一種壓電陶瓷驅動薄膜式伺服閥的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及伺服閥，具體涉及一種壓電陶瓷驅動薄膜式伺服閥。
【背景技術】
[0002]目前，液壓伺服控制系統的應用領域越來越寬，這對電液伺服閥的性能提出了極高的要求:高頻響，高精度，簡單可靠等。傳統的電磁式伺服閥已經不能滿足高頻響的控制要求，因此研發一種新型的、高頻響主動控制伺服閥成為液壓伺服控制領域的難題。
[0003]在眾多新型微位移、高頻響的驅動器研制開發過程中，壓電陶瓷材料因為具有體積小、能量密度高、分辨率高、頻響快等優點，已經成為精密定位系統中首選的驅動元件。同時，由于壓電陶瓷輸出位移小，承載力有限，抗剪切能力差等缺點限制了其在快速、高精密定位系統中的應用。
[0004]可控的伺服閥主要有滑閥和薄膜式伺服閥。滑閥結構較為復雜，所需驅動位移較大。已有基于壓電陶瓷控制的伺服滑閥設計案例。而薄膜式伺服閥結構相對簡單，可設計上下兩油腔，實現差動控制或反饋控制。將其中一個油腔用作節流油腔，另一個油腔用作壓力平衡油腔，通入節流后的液壓油，可大大減小薄膜兩側所受的壓力差。
[0005]現有的薄膜式節流閥主要有兩種。一種為雙油腔差動雙輸出形式，可用于靜壓軸承的對置油腔，提高主軸穩定性和承載能力；另一種為帶反饋油腔的單輸出形式，可提高出口壓力和流量的穩定性。以上兩種類型的薄膜式節流閥均不能實現主動伺服控制，無法主動控制節流閥出口的壓力和流量。
[0006]現有的壓電陶瓷驅動伺服閥多數使用了碟簧等彈性材料保證閥片(閥桿)的雙向運動，從而加大了壓電陶瓷的受力，因此需要選用大體積的壓電材料，材料成本較高。
[0007]經檢索，尚無基于壓電陶瓷直接驅動的、帶有壓力平衡油腔的薄膜式伺服閥設計案例。
【實用新型內容】
[0008]本實用新型的目的是為了提供一種高頻響、輸出流量可控的壓電陶瓷驅動薄膜式伺服閥。
[0009]為了達成上述目的，本實用新型采用如下技術方案:
[0010]—種壓電陶瓷驅動薄膜式伺服閥，包括上閥體和下閥體，上閥體與下閥體之間設有薄膜，上閥體與薄膜之間形成圓柱形的平衡油腔，薄膜與下閥體之間形成一個環形的節流油腔，薄膜與下閥體之間的間隙為節流間隙，平衡油腔與節流油腔連通，上閥體與平衡油腔之間豎直貫通有頂桿，頂桿的一端與薄膜間隔設定距離或接觸，另一端設有用于推動頂桿移動的壓電陶瓷;壓電陶瓷與壓電陶瓷驅動器連接，通過壓電陶瓷主動控制頂桿位移，進而控制薄膜動作，薄膜產生彈性變形來減小節流間隙，使得出口流量減小;頂桿上移，增大節流間隙，出口流量增加，通過精確控制壓電陶瓷就可以實現精確流量控制的目的，結構簡單，但效果較好。[0011 ]進一步地，薄膜與上閥體、薄膜與下閥體之間均設有調整墊片，改變調整墊片的高度即可調整初始節流間隙。
[0012]進一步地，頂桿設在上閥體的軸心孔內，由密封圈進行密封，可上下運動。
[0013]進一步地，在所述上閥體上設有包覆住所述壓電陶瓷的壓電陶瓷基座，壓電陶瓷基座的底部與上閥體通過螺釘固定。
[0014]進一步地，所述壓電陶瓷基座上設有用于壓住所述壓電陶瓷的鎖緊裝置。
[0015]進一步地，所述壓電陶瓷與所述頂桿之間設有金屬球。
[0016]進一步地，所述壓電陶瓷的兩端均設有墊片，金屬球設在墊片與頂桿端面的凹槽中。
[0017]進一步地，所述鎖緊裝置為螺釘，所述壓電陶瓷與螺釘之間設有頂尖或金屬球，錐形定位頂尖設在墊片端部的中心處。
