一种蓄能式球形泵电液作动器

摘要

本发明公开了一种蓄能式球形泵电液作动器，其包括电机、球形泵以及双活塞杆缸组件，所述球形泵的两个进排油口设置于其缸盖上；所述双活塞杆缸组件包括作动筒和双活塞杆，所述作动筒上部设置有与缸盖连接的连接块，所述连接块上设置有两个轴向导流螺栓孔，所述连接块通过两个导流螺栓把作动筒固定于所述缸盖上，所述两个导流螺栓把球形泵的两个进排油口分别与作动筒两端的工作腔和非工作腔连通；所述双活塞杆上设置有泄压孔和浮动活塞，所述浮动活塞的一端通过蓄能弹簧预压紧，另一端与泄压孔连接形成泄压通道。上述蓄能式球形泵电液作动器结构紧凑，浮动活塞能自动调节封闭系统中液体体积，可用于骨骼服及自主行走机器人。

说明书

技术领域

本发明属于电液作动器技术，尤其是涉及一种蓄能式球形泵电液作动器。

背景技术

球形压缩机是近年来的一种全新结构的变容式机构，其优点是无进/排气阀、运动件少、振动小、机械效率高、密封可靠等，特别是在微型压缩机领域、微型高压泵类机械方面优势更加明显。经过多年的不断研发，球形压缩机的结构和性能不断改进和优化，球形泵就是在球形压缩机的基础上开发出来的一种泵类机械。

球形泵用于机器人动力系统有很多优势，可以使机器人动力系统的体积减小、重量减轻、能耗降低；但是由于球形泵用于骨骼服及自主行走机器人时是通过球形泵主轴的正反转来驱动液压活塞伸缩杆的往复运动，从而使骨骼服及自主行走机器人实现往复动作，所以球形泵没有一个固定的高压排油口和固定的低压进油口，而是采用两个进排油口进行交替进排油，这样，在球形泵工作时，由于液体膨胀现象的存在，所以球形泵结构设计时必须满足及时解决液体压力的异常升高；但是，不能简单的将膨胀液体排出体外；所以要对机器人用球形泵作动器的液压油路进行特殊的结构设计来满足把膨胀液体自适应吸收。另外，由于机器人用球形泵作动器的液压油路是一个全封闭系统，没有一个固定的低压油腔，当温度变化时，液压油路系统的液压油体积发生变化，所以要对机器人用球形泵作动器进行特殊的结构设计来满足由于温度变化导致液压油体积膨胀的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蓄能式球形泵电液作动器，其能够确保系统压力正常，同时具有提高电液作动器的效率、降低能耗、减小重量和体积的特点，以解决现有技术中电液作动器存在功率高和体积重量大的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种蓄能式球形泵电液作动器，其包括电机、球形泵以及双活塞杆缸组件，其中，所述球形泵的两个进排油口的出口设置于其缸盖的端面上；所述双活塞杆缸组件包括作动筒和双活塞杆，所述作动筒具有左右贯通的活塞孔，所述双活塞杆与作动筒的活塞孔相配合，所述作动筒的两端分别形成工作腔和非工作腔，所述作动筒上部设置有与缸盖连接的连接块，所述连接块上设置有两个轴向导流螺栓孔，所述缸盖的端面与所述连接块的端面贴合并通过两个导流螺栓把作动筒固定于所述缸盖上，所述两个导流螺栓把球形泵的两个进排油口分别与作动筒两端的工作腔和非工作腔连通；所述双活塞杆工作端的活塞头根部设置有泄压孔，且所述双活塞杆的非工作端的中心设置有浮动活塞，所述浮动活塞的一端通过蓄能弹簧预压紧，另一端与泄压孔连接形成泄压通道。

特别地，所述双活塞杆非工作端的中心设置有浮动活塞孔，所述浮动活塞孔的孔口设置有内螺纹，且所述浮动活塞孔底部为锥面，所述锥面的中央设置有与泄压孔连通的孔，所述浮动活塞与浮动活塞孔相配，所述浮动活塞与浮动活塞孔配合部分设置有密封圈；丝堵通过螺纹连接在双活塞杆的非工作端；所述丝堵的中心设置有通气孔；所述浮动活塞工作端的端部为与浮动活塞孔底部锥面相适配的锥面；所述浮动活塞非工作端连接有蓄能弹簧，所述蓄能弹簧通过丝堵压持在浮动活塞非工作端的端面上。

