专利名称：一种交流伺服直驱增压式带油箱电动液压缸及其增压方法
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带油箱电动液压缸及其增压方法。
背景技术：
传统的液压缸需要带有液压泵站、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；电动缸是将电动机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，本发明的目的在于提供一种交流伺服直驱增压式带油箱电动液压缸及其增压方法，系统中没有液压泵站、繁杂的液压管路和液压阀，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，采用两层活塞获得增压效果。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带油箱电动液压缸，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与缸体16上端面之间构成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14，第一层活塞11下方的缸体16上加工有小活塞腔15,小活塞腔15所在缸体与第一层活塞11之间构成C腔12,小活塞腔15下方有第二层活塞18，第二层活塞18的活塞杆能够穿过缸底31在液压缸工作时对外施力，第二层活塞18的面积大于第一层活塞11的活塞杆面积，第二层活塞18与小活塞腔15所在缸体之间为D腔17，D腔17为高压油腔，第二层活塞18与缸底31之间的空间为E腔19，液压缸工作时A腔9、B腔14、C腔12、D腔17、E腔19以及小活塞腔15内均充满了液压油；在E腔19与A腔9之间连接有液压管路13，液压缸活塞快速下行和慢速增压阶段E腔19内的液压油通过液压管路13流入A腔9和B腔14，液压缸活塞回程阶段A腔9和B腔14中的液压油通过液压管路13流入E腔19里；在缸体16的下方装有第一背压阀20，第一背压阀20两端分别连接E腔19和油箱21，油箱21是固定在缸体16内的，在液压缸活塞回程阶段，第一背压阀20开启，E腔19内所容纳不了的液压油通过第一背压阀20流入到油箱21，在缸体16的中部装有第二背压阀22和第一单向阀23，第二背压阀22两端分别连接C腔12和油箱21，在液压缸慢速增压阶段第一层活塞11的活塞杆堵住了小活塞腔15，第一层活塞11下行时，第二背压阀22开启，C腔12的液压油通过第二背压阀22流入油箱21，第一单向阀23两端也分别连接C腔12和油箱21，在液压缸活塞回程时，第一层活塞11的活塞杆开始上行直到离开小活塞腔15的行程中，第一单向阀23开启，油箱21通过第一单向阀23给C腔12补充液压油；在缸体16的上部装有第二单向阀24，第二单向阀24的两端分别连接A腔9和油箱21，在液压缸活塞快速下行阶段A腔9内油压不足降低时，第二单向阀24开启，油箱21给A腔9补充液压油。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28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28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10分别用行星滚柱丝杠25、行星滚柱丝杠螺母26替换，行星滚柱丝杠螺母26通过滚柱27与行星滚柱丝杠25径向配合。在第二层活塞18的活塞杆的输出端安装位移传感器，以及在高压油腔D腔17上安装压力传感器，即可方便地通过对交流伺服电动机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带油箱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10下行，进而推动第一层活塞11下行，推动C腔12的液压油流向D腔17，从而推动第二层活塞18以与第一层活塞11相同的速度快速下行，此时，E腔19内的液压油通过液压管路13排出到A腔9和B腔14，当E腔19流入到A腔9的液压油不能满足A腔9的需要，即A腔9内油压不足时，第二单向阀24开启，油箱21的液压油流向A腔9，给A腔9补油；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15，堵住了 C腔12和D腔17之间的通路，C腔12和D腔17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12的液压油通过第二背压阀22流入油箱21，小活塞腔15内的液压油流向D腔17，由于第二层活塞18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17为高压油腔，从而实现了增力，E腔19的液压油通过液压管路13也流回A腔9和B腔14中，A腔9内油压不足时，第二单向阀24开启，油箱21的液压油流向A腔9，给A腔9补油，第一层活塞11的活塞杆下行至填满小活塞腔15时，第二层活塞18到达液压缸底31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10上行，滚珠丝杠螺母10带动第一层活塞11上行，A腔9和B腔14的体积减小，其中的液压油通过液压管路13流入E腔19里，E腔19内所容纳不了的液压油则通过