基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸及其控制方法，属于机械定位机构技术领域。
背景技术
气动技术是以压缩空气为动力，进行传动和控制，以实现生产的机械化和自动化的重要技术。其特点是气压传动速度快、元件结构简单、维护方便、使用安全、成本低廉、便于集中供气。特别是它工作时没有污染，使用时能带来很大社会经济效益，已应用于工业生产的许多部门以及医疗器械等各行业中。
气缸作为气动技术中主要执行元件之一，将压缩空气的能量转化为机械能，实现直线往复运动。其中锁紧气缸是气缸的一种，可通过机械结构实现气缸行程内任意位置的定位，多用于运动途中的停止、异常事故的紧急停止和防止下落等环境，以确保安全。当前已有的锁紧气缸如：一种弹簧自动锁紧气缸（专利号为：CNA3836022A），该装置能够使得气缸活塞杆伸入到一定直径的内壁后实现自动锁紧的功能；用于插板门锁紧气缸的范围限位开关（专利号为：CNA3132848A），可实现对插板门的开关控制；钻排锁紧气缸（专利号为：CN203374555U），克服了原有钻排以数个螺钉锁紧，旋转钻排之前必须先松开螺钉，旋转后再锁紧螺钉，花费的时间较多的缺点，仅以气缸单独锁紧控制，操作方便，节省时间。
当前锁紧气缸虽然可实现行程内任意位置锁紧定位，但由于定位精度低，无法应用于高精度定位要求的场合，并且由于锁紧结构装配复杂，加工难度大，导致气缸密封性下降，从而使得气动技术领域受到限制。
发明内容
为解决当前直线定位气缸定位精度低、结构装配复杂、加工成本高等技术问题，本发明公开了一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸及其控制方法。
本发明所采用的技术方案：
为达到上述目的，本发明提供一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸， 该直线定位气缸由端盖Ⅰ、缸筒、端盖Ⅱ、丝杠锁紧机构、活塞机构和活塞杆组成，其中，所述缸筒两端分别与端盖Ⅰ和端盖Ⅱ紧固连接，所述丝杠锁紧机构安装在端盖Ⅱ上，并穿过活塞机构后与活塞杆采用螺纹连接，将活塞机构和活塞杆进行锁紧，所述活塞机构安装于缸筒内，随气体变换输入在缸筒内轴向滑动，并与活塞杆固定连接，所述活塞杆端盖Ⅰ轴孔配合。
所述端盖Ⅰ设有活塞杆运动孔、导气孔Ⅰ和缸筒安装凸台Ⅰ，所述活塞杆运动孔内穿过活塞杆，所述导气孔Ⅰ用于输送高压气体，所述缸筒安装凸台Ⅰ与缸筒采用过盈配合进行紧固连接。
所述缸筒设有缸筒前端孔和缸筒后端孔，所述缸筒前端孔与缸筒安装凸台Ⅰ采用过盈配合进行紧固连接，所述缸筒后端孔与端盖Ⅱ采用过盈配合进行紧固连接。
所述端盖Ⅱ设有丝杠锁紧机构安装螺纹孔、轴承安装孔、丝杠锁紧机构安装面、缸筒安装凸台Ⅱ和导气孔Ⅱ，所述丝杠锁紧机构安装螺纹孔、轴承安装孔和丝杠锁紧机构安装面与丝杠锁紧机构配合安装，所述缸筒安装凸台Ⅱ与缸筒后端孔采用过盈配合进行紧固连接，所述导气孔Ⅱ用于高压气体的输送。
所述丝杠锁紧机构包括丝杆、电极板Ⅰ、电极板Ⅱ、限位轴套安装螺栓、限位轴套、轴承、固定螺母、压电伸缩片、电极球头Ⅰ和电极球头Ⅱ，所述电极板Ⅰ、电极板Ⅱ并列焊接安装在限位轴套之上，所述限位轴套安装螺栓与丝杠锁紧机构安装螺纹孔采用螺纹连接，将限位轴套与端盖Ⅱ进行紧固连接，所述轴承与丝杆过盈配合并置于轴承安装孔内，所述固定螺母与丝杆螺纹连接，将轴承和丝杆进行紧固连接，压电伸缩片粘贴于丝杆之上，所述电极球头Ⅰ和电极球头Ⅱ均布交叉粘贴于压电伸缩片上并与电极板Ⅱ和电极板Ⅰ接触。
