专利名称：一种交流伺服直驱增压式三层活塞电动液压缸及增压方法
一种交流伺服直驱增压式三层活塞电动液压缸及增压方法技术领域
本发明属于液压缸制造技术领域，具体涉及一种交流伺服直驱增压式三层活塞电动液压缸及增压方法。
背景技术：
传统的液压缸需要液压泵站、油箱、若干个液压阀、液压管路以及电控系统等，结构复杂，占地面积大，并且故障率高；电动缸是将电动及与丝杠一体化设计的模块化产品，结构简单，输出力小，也不具备增压功能，要实现规定输出力的闭环控制，往往需要添加荷重式压力传感器。发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供了一种交流伺服直驱增压式三层活塞电动液压缸及其增压方法，结构简单，故障率低，如果在活塞杆输出端安装位移传感器，以及在高压油腔内安装压力传感器，即可方便地通过对交流伺服电机的控制来实现位移、输出力的闭环控制；交流伺服电机直驱丝杠带动活塞直线运动，采用三层活塞获得增压效果，液压油在液压缸体内部进行循环，省去了油箱，工作腔可以迅速充液和排液。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为:
一种交流伺服直驱增压式三层活塞电动液压缸，包括交流伺服电动机I以及电机转轴上连接的电机减速器2，电机减速器2的输出轴上连接一个小带轮3，小带轮3通过齿形带4连接一个大带轮5，大带轮5通过两个大圆螺母6与滚珠丝杠7联结为一体，大带轮5带动滚珠丝杠7 —起旋转，滚珠丝杠7上装有滚珠丝杠螺母10，滚珠丝杠螺母10与第一层活塞11径向配合联结为一体，第一层活塞11的活塞杆上套着弹簧12，弹簧12的上端和下端分别与第一层活塞11和第二次活塞13相接触，第二层活塞13与第一层活塞11的活塞杆径向配合，在第一层活塞11与第二层活塞13之间的空腔与大气相通,第一层活塞11与缸体18的上端面之间的空间为A腔9，第一层活塞11的活塞杆与滚珠丝杠7之间构成B腔16，第二层活塞13下方的缸体18上加工有小活塞腔19，小活塞腔19所在的缸体、第一层活塞11的活塞杆、第二层活塞13之间构成C腔17，小活塞腔19下方有第三层活塞21，第三层活塞21的活塞杆能够穿过与缸体18固定联结的缸底30，在液压缸工作时对外施力，第三层活塞21的面积大于第一层活塞11的活塞杆面积，第三层活塞21与小活塞腔19所在缸体之间为D腔20，小活塞腔19连通了 C腔17和D腔20，第三层活塞21与缸底30之间的空间为E腔22，液压缸工作时A腔9、B腔16、C腔17、D腔20、E腔22以及小活塞腔19内均充满了液压油；
在E腔22与A腔9之间连接有液压管路23，在液压缸活塞快速下行和慢速增压阶段，E腔22内的液压油通过液压管路23排出到A腔9和B腔16，在液压缸活塞回程阶段，A腔9和B腔16内的液压油通过液压管路23流入E腔22里；
在缸体18的上方装有背压阀14和单向阀15，背压阀14的两端分别连接A腔9和C腔17，在液压缸活塞快速下行阶段，当A腔9内油压不足时，背压阀14开启，C腔17内的液压油在弹簧12的弹力作用给A腔9补充液压油；在液压缸慢速增压阶段，第一层活塞11的活塞杆堵小活塞腔19，第一层活塞11下行时，背压阀14开启，C腔17的液压油通过背压阀14流入A腔9和B腔16 ;单向阀15的两端分别接A腔9和C腔17，在液压缸活塞回程阶段，单向阀15开启，C腔17从A腔9中吸油。
在上述结构的基础上去掉小带轮3、齿形带4、大带轮5，电机减速器2的输出轴通过联轴器27与滚珠丝杠7联结，工作时交流伺服电机I通过电机减速器2、联轴器27直接驱动滚珠丝杠7转动。