第一背压阀20流入到油箱21，其中第一背压阀20的开启压力大于活塞的回程阻力，在第一层活塞11的活塞杆开始上行直到离开小活塞腔15的行程中，第一单向阀23开启，油箱21通过第一单向阀23给C腔12充液压油，当第一层活塞11的活塞杆完全离开小活塞腔15时，C腔12和D腔17连通，D腔17的液压油流入C腔12，C腔12内压力增大，第一单向阀23关闭，油箱21不再给C腔12充油，继续上行时E腔19继续从A腔9吸油，E腔19的液压油继续推动第二层活塞18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、繁杂的液压管路和液压阀，结构简单紧凑，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，采用两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有四种不同的结构方式。
图1为本发明液压缸的结构示意图。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。
具体实施例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带油箱电动液压缸，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29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30通过螺钉固定联结，缸盖30与其上方的机身29以及其下方的缸体16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与缸体16上端面之间构成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14，第一层活塞11下方的缸体16上加工有小活塞腔15,小活塞腔15所在缸体与第一层活塞11之间构成C腔12,小活塞腔15下方有第二层活塞18，第二层活塞18的活塞杆能够穿过缸底31在液压缸工作时对外施力，第二层活塞18的面积大于第一层活塞11的活塞杆面积，第二层活塞18与小活塞腔15所在缸体之间为D腔17，D腔17为高压油腔，第二层活塞18与缸底31之间的空间为E腔19，液压缸工作时A腔9、B腔14、C腔12、D腔17、E腔19以及小活塞腔15内均充满了液压油。在E腔19与A腔9之间连接有液压管路13，液压缸活塞快速下行和慢速增压阶段E腔19内的液压油通过液压管路13流入A腔9和B腔14，液压缸活塞回程阶段A腔9和B腔14中的液压油通过液压管路13流入E腔19里。在缸体16的下方装有第一背压阀20，第一背压阀20两端分别连接E腔19和油箱21，在液压缸活塞回程阶段，第一背压阀20开启，E腔19内所容纳不了的液压油通过第一背压阀20流入到油箱21，油箱21是固定在缸体16内的，在缸体16的中部装有第二背压阀22和第一单向阀23，第二背压阀22两端分别连接C腔12和油箱21，在液压缸慢速增压阶段第一层活塞11的活塞杆堵住了小活塞腔15，第一层活塞11下行时，第二背压阀22开启，C腔12的液压油通过第二背压阀22流入油箱21，第一单向阀23两端也分别连接C腔
12和油箱21，在液压缸活塞回程时，第一层活塞11的活塞杆开始上行直到离开小活塞腔15的行程中，第一单向阀23开启，油箱21通过第一单向阀23给C腔12补充液压油；在缸体16的上部装有第二单向阀24，第二单向阀24的两端分别连接A腔9和油箱21，在液压缸活塞快速下行阶段A腔9内油压不足降低时，第二单向阀24开启，油箱21给A腔9补充液压油。参照图2，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28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28直接驱动滚珠丝杠7转动。参照图3和图4，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10分别用行星滚柱丝杠25、行星滚柱丝杠螺母26替换，行星滚柱丝杠螺母26通过滚柱27与行星滚柱丝杠25径向配合。在第二层活塞18的活塞杆的输出端安装位移传感器，以及在高压油腔D腔17上安装压力传感器，即可方便地通过对交流伺服电动机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带油箱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10下行，进而推动第一层活塞11下行，推动C腔12的液压油流向D腔17，从而推动第二层活塞18以与第一层活塞11相同的速度快速下行，此时，E腔19内的液压油通过液压管路13排出到A腔9和B腔14，当E腔19流入到A腔9的液压油不能满足A腔9的需要，即A腔9内油压不足时，第二单向阀24开启，油箱21的液压油流向A腔9，给A腔9补油。如图5_2所示第一层活塞11的活塞杆下行至刚进入小活塞腔15，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12和D腔17之间的通路，C腔12和D腔17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12的液压油通过第二背压阀22流入油箱21，小活塞腔15内的液压油流向D腔17，由于第二层活塞18的面积远大于第一层活塞11的活塞杆面积，具有很大的增压比，因而D腔17为高压油腔，从而实现了增力，E腔19的液压油通过液压管路13也流回A腔9和B腔14中，A腔9内油压不足时，第二单向阀24开启，油箱21的液压油流向A腔，给A腔12补油。