一种电液复合式直线作动器及其节能工作方法.pdf

本发明公开的一种电液复合式直线作动器及其节能工作方法，涉及直线作动器及其节能工作方法，属于机电一体化技术领域。本发明包括编码器、电机、螺母、丝杠、推杆、内筒、外筒、液控口A、液控口B、控制阀A、控制阀B、无泄漏球阀A、无泄漏球阀B、无泄漏球阀C、无泄漏球阀D和回油油箱，具备电液复合式工作模式。本发明的优点在于实现了直线作动器负载口的独立控制，当所需的油液压力与负载的运动方向相反时，供油油路无需进行高压供油，只需低压补油即可，因此，节约能量，减少发热。此外，本发明通过带动电机发电，在提供所需的与负载运动方向相反的油液压力的同时，将多余的能量以电能的形式储存起来，节约能量。

权利要求书1.  一种电液复合式直线作动器，包括编码器(1)、电机(2)、螺母(4)、丝杠(7)、推杆(8)、内筒(5)、外筒(9)、液控口A(6)、液控口B(12)、控制阀A(13)、控制阀B(14)、无泄漏球阀A(15)、无泄漏球阀B(16)、无泄漏球阀C(17)、无泄漏球阀D(18)和回油油箱(19)；其特征在于：内筒(5)、外筒(9)和推杆(8)的中心轴线重合，外筒(9)、内筒(5)和推杆(8)均为中空结构；内筒(5)和外筒(9)通过螺栓紧固在一起，推杆(8)嵌套在内筒(5)与外筒(9)之间，并可沿中心轴线滑动；外筒(9)和推杆(8之间形成液控腔A(10)，油液通过液控口A(6)进入液控腔A(10)，外筒(9)和推杆(8)之间的移动接触面用密封圈密封；推杆(8)和内筒(5)之间形成液控腔B(11)，油液通过液控口B(12)进入液控腔B(11)，推杆(8)和内筒(5)之间的移动接触面用密封圈密封；电机(2)与编码器(1)同轴安装在推杆(8)的外端，电机轴(3)与丝杠(7)加工为一体化工件或采用联轴器固定在一起；丝杠(7)和螺母(4)构成了一对丝杠副，螺母(4)固定在内筒(5)的外端，丝杠(7)可随着推杆(8)沿中心轴线移动；控制阀A(13)的供油口P、控制阀B(14)的供油口P与高压油相连，控制阀A(13)的回油口T、控制阀B(14)的回油口T与回油油箱(19)相连；控制阀A(13)的控制口A通过无泄漏球阀A(15)、液控口A(6)与液控腔A(10)相连，控制阀A(13)的控制口B堵死；控制阀B(14)的控制口A通过无泄漏球阀B(16)、液控口B(12)与液控腔B(11)相连，控制阀B(14)的控制口B堵死；无泄漏球阀C(17)的一个端口与无泄漏球阀A(15)相连，另一个端口与回油油箱(19)相连；无泄漏球阀D(18)的一个端口与无泄漏球阀B(16)相连，另一个端口与回油油箱(19)相连。2.  如权利要求1所述的一种电液复合式直线作动器，其特征在于：典型的电动缸运动特征实现过程为，电机(2)和推杆(8)通过螺栓固联在一起，电机(2)能够驱动丝杠(7)产生旋转运动，由于内筒(5)、外筒(9)和螺母(4)通过螺栓固联在一起，因此推杆(8)和外筒(9)之间就产生了相对直线运动，通过控制电机(2)的电流信号能够控制直线运动 的速度和方向，丝杠()7的旋转同时也带动了编码器(1)的转动，产生用于位置检测的脉冲信号，即典型的电动缸运动功能；典型的液压缸运动特征实现过程为，油液能够通过液控口A(6)进入外筒(9)和推杆(8)之间形成液控腔A(10)，从而驱动推杆(8)缩回外筒(9)；油液能够通过液控口B(12)进入内筒(5)和推杆(8)之间形成液控腔B(11)，从而驱动推杆(8)缩回外筒(9)；也就是说，通过控制液控腔A(10)和液控腔B(11)的油液压力和流量，能够控制推杆(8)直线运动的速度和方向，即实现典型的液压缸运动功能。3.  