用于精密伺服型应用的气压缸

摘要

披露了一种被设计成将压缩空气转换成机械输出的气压缸。所述气压缸包括活塞和杆组件，其具有同轴地布置和排布以获得根据在所述活塞上的压降的线性机械力的支撑部件。柱形套筒，在两个开口上固定到端帽，环绕所述活塞和杆组件并且在行进期间帮助引导所述活塞。导电线圈连接到所述柱形套筒以提供所述活塞的位置的感应。此外，歧管，其用作各独立缸容积和外部空气控制装置之间的气流的管路，被布置成使得所述柱形套筒和端帽以同心的方式嵌套在所述歧管内。歧管分离器组件被布置成使得多个端通道彼此隔离。这种布置导致气流和压降之间的动态关系，其有助于精确的力和运动控制。

权利要求

1.一种气压缸，包括：

歧管；

嵌套在所述歧管内的套筒，所述套筒和所述歧管限定在所述套筒和所述歧管之间的第一通道，所述套筒和所述歧管限定第二通道，所述第二通道与所述第一通道不同；

活塞，该活塞布置在所述套筒中以将所述套筒限定的内部容积分成第一工作容积和第二工作容积，其中所述活塞和套筒被布置成使得所述第一工作容积和第二工作容积之间的空气压力差能在所述活塞上产生压降；和可操作地连接到所述套筒的导电线圈，所述线圈是可电激发的以提供对所述活塞的位置的感应。

2.如权利要求1所述的气压缸，其中所述导电线圈是铜绕线。

3.如权利要求1所述的气压缸，其中所述导电线圈是铝绕线。

4.一种气压缸，包括：

具有第一端和第二端的歧管壳，所述歧管壳限定与第一通道相关联的第一孔和与第二通道相关联的第二孔，所述第二通道与所述第一通道不同；

嵌套在所述歧管壳内的歧管分隔器，所述歧管分隔器布置在所述第一和第二孔之间；

嵌套在所述歧管壳内的套筒，其中所述套筒、歧管分隔器和歧管壳限定所述第一通道和所述第二通道；

连接到所述歧管壳的所述第一端的第一端帽，所述第一端帽将所述第一通道与环境空气相隔离；

连接到所述歧管壳的所述第二端的第二端帽，所述第二端帽将所述第二通道与环境空气相隔离；

活塞，所述活塞布置在所述套筒中，以将所述套筒限定的内部容积分成第一工作容积和第二工作容积，其中所述活塞和所述套筒被布置成使得所述第一工作容积和第二工作容积之间的空气压力差能在所述活塞上产生压降。

