一种液压伺服油缸的制作方法

本实用新型涉及液压控制领域，尤其涉及一种液压伺服油缸。

背景技术：

液压伺服油缸在汽车、飞机和机器人领域中发挥着不可替代的作用。在飞机和汽车领域中伺服油缸是操纵杆助力器的关键部分；而在机器人领域中，液压伺服油缸是机器人的执行器，是机器人的核心部件之一。

不同于一般液压油缸，应用于机器人的高性能液压油缸对液压缸内部摩擦力的大小提出了非常苛刻的要求。摩擦力是种难以精确建模的非线性因素，其中的静摩擦力和滑动摩擦力是影响控制系统稳定性和品质的重要因素。机器人的液压油缸要求对油缸的动态出力进行控制，而且液压油缸会经常工作在运动换向区。摩擦力对控制系统影响是不可忽略，必须重视的问题。此外，液压油缸的另一个制造难点是对液压油泄露的控制。在油缸内的高压油若密封不够严实就会大量泄露到缸外，导致压力降低、污染工作环境和装置失效。

现有市场上有以下几种典型的解决方案：

(1)静压支撑油缸：这种油缸摩擦极低，频率响应很好；但是需要额外的供油装置，体积巨大，完全不适用于对空间狭窄，对重量敏感的机器人和机载场合。

(2)间隙密封油缸：这种油缸在活塞杆与缸体之间留有极小的间隙，让高压液压油在从间隙中流出的过程中损失压力，变成低压油流出；再用低压密封圈封住低压油，并设立回收管道将低压油送入回路；这种油缸的静摩擦和动摩擦都较低，但是对制造工艺要求极为苛刻，缸壁与活塞杆的线性度和圆度都直接影响到间隙的大小，而液压油的泄露和间隙的三次方成正比，从而导致制造时的废品率很高。另外，一般这种油缸缸体与活塞杆是一对一专门制作出来的(即配做)，零件之间缺少了互换性，所以这种油缸的价格很高，维护困难，目前我国主要依赖进口。

(3)密封圈组合密封：此种液压缸有弹性密封圈在活塞杆与缸壁之间，起到润滑和密封的作用，此种油缸密封效果非常好，对制造工艺要求低，互换性好；弹性密封圈还对磨损划伤的缸壁有自动补偿的作用；成本低、工艺要求低、便于大规模生产。但是此种油缸摩擦力巨大并且摩擦力突变也很大，因此这种油缸与理想线性系统的区别很大，控制品质低。这是我国目前最广泛制造的液压油缸。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本实用新型的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种液压伺服油缸，可以主动降低静摩擦和动摩擦对控制系统的不利影响，且同时达到高效的密封效果。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型公开了一种液压伺服油缸，包括缸体、活塞、活塞杆、导向套、密封部件和驱动机构，其中：所述缸体内设有至少两条液压油管路，所述活塞内置于所述缸体内腔且可轴向往复运动，所述活塞杆固定连接所述活塞且至少一端穿出所述缸体，所述导向套套设在所述活塞杆的外圈处并轴向固定设置在所述缸体内，所述密封部件固定连接在所述导向套的内壁上，所述驱动机构连接所述导向套以驱动所述导向套绕所述活塞杆转动。

优选地，所述导向套的外圈处设有齿轮结构，所述驱动机构通过所述齿轮结构驱动所述导向套绕所述活塞杆转动。

优选地，所述驱动机构包括副齿轮，所述副齿轮与所述导向套外圈处的所述齿轮结构相互啮合，所述副齿轮与所述齿轮结构的啮合位置处的两侧分别连通两条所述液压油管路。

优选地，在所述液压油管路上设有节流单元，以控制所述液压油管路的流量和压力。

优选地，所述节流单元是节流阀、节流螺丝或溢流阀。

优选地，所述驱动机构包括电动机，所述电动机连接所述导向套外圈处的所述齿轮结构。

优选地，所述密封部件包括第一密封圈和第二密封圈，所述第一密封圈是高压密封圈，所述第二密封圈是低压密封圈。

优选地，所述齿轮结构的两侧与所述缸体的内壁之间分别设有第三密封圈和第四密封圈。

优选地，所述液压伺服油缸还包括旋转轴承和推力轴承，所述旋转轴承套设在所述导向套的外圈处且设置在所述齿轮结构的一侧，所述推力轴承设置在所述导向套与所述缸体的端盖之间。

