一种阀芯和电机内置式数字流体缸
阅读说明：本技术 一种阀芯和电机内置式数字流体缸 (Digital fluid cylinder with built-in valve core and built-in motor ) 是由 齐潘国 沈洋洋 赵丽薇 王顶柱 高明泽 刘政奇 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种阀芯和电机内置式采用四边滑阀控制2个压力腔来实现运动控制的数字流体缸包括：缸筒、缸端盖、缸底盖、活塞、活塞杆、外耳环、电机、方形导轨及四边滑阀。依据本发明的数字流体缸,可以避免电机在采煤时受到煤岩的冲击而损坏,在轴向及径向空间尺寸均严格受限的情况,也可以实现对重达几十甚至上百吨的负载的高精度控制。(The invention discloses a digital fluid cylinder with a valve core and a built-in motor, which adopts a four-side slide valve to control 2 pressure cavities to realize motion control, and comprises: the cylinder, cylinder end cover, cylinder bottom cover, piston rod, outer earrings, motor, square guide rail and four sides slide valve. According to the digital fluid cylinder disclosed by the invention, the motor can be prevented from being damaged by the impact of coal rocks during coal mining, and under the condition that the axial and radial space dimensions are strictly limited, the high-precision control on the load of dozens of tons or even hundreds of tons can be realized.)
技术领域
本发明涉及一种阀芯和电机内置式数字流体缸，属于数字液压技术领域。
背景技术
流体缸是一种通过把流体（液体或气体）的压力能转换为机械能来实现直线往复运动的终端执行元件。传统的流体缸必须与流体控制阀（方向阀、压力阀、流量阀、伺服阀等）相结合才能实现位置控制、速度控制、方向控制等实用功能，其主要缺点是系统结构复杂、价格高、使用维护不方便、对技术人员要求较高，而且也不能直接实现数字计算机控制。
数字流体缸与传统的流体缸有本质上的区别，它是一种集能量转换功能和控制功能于一体的直线执行元件，在中低频率范围内，无论从实用功能上还是控制性能上，都远远好于传统的流体缸。现在市面上的数字缸大多采用机液伺服系统，可分为阀芯外置式和阀芯内置式两种。
发明专利ZL 2019 1 0445065.X发明一种阀芯内置式的数字流体缸，这种数字流体缸将阀芯内置活塞内部，有效的减小了缸的轴向安装空间。但是在缸筒外壁固定安装电机，导致径向尺寸过大给安装和维修带来很大不便，在采煤时也可能会受到煤岩的冲击而损坏，从而造成停工停产。阀芯和电机均内置于活塞内部，可以避免上述问题，这更加适合采煤机安装空间严格受限负载重达几十甚至上百吨的矿山设备。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种阀芯和电机均内置式数字流体缸，可以避免电机在采煤时受到煤岩的冲击而损坏，在轴向及径向空间尺寸均严格受限的情况，也可以实现对重达几十甚至上百吨的负载的高精度控制。为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案。