所述丝杆设有丝杆螺纹轴、压电伸缩片安装面、轴承安装轴和固定螺纹轴，所述丝杆螺纹轴的螺纹升角小于当量摩擦角，所述电极板Ⅰ设有电极槽Ⅰ、电极板Ⅰ外轴和电极板Ⅰ后端面，所述电极板Ⅱ设有电极板Ⅱ前端面、电极板Ⅱ外轴和电极槽Ⅱ，所述限位轴套设有电极板安装孔、轴套安装孔、轴套限位面和轴承限位面，所述电极板Ⅰ外轴和电极板Ⅱ外轴并列焊接安装在电极板安装孔内，所述限位轴套安装螺栓穿过轴套安装孔与丝杠锁紧机构安装螺纹孔螺纹连接，用于固定安装限位轴套，所述轴承穿过轴承安装轴并置于轴承安装孔内，所述轴承限位面与轴承贴合，用于轴承的轴向限位，所述固定螺母与固定螺纹轴螺纹连接，用于紧固连接轴承和丝杆，每个压电伸缩片安装面上粘贴有一个压电伸缩片，且压电伸缩片安装面两两相对均布于丝杆上，所述电极球头Ⅰ和电极球头Ⅱ均布交叉粘贴于压电伸缩片上，并分别与电极槽Ⅱ和电极槽Ⅰ接触其中，压电伸缩片安装面总个数为m，压电伸缩片总个数为n，电极球头Ⅰ和电极球头Ⅱ个数均为s，且m=n=2s，所述丝杆螺纹轴与活塞机构螺纹连接，并插入活塞杆内，所述电极板Ⅰ后端面与电极板Ⅱ前端面贴合，所述轴套限位面与丝杠锁紧机构安装面贴合。
所述活塞机构包括活塞杆限位板、限位板螺栓、密封圈和活塞，所述限位板螺栓将活塞杆限位板固定于活塞之上，所述密封圈安装于活塞之上，所述活塞杆限位板设有活塞杆通孔、限位板安装孔和限位板后端面，所述活塞设有活塞前端面、活塞杆固定槽面、限位板安装螺纹孔、密封圈槽和活塞内螺纹孔，所述限位板螺栓穿过限位板安装孔与限位板安装螺纹孔螺纹连接，所述密封圈置于密封圈槽内，所述活塞杆通孔内穿过活塞杆，所述限位板后端面分别与活塞前端面和活塞杆贴合，所述活塞杆固定槽面与活塞杆接触配合，所述活塞内螺纹孔与丝杆螺纹轴螺纹连接。
所述活塞杆设有运动轴、活塞杆盲孔、活塞杆前端面和活塞杆后端面，所述运动轴穿过活塞杆运动孔，所述活塞杆盲孔内插入丝杆螺纹轴，所述活塞杆前端面和活塞杆后端面分别与限位板后端面和活塞杆固定槽面贴合安装，使活塞杆与活塞机构固结为一体。
向电极板Ⅰ和电极板Ⅱ分别通入两组超声波电信号，并分别通过电极球头Ⅰ和电极球头Ⅱ向压电伸缩片传递电信号，所有压电伸缩片的伸缩方向与丝杆的轴线平行，压电伸缩片的控制方式包括同相驱动模式和异相驱动模式；
所述同相驱动模式为向电极板Ⅰ和电极板Ⅱ通入相同特征参数的超声波电信号，使得相邻压电伸缩片伸缩状态一致；所述异相驱动模式为向电极板Ⅰ和电极板Ⅱ通入不同特征参数的超声波电信号，使得相邻压电伸缩片存在驱动相位差，进而导致其伸缩状态产生交错变化。
本发明的有益效果：
本发明利用丝杠锁紧机构与活塞的螺纹自锁，以实现活塞杆在任意位置的精确锁紧定位，并通过压电伸缩片在两组超声波作用下的减摩效应，实现活塞杆的伸缩运动，其定位精度高，结构装配简单，并且在不改变现有气缸基本装配结构的基础上，采用内置式丝杠作为锁紧机构，将其装配于气缸缸筒内部，既继承了现有直线气缸基本结构具有的所有良好特性，又解决了现有锁紧气缸复杂结构导致的密封性下降、生产难度大等问题，可进一步保证良好的气缸密封性并降低加工成本，在半导体加工、自动测量及控制、机器人驱动等技术领域中具有良好的工程应用价值。
附图说明