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15 —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15时，第二层活塞18到达液压缸底31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15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10上行，滚珠丝杠螺母10带动第一层活塞11上行，A腔9和B腔14的体积减小，其中的液压油通过液压管路13流入E腔19里，E腔19内所容纳不了的液压油则通过第一背压阀20流入到油箱21，其中第一背压阀20的开启压力大于活塞的回程阻力，在第一层活塞11的活塞杆开始上行直到离开小活塞腔15的行程中，第一单向阀23开启，油箱21通过第一单向阀23给C腔12充液压油，当第一层活塞11的活塞杆完全离开小活塞腔15时，C腔12和D腔17连通，D腔17的液压油流入C腔12，C腔12内压力增大，第一单向阀23关闭，油箱21不再给C腔12充油，继续上行时E腔19继续从A腔9中吸油，E腔19的液压油继续推动第二层活塞18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15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25旋转，滚珠丝杠螺母10或行星滚柱丝杠螺母26下行，进而推动第一层活塞11下行，推动C腔12的液压油流向D腔17，从而推动第二层活塞18以与第一层活塞11相同的速度快速下行，此时，E腔19内的液压油通过液压管路13排出到A腔9和B腔14，当A腔9内油压不足时，第二单向阀24开启，油箱21给A腔9补油。当第一层活塞11的活塞杆下行至刚进入小活塞腔15时便开始了慢速增压阶段，此时C腔12和D腔17之间的液压油不再相互流通，第一层活塞11继续下行时，C腔12的液压油通过第二背压阀22流入油箱21，小活塞腔15内的液压油流向D腔17，由于第二层活塞18的面积大于第一层活塞11的活塞杆面积，获得了增压比，从而实现了增力，E腔19的液压油通过液压管路13也流回A腔9和B腔14中，A腔9内油压不足时，第二单向阀24开启，油箱21给A腔12补油。之后第一层活塞11的活塞杆继续下行至填满小活塞腔15时，第二层活塞18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10上行，滚珠丝杠螺母10带动第一层活塞11上行，A腔9和B腔14的体积减小，其中的液压油通过液压管路13流入E腔19里，E腔19内所容纳不了的液压油则通过第一背压阀20流入到油箱21，在第一层活塞11的活塞杆开始上行直到离开小活塞腔15的行程中，第一单向阀23开启，油箱21通过第一单向阀23给C腔12充液压油，当第一层活塞11的活塞杆完全离开小活塞腔15时，C腔和D腔连通，D腔的液压油流入C腔，C腔内压力增大，第一单向阀23关闭，油箱21不再给C腔充油，继续上行时E腔继续从A腔吸油，E腔的液压油继续推动第二层活塞上行，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、C腔；13、液压管路；14、B腔；15、小活塞腔；16、缸体；17、D腔；18、第二层活塞；19、E腔；20、第一背压阀；21、油箱；22、第二背压阀；23、第一单向阀I ;24、第二单向阀；25、行星滚柱丝杠；26、行星滚柱丝杠螺母；27、滚柱；28、联轴器；29、机身；30、缸盖；31、缸底。
权利要求
1.一种交流伺服直驱增压式带油箱电动液压缸，其特征在于:包括交流伺服电动机(1)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)与缸体(16)上端面之间构成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(14)，第一层活塞(11)下方的缸体(16)上加工有小活塞腔(15)，小活塞腔(15)所在缸体与第一层活塞(11)之间构成C腔(12)，小活塞腔(15)下方有第二层活塞(18)，第二层活塞(18)的活塞杆能够穿过缸底(31)在液压缸工作时对外施力，第二层活塞(18)的面积大于第一层活塞(11)的活塞杆面积，第二层活塞(18)与小活塞腔(15)所在缸体之间为D腔(17)，D腔(17)为高压油腔，第二层活塞(18)与缸底(31)之间的空间为E腔(19)，液压缸工作时A腔(9)、B腔(14)、C腔(12)、D腔(17)、E腔(19)以及小活塞腔(15)内均充满了液压油； 在E腔(19)与A腔(9)之间连接有液压管路(13)，液压缸活塞快速下行和慢速增压阶段E腔(19)内的液压油通过液压管路(13)流入A腔(9)和B腔(14)，液压缸活塞回程阶段A腔(9)和B腔(14)中的液压油通过液压管路(13)流入E腔(19)里； 