CN1010968B - 伺服机构 - Google Patents

Abstract

伺服机构，具有定向往复运动的输出件，利用流体压力使该输出件动作的执行器，在该输出件对面、承受操作输入并沿与该输出件平行方向往复动作的输入件，分别设置在该输入件和该输出件相对部位的齿条，在这两个齿条之间并可沿与该输入，输出件平行方向往复运动的阀芯，铰支在此阀芯上并与上述两齿条啮合的空转齿轮及当该输入件移动使该阀芯向非中立位置移动时能使该执行器向该阀芯返回中立位置的方向动作的流件压力回路。

Description

本发明涉及一种伺服机构，该机构用于下列场合，使加在输入构件上的位移输入增加，能够得到与该位移输入成正比的增加的位移输出。

作为这种伺服机构，有的借助于液压执行器等使输出件动作，同时可以用加在输入件上的位移输入对设在此液压执行器的驱动回路中的切换阀进行切换操作，而且构成可以把上述输出件的位移输出反馈到上述切换阀，修正该切换阀的阀芯位置，由此可以得到上述倍力比例输出。

但是，过去的机构是通过杠杆等把上述输出件的输出位移反馈到上述切换阀的。因此，不得不成为零件数多、结构复杂的机构，存在着装配困难、难以小型轻量化这样的问题。

本发明涉及的伺服机构，其目的在于提供一种结构简单的位置控制伺服机构，它还是能克服零件数多装配困难的问题、可以小型轻量化、装配容易、可靠性高的伺服机构。

另外，本发明的第二个目的在于提供除了上述可以小型轻量化、装配容易，可靠性高的特点之外，还能很容易地实现动作的高精度化的伺服机构。

为了达到以上的目的，本发明的特点是具备可沿一定方向往复运动的输出件，利用流体压力使此输出件往复动作的执行器，配置在上述输出件对面、承受操作输入、沿与上述输出件平行的方向往复动作的输入件，分别设在此输入件和上述输出件的互相对面的部位的齿条，设置在这两个齿条之间、可沿与上述输入、输出件平行的方向往复运 动的阀芯，铰支在此阀芯上、与上述两个齿条啮合的空转齿轮，当上述阀芯处于中立位置时把上述执行器锁定、当上述输入件的移动使上述阀芯向非中立位置移动时切换成可以使上述执行器向该阀芯返回中立位置的方向动作的流体压力回路。

另外，为了达到上述第二个目的，本发明的特点是在以上构件之外再设置使上述阀芯沿一定方向弹性位移的弹簧。

由于这样的构成，如果输入件从阀芯保持中立位置而执行器被锁定的状态开始运动，则与它压紧的空转齿轮以输出件侧的齿条为支点转动，与此同时，阀芯向着与该输入件相同的方向移动与上述输入件的移动距离成比例的一段距离。结果，液压回路切换，上述执行器动作，输出件沿使上述阀芯返回原中立位置的方向移动，所以最后阀芯大体上静止。因此，此输出件总是沿与上述输入件相反的方向移动与该输入件的移动距离成比例的距离。