图1是一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸的整体装配结构剖视图；
图2是一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸的前端盖结构剖视图；
图3是一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸的缸筒结构剖视图；
图4是一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸的后端盖结构剖视图；
图5是一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸的丝杠锁紧机构装配结构剖视图；
图6是一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸的丝杆结构示意图；
图7是一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸的电极板Ⅰ结构剖视图；
图8是一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸的电极板Ⅱ结构剖视图；
图9是一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸的限位轴套结构剖视图；
图10是一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸的活塞机构装配结构剖视图；
图11是一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸的活塞杆限位板结构剖视图；
图12是一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸的活塞结构剖视图；
图13是一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸的活塞杆结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1~图13说明本实施方式，本实施方式提供了一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸的具体实施方式，其具体实施方式表述如下：
所述一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸由端盖Ⅰ1、缸筒2、端盖Ⅱ3、丝杠锁紧机构4、活塞机构5和活塞杆6组成，其中，所述缸筒2两端分别与端盖Ⅰ1和端盖Ⅱ3紧固连接，所述丝杠锁紧机构4安装在端盖Ⅱ3上，并穿过活塞机构5后与活塞杆6采用螺纹连接，将活塞机构5和活塞杆6进行锁紧，所述活塞机构5安装于缸筒2内，随气体变换输入在缸筒2内轴向滑动，并与活塞杆6固定连接，所述活塞杆6端盖Ⅰ1轴孔配合，随活塞机构5在缸筒2内轴向滑动。
所述端盖Ⅰ1设有活塞杆运动孔1-1、导气孔Ⅰ1-2和缸筒安装凸台Ⅰ1-3，所述活塞杆运动孔1-1内穿过活塞杆6，所述导气孔Ⅰ1-2用于输送高压气体，所述缸筒安装凸台Ⅰ1-3与缸筒2采用过盈配合进行紧固连接。