为了提高液压缸的承载能力，将滚珠丝杠7和滚珠丝杠螺母9分别用行星滚柱丝杠24、行星滚柱丝杠螺母25替换，行星滚柱丝杠螺母25通过滚柱26与行星滚柱丝杠24径向配合。
在第三层活塞21的活塞杆的输出端安装位移传感器，以及在高压油腔D腔20内安装压力传感器，即可方便地通过对交流伺服电机I的控制来实现位移、输出力的闭环控制。
一种交流伺服直驱增压式三层活塞电动液压缸的增压方法，液压缸活塞快速下行阶段，交流伺服电动机I正转，通过小带轮3、齿形带4和大带轮5带动滚珠丝杠7旋转，滚珠丝杠7带动其上的滚珠丝杠螺母9下行，进而推动第一层活塞11、弹簧12、第二层活塞13下行，推动C腔17内的液压油流向D腔20，从而推动第三层活塞21以与第一层活塞11和第二层活塞13相同的速度快速下行，此时，E腔22内的液压油通过液压管路23流入A腔9和B腔16，此时如果A腔9内油压仍不足，则背压阀14开启，C腔17内的液压油在弹簧12的弹力作用下流入A腔9 一部分，而C腔17内剩余部分的液压油继续推动第三层活塞21向下运动；液压缸慢速增压阶段，此时第一层活塞11的活塞杆刚进入小活塞腔19，堵住了C腔17和D腔20之间的通路，C腔17和D腔20之间的液压油不再相互流通，当第一层活塞11继续下行时，C腔17的液压油通过背压阀14流回入A腔9和B腔16中，小活塞腔19内的液压油流入D腔20，由于第三层活塞21的面积大于第一层活塞11的活塞杆面积，具有很大的增压比，因而D腔20为高压油腔，从而实现了增力；E腔22的液压油通过液压管路23也流入A腔9和B腔16中，第一层活塞11的活塞杆下行至填满小活塞腔19时，第三层活塞21到达液压缸底达到最大行程，液压缸工作结束；液压缸活塞上行回程阶段，交流伺服电动机I反转，滚珠丝杠7转动使滚珠丝杠螺母9上行，滚珠丝杠螺母9带动第一层活塞11、第二层活塞13上行，A腔9和B腔16的体积减小，其中的液压油通过液压管路23流入E腔22，在第一层活塞11的活塞杆开始上行直到离开小活塞腔19的行程中，单向阀15开启，A腔9中的液压油通过单向阀15流入C腔17，当第一层活塞11的活塞杆完全离开小活塞腔19时，C腔17和D腔20连通，D腔20的液压油流入C腔17，C腔内压力增大，单向阀15关闭，A腔9不再给C腔17补充液压油，继续上行时E腔22继续从A腔9吸油，E腔的液压油继续推动第三层活塞21上行，直到其复位。
本发明与现有技术相比，省去传统液压缸中的泵站、油箱、繁杂的液压管路和液压阀，结构简单紧凑，故障率低，在活塞杆输出端安装位移传感器，以及在高压油腔内安装压力传感器，即可方便地通过对交流伺服电机的控制来实现位移、输出力的闭环控制；交流伺服电机直驱丝杠带动活塞直线运动，采用三层活塞获得增压效果，液压油在液压缸体内部进行循环，在液压缸工作时可以迅速反应充液和排液，并且根据不同的使用要求可以变换其结构方式。
图1为本发明液压缸结构示意图。
图2为本发明液压缸第一种改进型结构示意图。
图3为本发明液压缸第二种改进型结构示意图。
图4为本发明液压缸第三种改进型结构示意图。
