CN1008932B - 数字式脉冲阀系统 - Google Patents

Abstract

本发明的数字式脉冲阀系统由步进电机，齿轮付，其有阀体、阀芯、螺母套的数字式脉冲阀，反馈机构，联接付件组成。当步进电机接收计算机的数字脉冲信号后，产生旋转运动，通过齿轮付和螺纹付使阀体产生轴向移动，打开流体高、低压口，推动执行机构运动，从而通过机械(或电气)反馈关闭阀口，使执行机构跟踪步进电机的转速和转角，实现高精度的开环速度控制和位置控制。

Description

本发明的数字式脉冲阀系统涉及于流体传动领域，例如液压领域是专门用来联结计算机与流体传动的中间元件。

随着计算机的广泛应用，尤其是微处理机日益普及的今天，流体技术必然要与计算机相结合，这是其发展方向。为方便起见，下面按液压传动叙述，其他流体相同。在先有技术中，计算机要控制普通油缸大都是通过伺服阀或比例阀来实现。由于这种阀是模拟阀，为了控制油缸的速度和位置，必须采用闭环控制，这就需要配置昂贵的速度检测器和位置传感器，以及模数转换器和数模转换器等。这不但增加造价，而且也增加了维护难度，降低了系统的可靠性。因而大大的限制了它的使用范围。从70年代开始，国外就开始了数字阀的研究。美国Y·M·Eiibiary，J·N·Wilson，P·N·Nikiforuk等著文介绍研制成功的数字式转阀。计算机通过步进马达控制转阀的方向和位置，但是这种阀只是相当于将比例伺服阀的力马达换成了步进马达，只是省掉了一个数模转换环节，而其它的所有环节仍未减少，因而其总的造价降低仍是很有限的。1983年11月，日本油压技术介绍了日本研制成功的数字阀系统，该数字阀与油缸连为一体，通过二级机械反馈来代替电反馈，其成本大为降低，日本推出了一种产品，其重复定位精度达±0.2毫米，达到了工业应用水平。但它需要二级反馈，柔性皮带，特制的精密螺纹付等。这不但增加了成本，加大了体积，而且还增加了传动环节，降低了重复定位精度。由于体积偏大，因而与普通油缸配套使用不甚方便。

本发明的目的是提供一种简单可靠，定位精度高的数字式脉冲阀 系统。它能很方便的与执行机构，如普通油缸和油马达配用。本发明的数字式脉冲阀系统包括，由微型计算机系统和放大及分配系统组成的电控部分;

一个由步进电机，数字脉冲阀组成的阀部分;

由液压执行机构和反馈机构组成的执行部分;

一个具有阀体、阀芯的数字式脉冲阀，高压介质由“P”口送入，“O”口排出，“A”口接油缸上腔，“B”口接油缸下腔，步进电机由专门的数字电源驱动而一步一步的转动，该转动通过齿轮付，带动阀芯作螺线形运动，切换油路使油缸杆运动。

本发明的特征是，本发明的数字脉冲阀的阀芯的一端带有多头螺纹，与螺母套的内螺纹啮合，上述阀芯上有二个控制台阶，与阀体上的环形沉割槽相配合，在阀芯上的二个回油孔通过和阀芯同心的内部通道与上述螺母套的内螺纹腔相通，本发明的数字式脉冲阀，步进电机和齿轮付通过联接螺栓与大支座相连，大支座用螺钉卡装在油缸的缸筒上，齿条杆的上方通过连接孔，螺钉和螺母与固定臂相连接，齿条杆与数字式脉冲阀的螺母套上的齿轮相连。反馈部分可以通过光电脉冲发生器检测执行机构的位移，利用该数字信号驱动反馈步进电机进行数字电反馈。当执行机构用液压马达时，液压马达的输出轴通过齿轮与螺母套相连，进行直接反馈。它与日本的数字阀系统比较，具有如下优点：（1）用一级直接反馈代替二级反馈机构，这不但减少了环节，节省了柔性皮带等反馈元件，而且还提高了系统的重复定位精度，降低了制造成本。（2）步进电机与阀体连成一体，这不但减少了总体尺寸，缩小了体积，而且给阀芯检修带来了很大的方便，阀芯可以很方便地从阀体中直接抽出。（3）阀芯反馈螺母套接回流口低压腔，这不但 减少了阀芯的轴向推力，从而降低步进马达力矩，而且利用回流的低压所产生的轴向推力来消除螺纹付之间的间隙，因而该螺纹付不需精密制造亦不会影响精度和增大正反死区。（4）由于采取了多项措施，因而可获得比日本产品更高的重复定位精度，其重复定位精度可达±0.05毫米左右。（5）螺纹付采用多头螺纹，因而单位脉冲当量阀芯的轴向位移大，亦提高了阀的反应灵敏度。（6）阀芯开口可设计为高增益和低增益型，前者有利于提高定位精度，后者有利于减少冲击。（7）阀体利用可拆卸支座固定在油缸体上，这不但节省了安装位置，而且可随缸体摆动，解决了安装彆劲问题。