[0018]進一步地，所述平衡油腔與所述節流油腔之間設有以閥中心線而對稱設置的多個通孔。
[0019]進一步地，在所述下閥體內設有入油管路，入油管路的末端連通所述節流油腔底部的中心。
[0020]進一步地，所述薄膜的中部呈中央島形，呈剛性，只產生位移；中央島型的四周環形區極薄，呈柔性，在頂桿的推動下可產生彈性變形。
[0021]進一步地，在所述下閥體內設有與所述節流油腔相通的出油管路;入油管路與出油管路均呈L型。
[0022]本實用新型的工作原理是:通過控制壓電陶瓷的驅動電壓變化控制壓電陶瓷伸長或縮短。當增加驅動電壓時，壓電陶瓷伸長，推動頂桿下壓薄膜，薄膜產生彈性變形，使得伺服閥出口流量減小；當減小驅動電壓時，壓電陶瓷縮短，薄膜由于自身的彈性變形和壓力差形成向上的合力推動頂桿向上運動，增大節流間隙，使得伺服閥出口流量增加。
[0023]本實用新型的有益效果是:
[0024]I)通過使用壓電陶瓷驅動器，提高了伺服閥的響應頻率，可用于高頻精確控制。
[0025]2)通過精確控制節流間隙，實現壓力和流量的精確主動控制。
[0026]3)通過將薄膜的中心設為中央島型，中央島型呈剛性，四周變形區呈柔性，提高了薄膜的動態頻率，同時提高了節流間隙的控制精度。
[0027]4)通過設置平衡油腔，大大減小薄膜兩側所受的壓力差。壓電陶瓷受力小于同等條件下無平衡油腔時其受力的四分之一。因此，可選用更小體積的壓電材料，降低伺服閥的材料成本百分之五十以上。
[0028]5)將本實用新型用于控制靜壓軸承的各個油腔，可實現靜壓主軸運動軌跡的主動控制。
[0029]6)整個裝置結構簡單、功能可靠、制造成本低。
【附圖說明】
[0030]圖1是本實用新型壓電陶瓷驅動薄膜式伺服閥的結構圖；
[0031]其中:1、下閥體，2、薄膜，3、調整墊片，4、上閥體，5、密封圈，6、頂桿，7、金屬球，8、壓電陶瓷墊片I，9、壓電陶瓷，10、壓電陶瓷墊片Π，11、鎖緊螺釘，12、壓電陶瓷基座，13、供油入口，14、液壓油出口，15、節流油腔，16、節流間隙，17、油腔連通孔，18、平衡油腔。
【具體實施方式】
[0032]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述。
[0033]實施例1
[0034]—種壓電陶瓷驅動薄膜式伺服閥，如圖1所示，包括一個由下閥體1、上閥體4和壓電陶瓷基座12組成的殼體，下閥體I的中心孔13是液壓油入口，下閥體I的環形的節流油腔15連接著液壓油出口 14。上閥體4內部有圓形的壓力平衡油腔18。上閥體4和下閥體I之間是彈性金屬薄膜2和兩側的調整墊片3。薄膜2設計為中間節流部分厚，四周彈性變形的環形區域薄的島型柔性鉸鏈結構，在柔性鉸鏈區域均勻分布4個連通節流油腔15和壓力平衡油腔18的連通孔17。薄膜2的中心島和下閥體I中央的環形凸臺形成間隙可控的節流間隙16。壓電陶瓷基座12內部安裝有可驅動的壓電陶瓷9。壓電陶瓷兩端粘結墊片10和墊片8，墊片10中心由鎖緊螺釘11固定，墊片8通過金屬球7與頂桿6對接。頂桿6安裝在上閥體4的軸心孔內，由密封圈5密封，可上下運動。頂桿6下端抵在薄膜2中心。
[0035]所述的壓力平衡油腔18通入節流后的液壓油，抵消了薄膜2下側所受的大部分壓力差，使得薄膜彈性變形力和壓力差形成的合力在壓電陶瓷的直接承受范圍內，有效防止壓電陶瓷因過載而損壞。