图5为本发明液压缸增压示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种交流伺服直驱增压式三层活塞电动液压缸，包括交流伺服电动机I以及电机转轴上连接的电机减速器2，电机减速器2的输出轴上连接一个小带轮3，电机减速器2与机身28固定连接，小带轮3通过齿形带4连接一个大带轮5，大带轮5通过两个大圆螺母6与滚珠丝杠7联结为一体，滚珠丝杠7与轴承8径向配合连接，轴承8与缸盖29通过螺钉联结，缸盖29与其上方的机身28以及其下方的缸体18固定联结，大带轮5带动滚珠丝杠7 —起旋转，滚珠丝杠7上装有滚珠丝杠螺母10，滚珠丝杠螺母10与第一层活塞11径向配合联结为一体，第一层活塞11的活塞杆上套着弹簧12，弹簧12的上端和下端分别与第一层活塞11和第二次活塞13相接触，第二层活塞13与第一层活塞11的活塞杆径向配合，在第一层活塞11与第二层活塞13之间的空腔与大气相通,第一层活塞11与缸体18的上端面之间的空间为A腔9，第一层活塞11的活塞杆与滚珠丝杠7之间构成B腔16，第二层活塞13下方的缸体18上加工有小活塞腔19，小活塞腔19所在的缸体、第一层活塞11的活塞杆、第二层活塞13之间构成C腔17，小活塞腔19下方有第三层活塞21，第三层活塞21的活塞杆能够穿过与缸体18固定联结的缸底30，在液压缸工作时对外施力，第三层活塞21的面积大于第一层活塞11的活塞杆面积，第三层活塞21与小活塞腔19所在缸体之间为D腔20，小活塞腔19连通了 C腔17和D腔20，第三层活塞21与缸底30底面之间的空间为E腔22，液压缸工作时A腔9、B腔16、C腔17、D腔20、E腔22以及小活塞腔19内均充满了液压油；
在E腔22与A腔9之间连接有液压管路23，在液压缸活塞快速下行和慢速增压阶段，E腔22内的液压油通过液压管路23排出到A腔9和B腔16，在液压缸活塞回程阶段，A腔9和B腔16内的液压油通过液压管路23流入E腔22里；
在缸体18的上方装有背压阀14和单向阀15，背压阀14的两端分别连接A腔9和C腔17，在液压缸活塞快速下行阶段，当A腔9内油压不足时，背压阀14开启，C腔17内的液压油在弹簧12的弹力作用给A腔9补充液压油；在液压缸慢速增压阶段，第一层活塞11的活塞杆堵小活塞腔19，第一层活塞11下行时，背压阀14开启，C腔17的液压油通过背压阀14流入A腔9和B腔16 ;单向阀15的两端分别接A腔9和C腔17，在液压缸活塞回程阶段，单向阀15开启，C腔17从A腔9中吸油。
如图2所示，在上述结构的基础上去掉小带轮3、齿形带4、大带轮5，电机减速器2的输出轴通过联轴器27与滚珠丝杠7联结，工作时交流伺服电机I通过电机减速器2、联轴器27直接驱动滚珠丝杠7转动。
如图3和图4所示，为了提高液压缸的承载能力，将滚珠丝杠7和滚珠丝杠螺母9分别用行星滚柱丝杠24、行星滚柱丝杠螺母25替换，行星滚柱丝杠螺母25通过滚柱26与行星滚柱丝杠24径向配合。
在第三层活塞21的活塞杆的输出端安装位移传感器，以及在高压油腔D腔20内安装压力传感器，即可方便地通过对交流伺服电机I的控制来实现位移、输出力的闭环控制。
如图5所示，一种交流伺服直驱增压式三层活塞电动液压缸的增压方法，其中图5-1为液压缸的初始状态，准备开始液压缸活塞快速下行阶段，交流伺服电动机I正转，通过小带轮3、齿形带4和大带轮5带动滚珠丝杠7旋转，滚珠丝杠7带动其上的滚珠丝杠螺母9下行，进而推动第一层活塞11、弹簧12、第二层活塞13下行，推动C腔17内的液压油流向D腔20，从而推动第三层活塞21以与第一层活塞11和第二层活塞13相同的速度快速下行，此时，E腔22内的液压油通过液压管路23流入A腔9和B腔16，此时如果A腔9内油压仍不足，则背压阀14开启，C腔17内的液压油在弹簧12的弹力作用下流入A腔9 一部分，而C腔17内剩余部分的液压油继续推动第三层活塞21向下运动。如图5-2所示为第一层活塞11的活塞杆刚进入小活塞腔19，此时开始液压缸慢速增压阶段，第一层活塞11的活塞杆堵住了 C腔17和D腔20之间的通路，C腔17和D腔20之间的液压油不再相互流通。