所述缸筒2设有缸筒前端孔2-1和缸筒后端孔2-2，所述缸筒前端孔2-1与缸筒安装凸台Ⅰ1-3采用过盈配合进行紧固连接，所述缸筒后端孔2-2与端盖Ⅱ3采用过盈配合进行紧固连接。
所述端盖Ⅱ3设有丝杠锁紧机构安装螺纹孔3-1、轴承安装孔3-2、丝杠锁紧机构安装面3-3、缸筒安装凸台Ⅱ3-4和导气孔Ⅱ3-5，所述丝杠锁紧机构安装螺纹孔3-1、轴承安装孔3-2和丝杠锁紧机构安装面3-3与丝杠锁紧机构4配合安装，用于丝杠锁紧机构4的安装固定，所述缸筒安装凸台Ⅱ3-4与缸筒后端孔2-2采用过盈配合进行紧固连接，所述导气孔Ⅱ3-5用于高压气体的输送。
所述丝杠锁紧机构4包括丝杆4-1、电极板Ⅰ4-2、电极板Ⅱ4-3、限位轴套安装螺栓4-4、限位轴套4-5、轴承4-6、固定螺母4-7、压电伸缩片4-8、电极球头Ⅰ4-9和电极球头Ⅱ4-10，所述电极板Ⅰ4-2、电极板Ⅱ4-3并列焊接安装在限位轴套4-5之上，所述限位轴套安装螺栓4-4与丝杠锁紧机构安装螺纹孔3-1采用螺纹连接，将限位轴套4-5与端盖Ⅱ3进行紧固连接，所述轴承4-6与丝杆4-1过盈配合并置于轴承安装孔3-2内，所述固定螺母4-7与丝杆4-1螺纹连接，将轴承4-6和丝杆4-1进行紧固连接，压电伸缩片4-8粘贴于丝杆4-1之上，所述电极球头Ⅰ4-9和电极球头Ⅱ4-10均布交叉粘贴于压电伸缩片4-8上并与电极板Ⅱ4-3和电极板Ⅰ4-2接触，用于传递激励电信号。
所述丝杆4-1设有丝杆螺纹轴4-1-1、压电伸缩片安装面4-1-2、轴承安装轴4-1-3和固定螺纹轴4-1-4，所述丝杆螺纹轴4-1-1的螺纹升角小于当量摩擦角，本具体实施方式中，螺纹升角等于4度，所述电极板Ⅰ4-2设有电极槽Ⅰ4-2-1、电极板Ⅰ外轴4-2-2和电极板Ⅰ后端面4-2-3，所述电极板Ⅱ4-3设有电极板Ⅱ前端面4-3-1、电极板Ⅱ外轴4-3-2和电极槽Ⅱ4-3-3，所述限位轴套4-5设有电极板安装孔4-5-1、轴套安装孔4-5-2、轴套限位面4-5-3和轴承限位面4-5-4，所述电极板Ⅰ外轴4-2-2和电极板Ⅱ外轴4-3-2并列焊接安装在电极板安装孔4-5-1内，所述限位轴套安装螺栓4-4穿过轴套安装孔4-5-2与丝杠锁紧机构安装螺纹孔3-1螺纹连接，用于固定安装限位轴套4-5，所述轴承4-6穿过轴承安装轴4-1-3并置于轴承安装孔3-2内，所述轴承限位面4-5-4与轴承4-6贴合，用于轴承4-6的轴向限位，所述固定螺母4-7与固定螺纹轴4-1-4螺纹连接，用于紧固连接轴承4-6和丝杆4-1，每个压电伸缩片安装面4-1-2上粘贴有一个压电伸缩片4-8，且压电伸缩片安装面4-1-2两两相对均布于丝杆4-1上，所述电极球头Ⅰ4-9和电极球头Ⅱ4-10均布交叉粘贴于压电伸缩片4-8上，并分别与电极槽Ⅱ4-3-3和电极槽Ⅰ4-2-1接触，用于传递激励电信号，其中，压电伸缩片安装面4-1-2总个数为m，本具体实施方式中，m=4，压电伸缩片4-8总个数为n，电极球头Ⅰ4-9和电极球头Ⅱ4-10个数均为s，且m=n=2s，所述丝杆螺纹轴4-1-1与活塞机构5螺纹连接，并插入活塞杆6内，所述电极板Ⅰ后端面4-2-3与电极板Ⅱ前端面4-3-1贴合，所述轴套限位面4-5-3与丝杠锁紧机构安装面3-3贴合，用于限位轴套4-5的轴向限位。