一种阀芯和电机内置式数字流体缸包括：缸筒、缸端盖、缸底盖、活塞、活塞杆、外耳环、电机、方形导轨及四边滑阀。所述缸筒一端与缸端盖通过螺栓相固连，另一端与缸底盖通过螺栓相固连，缸端盖与缸筒静密封配合，缸底盖与缸筒静密封配合。所述活塞杆与外耳环通过螺栓相固连。所述电机在活塞杆顶部空腔，由外耳环部件轴向固定，不与活塞杆发生轴向位移，并由电机密封盖密封。所述缸筒套装在活塞上，活塞套装在活塞杆上，缸筒与活塞动密封配合，活塞与活塞杆通过螺纹相固连。
所述活塞上与液压缸有杆腔相连通的油路为第一油路，活塞上的第一油路与活塞杆上的第三油路密封连通，第三油路与活塞杆里的四边滑阀A腔相连通。所述活塞上与液压缸无杆腔相连通的油路为第二油路，活塞上的第二油路与活塞杆上的第四油路密封连通，第四油路与活塞杆里的四边滑阀B腔相连通。所述四边滑阀分为四边滑阀阀芯和阀套两部分，阀芯和阀套组成4个可变节流口。所述四边滑阀中间部分有两个节流口为进油节流口，四边滑阀两端部分各有一个节流口，都为出油节流口。所述四边滑阀阀套上的两端出油节流口分别与活塞杆上的环形槽a和环形槽c相连通，环形槽a和环形槽c相互连通并与活塞杆上的出油油路相连通。所述四边滑阀的进油节流口与环形槽b相连通，环形槽b与活塞杆上的进油油路相连通。
所述电机可以选用步进电机或伺服电机，电机的电机轴与方形导轨的一端通过联轴器相固连。所述方形导轨另一端套装在方孔连接片内，并穿过滚珠丝杠内部与滚珠丝杠相平行。所述方孔连接片与滚珠丝杠通过螺栓相固连。所述电机和方形导轨放置在活塞杆顶部空腔，并由活塞外耳环部件进行轴向固定和电机密封盖密封。给电机一定的电信号使电机轴转过一定的角度，电机轴通过方形导轨和方孔连接片带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠转动的角度与电机轴转动角度相同。
所述滚珠丝杠一端为自由端，另一端为驱动端。所述电机与方形导轨在滚珠丝杠驱动端，方形导轨套装在方孔连接片内，并穿过滚珠丝杠内部与滚珠丝杠相平行。所述滚珠丝杠自由端穿过缸底盖的中心，在缸底盖上中心内部开有丝杠让位孔，滚珠丝杠自由端穿过丝杠让位孔与缸筒相平行。所述滚珠丝杠自由端上套装有深沟球轴承、定位轴套、轴承盖、锁紧螺母，滚珠丝杠轴向固定在缸底盖丝杠让位孔处，通过轴肩和轴承间的配合使其只转动不平动。所述电机密封盖套装在滚珠丝杠驱动端上，通过螺栓与活塞杆相固连。所述电机密封盖与滚珠丝杠驱动端动密封配合，与活塞杆静密封配合。
所述滚珠丝杠自由端上套装有滚珠螺母，滚珠螺母可以在滚珠丝杠上轴向移动。所述滚珠螺母上套装四边滑阀阀芯，通过螺钉连接相固连。所述四边滑阀阀芯在靠近缸底盖的一端固装有导向键，在活塞内内壁上开有导向键槽，所述四边滑阀阀芯相对于活塞杆仅具有直线滑动的自由度。所述四边滑阀阀芯上套装阀套，阀套套装在活塞杆内部。所述四边滑阀阀芯与阀套间隙密封配合，阀套与活塞杆内壁间隙密封配合，滑阀阀芯可以在阀套内来回轴向移动，改变节流口的开口量大小，进而使节流口打开或关闭。
所述四边滑阀的4个可变节流口分成两组，每组两个，分别控制液压缸无杆腔和有杆腔的进出流量。如果两组可变节流口开口面积相同，构成对称四边滑阀。如果两组可变节流口开口面积相似，开口面积之比等于无杆腔和有杆腔用效作用面积之比，构成非对称四边滑阀。
