适应狭窄弯曲空间的机电液复合传动机构及控制系统与方法

摘要

本发明涉及一种适应狭窄弯曲空间的机电液复合传动机构及控制系统与方法，属于有流体传动装置技术领域。传动机构主要由伺服电机、丝杠螺母副、活塞式传动液压缸、执行液压缸、密封圈及输油管。活塞式液压缸的活塞固定在丝杠螺母上，伺服电机通过驱动丝杠旋转使活塞发生轴向移动从而导致液压缸的左右腔容积的变化，进而通过输油管将动力传递到执行液压缸并带动负载运动。为提高传动性能和使用安全性，还提供了由单向阀、二位四通阀、双向安全阀、蓄能油罐等组成的油路控制装置及系统控制方法。具有元器件数量少、结构紧凑、体积小巧、刚度大、响应快、能效高、机电液高度集成、易于传输、适应狭窄弯曲空间等优点。

说明书

技术领域

    本发明涉及一种适应狭窄弯曲空间的机电液复合传动机构及控制系统与方法，属于有流体传动装置技术领域。

背景技术

在一些机械设备或武器装备（例如导弹上的舵机）中，由于空间、重量或工艺的限制，执行器与动力源无法安装在一起，必须将两者分离，并安放在不同的位置。这时如何将来自动力源上的动力有效传递到执行器上是一个需要解决的技术问题。通常有齿轮传动、转轴传动、皮带传动、连杆传动等等机械传动方式，这些机械传动传动方式的缺点是传动介质是刚性的，而且传动装置占据较大的空间，当传递路径是一个狭窄而且弯曲的空间时，就无能为力了。此时利用液体的柔性和流动性进行液压传动是实现动力在狭窄弯曲空间中传动的有效途径。然而，一般液压传动系统都带有液压泵、油箱、节流阀、滤油器等元件，导致结构臃肿、体积庞大、传输不便、响应慢和能耗高等缺点，无法应用于空间受限的场合。在这种情况下，需要借助机械和电子技术改进和简化原有的液压系统，研制一种结构紧凑、体积小巧、易于传输、刚度大、响应快、能耗低的传动与控制新技术。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是研制一种适应狭窄弯曲空间的机电液复合传动机构及控制系统与方法。

一种适应狭窄弯曲空间的机电液复合传动机构，其特征在于：包括伺服电机和传动液压缸，还包括安装于传动液压缸内的通过连轴器与伺服电机相连的丝杠，还包括安装于丝杠上的丝杠螺母，套于丝杠上并与丝杠螺母固定连接的活塞；上述活塞将传动液压缸分成左油腔和右油腔；左油腔和右油腔分别与执行液压缸的进油口与出油口相连。

该机构动力源为伺服电机，执行器为摆动式液压缸或活塞式液压缸，统称执行液压缸。伺服电机通过一个特别设计的活塞式液压缸及控制油路驱动执行液压缸。这个起到传动作用的活塞式液压缸的缸筒的截面形状可以根据使用空间要求而改变，除可以是通常的圆形外，还可以是椭圆形、正六边形、矩形、圆角矩形、带凸边矩形或带凹边矩形等等，液压缸内活塞的轮廓形状与缸筒的截面形状一致，并与缸筒内壁紧密配合。传动液压缸的内腔直径及长度可以根据使用环境和动力参数而改变。传动液压缸的推杆为一根普通丝杠或滚珠丝杠，活塞固定在丝杠螺母上，丝杠通过联轴器与电机转轴相连。当需要提高伺服电机的输出力矩时，可以在上述伺服电机与连轴器之间增加集成式减速机。为防止漏油的发生，在丝杠螺母与活塞的接触面上设计了密封槽，并在密封槽中安装了与丝杠外表面紧密贴合的轴向密封圈，还在活塞外环面开设了密封槽并安装了密封圈。

针对所发明的机电液复合传动机构，提出了相应的控制方法：伺服电机通过联轴器带动丝杠旋转，丝杠螺母将旋转运动转变成与之通过螺钉固定连接的活塞的直线移动，移动的方向由电机的转向决定，移动的距离由丝杠节距决定。活塞的移动造成传动液压缸的左右油腔容积的变化，被挤压的液压油经由输油管或进入执行液压缸推动其内部的活塞或叶片运动并带动负载做功，从执行液压缸中排出的液压油通过输油管回流到传动液压缸内，使得两个液压缸内油的体积保持不变。当伺服电机反向旋转时，带动执行液压缸的活塞或叶片跟着反向运动，其运动速度由伺服电机的转动速度决定，从而实现了方向和速度连续可控的往复传动。