5.如权利要求4所述的气压缸，其中所述歧管分隔器包括至少两个密封表面，所述两个密封表面被构造成使所述第一通道中的空气与所述第二通道中的空气相隔离。

6.如权利要求4所述的气压缸，其中所述歧管分隔器包括歧管密封件保持件，所述歧管密封件保持件被构造成至少部分地保持多个密封件。

7.如权利要求6所述的气压缸，其中所述歧管分隔器密封件包括具有倾斜表面的顶部部分。

8.如权利要求4所述的气压缸，其中所述歧管分隔器被固定到所述套筒。

9.如权利要求4所述的气压缸，其中所述歧管分隔器被固定到所述歧管壳。

10.如权利要求4所述的气压缸，其包括将所述第一端帽可操作地连接到所述套筒的第一帽插入件，所述第一帽插入件不具有连续的外侧直径。

11.如权利要求10所述的气压缸，其中所述第一帽插入件具有表面，其中所述表面中没有密封表面。

12.如权利要求4所述的气压缸，其包括将所述第二端帽可操作地连接到所述套筒的第二帽插入件，所述第二帽插入件不具有连续的外侧直径。

13.如权利要求12所述的气压缸，其中所述第二帽插入件具有表面，其中所述表面中没有密封表面。

14.如权利要求4所述的气压缸，其中所述歧管壳限定将所述歧管分隔器固定到所述歧管壳的螺纹孔。

15.如权利要求4所述的气压缸，其中所述套筒缠绕有连续的导电元件，所述连续的导电元件是可电激发的以提供对所述活塞的位置的感应。

16.如权利要求15所述的气压缸，其中所述连续的导电元件是铜线。

17.如权利要求15所述的气压缸，其中所述连续的导电元件是铝线。

18.如权利要求15所述的气压缸，其中所述歧管壳具有第一端和第二端。

19.如权利要求18所述的气压缸，其中所述歧管壳包括多个壁，其中各壁从所述第一端延伸到所述第二端。

说明书

用于精密伺服型应用的气压缸

背景技术

[0001] 传统的气压缸通过分别在头端帽和杆端帽中机加工形成的端口来提供用于流入和流出头端容积和杆端容积的气流的管路。所述端口用作进而将气流传送到控制阀网络的管件锚定点。尽管这种布置具有一定程度的可操作性，但是它通常在所期望的气流和压降之间形成不良的动态关系。因此，企图将这种装置应用在精密应用中取得的成功有限。

[0002] 具有可连续变化的位置输出的伺服致动器包括测量所述位置输出的机构。在气压伺服缸的情况下，可以使用传感器测量移动元件，例如杆/活塞组件，和缸体所安装的框架之间的相对位置。通常，使用中空缸杆使得位置传感器可以被布置在所述缸内，并且部分地嵌在所述缸杆内。虽然这种布置使得气压伺服缸在外表上是干净的，和在大小上是紧凑的，但是与它们的实心相似件相比，中空缸杆更昂贵，且结构坚固性较差。因此，可以与所述缸一体并且允许实心缸杆的任何位置感应机构将具有明确的优点。

[0003] 为了改进所期望的气流和在缸活塞上的压降之间的动态关系，从控制阀到缸活塞的流动路径应当被形成为尽可能短且几何形状均匀。而且，存在提高气压伺服缸的生产中的制造效率同时提供更少的流动路径约束的需求。

发明内容

[0004] 这里所披露的气压缸提供在控制阀和气压缸的工作容积之间传送气流的独特方式。通过将气压缸的基本部件(举例来说，头端帽和杆端帽，柱形活塞套筒，和活塞/杆组件)嵌套在歧管内，在由柱形活塞套筒的外直径和歧管的内部形状形成的通道中形成用于气流连通的管路。而且，通过提供围绕柱形活塞套筒的导电线圈，能确定所述活塞的位置。

[0005] 在一个实施方式中，所述歧管包括歧管壳，该歧管壳具有嵌套在所述歧管壳内的歧管分隔器以提供气流通道。所述气流通道的几何形状使得所述通道的横截面面积大约等于所述活塞套筒的横截面面积。这些布置优化了所期望的气流和压降之间的动态关系。

[0006] 歧管壳，配合在头帽和杆帽之间，并且包围缸管，所述缸活塞在所述缸管中被引导。在一个实施方式中，所述歧管壳是单件式结构，提供用于所述阀同时维持所述头帽和杆帽之间的精密对齐的安装表面。形成在歧管壳和缸管之间的环形腔是从控制阀到缸活塞的气流路径的基础。

[0007] 布置在歧管壳和缸管之间的环形腔中的歧管分隔器将所述环形腔分成分离的气流路径。该歧管分隔器可以被固定到所述歧管壳或所述缸管。所述歧管壳和歧管分隔器的这种大体布置允许所述歧管壳的生产中的制造效率，并且与先前的布置相比，从阀到相应环形腔的流动路径的约束较少。结果是，这里所披露的气压缸尤其适于需要力和运动的精确控制的应用。

附图说明

[0008] 图1示出了示例性的气压缸的视图，其显示了缸头和杆端工作端口以及沿着线A-A截取的缸的横截面。

[0009] 图2示出了所述示例性的缸的沿着线B-B截取的横截面，和所述示例性的缸的沿着线C-C截取的横截面，以及视图C-C的放大图，该放大图示出了活塞筒上抑制噪声的衬。