在缸体(16)的下方装有第一背压阀(20)，第一背压阀(20)两端分别连接E腔(19)和油箱(21)，在液压缸活塞回程阶段，第一背压阀(20)开启，E腔(19)内所容纳不了的液压油通过第一背压阀(20)流入到油箱(21)，油箱(21)是固定在缸体(16)内的，在缸体(16)的中部装有第二背压阀(22)和第一单向阀(23)，第二背压阀(22)两端分别连接C腔(12)和油箱(21)，在液压缸慢速增压阶段第一层活塞(11)的活塞杆堵住了小活塞腔(15)，第一层活塞(11)下行时，第二背压阀(22)开启，C腔(12)的液压油通过第二背压阀(22)流入油箱(21)，第一单向阀(23)两端也分别连接C腔(12)和油箱(21)，在液压缸活塞回程时，第一层活塞(11)的活塞杆开始上行直到离开小活塞腔(15)的行程中，第一单向阀(23)开启，油箱(21)通过第一单向阀(23)给C腔(12)补充液压油；在缸体(16)的上部装有第二单向阀(24)，第二单向阀(24)的两端分别连接A腔(9)和油箱(21)，在液压缸活塞快速下行阶段A腔(9)内油压不足降低时，第二单向阀(24)开启，油箱(21)给A腔(9)补充液压油。
2.根据权利要求1所述的一种交流伺服直驱增压式带油箱电动液压缸，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(28 )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(28 )直接驱动滚珠丝杠(7 )转动。
3.根据权利要求1和2所述的一种交流伺服直驱增压式带油箱电动液压缸，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(10)分别用行星滚柱丝杠(25)、行星滚柱丝杠螺母(26)替换，行星滚柱丝杠螺母(26)通过滚柱(27)与行星滚柱丝杠(25)径向配合。
4.根据权利要求1所述的一种交流伺服直驱增压式带油箱电动液压缸，其特征在于:在第二层活塞(18)的活塞杆的输出端安装位移传感器，以及在高压油腔D腔(17)上安装压力传感器，即可方便地通过对交流伺服电动机(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所述的一种交流伺服直驱增压式带油箱电动液压缸的增压方法，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(10)下行，进而推动第一层活塞(11)下行，推动C腔(12)的液压油流向D腔(17)，从而推动第二层活塞(18)以与第一层活塞(11)相同的速度快速下行，此时，E腔(19)内的液压油通过液压管路(13)排出到A腔(9)和B腔(14)，当E腔(19)流入到A腔(9)的液压油不能满足A腔(9)的需要，即A腔(9)内油压不足时，第二单向阀(24)开启，油箱(21)的液压油流向A腔(9)，给A腔(9)补油；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(15)，堵住了 C腔(12)和D腔(17)之间的通路，C腔(12)和D腔(17)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(12)的液压油通过第二背压阀(22)流入油箱(21)，小活塞腔(15)内的液压油流向D腔(17)，由于第二层活塞(18)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(17)为高压油腔，从而实现了增力，E腔(19)的液压油通过液压管路(13)也流回A腔(9)和B腔(14)中，A腔(9)内油压不足时，第二单向阀(24)开启，油箱(21)的液压油流向A腔(9)，给A腔(9)补油，第一层活塞(11)的活塞杆下行至填满小活塞腔(15)时，第二层活塞(18)到达液压缸底(31)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(10)上行，滚珠丝杠螺母(10)带动第一层活塞(11)上行，A腔(9)和B腔(14)的体积减小，其中的液压油通过液压管路(13)流入E腔(19)里，E腔(19)内所容纳不了的液压油则通过第一背压阀(20)流入到油箱(21)，其中第一背压阀(20)的开启压力大于活塞的回程阻力，在第一层活塞(11)的活塞杆开始上行直到离开小活塞腔(15)的行程中，第一单向阀(23)开启，油箱(21)通过第一单向阀(23)给C腔(12)充液压油，当第一层活塞(11)的活塞杆完全离开小活塞腔(15)时，C腔(12)和D腔(17)连通，D腔(17)的液压油流入C腔(12)，C腔(12)内压力增大，第一单向阀(23)关闭，油箱(21)不再给C腔(12)充油，继续上行时E腔(19)继续从A腔(9)吸油，E腔(19)的液压油继续推动第二层活塞(18)上行，直到 其复位。
全文摘要
一种交流伺服直驱增压式带油箱电动液压缸及其增压方法，系统中没有液压泵站、繁杂的液压管路和液压阀，结构简单，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，采用两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有不同的结构方式。
文档编号F15B15/08GK103185046SQ201310080779
公开日2013年7月3日 申请日期2013年3月14日 优先权日2013年3月14日
发明者范淑琴, 赵升吨, 李靖祥, 赵永强, 徐凡, 陈超 申请人:西安交通大学