流體伺服及應用的製作方法

2023-06-04 11:43:51

專利名稱：流體伺服及應用的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及由流體壓力操作的致動器裝置及其應用。
背景技術：
使用流體(液體或氣體)的伺服系統一般包括帶有獨立反饋和控制元件的致動 器，這不可避免地導致了複雜性，並且往往導致多零件數量以及隨之而來的成本和可靠性 問題。尤其在需要使一個元件快速用力地與另一元件緊靠同時不在被靠近的那個元件上施 加較大負載的情況下，特別需要將致動、反饋及控制集成入單個實體。在需要密封件以非常低甚至是零接觸力進行緊密運動的密封應用中，這尤為有 利。通常使用活塞環或唇形密封圈這樣依靠密封件與被密封面之間緊密接觸的專用密封件 來達成軸與活塞之間的密封以抵抗壓力負載或者汙染物進入。這將導致嚴重的摩擦損失， 並且往往隨著密封所對著作用的壓力增大而變得更嚴重。直接接觸密封件也易於磨損，在 許多情況下，這會在維護成本和可靠性方面產生極大的損失。有一些直接接觸密封件的代替物，其包括用於模型飛機的小發動機中常見的活塞 精確配合。在大於模型規模的任何情況下都很難實現這一精確水平，並且其對熱膨脹非常 敏感。在不需要壓力密封的場合，通常使用迷宮密封(labyrinth seal) 0儘管這些密封件 的摩擦非常低，但所達成的密封最適於無塵應用並且在密封件上具有顯著的反壓力梯度的 應用中並不可用。已創造動態旋轉軸密封件，其利用軸的運動來克服密封件上的壓力差抽吸。這些 裝置依賴於運動需有效並且仍然遭受起動磨損。本發明業已認識到需要改進的流體伺服系統及其新穎的應用。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供了一種由流體壓力操作的致動器裝置，包括界定出 第一腔室的本體，所述第一腔室包括與加壓流體源流體連通的入口 ；及安裝在所述第一腔 室中的可移動元件，所述可移動元件包括操作端和分區機構，所述分區機構配置為在使用 所述裝置期間分割所述第一腔室的包括所述入口的第一區域和所述第一腔室的與所述第 一區域相對的第二區域，所述可移動元件可相對於所述本體在延伸形態和回縮形態之間移 動，可響應所述分區機構上的壓力差而發生從所述回縮形態到所述延伸形態的移動；其中， 所述致動器裝置包括通路以允許流體從加壓流體源流通至所述可移動元件的操作端中的 第二腔室，所述操作端配置為當所述可移動元件處於回縮形態時允許所述第二腔室中的流 體在所述操作端與目標表面之間通過，並且配置為當所述可移動元件處於延伸形態時接靠 所述目標表面以基本限制所述操作端與所述目標表面之間的流體通路。這樣，提供了這樣一種致動器裝置，即，當所述可移動元件處於延伸形態時提供了 反饋壓力。所述分區機構配置為從所述第二區域基本密封所述第一區域。所述分區機構可 與所述操作端間隔開(例如，縱向間隔)。所述致動器裝置可為線性致動器裝置。所述加壓流體供應可為加壓液體或氣體供應。所述加壓流體供應可包括單一源或者分別供給所述第 一和第二腔室的獨立源。所述致動器裝置還包括偏壓機構以用於在所述裝置的正常操作期間偏壓處於所 述回縮形態的可移動元件(例如，當所述裝置使用時，偏壓機構提供持久的偏壓動作)。這 樣，所述致動器裝置配置為保持回縮位置直至所述第一區域中的壓力達到預定水平。當應 用於壓力密封時，這一機構有利地提供壓力起動的密封動作。此外，以這種方式使用偏壓機 構可減小目標面上的背壓負載。所述偏壓機構使用時可對所述可移動元件提供偏壓壓力(或偏壓壓力範圍)， 所述偏壓壓力小於(例如，小得多)所述第一腔室的第一區域中的流體壓力。這樣，可使 用強度非常低的偏壓機構來隨著流體按壓所述分區機構的任一側而提供較小的補償壓力 (back-off pressure) 0當與高流體壓力源一起使用時，所述可移動元件配置為在被起動時 從回縮形態快速移動至延伸形態，並且使用時在所述操作端與所述目標面之間提供非常細 小的行進間隙。