当第一层活塞11继续下行时，C腔17的液压油通过背压阀14流回入A腔9和B腔16中，小活塞腔19内的液压油流入D腔20，由于第三层活塞21的面积大于第一层活塞11的活塞杆面积，具有很大的增压比，因而D腔20为高压油腔，从而实现了增力；E腔22的液压油通过液压管路23也流入A腔9和B腔16中，图5-3为液压缸慢速增压阶段第一层活塞11的活塞杆进入到小活塞腔19 一段距离的状态，之后第一层活塞11的活塞杆继续下行至填满小活塞腔19时，第三层活塞21到达液压缸底达到最大行程，图5-4为第一层活塞11的活塞杆下行至填满小活塞腔19时的状态，此时液压缸工作结束，开始液压缸活塞上行回程阶段，交流伺服电动机I反转，滚珠丝杠7转动使滚珠丝杠螺母9上行，滚珠丝杠螺母9带动第一层活塞11、第二层活塞13上行，A腔9和B腔16的体积减小，其中的液压油通过液压管路23流入E腔22，在第一层活塞11的活塞杆开始上行直到离开小活塞腔19的行程中，单向阀15开启，A腔9中的液压油通过单向阀15流入C腔17。当第一层活塞11的活塞杆完全离开小活塞腔19时，C腔17和D腔20连通，D腔20的液压油流入C腔17，C腔内压力增大，单向阀15关闭，A腔9不再给C腔17补充液压油，继续上行时E腔22继续从A腔9吸油，E腔的液压油继续推动第三层活塞21上行，直到其复位。图5-5所示为液压缸活塞回程时第一层活塞11的活塞杆刚离开小活塞腔19时的状态，图5-6所示为液压缸回程时第一层活塞11已经复位后的状态。
本发明的工作原理为:
在液压缸初始状态下，交流伺服电动机I正转，带动滚珠丝杠7或者行星滚柱丝杠24旋转，滚珠丝杠螺母9或行星滚柱丝杠螺母25下行，进而推动第一层活塞11、弹簧12、第二层活塞13下行，推动C腔17内的液压油流向D腔20，从而推动第三层活塞21以与第一层活塞11和第二层活塞13相同的速度快速下行，此时，E腔22内的液压油通过液压管路23流入A腔9和B腔16，此时如果A腔9内油压仍不足，则背压阀14开启，C腔17内的液压油在弹簧12的弹力作用下流入A腔12 —部分，而C腔17内剩余部分的液压油继续推动第三层活塞21向下运动。当第一层活塞11的活塞杆下行至刚进入小活塞腔19时便开始了慢速增压阶段，此时堵C腔17和D腔20之间的液压油不再相互流通。一级活塞第一层活塞11继续下行时，C腔17的液压油通过背压阀14流回入A腔9和B腔16中，小活塞腔19内的液压油流入D腔20，由于第三层活塞21的面积大于第一层活塞11的活塞杆面积，具有很大的增压比，从而实现了增力；E腔22的液压油通过液压管路23也流入A腔9和B腔16中，第一层活塞11的活塞杆下行至填满小活塞腔19时，第三层活塞21到达液压缸底达到最大行程，液压缸工作结束。然后液压缸活塞开始回程上行阶段，交流伺服电动机I反转，滚珠丝杠7转动使滚珠丝杠螺母9上行，滚珠丝杠螺母9带动第一层活塞11、第二层活塞13上行，A腔9和B腔16的体积减小，其中的液压油通过液压管路23流入E腔22，在第一层活塞11的活塞杆开始上行直到离开小活塞腔19的行程中，单向阀15开启，A腔9中的液压油通过单向阀15流入C腔17。当第一层活塞11的活塞杆完全离开小活塞腔19时，C腔17和D腔20连通，D腔20的液压油流入C腔17，C腔内压力增大，单向阀15关闭，A腔9不再给C腔17补充液压油，继续上行时E腔22继续从A腔9吸油，E腔的液压油继续推动第三层活塞21上行，直到其复位。
