一种压电驱动式液压马达   0    0

[0001] 本发明属于液压驱动与控制技术领域，具体涉及一种压电驱动式液压马达。

[0002] 液压传动与控制系统也称液压马达，具有高能量密度、低噪音、无冲击等优势，在国民经济和国防工业的各个行业已成功应用多年。传统的液压动力系统通常都是由尺寸较大的电动机和机械式液压泵进行驱动的，并通过换向阀、溢流阀、减压阀、节流阀及调速阀等多类型阀的联合作业实现液压缸输出力、速度及位置等的有效控制，故体积庞大、结构连接及控制比较复杂，应用上具有很大的局限性：无法用于航空航天、行走机器人等微小系统及远程控制系统；同时，由于现有液压动力系统采用种类繁多的液压阀进行联合控制，也难以实现驱动力、速度及位置的精确控制与调节，也无法用于精密机械加工与装配、精密测量、精密光学驱动等要求驱动、定位及控制精度高的领域。因此人们相继提出了多种类型的微小型压电液压驱动器，即由压电泵驱动的液压缸系统，如中国专利200810051156.7、201210175495.2、201210175464.7等，因现有压电液压驱动器中的压电泵为固定频率驱动的，实际工作中压电泵输出流量及压力、即液压缸的驱动力及速度受工作条件影响较大，流体粘度、温度以及负载阻力等通过影响系统阻尼影响系统的谐振频率，当压电振子在具体工况下的谐振频率与所设定的激励频率偏差较大时，泵的输出流量和压力都将大幅度下降且根据设定驱动电压及频率计算所得的输出流量和压力的精确度也较低。

[0003] 本发明提出一种压电驱动式液压马达，本发明的实施方案是：一种压电驱动式液压马达由压电泵、蓄能器、换向阀液压缸及管路构成，压电泵由上下体、碟形阀、换能器组、密封圈导线组一、导线组二及电源构成；上体上设有进口、孔腔和至少两个体腔，体腔的顶壁上设有上阀腔和上出口，体腔的侧壁上设有上走线槽；最左侧的上阀腔和最右侧的上出口分别与进口和孔腔连通，两个相邻体腔中的上阀腔和上出口连通；下体上设有出口、带下入口的孔腔台及与体腔数量相等的体腔台，最左侧体腔台上设有出口阀腔和下阀腔，其余体腔台上设有下阀腔和下出口；出口阀腔与出口连通，最右侧的下阀腔与下入口连通，两个相邻体腔台上的下阀腔和下出口连通；上体经螺钉安装在下体上，孔腔台置于孔腔内并经密封垫密封，最右侧的上出口经孔腔与下入口连通；体腔台置于体腔内并经密封圈将换能器组压接在上体的各体腔内，换能器组由经密封环隔开的两个换能器构成；换能器由基板和压电片粘接而成，换能器表面涂有绝缘漆或粘接有绝缘薄膜；各换能器组中两个压电片的极化方向相反且相对即靠近安装，两相邻体腔内换能器组的安装方向即压电片的极化方向相反，压电片的极化方向相反是指一个极化方向是从基板指向压电片、另一个极化方向是从压电片指向基板；出口阀腔与其内所粘接的碟形阀构成出口阀，上下阀腔与其内所粘接的碟形阀分别构成上下进口阀；碟形阀由压环、阀片和中心带阀孔的阀座依次粘接而成，阀片由盖片、环片以及至少三条连接盖片与环片的螺旋片构成，环片两侧分别与压环和阀座粘接；阀片粘接前螺旋片向环片一侧预弯、粘接后盖片堵在阀座的阀孔上；上体、换能器及密封圈构成相互串联的上泵腔，下体、换能器及密封圈构成相互串联的下泵腔，上泵腔与下泵腔串联；至少一个换能器包括驱动器和传感器两部分，即至少一个换能器中的压电片的表面电极被分割成驱动单元和传感单元，驱动单元的面积远远大于传感单元的面积；基板与压电片中驱动单元和传感单元形成的复合层分别为驱动器和传感器；驱动器及换能器都经导线组一与电源相连，传感器经导线组二与电源相连。