图1为表示本发明的一个实施例的剖视图。

图2为图1中Ⅱ-Ⅱ线剖视图。

图3为图1中Ⅲ-Ⅲ线剖视图。

图4为表示变形实施例的图。

图5为图4中Ⅴ-Ⅴ线剖视图。

下面参照附图说明将本发明用于旋转式流体能量转换机中配流轴位置调整的场合的一个实施例。

在壳体（1）内通过多个第一静压支承（3），可旋转地嵌合着扭矩环（2）。壳体（1）是个一端有开口部（1a）的有底圆锥形零件，其内周与上述扭矩环（2）嵌合的部位形成沿上述开口部（1a）方向逐渐减小直径的锥面（4）。另外，扭矩环（2）是有 与上述锥面（4）同一圆锥角的周壁（2a）的杯形零件，它的一端轴心部整体突出旋转轴（6），此旋转轴（6）的前端通过上述开口部（1a）伸到壳体（1）外。另外，第一静压支承（3）是在上述扭矩环（2）的 外周所需部位固定与上述壳体（1）的锥面（4）接触的滑靴（5），同时在此滑靴（5）中沿轴向相邻形成三个压力窝（7a）、（7b）、（7c），把流体压力引入这些压力窝（7a）、（7b）、（7c）中。而且，奇数个静压支承（3）沿圆周方向等角间隔配置。另外，在上述扭矩环（2）的内周与上述各个第一静压支承（3）对应的部位形成内平面（2c）。而且与此扭矩环（2）内周上述各内平面（2c）对应的部位分别配置柱塞（8），使这些柱塞（8）的前端部（8a）通过第二静压支承（9）与对应的内平面（2c）接触。第二静压支承（9）形成平面形状以便使上述柱塞（8）的前端面（8a）与上述内平面（2c）紧密接触，同时在此前端面（8a）中形成压力窝（11），把流体压力引入此压力窝（11）。另外，上述各柱塞（8）的基端部靠柱塞保持构件（12）来保持，该柱塞保持构件（12）与上述各柱塞（8）之间形成用来引入流体的空间。就是说，柱塞保持构件（12）由有与上述壳体（1）及扭矩环（2）的轴心即旋转轴心m平行的轴心n且把滑动部（14a）支持在上述壳体（1）上的配流轴（14），和可旋转地嵌合在此配流轴（14）外周的环形缸体（15）组成，此缸体（15）上开有沿圆周方向等角间隔的具有与上述配流轴（14）的外表面大体垂直的轴心的多个缸孔（16），形成放射形。而且，在这些缸孔（16）中滑动自如地嵌合着上述各个柱塞（8），这些柱塞（8）的基端面（8b）与上述各个缸孔（16）的内表面形成上述空间（13）。再者，上述缸体（15）通过方向联轴节（20）等与上述扭矩环（2）连接，以便以与该扭矩环（2）相同的角速度旋转。另外，上述配流轴（14）为其外表面制成与上述扭矩环（2）的周壁（2a）的圆锥角略等的圆锥面的截头圆锥形零件，上述各个柱塞（8）被保持得可以沿与上述扭矩 环（2）的周壁（2a）垂直的方向进退。而且，此配流轴（14）的滑动部（14a）制成梯形断面的纵长块状，可滑动地嵌合在上述壳体（1）的内部设置的梯形槽（19）中。就是说，此配流轴（14）被保持得可以沿与上述旋转轴心m垂直的方向滑动，借此可以把该配流轴（14）的轴心n与上述轴心m之间的距离D调节成包括零在内的期待值。而且，如图2所示，在上述壳体（1）内，以与上述配流轴（14）的滑动方向一致的假想分割线P为界分割成第一区A和第二区B，通过上述第一区A时的上述空间（13）与第一流体流道（21）连通，通过上述第二区B时的上述空间（13）与第二流体流道（22）连通。第一流体流道（21）带有使上述空间（13）开口于缸体（15）的内表面的流体通路（23），及一端开口于配流轴（14）的外表面的第一区A侧部位、另一端开口于配流轴（14）的滑动部（14a）中第二区B侧的斜面（14b）的配流轴贯通通路（24），以及与这个配流轴贯通通道（24）的另一端对应并穿过上述壳体（1）的流体进出口（25）。而且，在上述配流轴（14）的外表面与上述缸体（15）的内表面之间设置形成第三静压支承（26）的压力窝（27），同时在另一端的上述配流轴（14）的斜面（14b）与上述壳体（1）的内表面之间设置形成第四静压支承（28）的压力窝（29）。上述压力窝（27）是沿圆周方向细长的窝，起着把处在第一区A中的所有空间（13）与上述配流轴贯通通道（24）连通的作用。另外，上述压力窝（29）是沿上述配流轴（14）的滑动方向细长的窝，起着当该配流轴（14）滑动时防止上述配流轴贯通通道（24）与上述流体进出口（25）的连通被截断的作用。另一方面，第二流体流道（22）带有上述流体通路（23），及一端开口于配流轴（14）的外表面的第二区B侧部位、另一端开口于配流轴（14） 的滑动部（14a）中第一区A侧的斜面（14c）的配流轴贯通通路（34），以及与这个配流轴贯通通道（34）的另一端对应并穿过上述壳体（1）的流体进出口（35）。而且，在上述配流轴（14）的外表面与上述缸体（15）的内表面之间设置形成第三静压支承（36）的压力窝（37），同时在另一端的上述配流轴（14）的斜面（14c）与上述壳体（1）的内表面之间设置形成第四静压支承（38）的压力窝（39）。再者，这些压力窝（37）、（39）是与上述压力窝（28）、（29）同样结构的窝。

