專利名稱：基于壓電陶瓷的功率電傳靜液加載系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于智能材料壓電陶瓷的靜液復(fù)合微量泵的加載系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，負(fù)載模擬器的加載系統(tǒng)都是使用閥控液壓缸或閥控?cái)[動(dòng)缸的電液伺服加載系統(tǒng)和電機(jī)直接加載的電動(dòng)加載系統(tǒng)。但是前者液壓源體積大、功耗和噪聲大、能源利用率低、容易漏油、維護(hù)修理不方便、對(duì)油液中的污染物比較敏感而經(jīng)常發(fā)生故障等，后者電動(dòng)機(jī)體積大、頻寬低、功率密度小、輸出力矩有限、存在力矩波動(dòng)等。本發(fā)明提出的基于智能材料的靜液復(fù)合加載系統(tǒng)。本課題組提出的一種基于智能材料的一體化作動(dòng)裝置(參照已提交發(fā)明申請(qǐng)200610001042.2)，本發(fā)明在最外側(cè)加上力反饋傳感器構(gòu)成力閉環(huán)，對(duì)負(fù)載模擬器進(jìn)行加載。這種新型的加載系統(tǒng)應(yīng)用于負(fù)載模擬器屬于在國內(nèi)外屬于首創(chuàng)。該加載系統(tǒng)克服了電液伺服加載系統(tǒng)和電動(dòng)加載系統(tǒng)的缺點(diǎn)，體積小、頻寬高、功率密度大、無噪音、避免分布管路等優(yōu)點(diǎn)，適用于小功率、高頻響、高精度要求的加載裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高頻響、高精度、體積小的靜液加載系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明提出一種基于壓電陶瓷的靜液功率電傳加載系統(tǒng)，涉及改造之前提交的壓電陶瓷泵的復(fù)合靜液作動(dòng)裝置，應(yīng)用于負(fù)載模擬器。其中包括壓電陶瓷作動(dòng)器裝置1，提供平穩(wěn)的動(dòng)力輸出；斜盤17，將輸出作動(dòng)筒的線性輸出轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；角位移傳感器15，檢測斜盤的角度位移量；力矩傳感器16，檢測傳動(dòng)軸上承受的力矩大??；補(bǔ)油蓄能器，增加吸油回路壓力，防止吸空出現(xiàn)氣穴。提供了體積小、高頻響、無分布管路、無污染的功率電傳加載系統(tǒng)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明提出了一種全新的負(fù)載模擬器加載系統(tǒng)，能夠精確控制，體積小、頻響高、無噪音。


圖1是功率電傳靜液加載系統(tǒng)原理示意圖。
圖2是已提交發(fā)明申請(qǐng)200610001042.2的原理結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的放大單元的結(jié)構(gòu)圖。
圖4是本發(fā)明的變量泵的活塞的實(shí)體圖。
圖5是本發(fā)明的變量泵的缸套的實(shí)體圖。
圖6是本發(fā)明的變量泵的端蓋的截面圖。
