泵腔103、103’、403及403’內(nèi)，以及缸體I上的兩個閥腔102和102’內(nèi)均設(shè)有閥片6 ;缸體I上的第一組串聯(lián)泵腔103和第一泵蓋4上的串聯(lián)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(lián)泵腔103的進(jìn)ロ 105和第一泵蓋4上的串聯(lián)泵腔403的出口 401連通，構(gòu)成串聯(lián)泵I ;缸體I上的第二組串聯(lián)泵腔103’和第二泵蓋4’上的串聯(lián)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(lián)泵腔103’的進(jìn)ロ 105’和第二泵蓋4’上的串聯(lián)泵腔403’的出口 401’連通，構(gòu)成串聯(lián)泵II ;串聯(lián)泵I的出口 101與缸體I上的第一缸腔Cl連通，進(jìn)ロ 405經(jīng)管路與第一蓄能器8連通、再經(jīng)第一開關(guān)閥7以及缸體I上的第通孔106與第二缸腔C2連接；同樣地，所述串聯(lián)泵II的出口 101’與缸體I的第二缸腔C2連通，進(jìn)ロ 405’經(jīng)管路與第二蓄能器8，連通、再經(jīng)第二開關(guān)閥7’以及缸體I上的第二通孔106’與第一缸腔Cl連接。本發(fā)明所述的串聯(lián)泵I和串聯(lián)泵II不同時工作；工作時同一個串聯(lián)泵中相鄰兩個泵腔中壓電振子驅(qū)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(tài)下，第一開關(guān)閥7和第二開關(guān)閥7’均處于關(guān)閉狀態(tài)，第一蓄能器8和第二蓄能器8’的預(yù)置壓力相等，壓電振子5兩側(cè)流體壓力、不產(chǎn)生彎曲變形，活塞3靜止不動。如圖4、圖5所示，串聯(lián)泵I工作時，第一開關(guān)閥7開啟，串聯(lián)泵I的進(jìn)ロ 405經(jīng)第一開關(guān)閥7及缸體I上的第一通孔106與第二缸腔C2連通；當(dāng)壓電振子5受電壓作用產(chǎn)生往復(fù)彎曲變形時，泵腔103和403內(nèi)的流體壓カ交替地增加或減小，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上與出ロ 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向左運動ー步；對于圖5所示的后半周期，閥腔102內(nèi)的閥片及靠近進(jìn)ロ 405處的閥片均關(guān)閉，無流體排出或吸入，活塞3靜止不動。
如圖6、圖7所示，串聯(lián)泵II工作時，第二開關(guān)閥V開啟，串聯(lián)泵II的進(jìn)ロ 405’經(jīng)第二開關(guān)閥7’及缸體I上的第二通孔106’與第一缸腔Cl連通；當(dāng)壓電振子5受電壓作用產(chǎn)生往復(fù)彎曲變形時，泵腔103’和403’內(nèi)的流體壓カ交替地増加或減小，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向右運動一歩；對于圖7所示的后半周 期，閥腔102’內(nèi)的閥片及靠近進(jìn)ロ 405’處的閥片均關(guān)閉，無流體排出或吸入，活塞3靜止不動。
權(quán)利要求
1.ー種壓電晶片驅(qū)動的精密步進(jìn)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(shè)有兩組數(shù)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(lián)；第一、第二泵蓋上各設(shè)ー組數(shù)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(lián)；在所述各泵腔內(nèi)、及缸體上的兩閥腔內(nèi)均設(shè)有閥片；缸體上第一組串聯(lián)泵腔和第一泵蓋上的串聯(lián)泵腔之間通過密封圈壓接有壓電振子，缸體上第一組串聯(lián)泵腔的進(jìn)口和第一泵蓋上的串聯(lián)泵腔出口連通，構(gòu)成串聯(lián)泵I ;缸體上的第二組串聯(lián)泵腔和第二泵蓋上的串聯(lián)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(lián)泵腔的進(jìn)口和第二泵蓋上的串聯(lián)泵腔的出ロ連通，構(gòu)成串聯(lián)泵II ;串聯(lián)泵I的出口與第一缸腔連通，進(jìn)ロ經(jīng)管路與第一蓄能器連通、再經(jīng)第一開關(guān)閥及缸體的第一通孔與第二缸腔連接；同樣，所述串聯(lián)泵II的出口與第二缸腔連通，進(jìn)ロ經(jīng)管路與第二蓄能器連通、再經(jīng)第二開關(guān)閥及缸體上的第二通孔與第一缸腔連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種壓電晶片驅(qū)動的精密步進(jìn)式液壓缸，其特征在于串聯(lián)泵I、II不同時工作；工作吋，同一個串聯(lián)泵中相鄰兩個泵腔中壓電振子驅(qū)動電壓的相位差為180 度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓電晶片驅(qū)動的精密步進(jìn)式液壓缸，屬于機電液一體化技術(shù)領(lǐng)域。缸體兩端裝有缸蓋，雙頭活塞安裝于缸體內(nèi)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(gòu)成串聯(lián)泵I和串聯(lián)泵II；串聯(lián)泵I的出口與缸體上的第一缸腔連通，進(jìn)口經(jīng)管路與第一蓄能器連通、再經(jīng)第一開關(guān)閥以及缸體上的第一通孔與第二缸腔連接；同樣地，串聯(lián)泵II的出口與缸體的第二缸腔連通，進(jìn)口經(jīng)管路與第二蓄能器連通、再經(jīng)第二開關(guān)閥以及缸體上的第二通孔與第一缸腔連接。特色及優(yōu)點是壓電振子雙側(cè)驅(qū)動流體，驅(qū)動能力強、可靠性及步進(jìn)精度高，可通過一次循環(huán)一個液滴的方法實現(xiàn)較大行程的精密數(shù)字式步進(jìn)驅(qū)動與定位控制。
文檔編號F15B15/18GK102691693SQ20121017546
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月23日
發(fā)明者張忠華, 曾平, 王淑云, 程光明, 闞君武 申請人:浙江師范大學(xué)