附图中:1、交流伺服电动机；2、电机减速器；3、小带轮；4、齿形带；5、大带轮；6、大圆螺母；7、滚珠丝杠；8、轴承；9、A腔；10、滚珠丝杠螺母；11、第一层活塞；12、弹簧；13、第二层活塞；14、背压阀；15、单向阀；16、B腔；17、C腔；18、缸体；19、小活塞腔；20、D腔；21第三层活塞；22、E腔；23、液压管路；24、行星滚柱丝杠；25、行星滚柱丝杠螺母；26、滚柱；27、联轴器；28、机身；29、缸盖；30、缸底。
权利要求
1.一种交流伺服直驱增压式三层活塞电动液压缸，其特征在于:包括交流伺服电动机(O以及电机转轴上连接的电机减速器(2)，电机减速器(2)的输出轴上连接一个小带轮(3)，小带轮(3)通过齿形带(4)连接一个大带轮(5)，大带轮(5)通过两个大圆螺母(6)与滚珠丝杠(7)联结为一体，大带轮(5)带动滚珠丝杠(7) —起旋转，滚珠丝杠(7)上装有滚珠丝杠螺母(10)，滚珠丝杠螺母(10)与第一层活塞(11)径向配合联结为一体，第一层活塞(11)的活塞杆上套着弹簧(12)，弹簧(12)的上端和下端分别与第一层活塞(11)和第二次活塞(13)相接触,第二层活塞(13)与第一层活塞(11)的活塞杆径向配合，在第一层活塞(11)与第二层活塞(13)之间的空腔与大气相通，第一层活塞(11)与缸体(18)的上端面之间的空间为A腔(9)，第一层活塞(11)的活塞杆与滚珠丝杠(7)之间构成B腔(16)，第二层活塞(13)下方的缸体(18)上加工有小活塞腔(19)，小活塞腔(19)所在的缸体、第一层活塞(11)的活塞杆、第二层活塞(13)之间构成C腔(17)，小活塞腔(19)下方有第三层活塞(21)，第三层活塞(21)的活塞杆能够穿过与缸体(18)固定联结的缸底(30)，在液压缸工作时对外施力，第三层活塞(21)的面积大于第一层活塞(11)的活塞杆面积，第三层活塞(21)与小活塞腔(19)所在缸体之间为D腔(20)，小活塞腔(19)连通了 C腔(17)和D腔(20)，第三层活塞(21)与缸底(30)之间的空间为E腔(22)，液压缸工作时A腔(9)、B腔(16)、C腔(17)、D腔(20)、E腔(22)以及小活塞腔(19)内均充满了液压油； 在E腔(22)与A腔(9)之间连接有液压管路(23)，在液压缸活塞快速下行和慢速增压阶段，E腔(22)内的液压油通过液压管路(23)排出到A腔(9)和B腔(16)，在液压缸活塞回程阶段，A腔(9)和B腔(16)内的液压油通过液压管路(23)流入E腔(22)里； 在缸体(18)的上方装有背压阀(14)和单向阀(15)，背压阀(14)的两端分别连接A腔(9)和C腔(17)，在液压缸活塞快速下行阶段，当A腔(9)内油压不足时，背压阀(14)开启，C腔(17)内的液压油在弹簧(12)的弹力作用给A腔(9)补充液压油；在液压缸慢速增压阶段，第一层活塞(11)的活塞杆堵小活塞腔(19)，第一层活塞(11)下行时，背压阀(14)开启，C腔(17)的液压油通过背压阀(14)流入A腔(9)和B腔(16);单向阀(15)的两端分别接A腔(9)和C腔(17)，在液压缸活塞回程阶段，单向阀(15)开启，C腔(17)从A腔(9)中吸油。
2.根据权利要求1所述的液压缸，其特征在于:在上述结构的基础上去掉小带轮(3)、齿形带(4)、大带轮(5)，电机减速器(2)的输出轴通过联轴器(27)与滚珠丝杠(7)联结，工作时交流伺服电机(I)通过电机减速器(2 )、联轴器(27 )直接驱动滚珠丝杠(7 )转动。
3.根据权利要求1和2所述的液压缸，其特征在于:为了提高液压缸的承载能力，将滚珠丝杠(7)和滚珠丝杠螺母(9)分别用行星滚柱丝杠(24)、行星滚柱丝杠螺母(25)替换，行星滚柱丝杠螺母(25)通过滚柱(26)与行星滚柱丝杠(24)径向配合。
