专利名称：一种双级螺旋内反馈数字流体缸的制作方法
技术领域：
本实用新型属于流体工作系统领域，具体涉及一种用数字脉冲信号驱动电机再经液压放大的“双级螺旋内反馈数字流体缸”。
背景技术：
在流体传动中，液压缸作为终端执行机构被广泛采用。传统的液压缸只是作为一个简单的功率执行元件，它的运动是靠其它的流体控制元件来控制，为了让液压缸满足各种功能要求，因而发明了各种不同的流体控制元件，如方向阀、节流阀、调速阀、比例阀、伺服阀等等数十种规格，上百个产品来满足液压缸不同的控制要求，使得液压技术变得十分复杂。但即使如此，仍然有许多问题不易解决，如高精度的速度控制，位置控制、多缸同步控制、长行程同步控制等等，是经常碰到的液压难题。为此人们不得不求助于极为复杂的液压伺服技术，即在液压缸上安装电位移传感器，通过传感器检测液压缸的速度和行程，将此信号送到计算机，与计算机内的速度设定和位置设定不断进行比较，将误差值经过数学处理，再输出调节信号，控制伺服阀再转换成液压阀口开度，从而控制流量变化，达到控制油缸速度和位置的目的，这就是到目前为止普遍采用的传统伺服控制技术，不但价格昂贵、结构复杂、传递环节多，而且调试困难、难于维护、抗污染抗干扰能力差，从而大大的限制了该技术的推广使用。
在计算机技术、数字技术飞速发展的今天，人们急需一种能够直接接受计算机信号的液压缸来完成各种控制功能。为此人们从70年代开始就进行了研究，德国首先推出了一种利用梯形螺旋齿顶控制油路切换，利用步进电机驱动螺旋转动，从而控制油缸前进后退的世界上第一台数字油缸，引起世界极大的轰动。但是该数字油缸由于难于制造，价格昂贵，只能停留于实验室阶段而很难推广。此后，日本、苏联、法国、瑞士、中国等相继进行了研究，推出了不同种类的单级螺旋内反馈数字油缸，并获得了一定成功的应用，但是这些数字油缸，都有一个共同的缺点，无法作到高速、长行程、低价位，这种数字液压缸的螺旋和阀芯作成了一个整体，该整体一端与液压缸活塞杆上的螺母相连，另一端为液压阀的换向阀芯，当阀芯在步进电机的驱动下旋转时，阀芯在螺母的作用下会产生轴向移动，从而引起液压油流动方向发生变化，推动油缸前进的同时，通过螺母副将阀芯关闭，形成位置反馈。这种机构由于螺旋导程不能作得太大，一般3-6mm，否则将自锁，而步进电机的转速又受到结构限制，一般3-5圈/秒，因而这种直接反馈的数字油缸速度一般都在30-50mm/秒以下，并且这种数字缸在无油压而受外力作用时，活塞杆移动将损坏内部机构，这在许多情况下是可能发生的，这一缺陷就大大的限制了它的应用范围，因而尽管这些国家进行了大量的研究，最后也不得不退出市场。后来，国外又推出了用滚珠螺母代替螺纹进行位置反馈的数字缸，这种数字缸虽然也是采用的两级反馈，但第一级采用的是市场上的滚珠螺母，导程不大，且体积较大，无法装入小型油缸活塞杆内。并且滚珠螺母高昂的价格也是难于接受的，这种数字缸的速度也不高，故不能满足工业应用要求。近期，还有一种方法是采用方钢或扁钢机械扭转成大导程螺旋体，代替滚珠螺母进行反馈，这种方法尽管解决了大导程反馈的问题，但扭转螺旋体不能形成准确的螺距，重复性不能保证，扭转螺旋体的配合螺母也难于加工成型，只能加大机械间歇来满足配合要求，所以只能用在对位置要求不严格的地方。因此，这些形形色色的数字缸只在很小的领域使用，与传统技术比较其优势不明显，不能获得广泛应用。由此，数字液压缸怎样十分方便的与数字技术和计算机相结合，又能作到准确、高速、长行程、低价位的问题，变成了一个共同的难题。
发明内容
本实用新型的目的是针对现有技术中存在的难题，推出一种与数字技术相结合，实现运动准确、高速、长行程，而且显著降低造价的数字流体缸。
