一种气缸

本发明属于气体传输与控制领域，具体涉及一种气缸。

背景技术：

1、气压传动与控制装置具有高能量密度、低噪音、无冲击等优势，在国民经济和国防工业的各个行业已成功应用多年。传统的气压动力装置通常都是由尺寸较大的电动机、机械泵、换向阀、减压阀及调速阀等构成，故体积庞大、结构连接及控制比较复杂，具有一定的应用局限性，微小系统及远程控制系统；因此人们相继提出了多种类型的微小型容积泵的集成式气动系统，较好地实现了微小化、集成化及自动供气。但因容积泵所采用的是悬臂梁型被动截止阀，工作中被动截止阀开关仅由气体压力控制、动力响应滞后，故有效频带较窄；最关键的是，长期工作时被动截止阀会产生塑性变形、截止反流效果差，难以实现驱动力、运动速度及距离的精确控制与调节，无法用于精密机械加工与装配、精密测量、精密光学驱动等要求驱动、定位及控制精度高的领域。

技术实现思路

1、一种气缸，由盖板、缸体、缸盖、活塞、外磁铁、内磁铁、薄片阀、薄片振子、换向阀、气罐、单向阀及连接管路构成，换向阀为三位四通阀，单向阀为外置的主动或被动阀；薄片阀为由悬臂基片与悬臂晶片粘接而成的悬臂梁型压电片，薄片振子为由圆基片与圆晶片粘接而成的圆形压电片，悬臂基片和圆基片由铁磁性金属材料制成，悬臂晶片和圆晶片为压电晶片。

2、盖板上设有含至少两个圆台的圆台组，圆台为偶数个，圆台组中各圆台沿盖板的长度方向一字排列；圆台上设有阀腔、外磁腔、排气孔及与阀腔连通的吸气孔，阀腔和排气孔位于外磁腔的左右两侧；两个相邻圆台上的排气孔和吸气孔相互连通，即：第一个圆台上的排气孔与第二个圆台上的吸气孔连通。

3、外磁腔中镶嵌有外磁铁，外磁铁的磁极沿外磁腔的高度方向、即盖板的厚度方向配置；薄片阀的一端固定在阀腔的底壁上，薄片阀自由端的悬臂基片一侧封堵在吸气孔上，薄片阀的自由端靠近外磁铁并与外磁铁之间产生磁耦合力；薄片阀自由端靠近两磁极的轴向端部时磁耦合吸引力最大，薄片阀自由端靠近外磁铁的磁极界面及磁极两端时磁耦合吸力最小，薄片阀与外磁铁构成双稳态变形系统，增加薄片阀关闭力和开度；非工作时、即薄片阀处于非变形的自然状态时，薄片阀端部及其所封堵的吸气孔的端面位于外磁铁的磁极界面的同侧且薄片阀靠近磁极界面，磁极界面是指外磁铁的n极与s极的分界面，外磁铁与悬臂基片间的磁吸力将薄片阀吸靠在吸气孔的端面上；薄片阀开启与关闭过程中，薄片阀越过磁极界面前外磁铁阻碍薄片阀运动、越过磁极界面后外磁铁促进薄片阀运动。

4、缸体上设有缸腔，缸腔壁上设有左气孔、右气孔及至少一个阶梯腔组，左气孔和右气孔分别位于缸腔壁的两端，阶梯腔组的端部为平面，每个阶梯腔组中含有至少两个沿缸腔轴向排列的阶梯腔，阶梯腔与圆台的数量相等，阶梯腔由圆台腔、振子腔和内磁腔构成，圆台腔、振子腔及内磁腔同轴且直径依次减小，阶梯腔与缸腔不连通。

5、内磁腔中镶嵌有内磁铁，内磁铁的磁极沿内磁腔的高度方向、即缸腔的厚度方向配置；缸盖经螺钉或螺纹安装在缸腔的端口上，活塞套在缸腔内、活塞杆经缸盖上的通孔从缸腔伸出；活塞将缸腔分隔成左缸腔和右缸腔，左缸腔和右缸腔分别与左气孔和右气孔连通。

6、盖板经螺钉安装在缸体上，圆台组与阶梯腔组正对安装，圆台置于圆台腔中并经密封圈将薄片振子压接在振子腔的端部，内磁铁与外磁铁的异性或同性磁极正对安装；非工作时，即薄片振子不受电压作用、无弯曲变形时，薄片振子与内磁铁和外磁铁间的作用力大小相等、方向相反，内磁铁与外磁铁间的磁耦合排斥力与其间距离呈非线性关系，薄片振子与内磁铁和外磁铁构成双稳态系统；工作中，薄片振子受电压作用发生弯曲变形，薄片振子与内磁铁和外磁铁间的距离及磁耦合力均发生变化，一侧的磁耦合力增加、另一侧减小，且距离减小一侧的磁耦合力为吸力、距离增加一侧的磁耦合力为排斥力，磁耦合力的变化增加了薄片振子的变形量；薄片振子变形量达到最大且电压换向后，薄片振子所受的电压力与弹性恢复力之和大于所受的磁耦合力与流体反作用力之和，薄片振子可顺利复位。