4.根据权利要求1所述的液压缸，其特征在于:在第三层活塞(21)的活塞杆的输出端安装位移传感器，以及在高压油腔D腔(20)内安装压力传感器，即可方便地通过对交流伺服电机I的控制来实现位移、输出力的闭环控制。
5.根据权利要求1所述的液压缸的增压方法，其特征在于，液压缸活塞快速下行阶段，交流伺服电动机(I)正转，通过小带轮(3)、齿形带(4)和大带轮(5)带动滚珠丝杠(7)旋转，滚珠丝杠(7)带动其上的滚 珠丝杠螺母(9)下行，进而推动第一层活塞(11)、弹簧(12)、第二层活塞(13)下行，推动C腔(17)内的液压油流向D腔(20)，从而推动第三层活塞(21)以与第一层活塞(11)和第二层活塞(13)相同的速度快速下行，此时，E腔(22)内的液压油通过液压管路(23)流入A腔(9)和B腔(16)，此时如果A腔(9)内油压仍不足，则背压阀(14)开启，C腔(17)内的液压油在弹簧(12)的弹力作用下流入A腔(9) 一部分，而C腔(17)内剩余部分的液压油继续推动第三层活塞(21)向下运动；液压缸慢速增压阶段，此时第一层活塞(11)的活塞杆刚进入小活塞腔(19)，堵住了 C腔(17)和D腔(20)之间的通路，C腔(17)和D腔(20)之间的液压油不再相互流通，当第一层活塞(11)继续下行时，C腔(17)的液压油通过背压阀(14)流回入A腔(9)和B腔(16)中，小活塞腔(19)内的液压油流入D腔(20)，由于第三层活塞(21)的面积大于第一层活塞(11)的活塞杆面积，具有很大的增压t匕，因而D腔(20)为高压油腔，从而实现了增力出腔(22)的液压油通过液压管路(23)也流入A腔(9)和B腔(16)中，第一层活塞(11)的活塞杆下行至填满小活塞腔(19)时，第三层活塞(21)到达液压缸底达到最大行程，液压缸工作结束；液压缸活塞上行回程阶段，交流伺服电动机(I)反转，滚珠丝杠(7)转动使滚珠丝杠螺母(9)上行，滚珠丝杠螺母(9)带动第一层活塞(11)、第二层活塞(13)上行，A腔(9)和B腔(16)的体积减小，其中的液压油通过液压管路(23)流入E腔(22)，在第一层活塞(11)的活塞杆开始上行直到离开小活塞腔(19)的行程中，单向阀(15)开启，A腔(9)中的液压油通过单向阀(15)流入C腔(17)，当第一层活塞(11)的活塞杆完全离开小活塞腔(19)时，C腔(17)和D腔(20)连通，D腔(20)的液压油流入C腔(17)，C腔内压力增大，单向阀(15)关闭，A腔(9)不再给C腔(17)补充液压油，继续上行时E腔(22)继续从A腔(9)吸油，E腔的液压油继续推动第三层活塞(21)上行，直到其复 位。
全文摘要
一种交流伺服直驱增压式三层活塞电动液压缸及增压方法，该液压缸省去了传统液压缸中的泵站、油箱、繁杂的液压管路和液压阀，结构简单紧凑，故障率低，在活塞杆输出端安装位移传感器，以及在高压油腔内安装压力传感器，即可方便地通过对交流伺服电机的控制来实现位移、输出力的闭环控制；交流伺服电机直驱丝杠带动活塞直线运动，采用三层活塞获得增压效果，液压油在液压缸体内部进行循环，在液压缸工作时可以迅速反应充液和排液，并且根据不同的使用要求可以变换其结构方式。
文档编号F15B3/00GK103148046SQ20131008062
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月14日 优先权日2013年3月14日
发明者赵升吨, 范淑琴, 李靖祥, 赵永强, 徐凡, 陈超 申请人:西安交通大学