一种嵌套式气电直驱作动器
技术领域
本实用新型涉及机电传动控制领域的一种直线作动器，尤其涉及了一种嵌套式气电直驱作动器。
背景技术
随着经济社会的发展，现代机械设备正朝着精密化、智能化与高可靠性方向发展，电气直驱技术应用日益增多。然而，传统的音圈电机或永磁同步直线电机虽具有较高控制精度与频响，但由于线圈发热与电磁材料导磁率较低，其力质量比与功率质量比相对较小，因此易导致设备体积庞大与可靠性降低，且大容量直驱电机价格极高，难以满足普通用户的大批量应用场合。
实用新型内容
为了克服直驱作动器力质量比与功率质量比小、易发热和价格高等缺点，本实用新型提供了一种嵌套式气电直驱作动器，具有作动器出力大、控制精度高、响应快、可靠性与性价比高的技术特点。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
本实用新型包括气动组件、电驱组件和法兰，气动组件同轴地嵌套于电驱组件内部，且两者相互并联连接共同进行轴向伸缩运动，法兰安装于气动组件一端部用于作动器对外连接。
所述的气动组件包括活塞、活塞杆、缸体、滚珠导向装置、导向座、端盖、外套、第一气动接头和第二气动接头，缸体为开设内孔的筒体结构，缸体内端的内孔同轴安装有端盖，端盖中心开设的通孔和第一气动接头连接相通，端盖和底板固定连接；缸体外套装有外套，外套与底板固定连接；活塞同轴套装于活塞杆的内端外并通过螺钉轴向锁紧，活塞杆的内端及其上的活塞均通过气体泄漏补偿与悬浮支撑结构套装于缸体内，导向座同轴安装于缸体外端的内孔处且套装于活塞杆中部，滚珠导向装置同轴安装于导向座外端与活塞杆之间且与活塞杆滚动配合；由活塞杆、活塞、缸体和端盖围成的空间作为无杆腔，无杆腔通过第一气动接头输入或排出压缩气体；由活塞杆、活塞、缸体和导向座围成的空间作为有杆腔，导向座内部开设有第一流道，导向座外壁安装有第二气动接头，第一流道将有杆腔和外部的第二气动接头连通，有杆腔依次经过第一流道与第二气动接头排出或输入压缩气体；活塞杆在有杆腔与无杆腔压缩气体的气压力作用下沿轴线方向移动输出推拉力。
所述的电驱组件包括线圈骨架、线圈绕组、内磁钢、外磁钢和底板，线圈骨架套装于缸体和外套之间，线圈骨架外端和活塞杆的外端固定连接，并且线圈骨架分别和缸体、外套之间均具有间隙；线圈绕组缠绕布置于线圈骨架内端外侧壁开设的环形槽中，内磁钢同轴地套装于缸体外壁，外磁钢同轴地安装于外套内壁，线圈骨架分别与内磁钢和外磁钢之间具有间隙，内磁钢与外磁钢之间的底板上固定有端盖；线圈绕组通电在电磁力作用下带动线圈骨架和活塞杆沿轴线方向移动输出推拉力。
本实用新型在气动组件的气动驱动结构下还外部嵌套设计了电驱结构，通过气驱和电驱共同作用配合输出作动力，从而增强出力，实现了抗负载波动、抗冲击的效果优势，也具有散热好、精度高、响应快的特性。
本实用新型中，以靠近法兰的一端为内端，以靠近法兰的一端为外端。
所述的活塞杆由活塞、气体泄漏补偿与悬浮支撑结构及滚珠导向装置共同支撑，承受径向载荷和周向扭矩。
所述的气体泄漏补偿与悬浮支撑结构包括第一环形均压槽、径向气浮小孔、第二流道和柔性唇边，活塞外侧圆周面上分布有若干个沿轴向间隔布置的第一环形均压槽，每个第一环形均压槽的圆周上分布有若干个沿周向间隔均布的径向气浮小孔，活塞外端靠近外边缘处开设有环形轴向布置的第二流道，各个径向气浮小孔连通于第二流道；有杆腔中压缩气体依次通过第二流道和径向气浮小孔到达第一环形均压槽，进而从第一环形均压槽达到活塞与缸体内壁间的第一间隙；第二流道外周围的活塞结构制成为柔性唇边，柔性唇边在压缩气体的作用下向径向外侧变形，进而密封活塞与缸体帮助实现气体泄漏量的自适应补偿。
所述的活塞内侧圆周面和活塞杆之间安装有密封圈。
所述的线圈骨架外端同轴地套装在活塞杆的外端并通过螺母拧紧轴向固定。