[0036]所述的墊片10中心有錐形定位頂尖，墊片8中心有安裝金屬球7的錐形孔，以保證壓電陶瓷9只承受均勻分布的軸向力，有效防止壓電陶瓷9因受剪切力而損壞。
[0037]所述的薄膜式伺服閥工作原理為通過控制壓電陶瓷的驅動電壓控制壓電陶瓷伸長位移。當增加驅動電壓時，壓電陶瓷9伸長，推動頂桿6下壓薄膜2，薄膜2產生彈性變形，減小節流間隙16，使伺服閥出口流量減小；當減小驅動電壓時，壓電陶瓷9縮短，薄膜2由于自身的彈性變形力和壓力差形成向上的合力推動頂桿6向上運動，增大節流間隙16，使伺服閥出口流量增加。因此，通過精確控制壓電陶瓷的驅動電壓可控制伺服閥的節流間隙按照給定要求變化，以實現精確流量控制的目的。
[0038]以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
【主權項】
1.一種壓電陶瓷驅動薄膜式伺服閥，其特征在于，包括上閥體和下閥體，上閥體與下閥體之間設有薄膜，上閥體與薄膜之間形成圓柱形的平衡油腔，薄膜與下閥體之間形成一個環形的節流油腔，平衡油腔與節流油腔連通，上閥體與平衡油腔之間豎直貫通有頂桿，頂桿的一端與薄膜間隔設定距離或接觸，另一端設有用于推動頂桿移動的壓電陶瓷。2.如權利要求1所述的薄膜式伺服閥，其特征在于，在所述上閥體上設有包覆住所述壓電陶瓷的壓電陶瓷基座。3.如權利要求2所述的薄膜式伺服閥，其特征在于，所述壓電陶瓷基座上設有用于壓住所述壓電陶瓷的鎖緊裝置。4.如權利要求1或2或3所述的薄膜式伺服閥，其特征在于，所述壓電陶瓷與所述頂桿之間設有金屬球。5.如權利要求1所述的薄膜式伺服閥，其特征在于，所述壓電陶瓷的兩端均設有墊片。6.如權利要求3所述的薄膜式伺服閥，其特征在于，所述鎖緊裝置為螺釘，所述壓電陶瓷與螺釘之間設有頂尖或金屬球。7.如權利要求1所述的薄膜式伺服閥，其特征在于，所述平衡油腔與所述節流油腔之間設有以閥中心線而對稱設置的多個通孔。8.如權利要求1或2或3所述的薄膜式伺服閥，其特征在于，在所述下閥體內設有入油管路，入油管路的末端連通所述節流油腔底部的中心。9.如權利要求1-3或5-7中任一項所述的薄膜式伺服閥，其特征在于，所述薄膜的中部呈中央島形。10.如權利要求1或2或3所述的薄膜式伺服閥，其特征在于，在所述下閥體內設有與所述節流油腔相通的出油管路。
【專利摘要】本實用新型公開了一種壓電陶瓷驅動薄膜式伺服閥，包括上閥體和下閥體，上閥體與下閥體之間設有薄膜，上閥體與薄膜之間形成圓柱形的平衡油腔，薄膜與下閥體之間形成一個環形的節流油腔，平衡油腔與節流油腔連通，上閥體與平衡油腔之間豎直貫通有頂桿，頂桿的一端與薄膜間隔設定距離或接觸，另一端設有用于推動頂桿移動的壓電陶瓷；本實用新型的有益效果是：過精確控制節流間隙，實現壓力和流量的精確主動控制，通過將薄膜的中心設為中央島型，中央島型呈剛性，四周變形區呈柔性，提高了薄膜的動態頻率，同時提高了節流間隙的控制精度，整個裝置結構簡單、功能可靠、制造成本低。
【IPC分類】F16K31/02, F16K7/14, F15B13/02
【公開號】CN205207844
【申請號】CN201521087117
【發明人】李華超, 路長厚, 潘偉, 劉自超
【申請人】山東大學
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月23日