所述偏壓機構可提供這樣的偏壓力，即所述偏壓力隨著所述可移動元件從所述回 縮形態移動至所述延伸形態而增大。由此，提供了這樣的偏壓機構，即初始時通過腔室的第 一區域中的流體壓力強力壓制所述偏壓機構，從而使得操作端朝向目標面快速正向移動， 並且提供不斷增加的主導力作為逐漸增大的反饋壓力來抵抗所述第一區域中的流體壓力。 從而，可在所述目標面與所述裝置的操作面之間達成非常細小的分隔，其有利於減小不需 要的流經目標面的洩露，特別是在密封背景下。所述偏壓機構可包括彈性機構(例如，彈 簧)。在使用撓性膜的情況下，所述彈性機構可包括燈籠彈簧。所述通路可配置為以相對於所述第一區域中流體減小的壓力將流體提供至第二 腔室。例如，所述通路可包括受限制的流路，以用於減小通路出口處的壓力。一實施例中所述第一腔室包括氣缸，並且所述分區機構包括可在所述氣缸內在延 伸位置和回縮位置之間移動的活塞，所述可移動元件的操作端可通過軸連接(例如，剛性 地)至所述活塞。所述第一和第二通路可穿過所述軸。另一實施例中，所述可移動元件包括撓性膜。例如，所述可移動元件包括這樣的撓 性膜，其配置為隨著所述膜在非平面形態(回縮形態)與更平面的形態(延伸形態)之間 移動而徑向擴張。所述通路可配置為從所述第一腔室的第一區域向所述第二腔室提供流體。所述裝置可包括另一通路，以允許流體從所述第二腔室流通至所述第一腔室的第 二區域。所述首先提及的通路可提供相對於所述另一通路受限制的流路。通過改變所述首 先提及通路相對於所述另一通路的受限量，可控制所述操作端與所述目標面之間的間隔程 度。有利地，提供所述另一通路可增大所述裝置對壓力變化(例如，流體源中的)的容限。 一或多個所述首先提及的通路和另一通路可穿過所述可移動元件。另一實施例中，所述致動器裝置還包括另一如前所述的可移動元件，所述另一可 移動元件的(第一)通路與所述首先提及的可移動元件的第一腔室的第二區域流體連通。一實施例中，所述可移動元件的操作端配置為提供對著所述目標表面的密封動 作。這樣，提供了一種改進的密封機構。另一實施例中，所述可移動元件的操作端配置為提供軸承面。
再一實施例中，所述可移動元件的操作端配置為提供傳感器。例如，所述操作端配 置為提供位置傳感器。根據本發明的第二方面，提供了一種相對於第二部分密封第一部分的機構，所述 機構包括如前所限定的致動器裝置，所述致動器裝置具有配置為提供密封動作的操作端。 在包括帶有如前所限定之偏壓機構的致動器的密封機構的情況下，所述密封機構可配置為 提供壓力觸發的密封動作。所述操作端可沿所述密封機構的外圍延伸(例如，以環形布局)。所述第二腔室可 包括沿所述操作端延伸的連續槽。根據本發明的第三方面，提供了一種包括如前所限定之致動器裝置的軸承機構， 所述致動器裝置具有配置為提供軸承面的操作端。所述操作端沿所述軸承機構的外圍延伸 (例如，以環形布局)。另一實施例中，所述軸承機構可包括如前所限定的另一致動器裝置， 所述另一致動器與所述首先提及的致動器裝置隔開。所述首先提及的致動器裝置和所述另 一致動器裝置可位於可旋轉體的相對橫向兩側。


現在將參考附圖以實例方式描述本發明的實施例，其中圖1示出了根據本發明第一實施例的處於回縮形態的致動器裝置的示意剖視圖；圖2示出了圖1致動器裝置處於延伸形態且傳感元件緊靠目標部件的示意剖視 圖；圖3示出了包括根據本發明第二實施例的處於未加壓形態的致動器裝置的密封 件一側的示意剖視圖；圖4示出了圖3密封件的示意剖視圖；圖5示出了圖3密封件的示意剖視圖，且其殼體處於加壓形態；圖6示出了包括根據本發明第三實施例的致動器裝置之密封件的一部分的示意 剖視圖；圖7示出了圖3密封件的示意立體圖；圖8示出了分離的圖3密封件的密封件彈簧的示意立體圖；圖9示出了包括根據本發明另一實施例的致動器裝置的多層密封件的示意剖視 圖；圖10為密封件和與之形成密封的壁隔離的狀態下密封件上的徑向力的圖表。