所述的导向座内端的内孔周面开设有若干个沿轴向间隔布置的第二环形均压槽。
所述的线圈骨架在靠近第二气动接头处周围的外壁开设贯穿的窗口，窗口防止线圈骨架移动时与第二气动接头间的位置干涉，且同时窗口连通于线圈骨架与内磁钢之间的间隙以及线圈骨架与外磁钢之间的间隙。
所述的内磁钢与外磁钢分别分布于底板环形结构的内外侧，实现内磁钢与外磁钢间的环形区域磁场均匀分布，使线圈绕组所受电磁力恒定。
所述的端盖轴向设置有螺纹孔，螺纹孔安装连接第一气动接头实现无杆腔与外部气动系统的连通。
本实用新型采用同轴内外嵌套结构，使气动组件与电驱组件并联连接共同向外输出力与位移，气动组件具有出力大与缓冲吸振的特点，用于承受外部主要负载与冲击，气压力与气体压力成正比，改变气缸两腔压力大小调节输出力大小与方向；而电驱组件的电磁力与电流成正比，改变电流大小与方向调节电磁力的大小与方向，精度高且响应快，作为补偿力实现力、速度或位移等被控量的精确控制。
其中，气动组件采用间隙密封和滚珠导向装置(或滚柱导向装置)减小摩擦力，以消除爬行现象与提高伺服精度，且提高散热能力与可靠性；电驱组件采用永磁动圈式结构，以减小运动部件质量、提高磁场均匀性及强度，实现高伺服精度与频响。通过气动技术与电驱技术的有机融合，使气电直驱作动器具有力质量比高、控制精度高、响应快、散热好、抗负载波动与冲击特性好、可靠性及性价比高等优点，可有效提升机械设备力、速度或位移等控制系统的综合性能与性价比，广泛应用于机床、机器人、自动生产线、海洋船舶和航空航天等领域。
本实用新型的所述嵌套式气电直驱作动器适用于机械设备的力、速度或位移方向与大小的调节，实现现代设备的输出力、速度或位移(或力矩、角位移和角速度)的比例或伺服控制。
本实用新型的有益效果在于：
本实用新型采用气动组件与电驱组件同轴内外嵌套并联共同向外输出力与位移，融合了气动系统出力大、抗负载波动、冲击特性及散热好的特点与电气直驱系统控制精度高、响应快等优点，并通过间隙密封与滚珠导向装置(或滚柱导向装置)等低摩擦结构消除爬行现场，提升机械设备力、速度或位移控制系统的动静态特性与性价比。
本实用新型尤其能解决机床、机器人、自动生产线、海洋船舶和航空航天等现代设备输出力精确控制、抗负载波动与冲击的难题，且可提高设备可靠性与性价比，提升现代智能装备的精密化、智能化与可靠性水平。
附图说明
图1为本实用新型的总体结构图。
图2为本实用新型的主剖视图。
图3为本实用新型的局部放大图A。
图4为本实用新型的局部放大图B。
图5为本实用新型的磁路示意图。
图6为本实用新型的柔性唇边变形状态示意图。
附图中：1.气动组件；2.电驱组件；3.线圈骨架；4.线圈绕组；5.有杆腔；6.外磁钢；7.外套；8.内磁钢；9.无杆腔；10.底板；11.法兰；12.第一气动接头；13.端盖；14.缸体；15.螺钉；16.活塞；17.活塞杆；18.第一流道；19.滚珠导向装置；20.第二气动接头；21.导向座；22.螺母；23.第一间隙；24.密封圈；25.径向气浮小孔；26.第二流道；27.柔性唇边；28.第一环形均压槽；29.第二环形均压槽；30.第二间隙。
具体实施方式
下面结合附图1～6对本实用新型作进一步描述。
如图1所示，本实用新型具体实施包括气动组件1、电驱组件2和法兰11，气动组件1同轴地嵌套于电驱组件2内部，且两者相互并联连接共同进行轴向伸缩运动，法兰11安装于气动组件1一端部用于作动器对外连接，法兰11连接到外部的机架上。