下面结合附图对本发明的数字式脉冲阀作进一步说明：

图1是本发明的数字式脉冲阀的系统方框图。

图2是本发明的数字式脉冲阀系统的工作安装图。

图3是本发明的数字式脉冲阀系统的内部构造图。

本发明是这样实现的，它分为三大部分：即（1）电控部分、（2）阀部分及（3）执行部分等。如图1所示。其中第（1）部分包括速度及位置程序给定，处理该程序的微处理机，以及将微机信号放大的控制器等。此部分为先有技术，在市场上可以获得。第二部分包括接收数字信号的步进电机及数字阀。第三部分包括液压执行机构、反馈机构等。

图2表示了本发明的数字阀系统的工作安装图。该系统包括有一个位于数字阀（3）的上方，通过小支座（5）与阀体（13）连为一体的步进电机（6）;齿轮件（4、11）;一个具有阀体（13），阀芯（12），螺母套（14）的数字式脉冲阀（3）;一个具有反馈齿轮（7）、反馈齿条（8）、固定臂（9）的反馈机构。该反馈机构通过固定臂（9）与执行机构的运动件（例如油缸的油缸杆）相连。反馈齿条（8）一端由可 调相位的螺钉（20）和锁紧螺母（21）与固定臂（9）相互连接，另一端插入导向件（15）中。该固定臂与反馈齿条（8）相连的连接孔（19）制成长形。该步进马达（6）的轴端固定联接齿轮（4）并按一定的速比，驱动与齿轮（4）啮合的齿轮（11）。小支座（5）是成直角形的，其垂直侧面上固定步进电机（6），水平面与数字式脉冲阀（3）的阀体（13）连为一体。阀体（13）与支持座（2），执行机构固定联接。

图3表示了本发明的数字式脉冲阀的内部构造图。该数字式脉冲阀由阀体（13）、阀芯（12）和螺母套（14）构成。其中阀芯（12）的一端带有多头螺纹，与螺母套（14）的内螺纹啮合，另一轴端有一键槽，用键与齿轮（11）固定联接，使阀芯（12）在阀体（13）的内孔中，绕阀芯（12）的中心线作旋转运动的同时作往复轴向运动。阀芯（12）上有三个台阶，一个是密封台阶，二个控制台阶，近轴端的一个密封台阶，通过密封件与阀体（13）的内孔的配合达到密封。另二个控制台阶与阀体上的环形沉割槽相配合，形成控制棱边。在阀芯（12）上有二个回油孔（16）、（18），位于该阀芯（12）的二个控制台阶的外侧，该回油孔（16）、（18）从该阀芯（12）的外圆周起，朝着与该阀芯（12）的中心线垂直的方向，到与位于和阀芯（12）同心的内部通道（17）相通为止。该通道（17）的一端开口，通螺母套（14）的内螺纹腔，另一端经回流口（18）向外与阀体（13）的回流口（0）始终相通。该回流孔（16）把压力引向阀芯（12）带螺纹的端部，使阀芯（12）贴向螺纹一侧，从而减少死区和消除螺纹间隙的影响。螺母套（14）装在阀体（13）孔内通过固定在阀体（13）上的 压板（10）限位。螺母套的一端有一节多头内螺纹，与阀（12）的端部的多头螺纹相配合，该螺母套（14）的外伸端与反馈齿轮（7）通过键固定连接，并在阀体（13）的端部，通过密封件与阀体（13）达到无泄密封。螺母套（14）的外圆与阀体（13）的内孔配合，并能在内孔中旋转。阀体（13）上绕其轴向中心线有二个环形槽，分别与该阀体（13）上的控制口（A、B）相通，在环形槽之间有一个进流口（P），在环形槽的外侧端有一回流口（0）。沿阀体（13）的轴向中心线，有一直径不等的通孔，分别与阀芯（12）的上述三个台阶以及螺母套（14）配合。

下面参照图2、图3描述一下本发明的数字式脉冲阀系统的工作过程。计算机根据程序要求发出指令脉冲，此脉冲包括方向、频率、总脉冲数以及应该送到哪一个执行机构等，该脉冲信号经放大后送给步进电机（6），而使步进电机产生与频率相对应的旋转运动（转角），该旋转运动（转角）通过齿轮付（4、11）传给阀芯（12），使之亦产生旋转运动，而阀芯的一端加工有螺纹，与该螺纹相啮合的螺母套（14）此时还处于静止状态，因此阀芯（12）在转动的同时亦在螺纹的推动下产生一个轴向位移，从而使控制口（B）接通进流口（P），控制口（A）接通回流口（O），（反之亦然），而控制口A和B分别通过管道与流体执行机械的二腔（如油缸上、下腔）相连推动执行机构（如油缸、油马达等）运动，执行机构在运动的同时，通过反馈机构将运动传给螺母套（14），螺母套（14）也产生旋转运动，推动阀芯关闭阀口。由于压力不平衡力的设置，使螺母套（14）也紧贴于阀体（13），消除了螺纹间隙影响。如果步进电机（6）连续转动，则执行机构连续移动，螺母套（14）亦连续转动，当执行机构的移动速 度与脉冲相当时，此时螺母套转速与阀芯转速相同，维持阀口开度不变，如果执行机构的速度不符合给定的脉冲值时，螺母套（14）与阀芯（12）的转速将出现差异，阀口开度将自动调整，直到符合要求为止。当步进电机停止运动后，执行机构亦瞬即停止运动。执行机构的运动速度决定于步进电机所接收的脉冲频率，它所移动的距离决定于总脉冲数。从而具有很高的速度精度和位置精度。本发明的数字式脉冲阀在不与反馈机构配合的情况下，可以作为一般开关式数字方向阀和节流阀使用。本发明的数字式脉冲阀系统中的反馈机构，可以采用电反馈来代替上述的机械反馈机构。如采用光电脉冲发生器、步进电源、步进电机、执行机构用液压马达时，采用反馈齿轮控制螺母套，直接反馈，此时该数字阀可与被执行机构分开设置。该数字式脉冲阀系统可以用于各种流体介质，如矿物油、水、乳化液、气体。