特别地，所述连接块上还设置有两个纵向进排油孔，所述作动筒上设置有两个轴向进排油孔；两个纵向进排油孔的一端分别与两个导流螺栓孔中部的导 流环接通，另一端分别与两个轴向进排油孔接通；所述两个导流螺栓中心的过流孔的一端分别与缸盖上的两个进排油口接通，另一端分别与两个导流螺栓孔中部的导流环接通；所述两个轴向进排油孔分别与作动筒两端的工作腔和非工作腔接通。

特别地，所述电机和球形泵连接体的中部位置安装一“8”字形卡箍，所述卡箍的封闭端以卡持的方式紧固在电机和球形泵连接体的外圆上，所述卡箍的开口端卡持在保护筒的外圆上，通过夹紧螺钉把卡箍夹紧在保护筒的外圆上。

特别地，所述连接块上还设置一螺钉孔，对应于所述球形泵上相应的位置设置也开设螺纹孔，通过连接螺钉把连接块牢固的压接在缸盖端面上。

特别地，所述双活塞杆缸组件还包括左端盖、右端盖、鱼眼接头和保护筒，所述活塞孔的两端面上设置有端盖螺纹孔，左端盖和右端盖分别通过端盖连接螺钉连接在活塞孔的两端，所述双活塞杆的两端为等直径的导向杆，所述左端盖和右端盖上设置有与其相配的导向孔，所述双活塞杆的活塞头位于两端的导向杆中间，两端的导向杆的直径小于活塞头的直径，在活塞头的左右两侧形成两个环形面；所述非工作腔由右端盖、活塞孔、活塞头右侧环形面及双活塞杆构成的环形腔室，所述工作腔是由左端盖、活塞孔、活塞头左侧环形面及双活塞杆的构成的环形腔室，所述双活塞杆的两端从活塞孔的两端端盖中央伸出并可左右伸缩；所述双活塞杆的右端为工作端，该端通过螺纹连接有用于连接机器人动作部件的鱼眼接头，所述保护筒通固定连接在左端盖上，所述保护筒的左端通过螺纹连接有用于安装作动器的鱼眼接头。

特别地，所述双活塞杆的活塞体外圆与活塞孔配合部分设置有密封结构，所述双活塞杆分别与左端盖、右端盖配合部分设置有密封结构，所述左端盖和右端盖与活塞孔配合的部分设置有密封结构。

特别地，所述导流螺栓的前端螺纹部分为空心的过流孔，所述螺纹部分的中部沿螺纹圆柱的圆周方向设置有若干个径向的分流孔，所述导流螺栓孔中部与分流孔相应的部位设置导流环，所述导流环的宽度不小于分流孔的直径，所述导流环的直径大于导流螺栓的直径。

本发明的有益效果为，与现有技术相比所述蓄能式球形泵电液作动器具有以下优点：

1)由于球形泵独特的原理优势，具有体积小、振动小的特点，同时球形泵具有可正向和反向旋转的特点，从而驱动双活塞杆伸出或者收回，设计的电液作动器可以将电机、球形泵、双活塞杆缸集成在一起，可以使机器人的液压系统采用分布式液压执行器方案，省掉了繁杂的高压油管和电磁液压换向阀，可大幅减小系统的重量、体积和功耗，大幅简化了控制系统。