圖7是本發(fā)明的復(fù)合靜液作動(dòng)裝置施加的驅(qū)動(dòng)電壓與對(duì)應(yīng)輸出流量曲線示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。參照?qǐng)D1，本發(fā)明的基于壓電陶瓷的功率電傳靜液加載系統(tǒng)，主要由復(fù)合靜液作動(dòng)裝置1、AD/DA轉(zhuǎn)換單元，控制計(jì)算機(jī)11、斜盤17、角位移傳感器15、力矩傳感器16組成。角位移傳感器15檢測斜盤的偏轉(zhuǎn)角度，力矩傳感器16檢測傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，通過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)11，控制計(jì)算機(jī)11根據(jù)反饋回來的角度信號(hào)和轉(zhuǎn)矩信號(hào)對(duì)復(fù)合靜液作動(dòng)裝置進(jìn)行相應(yīng)的控制。斜盤17是將輸出作動(dòng)筒的線性輸出轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，對(duì)負(fù)載模擬器進(jìn)行加載。
參見圖2，本發(fā)明的復(fù)合靜液作動(dòng)裝置，是壓電陶瓷功率電傳靜液加載系統(tǒng)的核心單元，主要由輸出單元21、墊塊22、泵體23、上泵24、下泵25、放大單元25、基座27、未圖示的補(bǔ)油單元以及連通這些單元的油路構(gòu)成。其中，基座27用于支撐作動(dòng)裝置體；上泵24和下泵26是兩個(gè)上下對(duì)稱設(shè)置的壓電陶瓷泵，通過共用的泵體23組合在一起，是作動(dòng)裝置的動(dòng)力機(jī)構(gòu)；放大單元25，是放大壓電陶瓷伸長量的柔性鉸鏈；墊塊22，是連接輸出單元21的下端和上泵24的上端的連接單元；輸出單元21是作動(dòng)裝置的位移或力的輸出單元，補(bǔ)油單元，通過兩個(gè)單向閥連接在油路中，防止吸油不充分。
下面參照?qǐng)D2、圖3、圖4以及圖5詳細(xì)說明本發(fā)明的壓電陶瓷作動(dòng)裝置的變量泵。圖2是本發(fā)明的壓電陶瓷作動(dòng)裝置原理結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是本發(fā)明的放大單元的結(jié)構(gòu)圖，圖4是本發(fā)明的變量泵的活塞的實(shí)體圖，圖5是本發(fā)明的變量泵的缸套的實(shí)體圖。上泵24和下泵26結(jié)構(gòu)完全相同的，所以只說明上泵24的結(jié)構(gòu)。上泵24，采用對(duì)稱布置的兩個(gè)壓電陶瓷，其伸長量經(jīng)過放大之后推動(dòng)活塞。它由泵體23、缸套5、未圖示的壓電陶瓷堆、未圖示的密封圈、活塞4、端蓋6構(gòu)成。
如圖2中所示的泵體23，由航空鋁材構(gòu)成，上下凸出，上下凸部具有對(duì)稱的通孔，凸部用于固定上述放大單元以及通孔固定上述缸套。在本實(shí)施形式中，上下泵共用一個(gè)泵體，也可以采用上下泵泵體分離的結(jié)構(gòu)。
其中，如圖5所示，缸套5是一個(gè)帶有貫通內(nèi)腔的圓柱體，上面有用于連接油路的通孔，通孔51，連接下泵26的通孔52，通孔52連接下泵26的通孔51，都用于上下泵之間的油路連通從而控制進(jìn)出油口的開閉；通孔53，連接下泵26的通孔54以及輸出單元的右側(cè)油路接口，通孔54，連接下泵26的通孔53以及輸出單元的左側(cè)油路接口，都用于上下泵之間的油路連通從而控制進(jìn)出油口的開閉。并且，這些通孔的截面圖都是中間部分為矩形，兩側(cè)為對(duì)稱半圓形。并且，在本實(shí)施形式中，通孔51、52、53的截面的矩形都是長2mm，寬1mm；而通孔54截面的矩形是長2mm，寬2mm；堵頭的半圓都是以其矩形的寬為半徑的半圓。，缸套的總長度為39mm。但是，上述通孔的尺寸并不局限于此這些。另外，通孔51之間的距離為2mm，通孔52之間的距離為37mm，通孔53之間的距離為2mm。