本实用新型是这样实现的，一种双级螺旋内反馈数字流体缸，它包括缸体，中空活塞杆，反馈套，拨销，第一级大导程精密反馈螺旋杆，连接件，紧固件，推力轴承，压盖，第二级反馈螺母，小挡销，阀芯，滑键，滑套，步进电机，支座以及各个流道和进回油口等组成一个整体。它是利用步进电机接收数字脉冲信号驱动阀芯运动切换油路，推动活塞杆前进后退，活塞杆在缸体中只作前进后退的直线运动。该装置又经二级反馈螺杆完成负反馈，同时完成速度跟踪和位置跟踪。
该数字流体缸具有双级反馈螺旋副，其中的第一级是采用不能自锁的大导程螺旋槽与圆柱销配合，从而将活塞杆直线运动转换成旋转运动的，因而它的导程必须较大，不能处于自锁状态。
所述第一级螺旋副，螺旋杆为圆柱形，其上加工有螺旋导槽，外部反馈套上有拨销，拨销与螺旋导槽滑动配合，通过拨销拨动螺旋杆转动。
所述第一级螺旋副是通过连接件与第二级反馈螺旋副相连形成一个整体。
所述双级螺旋副中的第二级，其左端是异形螺母套，右侧为阀芯，阀芯上有三个以上台阶，进行油路密封和切换，阀芯左端部的螺纹与螺母套螺纹连接；异形螺母套右端部有一扇形突出部分，在该扇形突出部分内侧开有一扇形凹槽，阀芯左侧螺纹中部固定一小档销，小档销的突出部分正好在螺母套右端部扇形突出部内侧扇形凹槽内，阀芯右端部有键槽安装滑键，通过滑套与步进电机相连。
所述第二级螺母副是用压盖固定在阀体内，螺母副的右端与阀芯的螺纹配合，左端用连接销与反馈螺杆连接形成一个整体。
所述螺母套是用推力轴承支撑在压盖上，推力轴承用紧固件紧固。
本实用新型采用的步进电机也可改换成其它传动电机加传感器或编码器构成闭环控制的形式，这时的数字流体缸即变成了伺服流体缸。
本实用新型采用的流体介质可以是各种液体或气体介质。
所述数字缸的阀芯与电机轴的连接必须采用具有相对运动的滑动形式。
所述电机，必须与缸体固定，不允许相对运动。
所述第一级反馈螺旋副中的大导程螺旋杆上的螺旋槽可以是等距离也可以是不等距离。
本实用新型突破了数字缸的高速，长行程、低价位的三大难题，实现了数字流体缸高精度的速度控制和位置控制。
图1是本实用新型一种实施例的结构示意图；图2是阀芯端部局部放大图；图3是图2A-A剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的一个实施例作出进一步详细叙述。
该数字流体缸如图1所示，它包括缸体1、中空活塞杆2、反馈套3、拨销4、大导程槽形螺旋杆5、连接销6、紧固件7、推力轴承8、压盖9、螺母套10、带螺纹阀芯11、滑键12、滑套13、步进电机14、联接螺钉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、进油口21、小档销22等。反馈套3与活塞杆2固定为一个整体，拨销4固定在反馈套3内，其探出端可在螺旋杆5的螺旋槽内滑动，螺旋杆5的头部与螺母套10通过连接销6连为一个整体，螺母套10被压盖9可旋转地固定在缸体1孔内，压盖9由螺钉15固定在缸体1上，紧固件7将推力轴承8压靠在压盖9上，步进电机14输出轴通过滑套13和滑键12与带螺纹阀芯11相连，带螺纹阀芯11一端带有螺纹另一端带有滑键，带有螺纹的一端与螺母套10螺纹连接，阀芯11螺纹部分的中间部位固定有一小档销22，小档销22的突出部分间隙配合于螺母套10端部扇形突出部的扇形槽内。阀芯11中间为多个凸台，该凸台起油路的密封和切换作用，高压油从缸体进油口21进入二个阀芯凸台之间被密封并等待流向分配，液压油通过回油口19回油。