2)采用浮动活塞吸收液压系统膨胀液体，确保系统压力正常。

附图说明

图1是本发明具体实施方式1提供的蓄能式球形泵电液作动器的主视图；

图2是本发明具体实施方式1提供的蓄能式球形泵电液作动器的左视图；

图3是图1中B-B向的剖面图；

图4是图1中C-C向的剖面图；

图5是图1中D-D向的剖面图；

图6是图2中A-A向的剖面图；

图7是本发明具体实施方式1提供的蓄能式球形泵电液作动器的球形泵及电机组合体主视图；

图8是图7中F-F向的剖面图；

图9是本发明具体实施方式1提供的蓄能式球形泵电液作动器的球形泵及 电机组合体右视图；

图10是本发明具体实施方式1提供的蓄能式球形泵电液作动器的导流螺栓结构示意图；

图11是本发明具体实施方式1提供的蓄能式球形泵电液作动器的作动筒的主视图；

图12是图11中G-G向的剖面图；

图13是本发明具体实施方式1提供的蓄能式球形泵电液作动器的作动筒的右视图；

图14是本发明具体实施方式1提供的蓄能式球形泵电液作动器的作动筒的左视图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图1至图6所示，本实施例中，所述蓄能式球形泵电液作动器包括电机2、球形泵1以及双活塞杆缸组件3，电机2与球形泵1连接后形成整体柱状结构；双活塞杆缸组件3包括作动筒8、双活塞杆7、左端盖9、右端盖6、鱼眼接头5及保护筒11等；作动筒8具有左右贯通的活塞孔800，如图11到图14所示；在活塞孔800的两端面上设置有端盖螺纹孔805，左端盖9和右端盖6分别通过端盖连接螺钉19连接在活塞孔800的两端；双活塞杆7与作动筒8的活塞孔800相配，在作动筒8的两端分别形成工作腔和非工作腔，双活塞杆7的两端为等直径的导向杆，在左端盖9和右端盖6上设置有与之相配的导向孔，双活塞杆7的活塞头位于两端的导向杆中间，两端的导向杆的直径小于活塞头的直径，在活塞头的左右两侧形成两个环形面；非工作腔由右端盖6、活塞孔800、活塞头右侧环形面及双活塞杆7构成的环形腔室，工作腔是由左端盖9、 活塞孔800、活塞头左侧环形面及双活塞杆7的构成的环形腔室，双活塞杆7的两端从活塞孔800的两端端盖中央伸出并可左右伸缩；双活塞杆7的右端为工作端，双活塞杆7的右端通过螺纹连接有鱼眼接头5，用于连接机器人动作部件；双活塞杆7的左端为非工作端，保护筒11对双活塞杆7的左端导向杆起保护作用，保护筒11通过焊接或者螺栓连接的方式固定连接在左端盖9上；保护筒11的左端通过螺纹连接有鱼眼接头5，作为受力元件用于安装作动器；在双活塞杆7活塞体外圆与活塞孔800配合部分设置有密封结构，在双活塞杆7分别与左端盖9、右端盖6配合部分设置有密封结构，在左端盖9、右端盖6与活塞孔800配合的部分设置有密封结构；双活塞杆7左右移动时，工作缸与非工作缸的体积变化相等。

在电机2和球形泵1连接体的中部位置安装一“8”字形卡箍10，卡箍10的封闭端以卡持的方式紧固在电机2和球形泵1连接体的外圆上，卡箍10的开口端卡持在保护筒11的外圆上，通过夹紧螺钉20把卡箍10夹紧在保护筒11的外圆上，如图1、图2、图5所示。

请参阅图1至图4、图6至图9、图11至图14所示，作动筒8的上方突出有与球形泵1连接的连接块，在连接块上设置有两个轴向导流螺栓孔801，连接块上的两个导流螺栓孔801与球形泵1的缸盖101上的两个进排油口121的位置相对应；缸盖101上的进排油通道121的出口部分设置有与导流螺栓4相配的内螺纹，缸盖101的端面与作动筒8的连接块的端面贴合并通过两个导流螺栓4把作动筒8固定在缸盖101上，如图1所示；连接块上油道口与缸盖101上的进排油口121的出口相接通，连接块通过螺钉固定密封压紧在缸盖101的端面上；在作动筒8的连接块上还设置有两个纵向进排油孔803，在作动筒8上沿活塞孔800轴线方向设置两个轴向进排油孔804；两个纵向进排油孔803的一 端分别与两个导流螺栓孔801接通，两个纵向进排油孔803的另一端分别与两个轴向进排油孔804接通，两个轴向进排油孔804分别与作动筒8两端的工作腔和非工作腔接通；通过两个导流螺栓4就可以把球形泵1的两个进排油口121分别与作动筒8两端的两个环形腔室(即工作腔与非工作腔)连通。为了使双活塞杆缸组件3与球形泵1连接更加可靠，除了使用两个导流螺栓4把连接块与缸盖101连接外，进一步的在作动筒8的连接块上设置一螺钉孔802，在球形泵1相应的位置设置螺纹孔111，通过连接螺钉12把连接块牢固的压接在缸盖101端面上。在两个纵向进排油孔803加工后，在孔口设置细牙螺纹，通过两个带螺纹的堵头18进行密封封堵。