所述对称四边滑阀可以在阀套上开两组相同的阀套窗口来实现，阀套窗口形状可以是圆形窗口，也可以是矩形窗口。所述非对称四边滑阀可以通过两种方式实现，一种实现方式是在阀套上开两组相似的阀套窗口来实现，阀套窗口形状可以是圆形窗口，也可以是矩形窗口。另一种实现方式是在滑阀阀芯上开两组相似的凹槽，凹槽可以是圆形槽、矩形槽或者U形槽。
本发明的有益效果：本发明的一种阀芯内置式采用四边滑阀控制2个压力腔来实现运动控制的数字流体缸，在轴向及径向空间尺寸均严格受限的情况，也可以实现对重达几十甚至上百吨的负载的高精度控制。
附图说明
图1是本发明的一种阀芯和电机内置式四边滑阀控非对称缸式数字流体缸的实施例一主视图的剖面图；
图2是本发明的一种阀芯和电机内置式四边滑阀控非对称缸式数字流体缸的实施例一俯视图的剖面图；
图3是图1中A1部放大图；
图4是本发明的一种阀芯和电机内置式四边滑阀控非对称缸式数字流体缸的实施例二非对称四边滑阀的示意图；
图5是本发明的一种阀芯和电机内置式四边滑阀控非对称缸式数字流体缸的实施例三非对称四边滑阀的示意图；
图6是本发明的一种阀芯和电机内置式四边滑阀控非对称缸式数字流体缸的实施例四非对称四边滑阀的示意图；
图7是本发明的一种阀芯和电机内置式四边滑阀控非对称缸式数字流体缸的实施例四非对称四边滑阀阀芯的俯视图；
图8是本发明的一种阀芯和电机内置式四边滑阀控非对称缸式数字流体缸的实施例五非对称四边滑阀的示意图；
图9是本发明的一种阀芯和电机内置式四边滑阀控非对称缸式数字流体缸的实施例五非对称四边滑阀阀芯的俯视图；
图中，1—外耳环，2—电机，3—缸端盖，4—缸筒，5—活塞杆，6—电机密封盖，7—滚珠丝杠，8—阀芯，9—阀套，10—环形槽a，11—进油管路，12—A腔，13—环形槽b，14—B腔，15—环形槽c，16—滚珠螺母，17—活塞，18—螺钉，19—轴承盖，20—定位轴套，21—深沟球轴承，22—缸底盖，23—出油管路，24—方孔连接片，25—方形导轨，26—联轴器2，27—联轴器1，28—电机支撑座，29—电机底座，30—第二油路，31—第四油路，32—第三油路，33—第一油路，34—出油节流口，35—进油节油口，36—导向键，37—丝杠让位孔，38—锁紧螺母，39—导向键槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合附图对本发明作出进一步详细叙述。
实施例一
如图1～3所示，一种内部直接反馈非对称四边滑阀控非对称缸式数字流体缸包括：缸筒4、缸端盖3、缸底盖22、活塞17、活塞杆5、外耳环1、电机2、方形导轨25及四边滑阀。所述缸筒4一端与缸端盖3通过螺栓相固连，另一端与缸底盖22通过螺栓相固连，缸端盖3与缸筒4静密封配合，缸底盖22与缸筒4静密封配合。所述活塞杆5与外耳环1通过螺栓相固连。所述电机2在活塞杆5顶部空腔，由外耳环1部件轴向固定，不与活塞杆5发生轴向位移，并由电机密封盖6密封。所述缸筒4套装在活塞17上，活塞17套装在活塞杆5上，缸筒4与活塞17动密封配合，活塞17与活塞杆5通过螺纹相固连。所述缸端盖3与活塞杆5动密封配合。
所述活塞17上与液压缸有杆腔相连通的油路为第一油路33，活塞17上的第一油路33与活塞杆5上的第三油路32密封连通，第三油路32与活塞杆5里的四边滑阀A腔12相连通。所述活塞17上与液压缸无杆腔相连通的油路为第二油路30，活塞17上的第二油路30与活塞杆5上的第四油路31密封连通，第四油路31与活塞杆5里的四边滑阀B腔14相连通。所述四边滑阀分为四边滑阀阀芯8和阀套9两部分，阀芯8和阀套9组成4个可变节流口。所述四边滑阀中间部分有两个节流口为进油节流口35，四边滑阀两端部分各有一个节流口，都为出油节流口34。所述四边滑阀阀套9上的两端出油节流口34分别与阀套9上的环形槽a10和环形槽c15相连通，环形槽a10和环形槽c15相互连通并与活塞杆5上的出油油路23相连通。所述四边滑阀的进油节流口35与环形槽b13相连通，环形槽b13与活塞杆5上的进油油路11相连通。