该数字流体缸是这样工作的如果步进电机14在数字脉冲信号的作用下产生旋转运动，则该运动通过滑套13，滑键12传输到带螺纹阀芯11上，带螺纹阀芯11在产生旋转运动的同时，在头部螺纹和螺母套10的作用下产生轴向运动，例如向左运动，这时带螺纹阀芯11的台肩左移，高压油经通后腔油路20送入油缸后腔，而前腔的油通过油管17，通道18、台肩开口和油道19回油，活塞杆2在前后腔压差的作用下向前运动，活塞杆2移动的同时，通过拨销4拨动大导程槽形螺旋杆5旋转，该旋转方向与步进电机14转动方向相同，大导程槽形螺旋杆5的旋转运动通过连接销6带动螺母10原地转动，由于螺母转动的方向与带螺纹阀芯11转动的方向相同，于是将阀芯11推回原位，因而实现了机械伺服负反馈，如果活塞杆2运行的速度低于步进电机14输入的指令速度，则反馈会使阀芯11控制的阀口自动增加，从而加快活塞杆2的运行速度，如果活塞杆2的运行速度高于步进电机输入的指令速度则阀口会自动减小，减慢活塞杆2的运行速度，从而实现了速度跟踪输入指令的脉冲频率和位置跟踪输入指令的脉冲总数的双自动调节。因为只有当大导程槽形螺旋杆5的转数与带螺纹阀芯11相同时，带螺纹阀芯11才能将2个油口完全遮闭，活塞杆2才能处于停止状态，所以阀芯11转动的圈数乘上螺旋杆5的导程就是活塞杆2的行程。而阀芯11转动的角位移，又是受步进电机14直接控制的。众所周知，步进电机是接收计算机或数字控制器发出的数字脉冲信号而工作的，如果用n个脉冲可让步进电机转动一圈，相应螺旋杆5也转一圈，若螺旋杆5的导程为T，则每个脉冲对应的位移即为S＝T/n，若T＝100mm，n＝1000，则S＝0.1mm，当步进电机转速为5圈/秒时，则活塞杆2的速度即可达500mm/秒，如果T＝200mm，则活塞杆2的速度即可达1000mm/秒，从而解决了数字流体缸实现高速运行的难题。而这种用一个拨销传动的大导程槽形螺旋杆加工又十分容易，并且可以采用拼接的方法加以延长，螺旋槽导程只要大到反向传动不自锁，就不受导程变化的限制，即使对于变化的导程也可以实现负反馈。从而突破了数字缸的高速，长行程、低价位的三大难题。又由于数字脉冲信号可以由计算机，可编程序控制器(PLC)和专用的数字脉冲发生器十分方便的获得，因而实现了数字流体缸高精度的速度控制和位置控制，只要将脉冲频率控制在步进电机正常工作的范围内，就不会丢失脉冲，从而实现了高精度的开环控制，并可实现连续大范围(1000倍以上)的调节活塞杆速度，同时实现了活塞杆的方向、速度和位置控制，几乎取代了所有的传统液压元件，使传统液压技术真正实现了全程数字传动，对液压技术带来了巨大的进步。
参见图2、图3，小档销22用来防止螺母套10和阀芯11因失步而互相锁死，防止步进电机无法解锁从而造成故障。阀芯11螺纹部分的中间部位固定该小档销22，小档销22的突出部分间隙配合于螺母套10端部扇形突出部的扇形槽内。小档销22的作用是这样的在正常工作时，由于螺母套10和阀芯11几乎是同步旋转的，两者的相位差较小，小档销22是不参与任何工作的，只有在非正常状态如系统流量和压力跟不上步进电机的转速时，螺母套10与阀芯11的相位差会逐渐加大，当大到一定程度时，小档销22会碰到螺母套10突出部分的侧面，从而防止继续加大失步而锁死，由于小档销22是挡在螺母套10突出部分的侧面，电机只要反转就能解开，从而避免了失步造成无法从新正常工作的事故。此外，当数字流体缸没工作，而活塞杆2在外力作用下被移动时，由于拨销4和大导程螺旋杆5的反馈作用，螺母套10会旋转，由于小档销22的作用，会带动阀芯11和步进电机14一起旋转，也防止了锁死现象的发生。由此可见，由于小档销22的作用，就防止了各种操作失误而损坏数字流体缸的可能，从而保证了长期可靠的正常工作。
权利要求1.一种双级螺旋内反馈数字流体缸，包括缸体(1)，中空活塞杆(2)，电机(14)，以及各个流道和进回油口，其特征是还包括反馈套(3)、拨销(4)、大导程槽形螺旋杆(5)、连接销(6)、紧固件(7)、推力轴承(8)、压盖(9)、螺母套(10)、带螺纹阀芯(11)、滑键(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)、进油口(21)。