具體實施例方式簡明起見，附圖中不同實施例相同的部件給予相同的標號(例如，3、3』、3」)。圖1及圖2示出了通過加壓流體源(1)提供致動力的氣動或液動致動器/伺服裝 置，其中所述加壓流體源(1)直接連接至致動空間O)、作用於活塞或其它致動表面(3)、且 經由主軸杆( 將傳感機構(4)推向目標部件(6)。主軸杆( 包括兩個流體通路(7) (8)。 第一通路洩露路徑(7)連接致動空間(2)與傳感元件(4)中的開口腔室或空腔(9)，第二通 路(8)連接傳感元件的空腔(9)與作用在致動空間(2)相對側的活塞或致動表面(3) 上的相對壓力空間(11)。洩露路徑(7)界定出限制流路以在空腔(9)處提供流體，所述流體的壓力小於處於(全)供給壓力的致動空間O)中的流體壓力。洩露路徑(7)中的限制 程度決定了在目標部件(6)與傳感機構(4)之間所建立的穩定間隙的尺寸。如圖1所示，當所述傳感元件未與目標部件(6)緊靠時，流經洩露路徑(7)出口 (12)的流體從傳感杯狀空腔(9)排出，並且不會導致該傳感元件中顯著的壓力升高。當傳 感元件如圖2所示地緊靠目標部件(6)時，由洩露流體(12)所佔據的路徑變得受限制並且 傳感元件空腔(9)中的壓力升高。由於該傳感元件空腔經由第二通路(8)與相對壓力空間 (11)連通，因此這一空間中的壓力升高，從而減小活塞或致動表面C3)上的壓力差，以由此 減小使得該傳感元件朝向目標部件(6)凸出的力。還設有對該活塞或致動表面上的壓力差 不敏感的彈簧(13)或其他力生成機構，其配置為作用以使得該傳感元件裝成離開該目標 部件，以使僅當該活塞或致動表面位於其行進極限處或當與該相對壓力空間連通的傳感元 件空腔中的壓力與所述對該活塞或致動表面上的壓力差不敏感的彈簧(1 或其他力生成 機構之力的合力與從該致動空間內部作用在該活塞或致動表面上的壓力均衡時才達成力 平衡。當未加壓時，彈簧使得傳感元件保持離開該目標部件。圖3 5示出了活塞密封裝置00)的一部分，其中加壓流體源(1』 )現為經由管 道(14)與致動空間(2』 )連通並且作用在致動表面(3』 )上之活塞上方的氣體或液體，在 這一應用中，所述致動表面(3』 )可配置為非平面膜，這樣施加壓力差以使之變平且因此軸 向擴張且直接將傳感和密封機構(4』 )推向目標部件，這一情況下為氣缸壁(6』)。由於加 壓流體源為由活塞處理的流體，密封件00)的操作有利地可為壓力起動。該傳感和密封機構帶有用作傳感元件空腔(9』 )的環形槽，所述槽可分為多個徑 向部的段或者可為一個連續槽，並且經由形成洩露路徑(7』 )之元件的一根導管或一組導 管與致動空間連通且經由第二獨立導管(8』 )與作用在致動表面(3』 )的相對側上的相對 壓力空間(11』 )連通。當該傳感和密封元件不緊靠氣缸壁(6』 )時，洩露流體通過洩露路 徑(7』)並且直接經過由該傳感和密封元件與該氣缸壁出口(12』)所界定出的環形槽至活 塞下方的下壓力空間(15』)，並且不會導致傳感和密封元件空腔中的壓力顯著升高。當傳 感和密封元件緊靠氣缸壁時，由洩露流體所佔據的路徑變得受限制並且傳感空腔中的壓力 升高。由於該傳感空腔經由第二導管(8』 )與相對壓力空間(11』 )連通，因此這一空間中 的壓力也升高，從而減小活塞或致動表面(3』 )上的壓力差，以由此減小使得該傳感和密封 單元朝向氣缸壁(6』)凸出的力。燈籠彈簧(16)定位為使致動表面的剛性增加並且使得密 封件00)在未加壓時保持為遠離氣缸壁。當加壓均衡達成時，在傳感和密封元件空腔中的壓力升高以及由此相對壓力空間 中的壓力升高以使致動空間與相對壓力空間中的壓力差導致減小的徑向力沿氣缸壁的方 向作用在該傳感和密封元件上，以使彈簧負載足以將密封件保持為與所述壁相隔較小的距 離。由於與所述壁的接觸會導致相對空間壓力等於致動壓力以及因此導致零壓力差，並且 大的密封間隙會導致大壓力差，因此很明確均衡狀態可設置為形成非常小的密封間隙而密 封件與壁之間沒有明顯的接觸。圖5示出了處於加壓及完全撓曲形狀的密封件00)。這一圖中，可觀察到致動空 間O』)與相對壓力空間(11』)之間的壓力差使得致動表面(3』)撓曲，通過與致動表面的 接觸，以相同的方式撓曲彈簧(16)。