请参阅图10所示，导流螺栓4为的前端螺纹部分为空心的过流孔，在螺纹的中部沿螺纹圆柱的圆周方向设置有2—4个径向的分流孔，在导流螺栓孔801中部与分流孔相应的部位设置导流环，导流环的宽度不小于分流孔的直径，导流环的直径大于导流螺栓4的直径；两个导流螺栓4中心的过流孔的一端分别与缸盖101上的两个进排油口121接通，两个导流螺栓4中心过流孔的另一端通过导流螺栓4圆周上的分流孔分别与两个导流螺栓孔801中部的导流环接通；在球形泵1的缸盖101的端面上设置有两个进排油口121，由于球形压缩机即球形泵1的运转特点，球形泵1的进油口和排油口是随着电机的正向和反向旋转而交替变化，即电机正向转动时为排油孔，则电机反转时为进油孔；设置在作动筒8连接块上的两个纵向进排油孔803分别与两个导流螺栓孔801的导流环接通，这样，从球形泵1的一个进排油孔121排出的液压油就通过与其相连通的一个导流螺栓4进入相应的一个纵向进排油孔803，再经该纵向进排油孔803进入到相应的轴向进排油孔804，同时，另一个轴向进排油孔804中的油依次经另一个纵向进排油孔803和另一个导流螺栓4回流到球形泵1的另一个进 排油孔121；如图6所示，两个轴向进排油口804分别与工作腔和非工作腔相连通，其中，一个纵向进排油口804与位于作动筒8左端的工作腔相连通，另一个纵向进排油口803与位于作动筒8右端的非工作腔相连通，连接的方法是从活塞孔800中相应位置分别向两个轴向进排油孔804开一个连接孔，可以采用电火花加工的方法。

请参阅图1和图6所示，双活塞杆7的右端为工作端，在双活塞杆7工作端的活塞头根部设置有泄压孔17，在双活塞杆7的非工作端的中心设置有浮动活塞16，浮动活塞16的一端通过蓄能弹簧15预压紧，浮动活塞16的另一端与泄压孔17连接形成泄压通道；具体为，在双活塞杆7的左端即非工作端的中心设置有台阶型浮动活塞孔，浮动活塞孔右端底部为锥面，在锥面的中央设置有与泄压孔17连通的等直径孔；浮动活塞17为台阶型，与浮动活塞孔相配；浮动活塞17的右端为工作端，其直径小于左端，在浮动活塞17的工作端与浮动活塞孔配合部分设置有密封圈；浮动活塞17端部为与浮动活塞孔底部锥面的相配的锥面；浮动活塞17的左端为非工作端，在浮动活塞17的非工作端连接有蓄能弹簧15，蓄能弹簧15通过丝堵13压持在浮动活塞的左端面上；在双活塞杆7左端浮动活塞孔的孔口设置有内螺纹，丝堵13上设置有与之相配的外螺纹，丝堵13通过螺纹连接在双活塞杆7的左端；在丝堵13的中心设置有通气孔，使储能弹簧15压缩时不会形成真空；从安装工艺角度考虑，在储能弹簧15与浮动活塞17接触部分设置有垫片14。