优选地，所述活塞杆穿出所述缸体的一端设有环状结构。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型提供的液压伺服油缸可以主动降低静摩擦和动摩擦对控制系统的不利影响，且同时达到高效的密封效果；在制造工艺方面，本实用新型的液压伺服油缸对加工精度不敏感，成本低、零件互换性好，便于大规模生产；且该液压伺服油缸的结构简单，便于制造小尺寸的产品以适用于对安装控件和重量要求很高的机器人和机载设备。

附图说明

图1是本实用新型优选实施例的液压伺服油缸的外部结构示意图；

图2是图1的横截面示意图；

图3是图1中的活塞杆和导向套的结构示意图；

图4是图1的侧面示意图；

图5是图4中的A-A剖面示意图；

图6是图5中的B-B剖面示意图；

图7是本实用新型优选实施例的液压伺服油缸的滑动摩擦力的原理图；

图8是图7中的物块的水平方向速度与水平方向摩擦力之间的关系。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本实用新型作进一步说明。

如图1和图2所示，本实用新型优选实施例的液压伺服油缸，包括缸体1、活塞杆2、活塞3、导向套4、密封部件和驱动机构，缸体1内设有至少两条液压油管路，活塞3内置于缸体1内腔且能做轴向往复运动，活塞杆2固定连接活塞3且其中有一端穿出缸体1，导向套4套设在活塞杆2的外圈并轴向固定设置在缸体1内，密封部件固定连接在导向套的内壁上，驱动机构连接导向套4以驱动导向套4绕活塞杆2转动，其中在本实施例中，密封部件包括第一密封圈5和第二密封圈6，第一密封圈5为高压密封圈，第二密封圈6为低压密封圈；在活塞杆2穿出缸体1的一端还设有环状结构21。

结合图3所示，导向套4的外圈处设有齿轮结构41，驱动机构通过齿轮结构41驱动导向套4绕活塞杆2转动。结合图4至图6，在本实施例中，驱动结构包括副齿轮7，副齿轮7与导向套4外圈的齿轮结构41相互啮合，副齿轮7与齿轮结构41的啮合位置处的两侧分别连通两条液压油管路(如图6中的控制口16和控制口17分别连通两条液压油管路)。其中在液压油管路上还可以设有节流单元，以控制液压油管路的流量和压力，节流单元可以是节流阀、节流螺丝或溢流阀等。在工作过程中，控制口16和控制口17分别可以进油或出油，从而实现驱动副齿轮7和导向套4旋转，形成一个微型液压马达，在合适的油液的作用下即可得到合适的旋转运动；若控制口16进油，则副齿轮7顺时针旋转；若控制口16出油，则副齿轮7逆时针旋转，控制口16和控制口17的油引自液压油管路，可以结合使用节流单元，即可得到合适的流量和压力。在本实例中，控制口17是连通液压管路19，将液压油输送至微型液压马达，在液压油管路19上设置节流螺丝18，液压油流经节流螺丝18的缝隙而损失压力，流量就能得到控制，可以控制液压油管路19上的流量和压力，从而控制控制口17处的流量和压力，并可通过加入一个或多个节流螺丝18，即可得到合适的流量和压力，从而控制微型液压马达的转速。在实际使用过程中，还可以通过控制口16和控制口17交替进出油，让导向套4的旋转以一定频率往复震动，这样可以消除活塞杆2的旋转趋势。

如图2所示，导向套4轴向固定设置在缸体1内，对导向套4起轴向固定作用的有第三密封圈8、第四密封圈9、定位环10、旋转轴承11、推力轴承12和定位环13，其中第三密封圈8和第四密封圈9分别设置在导向套4的齿轮结构41的两侧与缸体1的内壁之间，第三密封圈8为高压密封圈；旋转轴承11套设在导向套4的外圈处且设置在齿轮结构41的一侧，推力轴承12设置在导向套4和缸体1的端盖15之间，定位环10用于定位齿轮结构41与旋转轴承11，定位环13用于定位推力轴承12；且在端盖15上还设有防尘圈14。液压伺服油缸在工作时，油压会挤压旋转的导向套4形成向端盖15方向的巨大的平动运动趋势，推力轴承12负责限制导向套4的运动，抵消导向套4的平动运动趋势，同时消除导向套4与端盖15之间由于旋转而造成的摩擦，旋转轴承11负责导向套4的定位。