基于权利要求1或2所述的一种电液复合式直线作动器的节能工作方法，其特征在于：设向上为正方向，负载质量为m，油液压力为F，考虑平衡方程F＝mg+ma，则通过控制油液压力F即可控制负载的加速度，而油液压力F可以通过对油路的控制实现，具体分为四种工作模式：工作模式①当v＞0，F＞0时，控制阀B(14)处于直通模式，通过调节控制口A的开口度来控制推杆(8)的位移，打开无泄漏球阀B(16)，高压油液通过控制阀B(14)的供油口P、控制阀B(14)的控制口A、泄漏球阀B(16)、液控口B(12)进入液控腔B(11)；打开无泄漏球阀C(17)，液控腔A(10)中的油液通过液控口A(6)、无泄漏球阀C(17)回到回油油箱(19)；此时，给电机(2)通电，使直线作动器处于电液复合工作模式；工作模式②当v＞0，F＜0时，打开无泄漏球阀D(18)，通过液控口B(12)、无泄漏球阀D(18)从回油油箱(19)向液控腔B(11)中补油；打开无泄漏球阀C(17)，液控腔A(10)中的油液通过液控口A(6)、无泄漏球阀C(17)回到回油油箱(19)；使电机(2)处于发电工作模式，与储能元件形成闭合回路，将电能储存起来，通过控制电机(2)的扭矩来控制推杆8的位移；工作模式③当v＜0，F＞0时，打开无泄漏球阀C(17)，通过液控口A(6)、无泄漏球阀C(17)从回油油箱(19)向液控腔A(10)中补油；打开无泄漏球阀D(18)，液控腔B(11)中的油液通过液控口B(12)、无泄漏球阀D(18)回到回油油箱(19)；使电机(2)处于发电工作模式， 与储能元件形成闭合回路，将电能储存起来，通过控制电机2的扭矩来控制推杆8的位移；工作模式④当v＜0，F＜0时，控制阀A(13)处于直通模式，通过调节控制口A的开口度来控制推杆(8)的位移，打开无泄漏球阀A(15)，高压油液通过控制阀A(13)的供油口P、控制阀A(13)的控制口A、泄漏球阀A(15)、液控口A(6)进入液控腔A(10)；打开无泄漏球阀D(18)，液控腔B(11)中的油液通过液控口B(12)、无泄漏球阀D(18)回到回油油箱(19)；此时，给电机(2)通电，使直线作动器处于电液复合工作模式。

说明书一种电液复合式直线作动器及其节能工作方法
技术领域
本发明涉及一种直线作动器及其节能工作方法，尤其涉及一种电液复合式的直线作动器及其节能工作方法，属于机电一体化技术领域。
背景技术
液压缸可以将活塞两腔的压力和流量转化为推力与直线速度，从而将液压能转变为机械能，实现了直线式往复运动。液压缸结构简单、工作可靠，功率密度高，负载能力强，运动平稳。液压缸通常无法单独工作，需要控制阀的配合，传统液压阀控系统中，控制阀的两个控制口是机械固联的，在对液压缸进行控制时，只能对其中一个控制口的开口度进行控制，另外一个控制口会随之变化，当油路通过随动的控制口回油时，由于控制口的节流作用，会产生发热，将能量以热能的形式浪费掉。
如何减少直线作动器能量的浪费，并且回收多余的能量成为一个急需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是实现直线作动器节约能量，减少发热，并能实现将负载运动过程中多余的能量以电能形式回收。本发明公开一种电液复合式直线作动器及其节能工作方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明公开的一种电液复合式直线作动器，包括编码器、电机、螺母、丝杠、推杆、内筒、外筒、液控口A、液控口B、控制阀A、控制阀B、无泄漏球阀A、无泄漏球阀B、无泄漏球阀C、无泄漏球阀D和回油油箱，其中，内筒、外筒和推杆的中心轴线重合，外筒、内筒和推杆均为中空结构；内筒和外筒通过螺栓紧固在一起，推杆嵌套在内筒与外筒之间，并可沿中心轴线滑动；外筒和推杆之间形成液控腔A，油液通过液控口A进入液控 腔A，外筒和推杆之间的移动接触面用密封圈密封；推杆和内筒之间形成液控腔B，油液通过液控口B进入液控腔B，推杆和内筒之间的移动接触面用密封圈密封；电机与编码器同轴安装在推杆的外端，电机轴与丝杠加工为一体化工件或采用联轴器固定在一起；丝杠和螺母构成了一对丝杠副，螺母固定在内筒的外端，丝杠可随着推杆沿中心轴线移动；控制阀A的供油口P、控制阀B的供油口P与高压油相连，控制阀A的回油口T、控制阀B的回油口T与回油油箱相连；控制阀A的控制口A通过无泄漏球阀A、液控口A与液控腔A相连，控制阀A的控制口B堵死；控制阀B的控制口A通过无泄漏球阀B、液控口B与液控腔B相连，控制阀B的控制口B堵死；无泄漏球阀C的一个端口与无泄漏球阀A相连，另一个端口与回油油箱相连；无泄漏球阀D的一个端口与无泄漏球阀B相连，另一个端口与回油油箱相连。