[0010] 图3示出了沿着如图1所示的线A-A截取的纵向横截面，但是具有结合到头端帽和杆端帽中的消声元件，并且具有另一未横截的、收纳在缸孔内的活塞/杆组件。

[0011] 图4示出了控制阀安装到歧管连接器的安装。

[0012] 图5示出了歧管连接器被开有端口以提供具有来自各工作容积的消声压力信号的控制阀。

[0013] 图6示出了另一示例性的气压缸，包括内流动通道和工作容积。

[0014] 图7示出了一示例性的气压缸的视图，包括杆端帽和杆衬套组件。

[0015] 图8示出了大体上沿着如图7所示的线C-C截取的横截面，其中歧管壳、缸套筒和气管分隔器限定第一和第二通道。

[0016] 图9示出了大体上沿着如图8所示的线D-D截取的横截面，具有端帽插入件。

[0017] 图10示出了大体上沿着如图8所示的线T-T截取的横截面，具有歧管分隔器和歧管分隔器保持螺钉。

[0018] 图11是气压缸的一个例子的放大图，示出了歧管分隔器、线圈和歧管分隔器流动缓和器。

[0019] 图12是气压缸的一个例子的放大图，示出了歧管分隔器和线圈。

[0020] 图13示出了连接到头端帽插入件的头端帽的一个例子。

[0021] 图14是头端帽和头端帽插入件的一个例子的分解图。

[0022] 图15示出了另一示例性的气压缸的杆端视图，包括杆端帽和杆端组件。

[0023] 图16示出了大体上沿着如图15所示的线V-V截取的横截面，其中歧管壳、缸套筒和歧管分隔器限定第一和第二通道。

[0024] 图17是气压缸的一个例子的放大图，示出了具有将歧管分隔器保持到活塞套筒的缸套筒密封件的歧管分隔器组件。

[0025] 图18是气压缸的一个例子的分解图，示出了活塞/杆组件、歧管、套筒和歧管分隔器。

具体实施方式

[0026] 图1中示出了被设计成将压缩空气转换成机械输出的气压缸100。在活塞/杆组件102上的压降产生能使所述活塞/杆组件102伸出或者使得所述活塞/杆组件102缩回的力。该压降是头端工作容积104和杆端工作容积106之间的空气压力差。所述头端工作容积104是由所述活塞/杆组件102、活塞套筒108和头端帽110形成的柱形室。所述杆端工作容积106是由所述活塞/杆组件102、活塞套筒108和杆端帽112形成的柱形室。所述活塞套筒108也用来引导所述活塞/杆组件102的活塞114。应当注意到，在各室中的空气压力不是均匀的，并且对于任何特定时间点来说空间上的变化是可预期得到的。此外，尽管在这里的代表性的实施方式中讨论柱形的形状，将会容易认识到，可以使用任何合适的形状。

[0027] 能以任何合适的方式改变各工作容积104和106中的空气压力。例如，通过允许空气流入或流出所述工作容积104和/或106能改变收纳在工作容积104和/或106内的空气质量。在杆116的伸出期间，空气流入所述头端工作容积104，因此增加所述头端工作容积104中的压力。也是在所述杆的伸出期间，空气流出所述杆端工作容积106，因此降低所述杆端工作容积106中的压力。优选地，使用气动控制阀118控制气流流入和流出所述工作容积104和106。所述气动控制阀118能将压缩空气引入到工作容积104或106的其中一个中，并相反地，从另一工作容积106或104排出压缩空气(举例来说，排到大气中)。

[0028] 头端套筒120和杆端套筒122被固定到歧管连接器124。例如，所述头端套筒120和杆端套筒122可以各自是通过钎焊固定到所述歧管连接器124的柱形管。然而，可以使用能产生气密密封以形成歧管126的任何合适的方法。优选地，围绕所述活塞套筒108同轴地组装所述歧管126，使得所述歧管126环绕所述活塞套筒108或者所述活塞套筒108嵌套在所述歧管126内。所述头端套筒120的自由端被固定到头端帽110，并且所述杆端套筒122的自由端被固定到杆端帽112。可以使用将套筒120和122固定到所述帽110和112以形成气密密封的任何合适的方法(举例来说，钎焊)。可以使用生产歧管126和/或套筒
120和122的任何合适的方法(举例来说，挤压成形)。