所述电机2通过电机底座29和电机支撑座28安装在活塞杆5顶部空腔，并由外耳环1轴向固定和电机密封盖6密封。所述外耳环1与活塞杆5通过螺栓相固连，电机2不与活塞杆5发生轴向位移。所述电机2的电机轴与方形导轨25通过联轴器26联轴器27连接在一起。所述方形导轨25另一端套装在方孔连接片24内，并穿过滚珠丝杠7内部与滚珠丝杠7相平行。所述方孔连接片24与滚珠丝杠7通过螺栓相固连，不与滚珠丝杠7发生轴向位移。所述电机密封盖6套装在滚珠丝杠7上，通过螺栓与活塞杆5相固连。所述电机密封盖6与滚珠丝杠7动密封配合，与活塞杆5静密封配合。所述电机2的电机轴转过一定的角度，电机轴通过方形导轨25和方孔连接片24带动滚珠丝杠7转动，滚珠丝杠7转动的角度与电机2的电机轴转动角度相同。
所述滚珠丝杠7一端为自由端，另一端为驱动端。所述电机2与方形导轨25在滚珠丝杠7驱动端，方形导轨25套装在方孔连接片24内，并穿过滚珠丝杠7内部与滚珠丝杠7相平行。所述滚珠丝杠7自由端穿过活塞杆5的中心，在缸底盖22上中心内部开有丝杠让位孔37，滚珠丝杠7自由端穿过丝杠让位孔37，滚珠丝杠7与缸筒4相平行。所述滚珠丝杠7自由端上套装有深沟球轴承21、定位轴套20、轴承盖19，锁紧螺母38，使滚珠丝杠7不发生平动只转动。所述电机密封盖6套装在滚珠丝杠7驱动端上，通过螺栓与活塞杆5固连。所述电机密封盖6与滚珠丝杠7驱动端动密封配合，与活塞杆5静密封配合。
所述滚珠丝杠7自由端上套装有滚珠螺母16，滚珠螺母16可以在滚珠丝杠7上轴向移动。所述滚珠螺母16上套装四边滑阀阀芯8，通过螺钉18相固连。所述四边滑阀阀芯8在靠近缸底盖22的一端固装有导向键36，在活塞17内内壁上开有导向键槽39。所述四边滑阀阀芯8相对于活塞杆5仅具有直线滑动的自由度。所述四边滑阀阀芯8上套装阀套9，阀套9套装在活塞杆5内部。所述四边滑阀阀芯8与阀套9间隙密封配合，阀套9与活塞杆5内壁间隙密封配合，阀套9在轴向上不发生移动，四边滑阀阀芯8可以在阀套9内来回轴向移动，改变节流口的开口量大小，进而使节流口打开或关闭。
所述四边滑阀的4个可变节流口分成两组，每组两个，分别控制液压缸无杆腔和有杆腔的进出流量。如果两组可变节流口开口面积相同，构成对称四边滑阀。如果两组可变节流口开口面积相似，开口面积之比等于无杆腔和有杆腔用效作用面积之比，构成非对称四边滑阀。
所述对称四边滑阀可以在阀套9上开两组相同的阀套9窗口来实现，阀套9窗口形状可以是圆形窗口，也可以是矩形窗口。所述非对称四边滑阀可以通过两种方式实现，一种实现方式是在阀套9上开两组相似的阀套9窗口来实现，阀套9窗口形状可以是圆形窗口，也可以是矩形窗口。另一种实现方式是在滑阀阀芯8上开两组相似的凹槽，凹槽可以是圆形槽、矩形槽或者U形槽。在此实施例一中，采用对称四边滑阀。
下面结合附图说明本发明的一次动作过程：