所述活塞机构5包括活塞杆限位板5-1、限位板螺栓5-2、密封圈5-3和活塞5-4，所述限位板螺栓5-2将活塞杆限位板5-1固定于活塞5-4之上，所述密封圈5-3安装于活塞5-4之上，所述活塞杆限位板5-1设有活塞杆通孔5-1-1、限位板安装孔5-1-2和限位板后端面5-1-3，所述活塞5-4设有活塞前端面5-4-1、活塞杆固定槽面5-4-2、限位板安装螺纹孔5-4-3、密封圈槽5-4-4和活塞内螺纹孔5-4-5，所述限位板螺栓5-2穿过限位板安装孔5-1-2与限位板安装螺纹孔5-4-3螺纹连接，所述密封圈5-3置于密封圈槽5-4-4内，所述活塞杆通孔5-1-1内穿过活塞杆6，所述限位板后端面5-1-3分别与活塞前端面5-4-1和活塞杆6贴合，用于固定限位活塞杆6，所述活塞杆固定槽面5-4-2与活塞杆6接触配合，用于活塞杆6的轴向限位，所述活塞内螺纹孔5-4-5与丝杆螺纹轴4-1-1螺纹连接，用于实现丝杠锁紧机构4的锁紧功能。
所述活塞杆6设有运动轴6-1、活塞杆盲孔6-2、活塞杆前端面6-3和活塞杆后端面6-4，所述运动轴6-1穿过活塞杆运动孔1-1，以便于活塞杆6的伸缩运动，所述活塞杆盲孔6-2内插入丝杆螺纹轴4-1-1，以防止活塞杆6与丝杆4-1干涉，所述活塞杆前端面6-3和活塞杆后端面6-4分别与限位板后端面5-1-3和活塞杆固定槽面5-4-2贴合安装，用于活塞杆6的轴向固定限位，使活塞杆6与活塞机构5固结为一体。
具体实施方式二：本实施方式提供了一种基于丝杆锁紧式减摩驱动型直线定位气缸控制方法的具体实施方式，其具体实施方式表述如下：
向电极板Ⅰ4-2和电极板Ⅱ4-3分别通入两组超声波电信号，并分别通过电极球头Ⅰ4-9和电极球头Ⅱ4-10向压电伸缩片4-8传递电信号，所有压电伸缩片4-8 的伸缩方向与丝杆4-1的轴线平行，压电伸缩片4-8的控制方式包括同相驱动模式和异相驱动模式；
所述同相驱动模式为向电极板Ⅰ4-2和电极板Ⅱ4-3通入相同特征参数的超声波电信号，使得相邻压电伸缩片4-8伸缩状态一致；所述异相驱动模式为向电极板Ⅰ4-2和电极板Ⅱ4-3通入不同特征参数的超声波电信号，使得相邻压电伸缩片4-8存在驱动相位差，进而导致其伸缩状态产生交错变化。
工作原理：
初始状态，由于丝杠的丝杆螺纹轴与活塞的活塞内螺纹孔的螺纹连接产生的螺纹自锁，使得活塞与活塞杆在气缸内静止；
正向工作状态，从端盖Ⅱ的导气孔Ⅱ处持续充入高压气体，使活塞两侧产生气压差，同时向丝杠锁紧机构通入超声波电信号，使丝杆与活塞达到共振条件，丝杠的丝杆螺纹轴与活塞的活塞内螺纹孔间的摩擦系数降低，产生超声减摩效应，从而使得螺纹副连接解锁，此时活塞受到轴向输出力作用，带动活塞杆伸出气缸，此时由于丝杠与活塞螺纹连接，使得丝杆产生旋转运动，而丝杆通过轴承以实现在电极板Ⅰ和电极板Ⅱ内的低摩擦转动，以实现丝杆旋转运动的释放；当活塞杆到达指定位置时，超声波电信号及高压气体均同时暂停输入，丝杠的丝杆螺纹轴与活塞的活塞内螺纹孔间的摩擦系数达到自锁条件，气缸恢复自锁，使活塞杆实现快速停止运动输出，从而实现气缸正向的精确定位输出；
反向工作状态，气缸反向输出与气缸正向输出过程类似，由端盖Ⅰ的导气孔Ⅰ持续充入高压气体，使活塞两侧气压出现压差，同时通入超声波电信号，使丝杠与活塞间实现减摩效应，从而推动活塞杆反向运动，当活塞杆到达指定位置时，超声波电信号及高压气体均同时暂停输入，丝杠的丝杆螺纹轴与活塞的活塞内螺纹孔间的摩擦系数达到自锁条件，气缸恢复自锁，使活塞杆实现快速停止运动输出，从而实现气缸反向的精确定位输出。