如图2所示，气动组件1包括活塞16、活塞杆17、缸体14、滚珠导向装置19、导向座21、端盖13、外套7、第一气动接头12和第二气动接头20，缸体14为开设内孔的筒体结构，缸体14内端的内孔同轴安装有端盖13，端盖13中心开设的通孔和第一气动接头12连接相通，端盖13和底板10固定连接；缸体14外套装有外套7，缸体14、外套7、端盖13和法兰11分别与底板10固定连接；活塞16同轴套装于活塞杆17的内端外并通过螺钉15轴向锁紧，活塞杆17的内端及其上的活塞16均通过气体泄漏补偿与悬浮支撑结构套装于缸体14内，环形的导向座21同轴安装于缸体14外端的内孔处且套装于活塞杆17中部，环形的滚珠导向装置19同轴安装于导向座21外端与活塞杆17之间且与活塞杆17滚动配合；由活塞杆17、活塞16、缸体14和端盖13围成的空间作为无杆腔9，无杆腔9通过第一气动接头12输入或排出压缩气体；由活塞杆17、活塞16、缸体14和导向座21围成的空间作为有杆腔5，导向座21内部开设有第一流道18，导向座21外壁安装有第二气动接头20，第一流道18将有杆腔5和外部的第二气动接头20连通，有杆腔5依次经过第一流道18与第二气动接头20排出或输入压缩气体；活塞杆17在有杆腔5与无杆腔9压缩气体的气压力作用下沿轴线方向移动输出推拉力。端盖13轴向设置有螺纹孔，螺纹孔安装连接第一气动接头12实现无杆腔9与外部气动系统的连通。
如图2所示，电驱组件2包括线圈骨架3、线圈绕组4、内磁钢8、外磁钢6和底板10，线圈骨架3套装于缸体14和外套7之间，线圈骨架3外端和活塞杆17的外端固定连接，线圈骨架3外端同轴地套装在活塞杆17的外端并通过螺母22拧紧轴向固定。并且线圈骨架3分别与内磁钢8和外磁钢6之间均具有间隙，使得线圈骨架3能在内磁钢8和外磁钢6之间轴向移动；线圈绕组4缠绕布置于线圈骨架3内端外侧壁开设的环形槽中，内磁钢8同轴地套装于缸体14外壁外端开设的环形缺口槽并利用环形缺口槽的台阶定位，外磁钢6同轴地安装于外套7内壁外端开设的环形缺口槽并利用环形缺口槽的台阶定位，线圈骨架3分别与内磁钢8和外磁钢6之间具有间隙，内磁钢8与外磁钢6之间的环形的底板10上固定有端盖13，底板10分别内磁钢8与外磁钢6相接触，底板10利用外套7和缸体14内端面定位。线圈绕组4通电在电磁力作用下带动线圈骨架3和活塞杆17沿轴线方向移动输出推拉力。
如图5所示，内磁钢8内侧为磁极S、外侧为磁极N，外磁钢6的内侧为磁极S、外侧为磁极N，经导磁材料制成的外套7、底板10、缸体14、导向座21等零部件构成闭环磁路。图中所示磁极与磁路方向仅为一种可能形式，若将各磁极对调，则对应的磁路变为反向，该形式也是本实用新型的保护范围。
内磁钢8与外磁钢6分别分布于底板10环形结构的内外侧，构成单侧截面的U形分布，实现内磁钢8与外磁钢6间的环形区域磁场均匀分布，使线圈绕组4所受电磁力恒定。
具体实施中，内磁钢8延伸到导向座21的外壁开设的环形槽内，内磁钢8和导向座21环形槽槽壁之间设有密封圈，以密封防止有杆腔5连通于外部环境。同时，活塞杆17与线圈骨架3通过螺母22紧固进行刚性连接，实现支撑作用和力与运动的传递。
线圈骨架3在靠近第二气动接头20处周围的外壁开设贯穿的窗口，窗口防止线圈骨架3移动时与第二气动接头20间的位置干涉，且同时窗口连通于线圈骨架3与内磁钢8之间的间隙以及线圈骨架3与外磁钢6之间的间隙，实现线圈绕组4所在内磁钢8与外磁钢6之间环形间隙中的气体与外部环境间的流动，改善线圈等零部件的散热条件。
导向座21外端的内孔同轴安装有滚珠导向装置19，支撑活塞杆17且减小两者间的摩擦力。活塞杆17由活塞16、气体泄漏补偿与悬浮支撑结构及滚珠导向装置19共同支撑，承受径向载荷和周向扭矩。