反馈套(3)与活塞杆(2)固定为一个整体，活塞杆(2)在缸体(1)内只作直线运动，拨销(4)固定在反馈套(3)内，其探出端可在螺旋杆(5)的螺旋槽内滑动，螺旋槽的旋向使螺旋杆(5)的转动方向与电机(14)输出轴的转动方向一致，螺旋杆(5)的头部与螺母套(10)通过连接销(6)连接为一个整体，螺母套(10)被压盖(9)可旋转地固定在缸体(1)孔内，压盖(9)由螺钉(15)固定在缸体(1)上，紧固件(7)将推力轴承(8)压靠在压盖(9)上，电机(14)通过支架(16)固定在缸体(1)上，其输出轴通过滑套(13)和滑键(12)与带螺纹阀芯(11)相连，带螺纹阀芯(11)一端带有螺纹另一端带有滑键，中间为多个起油路的密封和切换作用的凸台，被密封并等待流向分配的高压油从缸体进油口(21)进入二个阀芯凸台之间，液压油通过回油口(19)回油，步进电机(14)接收数字脉冲信号驱动阀芯(11)运动切换油路。
2.根据权利要求1所述的数字流体缸，其特征在于具有双级反馈螺旋副，其中的第一级是采用不能自锁的大导程螺旋槽与拨销(4)配合，该第一级反馈螺旋副将活塞杆(2)直线运动转换成螺旋杆(5)的旋转运动，所述螺旋槽导程较大，不自锁。
3.根据权利要求2所述的数字流体缸，其特征在于第一级螺旋副是通过连接件与第二级反馈螺旋副相连接形成一个整体。
4.根据权利要求2所述的数字流体缸，其特征在于双级螺旋副中的第二级，其左端是异形螺母套(10)，右端为阀芯(11)，阀芯上有三个以上进行油路密封和切换的台阶，阀芯(11)左端部为螺纹与螺母套(10)螺纹连接，右端部有键槽安装滑键(12)，通过滑套(13)与步进电机(14)相连接。
5.根据权利要求4所述的数字流体缸，其特征在于第二级螺母副是用压盖(9)固定在缸体(1)内，螺母套(10)的右端与阀芯(11)螺纹连接，左端用连接销(6)与螺杆(5)连接形成一个整体。
6.根据权利要求4所述的数字流体缸，其特征在于异形螺母套(10)是用推力轴承(8)支撑在压盖9上，推力轴承用紧固件7紧固。
7.根据权利要求1所述的数字流体缸，其特征在于电机(14)是步进电机，也可以是传动电机加传感器或编码器构成闭环控制的形式，这时的数字流体缸为伺服液压缸。
8.根据权利要求1所述的数字流体缸，其特征在于流体介质可以是各种液体或气体介质。
9.根据权利要求8所述的数字流体缸，其特征在于第一级反馈螺旋副中的大导程螺旋杆(5)上的螺旋槽可以是等距离也可以是不等距离。
10.根据权利要求9所述的数字流体缸，其特征在于阀芯(11)螺纹部分的中间部位固定一小档销(22)，小档销(22)的突出部分间隙配合于异形螺母套(10)端部扇形突出部的扇形槽内。
专利摘要本实用新型公开了一种双级螺旋内反馈的数字流体缸，它包括缸体(1)、中空活塞杆(2)、反馈套(3)、拨销(4)、大导程精密槽形螺旋杆(5)、连接销(6)、紧固件(7)、推力轴承(8)、压盖(9)、螺母套(10)、带螺纹阀芯(11)、滑键(12)、滑套(13)、步进电机(14)、联接螺钉(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)、进油口(21)、小档销22等。步进电机接收数字脉冲信号转动带螺纹阀芯(11)的同时控制阀口接通流体缸，活塞杆(2)在液压油的推动下移动，在运动过程中通过中空活塞杆上的拨销(4)拨动第一级大导程槽形螺旋杆(5)、再带动第二级螺母套(10)反馈到控制阀芯(11)上，由于第一级大导程槽形螺旋杆(5)的放大作用，在步进电机(14)转速不高的情况下，实现了油缸的高速运动和位置跟踪，从而真正实现了数字流体缸的高速高精度全程数字传动与控制。
文档编号F15B15/20GK2718297SQ20042008412
公开日2005年8月17日 申请日期2004年7月22日 优先权日2004年7月22日
发明者杨世祥, 杨涛, 李桂英 申请人:杨世祥, 杨涛, 李桂英