本实用新型优选实施例的液压伺服油缸通过设置可绕活塞杆转动的导向套，来主动降低静摩擦和动摩擦对控制系统的不利影响。其中本实用新型优选实施例的液压伺服油缸可以实现主动降低静摩擦和动摩擦对控制系统的不利影响的原理分析如下。

摩擦力可以简单分为静摩擦力、库伦摩擦力和粘性摩擦力；其中库伦摩擦力的大小只与正压力和摩擦系数有关，与相对运动速度无关；粘性摩擦力的大小与速度成正比例关系。对于液压力控制系统而言，静摩擦与滑动摩擦(库伦摩擦)是有害的因素，因为静摩擦与滑动摩擦之间的转换是突变，而且这都是非线性因素，但同时在液压力控制系统中静摩擦和滑动摩擦的大小非常可观，由于出于密封要求，弹性的密封圈被紧紧压在活塞杆上，造成很大的有害摩擦力；对于线性控制系统，这些因素都是系统扰动。然而，对于液压力控制系统而言，粘性摩擦是种有益的因素。粘性摩擦与活塞相对运动速度(近似)成正比，这种与速度相关的阻碍作用能够增加控制系统的阻尼比，起到增加系统稳定性的作用。因此，对于液压动态力控制系统而言，尽可能大地增加粘性摩擦，而减小静摩擦和滑动摩擦，可以解决现有的液压伺服油缸所存在的问题。

如图7所示，地面相对物体a有v₁的相对速度，则物体a受到的滑动摩擦力大小为f，方向与v₁相同；地面相对物体b有v₂的相对速度，则物体b受到滑动摩擦力大小为f，方向与v₂相同；如果正压力相同，则三个物体a、b、c受到的滑动摩擦力f的大小均相同。如果地面相对物体c在水平和竖直方向上分别有v₁和v₂的速度，那么滑动摩擦力方向为v₁与v₂合速度的方向相同，大小仍为f。由几何关系可知，此时滑动摩擦力在水平方向的分量为fcosθ。对比物体c和物体a以发现，由于竖直方向的相对速度v₂的出现，滑动摩擦力在水平方向的作用减小了；如果只有水平方向的摩擦力分量是所关心的问题，而垂直方向上的速度对问题本身的影响很小，且能够轻易控制，那么可以通过在垂直方向上叠加相对速度的方式来控制水平方向的摩擦力。当v₂远远大于v₁的时候，水平方向的摩擦力几乎可以忽略不计。当v₂大于v₁，但v₂并非远远大于v₁的时候，如果当f和v₂的大小保持不变，则v₁和f水平，近似成正比关系，如图8所示，横坐标为水平方向速度v₁，纵坐标为水平方向摩擦力f。在这种情况下，大小不变的滑动摩擦力f，在所关心水平方向上的影响，变成了和水平速度大小成近似正比的关系。根据上述摩擦力的概述，和速度近似成正比关系的摩擦力类似于粘性摩擦力，能增加系统的阻尼，是对控制系统有益的因素；也就是说原本有害的滑动摩擦，在通过叠加一个正交运动分量，当上述条件满足时，在所关心的运动方向转换为一个有益的因素。本实用新型的就是基于上述原理，通过增加一个简单的正交运动，来减小活塞运动方向上的有害摩擦，从而主动降低静摩擦和动摩擦对控制系统的不利影响。

在另外一些实施例中，驱动机构也可以采用电动机，通过电动机连接导向套外圈处的齿轮结构来带动导向套绕活塞杆转动，也同样可以实现主动降低静摩擦和动摩擦对控制系统的不利影响。

本实用新型的液压伺服油缸可以应用于高性能液压驱动四足机器人和高性能液压驱动两足机器人等液压驱动的足式运动机器人。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。