另外，与上述各柱塞（8）对应的空间（13）内的流体压力经过设在该柱塞（8）轴心部的压力导入路（41）引入对应的第二静压支承（9）的压力窝（11），同时该压力窝（11）内的流体压力经过穿过上述扭矩环（2）的流体通路（42a）、（42b）、（42c）引入对应的第一静压支承（3）的压力窝（7a）、（7b）、（7c），而且，这些流体通路（42a）、（42b）、（42c）与上述压力窝（11）构成滑阀要素（50）就是说，此滑阀要素（50）利用上述柱塞（8）与上述扭矩环（2）的轴向相对位移动作有选择地接通或切断对上述各压力窝（7a）、（7b）、（7c）的流体供给，当上述第一静压支承（3）的位置中心与上述柱塞（8）的中心的轴向错位在一定范围内时，上述压力窝11与所有的流体通路（42a）、（42b）、（42c）连通，而当上述位置中心与上述柱塞（8）的中心轴向错位超出一定范围时，离上述柱塞（8）远侧的流体通路（42c）或（42a）与上述压力窝（11）的连通被切断。再者，上述流体通路（42a）、（42b）、（42c）的中途分别设有节流孔（40a）、（40b）、（40c）。而且，上述两个静压支承（3）、（9）的方向与面积设 定成这样的值，以便使引入第一静压支承（3）的流体静压对上述扭矩环（2）的作用力与引入第二静压支承（9）的流体静压对上述扭矩环（2）的作用力大小相等方向相反。另外，上述第二静压支承（9）的面积设定成这样的值，以便使引入该静压支承（9）的流体静压对上述柱塞（8）的作用力与上述空间（13）的流体静压对上述柱塞（8）的作用力互相抵消。此外，上述第三静压支承（26）（36）的面积设定成这样的值，以便使引入该静压支承（26）（36）的静压对上述缸体（15）的作用力与处于对应区A（B）内的空间（13）内的流体静压对上述缸体（15）的作用力互相抵消。另外，上述第四静压支承（28）（38）及该静压支承（28）（38）所设置的斜面（14b）（14c）的倾斜角度设定成这样的值，以便使引入该静压支承（28）（38）的流体静压对上述配流轴（14）的作用力与引入处于与上述斜面（14b）（14c）相反的区A（B）中的第三静压支承（26）（36）的流体静压对上述配流轴（14）的作用力互相抵销。

再者，（43）是密封件，（44）是对上述旋转轴进行辅助支承的轴承。

而且，在这种变量流体能量转换机中设置了把输入的电气数字信号转换成机械位移量的步进电机（51）及使配流轴（14）与此步进电机（51）的输出位移量成比例地往复动作的伺服机构（52）。上述伺服机构（52）具备作为可沿一定方向往复运动的输出件的上述配流轴（14），利用流体压力使此配流轴（14）往复动作的执行器（53），配置在上述配流轴（14）对面、承受操作输入、沿与上述配流轴（14）平行的方向往复动作的输入件（54）。分别设在此输入件（54）和上述配流轴（14）的互相对面的部位的齿条（55）、 （56），设置在这两个齿条（55）、（56）之间、可沿与上述输输入件（54）平行的方向往复运动的阀芯（57），铰支在此阀芯（57）上、与上述两个齿条（55）、（56）啮合的空转齿轮（58），当上述阀芯（57）处于中立位置时把上述执行器（53）锁定、当上述输入件（54）的移动使上述阀芯（57）向非中立位置移动时切换成可以使上述执行器（53）向该阀芯（57）返回中立位置的方向动作的流体压力回路（59）。详细地说，上述执行器（53）主要由设置在上述配流轴（14）的滑动部（14a）的长边方向两端部的成对流体缸（61）、（62）构成。流体缸（61）、（62）是把圆柱体形的柱塞（61b）、（62b）可滑动地嵌合在开口于上述配流轴（14）的滑动部（14a）各端面（14d）、（14e）的缸孔（61a）、（62a）中而成的，借助于装在上述缸孔（61a）、（62a）内的弹簧（61c）、（62c）把这些柱塞（61b）、（62b）向外压紧，以便使其外端经过密封件（61d）、（62d）始终与对面的上述壳体1的内面（1a）、（1b）接触。而且，在上述壳体1的内面（1a）、（1b）处设置与上述各缸孔（61a）、（62a）内连通的流进流出口（61e）、（62e）。另外，上述输入件（54）是可滑动地装在 字形断面的盖（63）内的棱柱形零件，其轴心部有螺纹孔（54a）。而且，上述步进电机（51）的输出轴（64）上的螺纹部（64a）旋入此输入件（54）。另外，上述阀芯（57）靠近两端处分别有台肩（65）、（66），其两端部分可滑动地嵌合在上述壳体（1）与上述盖（63）之间的流道块（67）内。而且，借助于这个流道块（67）和上述阀芯（57），在上述台肩（65）、（66）的内侧形成高压用通路（68）、（69），同时在外侧形成经回流道 （71）、（72）与壳体泄流连通的低压用通路（73）、（74）。另外，在上述流道块（67）的内周开口的有始终连通着上述高压用通路（68）、（69）的高压流道（75）、（76），及连通上述各流体缸（61）、（62）的流入流出口（61e）、（62e）的流道（77）、（78）。而且，当上述阀芯（57）保持在中立位置时，设定成使上述台肩（65）、（66）封闭上述流道（77）、（78）。另外，在此阀芯（57）的中央部设有平坦部，在此平坦部两侧通过销轴（81）旋转自如地铰支着成对的空转齿轮（58）。还有，在此阀芯（57）的下端与上述流道块（67）的内面之间装有始终把该阀芯（57）向上方弹性偏倚的弹簧（82）。而且，上述流体压力回路（59）由上述高压流道（75）、（76），上述高压用通路（68）、（69），上述流道（77）、（78），上述低压用通路（73）、（74）及上述回流道（71）、（72）组成。再者，上述高压流道（75）、（76）与高压侧的流体流道即本实施例中的第一流体流道（21）连通。