    为提高输出力矩，在上述伺服电机与连轴器之间安装集成式减速机或者减小所设计的传动液压缸的内腔直径并延长液压缸的长度。

    在上述机电液复合传动机构的基础上，本发明于传动液压缸和执行液压缸之间增加了一套油路控制装置，组成了一个控制系统。其中油路控制装置包括一号双向安全阀、二号双向安全阀、二位四通阀、一号单向阀、二号单向阀、三号单向阀、四号单向阀与蓄能油罐等液压元件。其中，二位四通阀具有4个油口，当阀门得电时处于左位，此时A、B油口分别与P、T油口连通，当阀门掉电时在弹簧作用力下处于右位，此时A、B、P、T油口相互都不连通；传动液压缸的左、右油腔的油口分别通过输油管与二位四通阀的P、T油口相连；执行液压缸的左、右油口分别与二位四通阀的A、B油口相连；一号双向安全阀的两个进油口分别与二位四通阀的B、T油口相连；二号双向安全阀的两个进油口分别与二位四通阀的A、P油口相连；一号双向安全阀和二号双向安全阀的出油口都与蓄能油罐的出油口相连；蓄能油罐的出油口同时与一号单向阀、二号单向阀、三号单向阀、四号单向阀的进油口相连；一号单向阀、二号单向阀、三号单向阀、四号单向阀的出油口分别与二位四通阀的T、B、A、P油口相连。

针对所发明的带有油路控制装置的控制系统，提出了相应的控制方法：伺服电机通过联轴器带动丝杠旋转，丝杠螺母将旋转运动转变成与之通过螺钉固定连接的活塞的直线移动，移动的方向由电机的转向决定，移动的距离由丝杠节距决定。活塞的移动造成传动液压缸的左右油腔容积的变化，被挤压的液压油经由输油管进入执行液压缸推动其内部的活塞或叶片运动并带动负载做功，从执行液压缸中排出的液压油通过输油管回流到传动液压缸内，使得两个液压缸内油的体积保持不变。当伺服电机反向旋转时，带动执行液压缸的活塞或叶片跟着反向运动，其运动速度由伺服电机的转动速度决定，从而实现了方向和速度连续可控的往复传动。在伺服电机启动时，接通二位四通电磁阀的电源，从而令阀门处于左位，进出油管保持畅通，实现无阻碍传动；当伺服电机停止时，断开电磁阀电磁阀的电源，令阀门在弹簧作用下处于右位，锁定进出油管，从而提高执行液压缸的静态力矩，防止与之相连的负载在受到较大的外力冲击时偏离原来设定的位置。当负载受到过大的外力冲击时，双向安全阀中与执行液压缸相连的进油口自动打开，执行液压缸内的高压油通过双向安全阀向蓄能油罐溢流，从而保护执行液压缸及其负载免受损坏；当伺服电机在负载受到过大的阻力或者未打开二位四通电磁阀的情况下启动时，双向安全阀中与传动液压缸相连的进油口自动打开，传动液压缸内的高压油通过双向安全阀向蓄能油罐溢流，从而保护伺服电机以及液压系统中的零部件免受损坏；当发生上述溢流或液压系统漏油时，蓄能油罐通过各个单向阀自动地向油压下降的油路进行补油，使系统中各处压力及时恢复均衡，保证伺服控制的准确性。

有益效果

1）传动液压缸的进、出油口分别与执行液压缸的出、进油口通过任意长度的输油管相连。由于输油管具有体积小、可弯曲、材料多样化、截面形状灵活可变的特点，因此借助本发明传动结构能够将来自伺服电机的动力经由狭窄弯曲的空间传递到执行液压缸。

 2）省去了传统液压系统中的液压泵、油缸等笨重的器件，所用元器件数量少，且传动液压缸的外形可自适应改变，丝杠螺母副不仅实现了旋转运动到直线运动的转换，而且起到了减速作用，因此结构紧凑，体积小巧，机电液高度集成，环境适应性好，能源利用效率高。

3）无需传统液压系统的换向阀和节流阀，负载的运动方向和速度直接由伺服电机决定，且负载的运动速度与伺服电机的转动速度成线性比例关系，还可通过改变丝杠节距来改变机械减速比，因此刚度大，响应快，容易实现高性能的伺服控制。

4）易于传输：驱动负载的液压缸可以远离动力源放置，通过灵活布置的输油管即可实现在狭窄弯曲空间中进行动力传递。

5）液压油始终处于完全封闭的环境中，不易受到污染，无需滤油器等器件，可靠性高，维护简便。

6）本发明实现了机械、电子、液压一体化，具有结构紧凑、体积小巧、维护简便、噪音和能耗低等优点，可广泛应用工业、农业和国防等各个领域中需要进行动力传递但受到空间限制的机械设备，特别适用于飞机、轮船、导弹中进行航向控制的舵机。

附图说明

附图1为机电液复合传动机构与控制系统原理图；

附图2为传动液压缸中的活塞与滚珠丝杠连接结构剖视图；

附图3为传动液压缸缸筒的各种特殊截面形状图， (a)～(f)依次为椭圆形、正六边形、矩形、圆角矩形、带凸边矩形、带凹边矩形；

附图4为本发明在舵机上的实施例图；

附图5为含有控制油路的本发明第二实施例图；

图中标号名称: 1—伺服电机    2—联轴器   3—丝杠   4—活塞   5—格来密封圈   6—传动液压缸  7—螺钉   8—丝杠螺母   9、11—输油管  10—执行液压缸  12—轴向密封圈  13—舵  14—飞行器壳体  15—位置检测装置  16、17—限位开关  18—蓄能油罐   19—一号单向阀   20—二位四通阀  21—二号单向阀  22—一号双向安全阀   23—二号双向安全阀   24—三号单向阀   25—四号单向阀  26—减速机。