上下泵的活塞也是一樣的，所以只說明上泵的活塞。如圖3所示，活塞是由未圖示的耐磨環(huán)，位于活塞的外側(cè)圓環(huán)外鍵槽4 1中，用于延長活塞的使用壽命用；未圖示的活塞封，位于活塞的內(nèi)側(cè)圓環(huán)外鍵槽42中，用于密封防止油液泄漏；環(huán)槽43，用于連接上下泵之間油路，控制進(jìn)出油口的開閉，圓環(huán)外鍵槽41、42分別用于放置耐磨環(huán)和活塞封。其中，在本實(shí)施形式中，外鍵槽41的寬度為9.6mm，直徑為12mm；外鍵槽42的寬度為2.2mm，直徑為11mm；環(huán)槽43的寬為1mm，直徑為14mm，當(dāng)然尺寸并不局限于此。另外，外鍵槽43之間的距離為2mm，和缸套的通孔54正好對(duì)接。并且，活塞最外段之間的長度為36mm，比缸套上的通孔52之間距離小1mm，以保證兩個(gè)通孔52是一直敞開的。并且，缸套的總長度為39mm，比活塞粗徑部分長3毫米，活塞裝進(jìn)去之后，一邊剩余1.5mm，這段空腔就是上泵的兩個(gè)工作腔。并且工作腔通過常開通孔52與下泵的控制上泵進(jìn)出油口開閉的通孔51連通。此外，在本實(shí)施形式中，耐磨環(huán)(也稱摩擦環(huán))，可以工作在-30～115℃環(huán)境中，流量限壓應(yīng)力可以達(dá)到450MN/m2；活塞封采用聚氨酯材料構(gòu)成，工作壓力為400bar，工作溫度為-40～95℃。但是，并不限于這些材料。
放大單元3，如圖3所示，是放大壓電陶瓷堆的伸長量的柔性鉸鏈。由對(duì)稱分布的兩個(gè)放大模塊構(gòu)成，分別放大對(duì)頂上泵24的活塞的兩個(gè)壓電陶瓷堆。31是調(diào)節(jié)螺紋，32是限制壓電陶瓷堆后端的凹槽，33是和壓電陶瓷堆前端接觸的平塊，34是連接平臺(tái)33和放大杠桿36的鉸鏈，35是支撐放大杠桿36的鉸鏈，36是放大杠桿，37是連接放大杠桿36和與圖4所示的活塞接觸的平臺(tái)38的鉸鏈。未圖示的壓電陶瓷堆被限制在凹槽32和平臺(tái)33之間。調(diào)節(jié)螺釘通過螺紋31與與壓電陶瓷堆的后端接觸，從而調(diào)節(jié)壓電陶瓷的初始位置。在本實(shí)施形式中，放大杠桿短邊長度為6.5mm，長邊長度為32.5mm，放大倍數(shù)為5倍，當(dāng)然放大倍數(shù)也可以是其它的合適的倍數(shù)。
另外，在本實(shí)施形式中，放大單元是由彈簧鋼構(gòu)成，也可以采用其它的材料構(gòu)成。
下面，參照?qǐng)D6說明變量泵的端蓋的結(jié)構(gòu)。
圖6是變量泵的端蓋6的截面圖。端蓋6用于密封缸套中的油液，以防止泄漏和污染，所以其內(nèi)部挖有兩個(gè)圓環(huán)狀的內(nèi)鍵槽61和62，分別用于放置活塞拉桿封和防塵圈。未圖示的活塞拉桿封，位于端蓋的外側(cè)圓環(huán)內(nèi)鍵槽61中。未圖示的防塵圈，位于端蓋的內(nèi)側(cè)圓環(huán)內(nèi)鍵槽62中。其中，在本實(shí)施形式中，內(nèi)鍵槽61的寬度為3.4mm，直徑為14.4mm；內(nèi)鍵槽62的寬度為3.8mm，直徑為14.6mm；內(nèi)鍵槽61、62之間的距離為11.8mm，當(dāng)然尺寸并不局限于此。
此外，在本實(shí)施形式中，活塞拉桿封，是由聚四氟乙烯材料構(gòu)成，可以工作在-40～120℃環(huán)境中，工作壓力可達(dá)到400bar；防塵圈采用聚氨酯材料構(gòu)成，工作壓力為400bar，工作溫度為-40～95℃。當(dāng)然也可以采用其它的能滿足要求的材料。
補(bǔ)油單元，圖中未示出。具有蓄能器，儲(chǔ)存0.7Mpa恒定壓力的油，用于補(bǔ)充循環(huán)油路；單向閥，將蓄能器連接到油路上，當(dāng)循環(huán)油路壓力低于蓄能器壓力時(shí)打開。