下面说明图示实施例的工作原理。

本体部分的基本工作原理如特开昭58-77179号公报中所示。就是说，如果把高压流体经第一流体流道（21）供入处于第一区A的空间（13）内，则在扭矩环（2）上产生使该扭矩环（2）沿箭头S方向旋转的力偶，发挥出作为马达的机能。另外，如果用外力使上述扭矩环（2）沿箭头R方向旋转，则高压流体经上述第一流体流道（21）排出，实现作为泵的机能。而且，使上述配流轴（14）沿梯形槽（19）往复运动，改变其轴心n相对于壳体（1）的轴心m的偏心量，即可调节其容量。

下面说明其容量可变控制部分的工作原理。首先，当步进电机（51）停止、阀芯（57）保持图1所示的中立位置时，此阀芯（57）的台肩（65）、（66）把流道（77）、（78）封闭，所以执行器（53）的两个流体缸（61）、（62）被锁定，配流轴（14）保持一定位置。如果由来自图中未画出的计算机等的指令使步进电机（51）从这种状态开始动作，其输出轴（64）旋转所需角度，则与此输出轴（64）的螺纹部（64a）配合的伺服机构（52）的输入件（54）沿与上述配流轴（14）的动作方向平行的方向进退动作。现在设上述输入件（54）从图1所示的状态开始向上方移动。这样一来，与此输入件（54）的齿条（55）啮合的空转齿轮（58）以停止着的配流轴（14）的齿条（56）为支点向上方转动。结果，经销轴（81）连接于此空转齿轮（58）的中心部的阀芯（57）将向上方移动上述输入件（54）的移动距离一半的距离。由此，一侧的高压流道（75）与一侧流道（77）经高压用通路（68）连通。结果，第一流体流道（21）内的高压流体的一部分通过上述各流道（75）、（77）供给一侧缸（61）的流入流出口（61e）。该压力流体被引入缸孔（61a）内。这时，另一侧的流入流出流道（78）经低压用通路（74）与回流道（72）连通。因此，供入上述一侧的缸（61）中的高压流体的压力使上述配流轴（14）向下方移动。配流轴（14）一向下方移动，上述空转齿轮（58）就以上述输入件（54）的齿条（55）为支点向下方移动，上述阀芯（57）随之向下方移动。而且，在此阀芯（57）返回上述中立位置时，上述两个流道（77）、（78）再次被上述台肩（65）、（66）所闭塞，上述两个缸（61）、（62）象原来那样被锁定。因而，上述配流轴（14）向 相反方向移动与上述输入件（54）相同的距离后停止。接着，当上述输入件（54）向下方移动时，以上的说明上下颠倒，上述配流轴（14）向上方移动与上述输入件（54）的移动距离相同的距离。