本发明是一种内部直接反馈非对称四边滑阀控非对称缸式数字流体缸，当四边滑阀阀芯8处于中位时，活塞17及活塞杆5处于静止状态。对电机2输入一个电信号，电机2电机轴旋转一定角度，通过联轴器26、27带动方形导轨25也转动一定角度，方形导轨25通过方孔连接片24带动滚珠丝杠7也转动一定角度，滚珠丝杠7转动角度与电机轴转动角度相同。四边滑阀套装在滚珠螺母16上，通过螺钉18进行固连，在滚珠丝杠7螺纹副和导向键36的作用下，滚珠螺母16不发生转动，只产生一定的轴向位移，当滚珠丝杠7转动带动滚珠螺母16发生轴向位移时，四边滑阀也跟着轴向移动。假设四边滑阀阀芯8向左移动，四边滑阀阀芯8与阀套9之间产生轴向位移，节流口打开，油液从进油油路11流进滑阀进油节流口35，进入四边滑阀B腔14。油液进入四边滑阀B腔14后，沿着活塞杆5上的第四油路31进入活塞17上的第二油路30。油液再从活塞17上的第二油路30流进液压缸的无杆腔，进而驱动液压缸活塞17向左移动。这时液压缸有杆腔的油液沿着活塞17上的第一油路33流入活塞杆5上的第三油路32，流入第三油路32的油液再进入四边滑阀A腔12，随后通过出油节流口34进入出油油路23排出。液压缸活塞17位移大小与四边滑阀阀芯8位移相等，活塞17位移量作为反馈信号进行直接负反馈，从而使滑阀开口关闭，液压缸活塞17停止运动，一个动作过程结束。当对电机持续输入电信号时，可以实现液压缸活塞杆5的连续左移，且活塞杆5的位移量会有所保证。
假设四边滑阀阀芯8向右移动，四边滑阀阀芯8与阀套9之间产生轴向位移，节流口打开，油液从进油油路11流进滑阀进油节流口35，进入四边滑阀A腔12。油液进入四边滑阀A腔12后，沿着活塞杆5上的第三油路32进入活塞17上的第一油路33。油液再从活塞17上的第一油路33流进液压缸的有杆腔，进而驱动液压缸活塞26向右移动。这时液压缸无杆腔的油液沿着活塞17上的第二油路30流入活塞杆5上的第四油路31，流入第四油路31的油液再进入四边滑阀B腔14，随后通过出油节流口34进入出油油路23排出。液压缸活塞17位移大小与四边滑阀阀芯8位移相等，活塞17位移量作为反馈信号进行直接负反馈，从而使滑阀开口关闭，液压缸活塞17停止运动，一个动作过程结束。当对电机2持续输入电信号时，可以实现液压缸活塞杆5的连续左移，且活塞杆5的位移量会有所保证。
实施例二
结合图4，将实施例一中的对称四边滑阀替换为非对称四边滑阀，即在阀套9上开两个大的矩形窗口和两个小的矩形窗口。大的矩形窗口与液压缸无杆腔相连通，小的矩形窗口与液压缸有杆腔相连通。
实施例三
结合图5，将实施例一中的对称四边滑阀替换为非对称四边滑阀，即在阀套9上开两个大的圆形窗口和两个小的圆形窗口。大的圆形窗口与液压缸无杆腔相连通，小的圆形窗口与液压缸有杆腔相连通。
实施例四
结合图6～7，将实施例一中的对称四边滑阀替换为非对称四边滑阀，即阀套9上开口相同，在阀芯8的台肩上开大小不等的矩形槽或者U形槽。当四边滑阀阀芯8处于中位时，阀芯8的台肩与阀套9上的开口封闭。当阀芯8移动时，阀芯8台肩上矩形槽或者U形槽边缘与阀套9开口连通形成节流口。大的矩形槽或者U形槽与液压缸无杆腔相连通，小的矩形槽或者U形槽与液压缸有杆腔相连通。
实施例五
结合图8～9，将实施例一中的对称四边滑阀替换为非对称四边滑阀，即阀套9上开口相同，在阀芯8的台肩上开大小不等的圆形槽。当四边滑阀阀芯8处于中位时，阀芯8的台肩与阀套9上的开口封闭。当阀芯8移动时，阀芯8台肩上矩形槽或者U形槽边缘与阀套9开口连通形成节流口。大的圆形槽与液压缸无杆腔相连通，小的圆形槽与液压缸有杆腔相连通。
在轴向及径向空间尺寸均严格受限的情况下，本发明的一种阀芯内置式采用四边滑阀控制2个压力腔来实现运动控制的数字流体缸，也可以实现对重达几十甚至上百吨的负载的高精度控制。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。
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