輸出單元，圖2所示的輸出單元由未圖示的活塞、未圖示的缸套、未圖示的端蓋構(gòu)成?；钊哂谢钊夂蜕鲜鲎兞勘玫幕钊饨Y(jié)構(gòu)一樣，所以省略說明。端蓋以及端蓋內(nèi)安裝的活塞拉桿封和防塵圈與上述變量泵一樣，所以省略說明。但是，由于輸出單元的活塞頻率不高，所以沒有安裝耐磨環(huán)。
圖2所示的墊塊22，用于連接上述壓電陶瓷變量泵上端和輸出單元的下端。在本實(shí)施形式中，墊塊22由航空鋁材構(gòu)成，也可以采用其它的輕質(zhì)材料構(gòu)成。
圖2所示的基座27，用于支撐上述復(fù)合靜液作動(dòng)裝置。在本實(shí)施形式中，基座27由航空鋁材構(gòu)成，也可以采用其它的輕質(zhì)材料構(gòu)成。
參照?qǐng)D2所示的原理結(jié)構(gòu)圖，以及圖6的驅(qū)動(dòng)電壓與對(duì)應(yīng)輸出流量曲線示意圖詳細(xì)說明作動(dòng)裝置的連接油路以及工作原理。當(dāng)為上泵24下泵26都施加1/2工作電壓的偏置電壓時(shí)，活塞4處于中間位置，其上的環(huán)形槽43之間的凸部正好與缸套5上的通孔54連通，環(huán)槽43上側(cè)正好被缸套5堵住，同時(shí)環(huán)槽43下側(cè)正好與缸套5上的通孔51對(duì)接，缸套5上的通孔52也正好與下泵26的缸套的通孔51對(duì)接。上泵24和下泵26的左右兩個(gè)壓電陶瓷堆分別施加圖7所示的電壓，由圖示，上泵24和上泵26的左右兩個(gè)壓電陶瓷堆分別施加相反的電壓，而上泵24和下泵26的同側(cè)(都是左側(cè)或都是右側(cè))施加的電壓相位相差90°，在0～T/4周期內(nèi)，上泵24左側(cè)施加電壓從0升到200，上泵24的活塞在左側(cè)壓電陶瓷堆的作用下，被左側(cè)從左側(cè)推到右側(cè)；上泵24的右側(cè)施加與左側(cè)相反的電壓，右側(cè)壓電陶瓷堆縮短，從而不妨礙活塞向右移動(dòng)；此時(shí)，下泵26的左側(cè)壓電陶瓷堆持續(xù)施加0電壓，右側(cè)壓電陶瓷堆持續(xù)施加200V電壓，下泵26的活塞位于左側(cè)。此時(shí)，下泵26的活塞上的環(huán)槽43左側(cè)一個(gè)與缸套上的通孔53左側(cè)一個(gè)連通，從而與輸出單元的左側(cè)腔連通，而上泵24的左側(cè)工作腔通過上泵24的缸套上通孔52左側(cè)一個(gè)與下泵26缸套上通孔51左側(cè)一個(gè)總是連通的，從而上泵24的左側(cè)工作腔實(shí)現(xiàn)了吸油通路。另外，下泵26活塞上的環(huán)槽43右側(cè)一個(gè)與缸套上的通孔54連通，從而與輸出單元的右側(cè)腔連通，而上泵24的右側(cè)工作腔通過上泵24的缸套上通孔52右側(cè)一個(gè)與下泵26缸套上通孔51總是連通的，從而上泵24的右側(cè)工作腔實(shí)現(xiàn)了排油通路。此時(shí)，作動(dòng)裝置的輸出單元的拉桿向左運(yùn)動(dòng)。
在T/4～T/2，上泵24的活塞到達(dá)右側(cè)，所以左側(cè)的壓電陶瓷堆持續(xù)施加200V電壓，右側(cè)的壓電陶瓷堆持續(xù)施加0電壓，從而活塞停留在右側(cè)T/4。此時(shí)，下泵26的左側(cè)壓電陶瓷堆施加電壓從0V到200V，右側(cè)是施加相反電壓，在這個(gè)T/4中，下泵26的活塞，由于壓電陶瓷堆的作用，被從左側(cè)推到右側(cè)。此時(shí)，上泵24的活塞上的環(huán)槽43左側(cè)一個(gè)與缸套上的通孔54連通，從而與輸出單元的左側(cè)腔連通，而下泵26的左側(cè)工作腔通過下泵26的缸套上通孔52左側(cè)一個(gè)與上泵24缸套上通孔51左側(cè)一個(gè)總是連通的，從而下泵26的左側(cè)工作腔實(shí)現(xiàn)了吸油通路。