所述蓄能式球形泵电液作动器工作过程和液压工作原理如下：

球形泵1正向旋转，高压油从缸盖101上的一个进排油口121排出，经作动筒8连接块内部的油道进入双活塞杆缸的工作腔，双活塞杆缸的非工作腔中的油被压出后通过设置在连接块上的油道回流到缸盖101上的另一个进排油口 121，并被吸入到球形泵1中，双活塞杆7伸出做功；球形泵1反向旋转，油路反向，双活塞杆7缩回；球形泵1正向和反向旋转形成两个油流向相反的主油路循环；由于油路系统为封闭系统，当油温升高时，液压油的体积膨胀，而液体为不可压缩物质，所以系统压力急剧升高，此时，由于泄压孔17与浮动活塞16连通，浮动活塞16受到泄压孔17中液体产生的高压而使储能弹簧15进一步压缩，浮动活塞16左移封闭系统的体积增大，吸收容纳膨胀液体，从而使系统高压释放，系统继续正常循环；储能弹簧15的选择要根据系统正常工作压力范围和泄压孔17的有效截面积大小确定，系统正常工作状态下，储能弹簧15产生的预应力要保证系统最高压力状态下浮动活塞16不动作，只有当系统压力异常而且超过设定值时，泄压孔17中的液压油产生的压力才足以使浮动活塞16动作，起到系统保护作用。

请参阅图7至图9所示，本实施例中所用的电机2为直流电机，电机2包括电机轴202、电机右端盖201、电机左端盖206、电机转子203、电机定子204、电机外壳205和电机轴承207，电机2呈直线型，电机右端盖201通过螺纹与球形泵1的主轴支架110固定连接，电机轴202通过键与球形泵1的主轴108连接传递扭矩。

球形泵1包括缸盖101、缸体105、活塞102、活塞镶块114、转盘104、中心销103、主轴108、主轴支架110、泵外壳113、动力柄115、缸体座118、缸体座镶块106等，缸盖101、缸体105、缸体座118、主轴支架110依次固定连接形成球形泵1的机壳，其中，缸体座118的左端设置有内螺纹，缸体座118的右端设置有外螺纹，缸盖101的右端面外圆上设置有台阶，圆筒状的泵外壳113的右端设置有压紧台阶，泵外壳113的左端设置有与缸体座118右端相配合 的内螺纹；装配时先把缸体座118、缸体105、缸盖101沿轴向依次连接并通过销钉进行圆周定位，再把泵外壳113依次穿过缸盖101、缸体105，泵外壳113右端的压紧台阶压紧在缸盖101的外圆台阶上，泵外壳113左端的带内螺纹的一端通过螺纹连接在缸体座118的外螺纹的一端，通过螺纹把缸盖101、缸体105依次压紧在缸体座118的右端；主轴支架110的右端设置有与缸体座118左端内螺纹相配的外螺纹，主轴支架110通过螺纹固定连接在缸体座118的左端；主轴支架110的左端设置有与电机右端盖201相配的内螺纹，通过内螺纹连接在电机右端盖201右端的外螺纹上；为了与作动筒8的连接块连接可靠，缸盖101的端面略凸出于泵外壳113的右端面。

与常规的球形压缩机结构相同，缸盖101和缸体105具有半球形内表面，连接形成球形泵1的球形内腔，活塞102具有球形顶面、球形顶面中央伸出一活塞轴、两个成一定角度的侧面、进排油口和在活塞102两侧面下部形成的活塞销座，活塞销座为半圆柱结构，半圆柱的中部有凹槽，在其轴线方向上有贯通的活塞销孔；缸盖101上设有活塞轴孔，活塞轴的轴径大小与活塞轴孔相配，活塞轴插入活塞轴孔中形成转动配合，活塞102可绕活塞轴的轴线在球形内腔中自由转动，活塞球形顶面与球形内腔具有相同的球心并形成密封动配合。转盘104具有转盘轴、转盘球面和转盘销座；缸体105和缸盖101构成的球形内腔与转盘球面具有相同的球心，转盘球面紧贴球形内腔形成密封动配合；转盘104的转盘销座的两端为半圆柱凹槽，中部为凸起的半圆柱；在半圆柱的轴线方向上有贯通的转盘销孔。中心销103插入活塞销座和转盘销座，在缸体105及缸体座118上设置有转盘轴通过的缸体轴孔及缸体座轴孔；主轴支架110为主轴108的旋转提供支撑，主轴108的一端为偏心轴孔和平衡块107，主轴108的该端部位于缸体座118的圆柱形空腔内，在缸体座118、缸体104与主轴108之 间形成一个空间，转盘轴插入主轴108的偏心轴孔内与主轴108相连，主轴108的另一端与电机轴202相连；平衡块107用以调节主轴108旋转时的不平衡力；上述活塞轴和转盘轴及主轴108的轴线都通过缸体105和缸盖101构成的球形内腔的球心，并且活塞轴和转盘轴的轴线与主轴108的轴线形成相同的夹角α；中心销103插入活塞102的活塞销孔和转盘104的转盘销孔中形成柱面铰链，活塞102与转盘104通过柱面铰链形成密封动连接，并把球形内腔形成分割成V1工作室1001和V2工作室1002。