如图2、图3和图6所示，气体泄漏补偿与悬浮支撑结构包括第一环形均压槽28、径向气浮小孔25、第二流道26和柔性唇边27，活塞16内侧圆周面和活塞杆17之间安装有密封圈24，活塞16外侧圆周面上分布有若干个沿轴向间隔布置的第一环形均压槽28，每个第一环形均压槽28的圆周上分布有若干个沿周向间隔均布的径向气浮小孔25，活塞16外端靠近外边缘处开设有环形轴向布置的第二流道26，各个径向气浮小孔25连通于第二流道26；有杆腔5中压缩气体依次通过第二流道26和径向气浮小孔25到达第一环形均压槽28，进而从第一环形均压槽28达到活塞16与缸体14内壁间的第一间隙23，从而减小活塞16与缸体14内壁间的摩擦力或卡紧力；第二流道26外周围的活塞16结构制成为具有柔性的柔性唇边27，柔性唇边27在压缩气体的作用下向径向外侧变形(压力分布与变形后状态分别如图6中箭头与虚线所示)，进而密封活塞16与缸体14帮助实现气体泄漏量的自适应补偿；柔性唇边27变形量随气体压力增加而增大，而活塞16与缸体14内壁间隙量和气体泄漏量相应地减小，由此实现不同压力下气体泄漏量的自适应补偿。
如图2和图4所示，导向座21内端的内孔周面开设有若干个沿轴向间隔布置的第二环形均压槽29，改善压力分布与悬浮支撑效果，进而减小导向座29与活塞杆17间的摩擦力。
本实用新型具体实施工作过程是：
1、平衡状态
若不考虑重力与摩擦力，当有杆腔5中气体压力P1产生的气动力F1(F1＝P1(D2-d2)/4)，D为活塞16外圆柱面直径，d为活塞杆17外圆柱面直径、无杆腔9中气体压力P2产生的气动力F2(F2＝P2D2/4)、线圈绕组4上产生的电磁力F3(F3＝KFI，KF为电机力常数，I为线圈绕组电流)、外部负载力F4之间满足关系式F1-F2+F3+F4＝0时，嵌套式气电直驱作动器处于平衡状态，即活塞杆17、活塞16和线圈骨架3等可动部件将处于静止或沿其轴向匀速运动状态。
2、加速伸出过程
若不考虑重力与摩擦力，当有杆腔5中气体压力P1产生的气动力F1、无杆腔9中气体压力P2产生的气动力F2、线圈绕组4上产生的电磁力F3、外部负载力F4之间满足关系式F1-F2+F3+F4<0时，嵌套式气电直驱作动器处于正向加速状态，即活塞杆17、活塞16和线圈骨架3等可动部件将沿其轴向加速伸出。
3、加速缩回过程
若不考虑重力与摩擦力，当有杆腔5中气体压力P1产生的气动力F1、无杆腔9中气体压力P2产生的气动力F2、线圈绕组4上产生的电磁力F3、外部负载力F4之间满足关系式F1-F2+F3+F4>0时，嵌套式气电直驱作动器处于反向加速状态，即活塞杆17、活塞16和线圈骨架3等可动部件将沿其轴向加速缩回。
嵌套式气电直驱作动器工作过程中，通过调节有杆腔5气体压力P1、无杆腔9气体压力P2和线圈绕组4电流I，可调节其输出力大小和方向，改变活塞杆17等可动部件的运动状态。根据应用需求的不同，可添加力(或压力)、速度或位移等传感器，以实现力、速度或位移等的监测与控制。气动组件1具有出力大与缓冲吸振的特点，用于承受外部主要负载与冲击；电驱组件2具有力控制精度高、响应快等特点，主要作为补偿力实现力、速度或位移等被控量的精确控制。
作为本实用新型的其他可能出现形式，如气动组件1有杆腔5中与活塞杆17同轴地安装复位或控制弹簧，或气动组件1改为气动肌肉等其它气动作动器，或电驱组件2改为永磁直线电机等其他直驱作动器，或电驱组件2同轴地嵌套于气动组件1内部，且两者相互并联连接共同进行轴向伸缩运动，均为本实用新型根据应用需求可能出现的不同形式。
由此实施过程可见，本实用新型提出的嵌套式气电直驱作动器融合了气动执行器与电气直驱执行器的优点，提高了作动器的动静态性能，具有出力大、控制精度高、响应快、散热好、抗负载波动与冲击特性好、可靠性与性价比高等优点，可有效提高机械设备力、速度或位移等控制系统的综合性能与性价比，广泛应用于机床、机器人、自动生产线、海洋船舶和航空航天等领域，提升现代智能装备的精密化、智能化与可靠性水平。
注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。