上述电机和推杆通过螺栓固联在一起，电机能够驱动丝杠产生旋转运动，由于内筒、外筒和螺母通过螺栓固联在一起，因此推杆和外筒之间就产生了相对直线运动，通过控制电机的电流信号能够控制直线运动的速度和方向，丝杠的旋转同时也带动了编码器的转动，产生用于位置检测的脉冲信号，这是典型的电动缸运动特征。
油液能够通过液控口A进入外筒和推杆之间形成液控腔A，从而驱动推杆缩回外筒；油液能够通过液控口B进入内筒和推杆之间形成液控腔B，从而驱动推杆缩回外筒；也就是说，通过控制液控腔A和液控腔B的油液压力和流量，能够控制推杆直线运动的速度和方向，这是典型的液压缸运动特征。推杆与外筒和内筒的移动接触面均采用了液压缸活塞的密封形式，保证了油液不会进入电机的工作区域，影响电机的正常工作。推杆直线运动会带动电机产生空转，但阻力极小，通常情况下可忽略。
本发明公开的一种电液复合式直线作动器节能工作方法为：设向上为正方向，负载质量为m，油液压力为F，考虑平衡方程F＝mg+ma，则通过控制油液压力F即可控制负载的加速度，而油液压力F可以通过对油路的控制实现，具体分为四种工作模式：
工作模式①当v＞0，F＞0时，控制阀B处于直通模式，通过调节控 制口A的开口度来控制推杆的位移,打开无泄漏球阀B，高压油液通过控制阀B的供油口P、控制阀B的控制口A、泄漏球阀B、液控口B进入液控腔B；打开无泄漏球阀C，液控腔A中的油液通过液控口A、无泄漏球阀C回到回油油箱。此时，也可以给电机通电，使直线作动器处于电液复合工作模式，所述的电液复合工作模式具有液压缸的运动特征又具有电动缸的运动特征。
工作模式②当v＞0，F＜0时，打开无泄漏球阀D，通过液控口B、无泄漏球阀D从回油油箱向液控腔B中补油；打开无泄漏球阀C，液控腔A中的油液通过液控口A、无泄漏球阀C回到回油油箱；使电机处于发电工作模式，与储能元件形成闭合回路，将电能储存起来，通过控制电机的扭矩来控制推杆的位移。
工作模式③当v＜0，F＞0时，打开无泄漏球阀C，通过液控口A、无泄漏球阀C从回油油箱向液控腔A中补油；打开无泄漏球阀D，液控腔B中的油液通过液控口B、无泄漏球阀D回到回油油箱；使电机处于发电工作模式，与储能元件形成闭合回路，将电能储存起来，通过控制电机的扭矩来控制推杆的位移。
工作模式④当v＜0，F＜0时，控制阀A处于直通模式，通过调节控制口A的开口度来控制推杆的位移，打开无泄漏球阀A，高压油液通过控制阀A的供油口P、控制阀A的控制口A、泄漏球阀A、液控口A进入液控腔A；打开无泄漏球阀D，液控腔B中的油液通过液控口B、无泄漏球阀D回到回油油箱。此时，也可以给电机通电，使直线作动器处于电液复合工作模式，所述的电液复合工作模式具有液压缸的运动特征又具有电动缸的运动特征。
有益效果：
本发明公开的一种电液复合式直线作动器及其节能工作方法的优点在于实现了负载口的独立控制，当所需的油液压力与负载的运动方向相反时，供油油路无需进行高压供油，只需低压补油即可，因此，节约能量，减少发热。此外，本发明通过带动电机发电，在提供所需的与负载运动方向相反的油液压力的同时，将多余的能量以电能的形式储存起来。
附图说明
图1是本发明的一种电液复合式直线作动器剖视图；
图中：1-编码器、2-电机，3-电机轴、4-螺母、5-内筒、6-液控口A、7-丝杠、8-推杆、9-外筒、10-液控腔A、11-液控腔B、12-液控口B、13-控制阀A、14-控制阀B、15-无泄漏球阀A、16-无泄漏球阀B、17-无泄漏球阀C、18-无泄漏球阀D、19-回油油箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例公开的一种电液复合式直线作动器，包括编码器1、电机2、螺母4、丝杠7、推杆8、内筒5、外筒9、液控口A6、液控口B12、控制阀A13、控制阀B14、无泄漏球阀A15、无泄漏球阀B16、无泄漏球阀C17、无泄漏球阀D18和回油油箱19，其中内筒5、外筒9和推杆8的中心轴线重合，外筒9、内筒5和推杆8均为中空结构；内筒5和外筒9通过螺栓紧固在一起，推杆8嵌套在内筒5与外筒9之间，并可沿中心轴线滑动；外筒9和推杆8之间形成液控腔A10，油液通过液控口A6进入液控腔A10，外筒9和推杆8之间的移动接触面用密封圈密封；推杆8和内筒5之间形成液控腔B11，油液通过液控口B12进入液控腔B11，推杆8和内筒5之间的移动接触面用密封圈密封；电机2与编码器1同轴安装在推杆8的外端，电机轴3与丝杠7加工为一体化工件或采用联轴器固定在一起；丝杠7和螺母4构成了一对丝杠副，螺母4固定在内筒5的外端，丝杠7可随着推杆8沿中心轴线移动；控制阀A13的供油口P、控制阀B14的供油口P与高压油相连，控制阀A13的回油口T、控制阀B14的回油口T与回油油箱19相连；控制阀A13的控制口A通过无泄漏球阀A15、液控口A6与液控腔A10相连，控制阀A13的控制口B堵死；控制阀B14的控制口 