[0004] 本发明中，电源输出的驱动电压为直流或交流电压信号，输出直流电压时为自激驱动：电源向各换能器及驱动器输出相同的直流电压信号，并利用传感器生成的电压信号判断换能器的变形即上下泵腔内流体压力变化状态；当传感器输出的传感电压达到极值时，即驱动器和换能器的变形量及上下泵腔内流体压力达到极值时，驱动电压及各换能器的变形方向换向；驱动电压的交替换向即形成了换能器往复弯曲振动及流体的单向流动，故属自激驱动。

[0005] 以具有三个换能器组的串联泵为例，从左到右：换能器组依次定义为换能器组一、二、三，上泵腔依次定义为上泵腔一、二、三，上进口阀依次定义为上进口阀一、二、三；从右到左：下泵腔依次定义为下泵腔一、二、三，下进口阀依次定义为下进口阀一、二、三。换能器组一上方的换能器含有驱动器和传感器，自激驱动的过程为：电源输出正直流电压，换能器组一和三向上弯曲、换能器组二向下弯曲，上泵腔一和三及下泵腔二的容积减小，上泵腔二及下泵腔一和三的容积增加，上进口阀一和三、下进口阀二及出口阀关闭，上进口阀二及下进口阀一和三开启，流体流动方向为：上泵腔一→上泵腔二、上泵腔三→下泵腔一、下泵腔二→下泵腔三，此为置换过程；置换过程中，传感器随驱动器向上弯曲、输出电压由最小值逐步增加到最大值；驱动器变形量最大时，即上泵腔一容积最小、流体压力最大时，传感电压达到最大值，驱动电压换向、由正直流电压变成负直流电压，换能器组一和三向下弯曲、换能器组二向上弯曲，上泵腔一和三及下泵腔二容积增加，上泵腔二及下泵腔一和三容积减小，上进口阀一和三、下进口阀二及出口阀开启，上进口阀二及下进口阀一和三关闭，流体流动方向为：进口→上泵腔一、上泵腔二→上泵腔三、下泵腔一→下泵腔二、下泵腔三→出口，此为吸排过程；吸排过程中，传感电压再由最大值变成最小值，驱动电压再次换向；驱动电压的交替换向即形成了换能器的往复弯曲振动和流体的单向流动；上述工作过程中，驱动电压的频率是通过传感电压最大值和最小值交替变换形成的，即激励频率是根据换能器变形情况自动形成的，而换能器变形情况取决于输出压力及流体粘度，故自激驱动工作模式的环境适应性强。

[0006] 本发明中，可根据所需最大流体循环流量Q和驱动压力P确定换能器组Dn的数量，换能器d由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成且以水为循环介质时：式中：ηq、ηp分别
为与碟形阀和换能器相关的流量和压力系数，R、H分别为泵腔半径和高度，H不小于P＝0时最大输入电压作用下换能器中心点的变形量，hp为压电片厚度，f为自激励频率，U0为电源输出电压，N为换能器组的数量。

[0007] 压电泵进出口经三位四通换向阀与液压缸连接，蓄能器与压电泵进口或出口连通，压电泵有流体输出时通过调整换向阀改变液压缸活塞的运动状态：换向阀截止时，压电泵出口输出的流体经换向阀直接返回进口，无流体进入液压缸的上下腔，液压缸活塞处于锁定状态；换向阀上端接通时，流体进入液压缸下腔、液压缸活塞向上运动；相反，换向阀下端接通时，流体进入液压缸上腔、液压缸活塞向下运动。

[0008] 本发明特点及优势在于：根据系统内流体的压力变化即换能器的变形状态使电源输出的直流驱动电压换向，实现换能器自激驱动，激励频率与工作条件相匹配，激励频率对流体粘度、温度及负载等变化的适应性强。