为了减小转子运转中的摩擦阻力，减小转子零件的磨损，保持高精度持久高效运转，提高球形泵的寿命，在转盘轴和主轴108的偏心轴孔的配合部分增加转盘轴套116，在主轴108与缸体座118圆柱配合部分增加B轴承117，在活塞轴与活塞轴孔的配合部分增加活塞轴套112；转盘轴套116和活塞轴套112均采用耐磨材料。

主轴108转动时驱动转盘104，转盘104带动活塞102运动；活塞102的运动是唯一的绕活塞轴的轴线的转动，转盘104的运动是由两种运动的合成：一是绕自身轴线的转动，另一是其轴线始终通过球形内腔的球心，并在以球形内腔的球心为顶点、锥角为2α、轴线与主轴108的轴线重合的虚拟锥体表面周向移动(即转盘104的轴线扫过上述锥体的锥面)，移动的周期与主轴108旋转的周期同步；以上空间机构的运动都是旋转性质的运动，故没有高振动运动件，这种空间运动的合成结果为：活塞102和转盘104有一周期性的相对摆动，摆动的周期为主轴旋转周期的一倍，摆动的幅度为4α；利用这种相对摆动作为容积变化的基本运动要素，形成压力交替变化的V1工作室1001和V2工作室1002；球形泵1运转过程中，V1工作室1001和V2工作室1002的容积不断变化，图8 中V1工作室1001和V2工作室1002是极限状态下的情况，V1工作室1001为球形泵1进油时初始状态，所以图中V1工作室1001图示状态理论容积为最大，V2工作室1002为排油结束后的状态，所以图中V2工作室1002图示状态理论容积为零。

在缸盖101的内球面上设置有进油通道和排油通道，进油通道通过连通缸外的进油孔与缸盖101端面上的一个进排油口121连通；排油通道通过缸盖101上的连通缸外的排油孔与缸盖101端面上另一个进排油口121连通；利用活塞102的旋转以及活塞102的球形表面与缸盖101的半球形内表面的配合，作为进排油通道与V1工作室1001和V2工作室1002连通或者关闭的基本运动要素，从而实现进油和排油控制。

在缸体105与缸体座118之间设置有由动力柄115、轨迹限位面构成的转盘同步动力机构，动力柄115是两端对称的哑铃型结构，动力柄115固定在转盘轴上随同转盘回转运动，回转过程中动力柄115两端与缸体座118相接触的运动轨迹面构成轨迹限位面；动力柄115随同转盘104做回转运动，在缸体105、缸体座118与主轴108之间形成回转体空间，所以在缸体105、缸体座118与主轴108之间要有足够的空间保证动力柄10可以自由回转。为了简化加工工艺及可靠性，在与动力柄115两端相接触的轨迹限位面上设置有PEEK、铜或者其他弹性耐磨材料做成的缸体座镶块106；缸体座镶块106作为死点位置附近的轨迹限位面，缸体座镶块106设置在动力柄115转动到机构的死点位置附近时动力柄115两端与轨迹限位面接触的行程范围。

在主轴108与主轴支架110之间配合的部分设置有A轴承109，减少主轴支架110与主轴108之间的摩擦；在主轴108下部还设置有配重块119，配重块 119通过紧定螺钉120固定在主轴108下部的轴颈上。在主轴支架110与主轴108配合的轴颈上设置有密封，该密封作为轴封防止油泄漏到球形泵1与电机2的连接部分。

以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。