所以，可以使配流轴（14）沿对应的方向往复移动与步进电机（51）的正反旋转量对应的距离，可以对应于供给上述步进电机（51）的数字信号使其容量适当变化。

于是，此伺服机构（52），由于在输入件（54）与作为输出件的配流轴（14）之间装有空转齿轮（58），靠此空转齿轮（58）的转动作用实现从上述输入件（54）到上述阀芯（57）的输入位移的传递及从上述配流轴（14）到上述阀芯（57）的反馈位移的传递，所以与用杠杆等进行反馈的伺服机构相比零件数少得多，结构也简单。因此，可以实现大幅度的小型化和轻量化。另外，如果用弹簧（82）把上述阀芯（57）沿始终沿一定方向弹性偏倚，则上述空转齿轮（58）的齿始终与上述两个齿条（55）、（56）弹力接触，所以可消除该空转齿轮（58）与上述齿条（55）、（56）的间隙。就是说，可以消除齿侧游隙的影响。因此，精细的调整是可能的，可以实现高精度的期待位置控制。

另外虽然在实施例中说明了输出件的位移量等于输入件的位移量的情况，但是例子如图4、图5所示，如果成组使用半径比不同的空转齿轮，则可以移动与输入件成比例的量（放大、缩小都可用不同的齿条和齿轮实现），象这样种种变形是可能的。就是说，成了空转齿轮（58b）与齿条（56）啮合，小空转齿轮（58a）与齿条（55）啮合。

再有，在本发明中，可以使配流轴（14）沿对应的方向往复移动与步进电机（51）的正反旋转量对应的距离，所以可以使其容量对应 于供给上述步进电机（51）的数字信号适当变化。因此，如果使此步进电机按来自计算机等数字式控制装置的信号动作，则可简单而且正确地实现上述的恒压力控制或恒功率控制或双压力控制，而且，控制方式的切换等也容易对应。并且，由于上述步进电机直接利用来自计算机等的数字信号动作，所以不需要数/模转换电路，而且因为不受温度漂移等的影响所以不需要各种补偿电路。因而，可以用简单的结构实现高精度的变量控制，本发明也要求这一点权利。

再有，本发明可以使其容量对应于供给上述步进电机（51）的数字信号适当变化。而且，可以用编码器（86）把该变化量转换为数字信号，同时用显示装置（87）直接外部显示。

而且，为了得到检测输出，执行器（53）的缸（61）内装有螺母（83），其内配有丝杠（84），此丝杠（84）与编码器（86）等连接，因此用来把上述配流轴（14）的动作传给上述编码器（86）等的机构并未加大，结构简单。此外，由于上述螺母（83）靠上述执行器（53）内的弹簧    始终靠紧配流轴（14），所以即使不用其他固定件固定在配流轴（14）上，也能使该螺母（83）正确地跟踪上述配流轴（14）的动作。因而，不会带来加工或装配的困难或结构的复杂化，可以以很高的精度检测上述配流轴（14）的移动位置。作为螺母的压紧手段，也可以用液压方式。这时有必要把螺母（83）下方密封并使其内部通回流。这一点也是本发明的一大特点，也要求这项权利。

另外，本发明不限于配流轴的位置控制，可用于其他种种领域。

本发明由于有以上的构成，所以能消除零件数多结构复杂化的问题，小型轻量化容易，可提供可靠性高的伺服机构。

另外，如果在上述伺服机构中采用由向输入操作输入的电气信号转 换成机械位移量的步进电机及与此步进电机的输出位移量成比例的可动手段来实现，则除了上述效果外还可以得到能实现高精度控制的效果。

Claims (3)

1、一种伺服机构包括把输入的电信号转换成机械位移量的步进电机，其特征在于该伺服机构具有可沿一定方向往复运动的输出件，利用流体压力使该输出件往复动作的由油缸及活塞组成的执行器，配置在上述输出件对面，承受操作输入并沿与上述输出件平行的方向往复动作的输入件，分别设在输入件和输出件的互相对面部位的齿条，设置在两个齿条面之间并可沿与上述输入、输出件平行的方向往复运动的阀芯，阀芯上铰支着与上述齿条相啮合的小齿轮，以及当上述输入件的移动使上述阀芯向非中立位置移动时，能使上述执行器向该阀芯返回中立位置的方向转换动作的流体压力回路。

2、按权利要求1所述的伺服机构;其特征是所述输入件由所述步进电机来驱动。

3、按权利要求1所述的伺服机构其特征是：在液压执行器中有始终压紧接触往复运动的输出件的螺母，及与此螺母配合并把该螺母对上述输出件的跟踪动作转换成旋转往复动作的丝杠，及与此丝杠连接并把该丝杠的转动位移量转换成检测输出的编码器。

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