[0022] 本发明的一种压电驱动式液压马达由压电泵W、蓄能器X、换向阀Y液压缸Z及管路构成，压电泵W由上体a、下体b、碟形阀c、换能器组Dn、密封圈e、导线组一g和导线组二h及电源f构成；上体a上设有进口a1、孔腔a6和至少两个体腔a2，体腔a2的顶壁上设有上阀腔a3和上出口a4、侧壁上设有上走线槽a5；最左侧体腔a2的上阀腔a3与进口a1连通，最右侧的上出口a4与孔腔a6连通，两个相邻体腔a2中的上阀腔a3和上出口a4连通；下体b上设有出口b1、带下入口b5的孔腔台b6及与体腔a2数量相等的体腔台b2，最左侧体腔台b2上设有出口阀腔b7和下阀腔b3，其余体腔台b2上设有下阀腔b3和下出口b4；出口阀腔b7与出口b1连通，最右侧的下阀腔b3与下入口b5连通，两个相邻体腔台b2上的下阀腔b3和下出口b4连通；上体a经螺钉安装在下体b上，孔腔台b6置于孔腔a6内并经密封垫e’密封，最右侧的上出口a4经孔腔a6与下入口b5连通；体腔台b2置于体腔a2内并经密封圈e将换能器组Dn压接在上体a的各体腔a2内，换能器组Dn由经密封环e1隔开的两个换能器d构成；换能器d由基板d1和压电片d2粘接而成，换能器d的表面涂有绝缘漆或粘接有绝缘薄膜；每个换能器组Dn中的两个换能器d中压电片d2的极化方向相反且相对即靠近安装，两相邻体腔a2内换能器组Dn的安装方向即压电片d2的极化方向相反，压电片d2的极化方向相反是指一个极化方向是从基板d1指向压电片d2、另一个极化方向是从压电片d2指向基板d1；出口阀腔b7与其内所粘接的碟形阀c构成出口阀O，上阀腔a3和下阀腔b3与其内所粘接的碟形阀c分别构成上进口阀sin和下进口阀xin；碟形阀c由压环k、阀片i和中心带阀孔的阀座j依次粘接而成，阀片i由盖片i1、环片i3以及至少三条连接盖片i1与环片i3的螺旋片i2构成，环片i3的两侧分别与压环k和阀座j粘接；阀片i粘接前螺旋片i2向环片i3的一侧预弯、粘接后盖片i1堵在阀座j的阀孔上；上体a、换能器d及密封圈e构成相互串联的上泵腔scn，下体b、换能器d及密封圈e构成相互串联的下泵腔xcn，上泵腔scn与下泵腔xcn串联；至少一个换能器d包括驱动器D和传感器S两部分，即至少一个换能器d中的压电片d2的表面电极被分割成驱动单元d21和传感单元d22，驱动单元d21的面积远远大于传感单元d22的面积；基板d1与压电片d2中驱动单元d21和传感单元d22形成的复合层分别为驱动器D和传感器S；驱动器D及换能器d都经导线组一g与电源f相连，传感器S经导线组二h与电源f相连；Dn、sin、scn中的n代表从左到右的序号，n＝1、2、3…；xin、xcn中的n代表从右到左的序号，n＝1、2、3…。

[0023] 本发明中，电源f输出的驱动电压为直流或交流电压信号，输出直流电压时为自激驱动：电源f向各换能器d及驱动器D输出相同的直流电压信号，并利用传感器S生成的传感电压信号判断换能器d的变形及上泵腔scn及下泵腔xcn内流体压力变化状态；当传感器S的传感电压达到极值时，即驱动器D和换能器d的变形量及上泵腔scn与下泵腔xcn内流体压力达到极值时，电源f输出电压及各换能器d的变形方向换向；电源f输出电压的交替换向即形成了换能器d的往复弯曲振动及流体的单向流动，故属自激驱动。