[0029] 这种布置形成杆端通道128和头端通道130。所述杆端通道128是用于所述杆端工作容积106和杆端端口132之间的气流的环形管路。所述头端通道130是用于所述头端工作容积104和头端端口134之间的气流的环形管路。O-形环136，或者其它合适的密封件，收纳在所述歧管连接器124上的内尺寸凹槽内，使得所述端通道128和130彼此隔离。阻尼膜138优选为镶衬限定所述杆端通道128和所述头端通道130的柱形部件。具体而言，所述活塞套筒108的外径、所述杆端套筒122的内径，和所述头端套筒120的内径可以镶衬有吸收噪声的任何合适的材料。所述阻尼膜138减少从所述气压缸100散发到周围空间的噪声。

[0030] 气流通过各自在所述头端帽110和/或杆端帽112中机加工形成的孔、狭槽或类似特征在所述端通道128和130与所述工作容积106和104之间交换。参考图2的视图B-B，箭头示出了空气团如何通过穿过所述杆端帽112中的四个交叉钻孔140从杆端工作容积106流入到所述杆端通道128中。从所述杆端通道128，气流被排出所述杆端端口132。这个特定视图详细地描述了在尝试减少所述杆端工作容积106中的空气压力并且增加所述头端工作容积104中的压力的控制阀动作期间气流的传送。

[0031] 消声器142可以包括在所述头端帽110和/或所述杆端帽112中。所述消声器142优选为布置在从所述端通道128和130到它们各自的工作容积106和104的气流引导路径中。优选地，所述消声器142代替所述交叉钻孔140起到在所述通道128和130与所述工作容积106和104之间传送气流的路径的作用。所述消声器142可以是放置在移动空气柱的路径中的任何合适元件，其允许气体分子在能量损失最小，同时减弱所述元件中携带的压力或冲击波的情况下传递。例如，多孔烧结青铜元件可以被用作消声器142。在图3中示出了与所述端帽110和112一体的周向排列的消声器142。这种构造减弱了冲击波在各通道128和130与相应的工作容积106和104之间的传递。参考视图D-D，箭头示出了空气团如何通过穿过杆端帽112中的四个消声器142从所述杆端工作容积106流到所述杆端通道128中。

[0032] 在图3中示出了另一实施方式的活塞/杆组件102。在这个实施方式中，所述活塞114优选为从柱形棒料机加工成多个同心盘144。当该系列从所述活塞114的中心的各侧延伸时，各盘的直径逐渐变小。优选为，各盘144的各面垂直于所述杆116的中心线。因此，工作面积被分散在多个平面中，其中压降作用在工作面积上以形成作用在所述活塞/杆组件102上的力。这个几何形状形成漫射体(diffuser)，防止一些冲击波被保持在最小频谱中。

[0033] 所述歧管连接器124也用作可以将控制阀118固定到其上的结构。当直接安装到所述歧管126时(与经由软或硬管件连接相反)，所述控制阀118能经由端口132和134与所述通道128和130传递气流。此外，所述歧管连接器124能被形成有端口以将各通道128和130中的空气压力通过消声器142传送到形成在所述控制阀118的本体内的腔。当所述控制阀118安装到所述歧管连接器124时，所述腔优选为密封靠在所述歧管连接器124的上表面上。结合在各腔内的压力传感器可以用来将消声后的压力信号转换成适于被模数转换器或类似电子测量装置获取的电信号。

[0034] 此外，吸收元件146可以被连接到所述控制阀118和所述歧管126之间，以减少在所述控制阀118和所述歧管126之间传递的机械振动。例如，所述吸收元件146可以由聚氨酯或其它合适材料构成。优选地，所述吸收元件146允许所述控制阀118和所述歧管126之间的不受约束的气流传送同时减弱机械振动。