A通过无泄漏球阀B16、液控口B12与液控腔B11相连，控制阀B14的控制口B堵死；无泄漏球阀C17的一个端口与无泄漏球阀A15相连，另一个端口与回油油箱19相连；无泄漏球阀D18的一个端口与无泄漏球阀B16相连，另一个端口与回油油箱19相连。
如图1所示，电机2和推杆8通过螺栓固联在一起，电机2能够驱动丝杠7产生旋转运动，由于内筒5、外筒9和螺母4通过螺栓固联在一起，因此推杆8和外筒9之间就产生了相对直线运动，通过控制电机2的电流信号能够控制直线运动的速度和方向，丝杠7的旋转同时也带动了编码器1的转动，产生用于位置检测的脉冲信号，这是典型的电动缸运动特征。
如图1所示，油液能够通过液控口A6进入外筒9和推杆8之间形成液控腔A10，从而驱动推杆8缩回外筒9；油液能够通过液控口B12进入内筒5和推杆8之间形成液控腔B11，从而驱动推杆8缩回外筒9；也就是说，通过控制液控腔A10和液控腔B11的油液压力和流量，能够控制推杆8直线运动的速度和方向，这是典型的液压缸运动特征。推杆8与外筒9和内筒5的移动接触面均采用了液压缸活塞的密封形式，保证了油液不会进入电机2的工作区域，影响电机2的正常工作。推杆8直线运动会带动电机2产生空转，但阻力极小，通常情况下可忽略。
如图1所示，本实施例公开的一种电液复合式直线作动器的节能工作方法：设向上为正方向，负载质量为m，油液压力为F，考虑平衡方程F＝mg+ma，则通过控制油液压力F即可控制负载的加速度，而油液压力F可以通过对油路的控制实现，具体分为四种工作模式：
工作模式①当v＞0，F＞0时，控制阀B14处于直通模式，通过调节控制口A的开口度来控制推杆8的位移，打开无泄漏球阀B16，高压油液通过控制阀B14的供油口P、控制阀B14的控制口A、泄漏球阀B16、液控口B12进入液控腔B11；打开无泄漏球阀C17，液控腔A10中的油液通过液控口A6、无泄漏球阀C17回到回油油箱19。此时，也可以给电机2通电，使直线作动器处于电液复合工作模式，所述的电液复合工作模式及具有液压缸的运动特征又具有电动缸的运动特征。
工作模式②当v＞0，F＜0时，打开无泄漏球阀D18，通过液控口B12、 无泄漏球阀D18从回油油箱19向液控腔B11中补油；打开无泄漏球阀C17，液控腔A10中的油液通过液控口A6、无泄漏球阀C17回到回油油箱19；使电机2处于发电工作模式，与储能元件形成闭合回路，将电能储存起来，通过控制电机2的扭矩来控制推杆8的位移。
工作模式③当v＜0，F＞0时，打开无泄漏球阀C17，通过液控口A6、无泄漏球阀C17从回油油箱19向液控腔A10中补油；打开无泄漏球阀D18，液控腔B11中的油液通过液控口B12、无泄漏球阀D18回到回油油箱19；使电机2处于发电工作模式，与储能元件形成闭合回路，将电能储存起来，通过控制电机2的扭矩来控制推杆8的位移。
工作模式④当v＜0，F＜0时，控制阀A13处于直通模式，通过调节控制口A的开口度来控制推杆8的位移，打开无泄漏球阀A15，高压油液通过控制阀A13的供油口P、控制阀A13的控制口A、泄漏球阀A15、液控口A6进入液控腔A10；打开无泄漏球阀D18，液控腔B11中的油液通过液控口B12、无泄漏球阀D18回到回油油箱19。此时，也可以给电机2通电，使直线作动器处于电液复合工作模式，所述的电液复合工作模式及具有液压缸的运动特征又具有电动缸的运动特征。
本实施例公开的一种电液复合式直线作动器及其节能工作方法的优点在于当所需的油液压力与负载的运动方向相反时，供油油路无需进行高压供油，只需低压补油即可，并且通过带动电机发电，在提供所需的与负载运动方向相反的油液压力的同时，将多余的能量以电能的形式储存起来。