具体实施方式

机电液复合传动机构如图1所示，伺服电机1通过联轴器2带动丝杠3旋转，丝杠螺母副8将旋转运动转变成与之通过螺钉7固定连接的活塞4的直线移动，活塞4的移动造成传动液压缸6的左右腔容积的变化，被挤压的液压油经由输油管911进入执行液压缸10推动其内部的活塞或叶片运动并带动负载做功。从执行液压缸10中排出的液压油通过输油管119回流到所设计的传动液压缸6内，因此可保证两个液压缸内油的体积保持不变。当伺服电机1反向旋转时，将带动执行液压缸10的活塞或叶片跟着反向运动，其运动速度由伺服电机1的转动速度决定，从而实现了方向和速度连续可控的往复传动。

由于丝杠穿越传动液压缸中的活塞，丝杠与活塞之间存在相对运动，因此，传动液压缸左右两个油腔之间容易发生漏油。为此，采取了如图2所示的防漏措施以保证传动性能：在丝杠螺母8与活塞4的接触面上设计了环形密封槽，并在密封槽中安装了与丝杠外表面紧密贴合的轴向密封圈12。另外，在活塞外环面开设了密封槽并安装了格来密封圈5，防止活塞与液压缸内壁的接触面之间发生漏油。

图4是本发明在一个飞行器舵机中的具体实施例。其中机电液复合传动机构按照图1和图2实施。舵13为被控制对象，执行液压缸10为摆动式液压缸，安装在飞行器壳体14上。舵13与摆动式液压缸10的转轴连接。由于空间的限制，动力源安放在远离液压缸10的位置。利用本发明，即可将来自伺服电机1的动力经过丝杠传递到传动液压缸6，最终通过输油管9、11经由飞行器壳体14外表面狭窄弯曲的空间传送到液压缸10。为了实施高精度闭环控制，在液压缸10上安装了精密的位置检测装置15，用于提供角位移反馈信号。此外，为了防止传动液压缸的活塞到达左右极限位置时伺服电机继续运转，在传动液压缸6两端安装了限位开关16、17。位置检测装置15和限位开关16、17的信号都输入到控制器中。控制器根据控制命令、采集到的信号及伺服控制算法驱动伺服电机。按照本发明所述的传动控制原理，即可实现对舵的转动、定位和锁紧控制。

图5为本发明第二实施例图。与上述实施例不同的是，这里的传动液压缸6的缸筒截面为图3(C)所示的矩形，执行液压缸10为活塞式液压缸。此外，加装了集成式减速机26以提高伺服电机1的输出力矩。此外，本实施例为了更好地进行传动，提高静态力矩和驱动力矩，增强使用安全性，解决漏油问题，同时提供了由二位四通阀、单向阀、蓄能油罐、双向安全阀等液压元件组成的油路控制装置，组成了一个机电液复合传动控制系统。

1）提高静态力矩。在图（5）中，二位四通电磁阀20用于在调整好负载的位置后锁定油路，防止负载因受到一定大小的外力冲击而偏离原来设定的位置。在电机启动时，电磁阀20得电，阀门处于左位，进出油管保持畅通，实现无阻碍传动；当电机停止时，电磁阀20掉电，阀门在弹簧作用下处于右位，进出油管被锁定，执行液压缸10内部的油无法自由流动，从而提高了静态力矩。

2）提高安全性。当二位四通电磁阀20掉电，油路被锁定时，如果负载受到过大的外力冲击却不能顺应外力调整位置，负载以及液压系统中的零部件将受到损坏。此外，如果在负载受到的阻力过大或者未及时打开二位四通电磁阀20的情况下启动伺服电机，电机将发生堵转，严重时将损坏电机与活塞等零部件。为避免此类事故发生，在输油管9中串联了一个双向安全阀22；在输油管11中串联了一个双向安全阀23，当出现上述情况时，与高压油路相连的安全阀打开，高压油自动溢出，从而起到安全保护的作用。

3）解决漏油问题。如果将上述安全阀22、23溢出的油直接排到系统外，将导致系统油量损失和污染环境，溢油过量时还将形成液压缸空腔，导致传动失效。如果液压系统中其它部分（例如液压缸的轴承孔）出现漏油也会导致液压缸左右油腔的压力失衡，影响传动效果。为此，实施例提供了通过蓄能油罐补油的方案。如图5所示，安全阀22、23出口与蓄能油罐18连通，蓄能油罐18的出油口分别经过单向阀连接到安全阀23的两端。这样，从安全阀溢出的油可以回流到蓄能油罐18中，避免油量损失。同时，由于蓄能油罐18本身充有一定体积和压力的油，它将通过单向阀自动地向由于漏油产生压力下降的油路进行补油，使系统中各处压力及时恢复均衡，保证伺服控制的准确性。