[0035] 上面所描述的布置导致所期望的气流(其与在所述空气控制装置内的可移动元件的位置成比例)和压降之间的动态关系，这有助于精确的力和运动控制。

[0036] 在一个实施方式中，所述气压缸包括连接到所述活塞套筒的导电线圈。在这个实施方式中，所述导电线圈是可电激发的以提供所述活塞的位置的感应。当所述活塞由可导电的材料，例如铝制成时，所述线圈中的交流电将在所述导电活塞中感应产生环状电流，其因此产生磁场。感应磁场将电磁信号传递到所述导电线圈上，并且影响驱动所述交流电所需要的电动势。如果所述导电线圈具有以受控的方式沿着所述活塞套筒的长度变化的缠绕模式，在这个信号和所述活塞相对于所述活塞套筒的相对位置之间将有确定关系。在这种方式中，能计算所述活塞的位置。参考图11和12，所述导电线圈148被连接到所述活塞套筒108。参考图8，所述气压缸包括导电线圈引线150和导电线圈引线密封件152。在一个实施方式中，所示导电线圈是铜绕线。在另一实施方式中，所述导电线圈是铝绕线。

[0037] 在一个可选实施方式中，所述歧管包括歧管壳、多个端帽和将所述端帽连接到所述歧管壳的连接机构。参考图8、16和18，在这个例子中，所述歧管126包括：(a)歧管壳154；(b)多个端帽，端帽包括头端帽110和杆端帽112；(c)连接机构，包括多个连结杆160和连结杆螺母162；和(d)多个密封件，包括头端帽密封件156和杆端帽密封件158。

[0038] 参考图8、16和18，在一个示例性的实施方式中，所述歧管壳154包括：(a)顶壁或框155；(b)底壁或框157；和(c)侧壁或框159。在这个实施方式中，各壁154、155和159从所述歧管壳的第一端161延伸到所述歧管壳的第二端163。所述歧管壳154的顶壁155限定多个开口，包括杆端阀端口132和头端阀端口134。所述侧壁159限定多个螺纹孔166，其被布置成使得为歧管分隔器提供锚定。所述歧管壳154限定从所述歧管壳154的第一端161延伸到所述歧管壳154的第二端162的歧管壳孔165，如同在图18中最佳所示。所述歧管壳154的歧管壳孔165具有内尺寸柱形表面164。所述歧管壳154限定多个连结杆孔
168。

[0039] 参考图7、8、13到16和18，在这个例子中，所述头端帽110和所述杆端帽112各自包括：(a)内表面170；(b)外表面172；和(c)端帽延伸部174。在这个例子中，所述端帽延伸部174从所述端帽的内表面170柱形地延伸。各端帽延伸部174具有内尺寸表面175和外尺寸表面177。在这个例子中，所述外尺寸表面177限定密封件凹槽179以部分嵌套端帽密封件。

[0040] 在一个实施方式中，多个连结杆和连结杆螺母将所述头端帽和所述杆端帽固定到所述歧管壳。参考图13到14和18，在这个例子中，所述头端帽110和所述杆端帽112各自限定多个端帽孔176。多个连结杆160嵌套在所述头端帽孔176a、所述连结杆孔168和所述杆端帽孔176b中。多个连结杆螺母162旋拧在所述多个连结杆182的端部上，如同在图7、15和18中最佳所示。

[0041] 在一个实施方式中，所述头端帽密封件嵌套在所述头端帽和所述歧管壳之间。在这个实施方式中，所述杆端帽密封件嵌套在所述杆端帽和所述歧管壳之间。参考图8和16，在这个例子中，所述头端帽密封件156嵌套在所述头端帽延伸部174a的密封件凹槽179a和所述歧管壳154的内尺寸柱形表面164之间。所述杆端帽密封件158嵌套在所述密封件凹槽179b和所述歧管壳154的内尺寸柱形表面164之间。这个示例性的布置防止空气从工作容积在所述歧管壳和所述端帽之间移动到环境空气中。

[0042] 在一个实施方式中，所述气压缸包括多个端帽插入件。参考图8、9、13到16和18，在这个例子中，所述气压缸100包括多个端帽插入件，包括头端帽插入件178和杆端帽插入件180。各端帽插入件178和180包括毂部分182和多个插入件延伸部184。在这个例子中，所述插入件延伸部184从所述毂部分182径向地延伸，如同在图13和14中最佳所示。各插入件延伸部184包括活塞套筒接合构件186和端帽延伸部接合构件188。在这个例子中，所述端帽延伸部接合构件188从所述毂部分182延伸得比所述活塞套筒接合构件186更远。在各插入件延伸部184之间限定多个凹口189，如同在图13和14中最佳所示。