圖6示出了基於圖3裝置的另一活塞密封裝置00』 )的一部分，但形成洩露路徑(圖3中的7』)的導管形成為凹槽(channel) (17)，或者為在密封組件和傳感元件空腔的壓 力側之間延伸的傳感和密封元件密封面中的一組凹槽。這一結構可證明為更簡單的結構， 特別是在密封件系由塑料或彈性體成型時。省略洩露通道可能會導致將密封件鎖定在密封 面上，這是因為相對壓力空間與傳感空腔之間此時不存在流路。圖7示出了在密封件外圍的周圍界定出的連續密封面的活塞密封件00)的整體 視圖。應注意，密封件00)亦可配置為對滑動或旋轉軸進行密封。在密封件OO)上基本 不存在壓力差的軸密封應用中，一種結構是安裝兩個背靠背的密封件，則可對中間空間進 行加壓並且這樣使得密封件作用。由於使用這一密封技術需要小洩露，其特別適於整個裝 配件在單一流體中操作的場合，以使得洩露後果不嚴重。這使得本概念特別可應用於對航 海環境下的軸以及在空氣或者使用無害氣體中使用的活塞和致動器進行密封。活塞密封件OO)包括基本環形的密封燈籠彈簧04)，如圖8所最清楚地示出。燈 籠彈簧04)背靠著致動表面並且阻礙壓力下的撓曲，這樣由彈簧力生成的徑向力用於將 密封面拉離密封面。示出了一種所提出的結構，其中由彈簧04)所形成之環的截面為V形 槽，並且切割為一組由內邊緣上的連續環08)連結的徑向段06)。這一構造允許撓曲，以 減小凹槽的V形而無需形成可能導致彈簧剛性過大的高環向應力。圖9示出了活塞密封裝置(30)的使用多層構造的另一結構。這一形式中，從密封 件上方的相對壓力空間對各連續組件的洩露路徑(7」』)進行加壓。這一構造允許密封件堆 上可有漸進的壓力梯度，並且發現在需要低洩露率時是有利的。圖10示出了根據本發明的與密封面分離的密封件上的徑向力的圖表。由圖可見， 當所述密封件與所述壁接觸時所述力(即，離開密封壁)為負，並且隨著距離增大而變為正 (即，朝向密封面壁)。這表明當非常靠近壁時，力一距離關係既穩定且具有均衡狀態。作 為一個圖示，圖10的圖表涉及具有下列特徵的密封件密封件直徑110mm徑向回彈率20N/mm高壓側壓力30bar低壓側壓力lbar由這一結構形成的密封件間隙為2. 6微米，且結果洩露率為Ibar的壓力有0. 13升/秒的空氣。由於以此方式配置的密封件通常穩定為密封件與密封表面之間有小的間隙，其亦 可用作軸承。現有的氣體軸承需要非常高的精度以有效工作，而根據本發明原理構造的軸 承的精度就不重要得多，這是因為該軸承會適應其所靠著操作的表面。本發明的優點致動原理提供了非常簡單的結構以使得伺服組件具有觸覺。這在機器人技術中以 及這樣的加工中特別有用，即，需要依照適中強度的模板或凸輪同時提供剛性非常高的輸 出運動並且不在控制機構或者其他位置輸出裝置上施加高負載。當配置為密封件時，由於密封件與要密封的表面之間沒有或者僅有極少的接觸， 將會達成非常低的摩擦和磨損。當高可靠性、長使用壽命及低維護重要時，這具有極大的意 義。由於低摩擦也意味著高機械效率，這在通常用作密封件和軸承時降低機器的能耗方面 也有意義。所述密封件的反應伺服動作亦減小了對密封件與孔或者軸與密封件之間極高精度的需求，就有可能極大地降低成本。 儘管用於大多數低溫應用的密封件和軸承適於由聚合物彈性體製造，若部件的初 始配合達成更高的精度以使修正函數所必須的撓曲減小至適於材料特性的水平，則相同的 原理可應用於剛性更大的材料，諸如金屬或陶瓷。若使用剛性非常大的材料，可採用開式密 封環、捲曲密封環等結構。通過這些裝置，本發明可用作用於發動機應用的低摩擦、低磨損 的活塞環。
權利要求