另外，上泵24活塞上的環(huán)槽43右側(cè)一個(gè)與缸套上的通孔53左側(cè)一個(gè)連通，從而與輸出單元的右側(cè)腔連通，而下泵26的右側(cè)工作腔通過下泵26的缸套上通孔52右側(cè)一個(gè)與上泵24缸套上通孔51右側(cè)一個(gè)總是連通的，從而下泵26的右側(cè)工作腔實(shí)現(xiàn)了排油通路。此時(shí)，作動(dòng)裝置的輸出單元的拉桿仍然向左運(yùn)動(dòng)。
在T/2～3T/4以及3T/4～T中，施加圖7所示的電壓，工作過程和在0～T/4以及T/4～T/2中一樣的，所以省略說明。
另外，當(dāng)上泵24施加的電壓超前下泵26施加的電壓的時(shí)，作動(dòng)裝置的輸出單元的拉桿向左運(yùn)動(dòng)；當(dāng)下泵26施加的電壓超前下泵26施加的電壓時(shí)，作動(dòng)裝置的輸出單元的拉桿向右運(yùn)動(dòng)。由此，通過改變控制電壓的相位能簡單的控制作動(dòng)裝置的輸出方向。
此外，本實(shí)施方式中輸出作動(dòng)筒輸出的線性作動(dòng)筒，也可以接旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，只要是不脫離本發(fā)明的主旨，無論是線性輸出還是直接輸出旋轉(zhuǎn)力矩都包括在本發(fā)明當(dāng)中。
此外，在本實(shí)施形式中施加的是圖7所示的控制電壓，當(dāng)然也可以施加其它的周期電壓，只要是相位相差90度就可以了。
權(quán)利要求
1.一種壓電陶瓷的功率電傳靜液加載系統(tǒng)，其特征在于包括壓電陶瓷作動(dòng)器裝置1，提供平穩(wěn)的動(dòng)力輸出；斜盤17，將輸出作動(dòng)筒的線性輸出轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；補(bǔ)油蓄能器，增加吸油回路壓力，防止吸空出現(xiàn)氣穴。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率電傳靜液加載系統(tǒng)，其特征在于還具有，角位移傳感器15，檢測斜盤的角度位移量；力矩傳感器16，檢測傳動(dòng)軸上承受的力矩大小。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于壓電陶瓷的靜液功率電傳加載系統(tǒng)，涉及改造之前提交的壓電陶瓷泵的復(fù)合靜液作動(dòng)裝置，應(yīng)用于負(fù)載模擬器。其中包括壓電陶瓷作動(dòng)器裝置1，提供平穩(wěn)的動(dòng)力輸出；斜盤17，將輸出作動(dòng)筒的線性輸出轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；角位移傳感器15，檢測斜盤的角度位移量；力矩傳感器16，檢測傳動(dòng)軸上承受的力矩大?。谎a(bǔ)油蓄能器，增加吸油回路壓力，防止吸空出現(xiàn)氣穴。提供了體積小、高頻響、無分布管路、無污染的功率電傳加載系統(tǒng)。
文檔編號(hào)F15B19/00GK101025173SQ20061000812
公開日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2006年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月21日
發(fā)明者焦宗夏, 吳百昌, 王少萍, 尚耀星 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)