[0043] 在一个实施方式中，所述活塞套筒的头端部分与所述头端帽插入件相接合并且所述活塞套筒的杆端部分与所述杆端帽插入件相接合。参考图8和16，所述活塞套筒168的头端部分接合所述头端帽110，并且所述活塞套筒168的杆端部分接合所述杆端帽112。在这个例子中，所述活塞套筒的内尺寸表面环绕所述多个活塞套筒接合构件186。

[0044] 在一个实施方式中，所述头端帽插入件和所述杆端帽插入件分别被连接到所述头端帽和所述杆端帽。参考图8、13、14和16，在这个例子中，所述头帽延伸部174a环绕所述头端帽插入件178的多个头端帽接合构件188a。所述杆端帽延伸部174b环绕所述杆端帽插入件180的多个杆端帽接合构件188b。

[0045] 这个带有端帽插入件的示例性的布置使得空气能通过形成在所述插入件延伸部184之间的多个凹口189在所述端通道128和130与所述工作容积104和106之间流动。

[0046] 在一个实施方式中，所述气压缸包括歧管分隔器。在一个实施方式中，所述歧管分隔器布置在所述杆端端口和所述头端端口之间。在一个这种实施方式中，所述歧管分隔器包括密封件保持件和多个密封件。参考图8、10、11、12和16到18，在这个例子中，所述气压缸100包括歧管分隔器190，其包括密封件保持件192和多个密封件，所述多个密封件包括缸套筒密封件194和歧管壳密封件196。在这个例子中，所述歧管分隔器190使得所述端通道彼此隔离。

[0047] 在一个实施方式中，所述密封件保持件限定内尺寸密封件凹槽和外尺寸密封件凹槽。参考图11、12和17，在这个例子中，所述密封件保持件192限定内尺寸密封件凹槽198和外尺寸密封件凹槽200。在这个例子中，所述内尺寸密封件凹槽198保持所述缸套筒密封件194。所述外尺寸密封件凹槽200保持所述歧管壳密封件196。

[0048] 在一个实施方式中，所述歧管分隔器具有倾斜表面。参考图10和11，所述歧管分隔器192具有倾斜表面202。当空气流入和流出所述头端端口和杆端端口时，这个示例性的布置提供空气流动缓和。

[0049] 在一个实施方式中，所述歧管分隔器限定多个保持螺钉切口。参考图10和12，在这个例子中，所述歧管分隔器192包括保持螺钉切口204。在图10中，多个固定螺钉206将所述歧管分隔器192保持到所述歧管壳154。

[0050] 在一个实施方式中，所述缸套筒密封件将所述歧管分隔器保持到所述活塞套筒。参考图17，所述缸套筒密封件194被示为将所述歧管分隔器192保持到所述活塞套筒。

[0051] 在一个实施方式中，所述缸套筒密封件和所述歧管壳密封件各自是O-形环。

[0052] 在一个实施方式中，所述气压缸包括杆衬套组件。参考图7、8、16和18，在这个例子中，所述杆衬套组件208包括：(a)嵌套在所述杆端帽112中的杆衬套210；(b)杆衬套密封件212；(c)杆密封件214；(d)杆衬套保持环216；(e)和杆擦拭器218。当移动到所述伸出位置和缩回位置和从所述伸出位置和缩回位置移动时，这个示例性的布置为杆提供引导。

[0053] 尽管说明书和相应的附图参考优选例子，应当认识到，在不脱离如在下面的附属权利要求中所阐述的那样的本发明的范围的情况下，可以进行多种变化并且等同物可以代替它的元件。此外，在不脱离它的本质范围的情况下，可以进行多种修改以使特定位置或材料适合本发明的教导，如同在附属权利要求中所阐述的那样，如同在附属权利要求中所限定的那样。因此，本发明旨在不被限定到附图所示的和说明书中所描述的、作为目前预期执行本发明的最好模式的特定例子，而是本发明将包括落入在附属权利要求的描述和其等同权利要求内的任何实施方式。