7、薄片振子与盖板和缸体分别围成主腔和副腔，薄片振子、密封圈及圆台围成主腔，主腔为密闭腔；薄片振子将振子腔封堵成副腔，副腔为与大气相通的非封闭腔；一个圆台组和阶梯腔组所构成的各主腔相互串联并形成一个主腔组，主腔组可串联、并联、串-并联或并-串联构成驱动单元，多个主腔组串联提高驱动力，多个主腔组并联提高驱动速度，多个驱动组串-并联或并-串联同时提高驱动力和驱动速度。

8、驱动单元中的第一个吸气孔和最后一个排气孔分别称为驱动单元的进气孔和排气孔；驱动单元经换向阀和管路与缸体连通，即驱动单元的进气孔和排气孔经换向阀和管路分别与缸体的左气孔和右气孔连通，换向阀的进口经管路与进气孔和排气孔相连，换向阀的出口经管路与缸体的左气孔和右气孔连通；换向阀与排气孔之间串联有单向阀，排气孔经管路与气罐相连。

9、本发明中，盖板、缸体及活塞均由非铁磁性材料制成，薄片阀与内磁铁之间无磁耦合力，非工作时薄片阀和薄片振子都处于无变形的平直状态。

10、本发明中，薄片阀、薄片振子、换向阀及单向阀经独立导线组与驱动电源相连，两个相邻主腔中的薄片振子的电压相位相反；薄片阀作为主动阀或传感器，薄片阀作为主动阀时同一个主腔中的薄片阀和薄片振子的电压相位相同，薄片阀和薄片振子的电压相位相同是指二者在电压作用下的变形方向相同，通过薄片阀和薄片振子的驱动电压及频率调节主腔组的驱动能力。

11、工作时，薄片振子和薄片阀都同时承受电压、磁耦合力及气体压力作用，薄片振子往复弯曲变形并使主腔内的气体压力交替地增加和减小，薄片阀按照一定规则交替地开启与关闭，气体连续不断地进出驱动单元、左缸腔及右缸腔，进而推动活塞步进式运动。

12、驱动单元工作状态下，换向阀的阀芯处于中位时驱动单元与左缸腔及右缸腔不连通，驱动单元中的气体驱动单元内循环，活塞静止；换向阀的阀芯处于非中位且主腔组工作时，系统内的气体在驱动单元、左缸腔及右缸腔间循环，活塞沿某一方向作步进运动，具体分为步进阶段和静止阶段；为便于叙述，将驱动单元中的从进气孔到排气孔间的主腔分成奇数主腔组和偶数主腔组，奇数主腔组中的薄片振子、主腔、薄片阀分别为薄片振子一、主腔一、薄片阀一，偶数主腔组中的薄片振子、主腔、薄片阀分别为薄片振子二、主腔二、薄片阀二和出液阀二，气缸的具体工作过程如下：1）活塞静止：薄片振子一和薄片振子二分别向下与向上，主腔一和主腔二的容积分别减小与增加，主腔一和主腔二内的气体压力分别增加和降低，薄片阀一关闭、薄片阀二开启，主腔一内的气体进入主腔二，左缸腔及右缸腔无流体进出，活塞静止不动；2）活塞步进：薄片振子一和薄片振子二分别向上和向下，主腔一和主腔二的容积分别增加和减小，主腔一和主腔二内的气体压力分别降低和增加，薄片阀一开启、薄片阀二关闭，主腔一吸入气体、主腔二排出气体，左缸腔和右缸腔有流体进出，活塞运动一步。

13、本发明中，薄片阀的开合运动由驱动电压、气体压力及磁耦合力共同控制，薄片阀自由端与外磁铁的磁极界面靠近时不稳定、与外磁铁的n极和s极的中间部分靠近时较稳定，薄片阀与外磁铁构成的双稳态系统用于调节薄片阀的开合力及反流截止力，具体过程如下；非工作时，外磁铁产生磁吸力为关闭力、增加了反流截止效果；薄片阀开启过程中，薄片阀越过磁极界面前磁耦合力方向与薄片阀开启运动方向相反并阻碍其开启运动，薄片阀越过磁极界面后磁耦合力方向与其开启运动方向一致并增加开启力与通流面积；薄片阀关闭过程中，薄片阀越过外磁铁的磁极界面前磁耦合力方向与薄片阀的关闭运动方向相反且阻碍其关闭运动，薄片阀继续关闭且越过磁极界面后磁耦合力方向与其关闭运动方向相同并增加了关闭力及反向截流效果。

14、薄片阀的开启与关闭过程中，越过磁极界面前所受的电压及气体作用力之和大于其所受的外磁铁反向阻力。

15、优势与特色：采用双稳态悬臂压电薄片阀，响应速度快、开度大、截止能力强；采用双稳态压电型薄片阀，工作频带宽、变形驱动能力强。