1.一種由流體壓力操作的致動器裝置，包括界定出第一腔室的本體，所述第一腔室包括與加壓流體源流體連通的入口 ；及安裝在所述第一腔室中的可移動元件，所述可移動元件包括操作端和分區機構，所述 分區機構配置為在使用所述裝置期間分割所述第一腔室中包括所述入口的第一區域和所 述第一腔室中與所述第一區域相對的第二區域，所述可移動元件可相對於所述本體在延伸 形態和回縮形態之間移動，可響應所述分區機構上的壓力差而發生從所述回縮形態到所述 延伸形態的移動；其中，所述致動器裝置包括第一通路以允許流體從所述加壓流體源流通至所述可移動 元件的操作端中的第二腔室，以及第二通路以允許流體從所述第二腔室流通至所述第一腔 室的第二區域，所述操作端配置為當所述可移動元件處於回縮形態時允許所述第二腔室中 的流體在所述操作端與目標表面之間通過，並且配置為當所述可移動元件處於延伸形態時 接靠所述目標表面以基本上限制所述操作端與所述目標表面之間的流體通路。
2.如權利要求1所述的致動器裝置，其中所述致動器裝置還包括偏壓機構以用於偏壓 處於所述回縮形態的所述可移動元件。
3.如權利要求2所述的致動器裝置，其中所述偏壓機構提供偏壓力，所述偏壓力隨著 所述可移動元件從所述回縮形態移動至所述延伸形態而增大。
4.如前述權利要求中任一項所述的致動器裝置，其中所述分區機構配置為從所述第二 區域基本密封所述第一區域。
5.如前述權利要求中任一項所述的致動器裝置，其中所述第一腔室包括氣缸，並且所 述分區機構包括可在所述氣缸內在延伸位置和回縮位置之間移動的活塞，所述可移動元件 的操作端可通過軸連接至所述活塞。
6.如前述權利要求中任一項所述的致動器裝置，其中所述可移動元件包括撓性膜。
7.如權利要求6所述的致動器裝置，其中所述可移動元件包括這樣的撓性膜，其配置 為隨著所述膜在非平面形態與更平面形態之間移動而徑向擴張。
8.如前述權利要求中任一項所述的致動器裝置，還包括另一如前所述的可移動元件， 所述另一可移動元件的第一通路與所述首先提及的可移動元件的第一腔室的第二區域流 體連通。
9.如前述權利要求中任一項所述的致動器裝置，其中所述可移動元件的操作端配置為 提供對著所述目標表面的密封動作。
10.如權利要求1 8中任一項所述的致動器裝置，其中所述可移動元件的操作端配置 為提供軸承面。
11.如權利要求1 8中任一項所述的致動器裝置，其中所述可移動元件的操作端配置 為提供傳感器。
12.如權利要求11所述的致動器裝置，其中所述操作端配置為提供位置傳感器。
13.—種相對於第二部分密封第一部分的機構，所述機構包括如權利要求1 8中任一 項所限定之致動器裝置，所述致動器裝置具有配置為提供密封動作的操作端。
14.如權利要求13所述的密封機構，其中所述致動器裝置的操作端沿所述密封機構的 外圍延伸。
15.如權利要求14所述的密封機構，其中所述第二腔室包括沿所述致動器裝置的操作端延伸的連續槽。
16.一種包括如權利要求1 8中任一項所限定之致動器裝置的軸承機構，所述致動器 裝置具有配置為提供軸承面的操作端。
17.如權利要求16所述的軸承機構，包括另一如權利要求1 8中任一項所限定的致 動器裝置，其中所述首先提及的致動器裝置和所述另一致動器裝置位於可旋轉體的相對橫 向兩側。
全文摘要
一種由流體壓力操作的致動器裝置，包括界定出第一腔室(2)的本體，所述第一腔室包括與加壓流體源(1)流體連通的入口；及安裝在所述第一腔室中的可移動元件(5)，所述可移動元件包括操作端(4)和分區機構(3)，所述分區機構配置為在使用所述裝置期間分割所述第一腔室的包括所述入口的第一區域和所述第一腔室的與所述第一區域相對的第二區域，所述可移動元件可相對於所述本體在延伸形態和回縮形態之間移動，可響應所述分區機構上的壓力差而發生從所述回縮形態到所述延伸形態的移動；其中，所述致動器裝置包括第一通路(7)以允許流體從加壓流體源流通至所述可移動元件的操作端中的第二腔室(9)，以及第二通路(8)以允許流體從所述第二腔室流通至所述第一腔室的第二區域，所述操作端配置為當所述可移動元件處於回縮形態時允許所述第二腔室中的流體在所述操作端與目標表面之間通過，並且配置為當所述可移動元件處於延伸形態時接靠所述目標表面以基本限制所述操作端與所述目標表面之間的通路。
文檔編號F15B15/14GK102057168SQ200980121986
公開日2011年5月11日 申請日期2009年6月5日 優先權日2008年6月6日
發明者喬納森·塞巴斯蒂安·豪斯 申請人:等熵有限公司