下面结合本发明的应用实施例，对本发明的数字式脉冲阀系统作进一步阐述，该数字式脉冲阀系统可应用于：

1、高精度无终点振动式多油缸同步：这是液压传动中的一大难题，即使采用价格昂贵的伺服阀系统也是难以解决的。而且调试维护均非常麻烦。但如果采用本数字式阀系统来解决上述问题却非常简单，只需用一个总的步进电机驱动电源，并联驱动许多数字阀即能达到上述目的。因为它能自动补偿各执行机构的负载偏差，容积误差，内外泄漏等，并且无累积误差。因此能实现高精度的多油缸同步，例如液压船台，建筑滑模、大型水闸、导弹发射台架、液压剪、液压升降舞台等许多同步系统中。

2、高精度的定位系统和调速系统，如机械手，大型自动化作业线中的各种机械的程序控制，定位控制。

3、工程系统中的各种液压传动，如高炉下料装置中的料流调节器，冶炼电炉中的电极伺服升降及同步，步进式加热炉中的炉底机械传动，翻车机中的下溜平台控制等等。

4、由于该数字式脉冲阀系统同时具有方向速度和位置控制功能，因而它能同时代替现有液压元件中的方向阀，调速阀，行程阀，节流阀，平衡阀等，它在起动和制动过程中是渐近式的。因而还能解决液压传动中的冲击和震动问题。由于它无铸造通道，加工简单，无高压密封点，因而还有助于解决液压传动中的污染和外泄漏问题。因此这不但可以大大减化现有液压系统，而且还对解决冲击、震动、噪音、污染、外泄等带来新的希望。

5、由于该阀系统是采用电控式，这就能实现远程控制，微机控制，编程控制等，大大增加了系统功能。

Claims (3)

1、一种数字式脉冲阀系统，其包括，

a、由微型计算机系统和放大及分配系统组成的电控部分，

b、一个由步进电机，数字脉冲阀组成的阀部分，

c、由液压执行机构和反馈机构组成的执行部分，

d、一个具有阀体、阀芯的数字式脉冲阀，高压介质由“P”口送入，“O”口排出，“A”口接油缸上腔，“B”口接油缸下腔，步进电机由专门的数字电源驱动而一步一步的转动，该转动通过齿轮付，带动阀芯作螺线形运动，切换油路使油缸杆运动，

其特征是：上述数字脉冲阀的阀芯(12)的一端带有多头螺纹，与螺母套(14)的内螺纹啮合，上述阀芯(12)上有二个控制台阶，与阀体上的环形沉割槽相配合，在阀芯(12)上的二个回油孔(16)(18)通过和阀芯(12)同心的内部通道(17)与上述螺母套(14)的内螺纹腔相通，上述的数字式脉冲阀(3)，步进电机(6)和齿轮付(4、11)通过联接螺栓与大支座(2)相连，大支座(2)用螺钉卡装在油缸的缸筒上，齿条杆(8)的上方通过连接孔(19)，螺钉(20)和螺母(21)与固定臂(9)相连接，齿条杆(8)与数字式脉冲阀(3)的螺母套(14)上的齿轮(7)相连。

2、根据权利要求1所述的数字式脉冲阀系统，其特征是，其反馈部分可以通过光电脉冲发生器检测执进机构的位移，利用该数字信号驱动反馈步进电机进行数字电反馈。

3、一种数字式脉冲阀系统，其包括：

a、由微型计算机系统和放大及分配系统组成的电控部分，

b、一个由步进电机，数字脉冲阀组成的阀部分，

c、由液压执行机构和反馈机构组成的执行部分，

d、一个具有阀体，阀芯的数字式脉冲阀，高压介质由“P”口送入，“O”口排出，“A”口接油缸上腔，“B”口接油缸下腔，步进电机由专门的数字电源驱动而一步一步的转动，该转动通过齿轮付带动阀芯作螺线形运动，切换油路使油杠杆运动，

其特征是，当执行机构用液压马达时，液压马达的输出轴，通过齿轮与螺母套相连，进行直接反馈。

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