[0024] 以具有三个换能器组Dn的串联泵为例，从左到右：换能器组Dn依次定义为换能器组一D1、二D2、三D3，上泵腔scn依次定义为上泵腔一sc1、二sc2、三sc3，上进口阀sin依次定义为上进口阀一si1、二si2、三si3；从右到左：下泵腔xcn依次定义为下泵腔一xc1、二xc2、三xc3，下进口阀xin依次定义为下进口阀一xi1、二xi2、三xi3。换能器组一D1上方的换能器d含有驱动器D和传感器S，自激驱动的过程为：电源f输出正直流电压U0，换能器组一D1和三D3向上弯曲、换能器组二D2向下弯曲，上泵腔一sc1、上泵腔三sc3及下泵腔二xc2的容积减小，上泵腔二sc2、下泵腔一xc1和下泵腔三xc3的容积增加，上进口阀一si1、上进口阀三si3、下进口阀二xi2及出口阀O关闭，上进口阀二si2、下进口阀一xi1和下进口阀三xi3开启，流体流动方向为：上泵腔一sc1→上泵腔二sc2、上泵腔三sc3→下泵腔一xc1、下泵腔二xc2→下泵腔三xc3，此为置换过程；置换过程中，传感器S随驱动器D向上弯曲、输出电压由最小值-Ug逐步增加到最大值Ug；驱动器变形量最大时，即上泵腔一sc1容积最小、流体压力最大时，传感器S的输出电压达到最大值Ug，电源f的输出电压换向、由正直流电压U0变成负直流电压-U0，换能器组一D1和三D3向下弯曲、换能器组二D2向上弯曲，上泵腔一sc1、上泵腔三sc3及下泵腔二xc2的容积增加，上泵腔二sc2、下泵腔一xc1和下泵腔三xc3的容积减小，上进口阀一si1、上进口阀三si3、下进口阀二xi2及出口阀O开启，上进口阀二si2、下进口阀一xi1和下进口阀三xi3关闭，流体流动方向为：进口a1→上泵腔一sc1、上泵腔二sc2→上泵腔三sc3、下泵腔一xc1→下泵腔二xc2、下泵腔三xc3→出口b1，此为吸排过程；吸排过程中，传感器S的输出电压再由最大值Ug变成最小值-Ug，电源f输出电压再次换向；电源f输出电压的交替换向即形成了换能器d的往复弯曲振动和流体的单向流动；上述工作过程中，电源f输出电压的频率是通过传感器S输出电压最大值和最小值交替变换形成的，即激励频率是根据换能器d变形情况自动形成的，而换能器d变形情况取决于输出压力及流体粘度，故环境适应性强。

[0025] 本发明中，可根据所需最大流体循环流量Q和驱动压力P确定换能器组Dn的数量，换能器d由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成且以水为循环介质时：式中：ηq、ηp分别
为与碟形阀c和换能器d相关的流量和压力系数，R、H分别为泵腔半径和高度，H不小于P＝0时最大输入电压作用下换能器d中心点的变形量，hp为压电片d2的厚度，f为自激励频率，U0为电源f的输出电压，N为换能器组Dn的数量。

[0026] 压电泵W的进口a1和出口b1经三位四通换向阀Y与液压缸Z连接，蓄能器X与压电泵W的进口a1或出口b1连通，压电泵W有流体输出时通过调整换向阀Y改变液压缸Z的活塞的运动状态：换向阀Y截止时，压电泵W出口b1输出的流体经换向阀Y直接返回进口a1，无流体进入液压缸Z的上腔或下腔，液压缸Z的活塞处于锁定状态；换向阀Y上端接通时，流体进入液压缸Z的下腔、液压缸Z的活塞向上运动；相反，换向阀Y的下端接通时，流体进入液压缸Z的上腔、液压缸Z的活塞向下运动。

[0009] 图1是本发明一个较佳实施例中马达的系统构成原理图；

[0010] 图2是本发明一个较佳实施例中泵的结构剖面示意图；

[0011] 图3是图2的A-A剖视图；

[0012] 图4是本发明一个较佳实施例中上体的结构示意图；

[0013] 图5是图4的仰视图；

[0014] 图6是本发明一个较佳实施例中下体的结构示意图；

[0015] 图7是图6的俯视图；

[0016] 图8是本发明一个较佳实施例中碟形阀的结构示意图；

[0017] 图9是本发明一个较佳实施例中阀片的结构示意图；

[0018] 图10是图9的B-B剖面图；

[0019] 图11是本发明一个较佳实施例中驱动电压的波形图；

[0020] 图12是本发明一个较佳实施例中传感电压的波形图；

[0021] 图13是本发明一个较佳实施例中换能器变形及碟形阀的开关关系示意图。