CN101451560A - 液压缸精密行程智能驱动方法及其外部驱动单元 - Google Patents

Abstract

液压缸精密行程智能驱动方法及其外部驱动单元。驱动方法包括：通过安放在执行机构上的位移传感器获取控制点、启动点、原点的位置数据；将启动点与控制点之间位置数据的差别换算为工作液体在缸内体积的差别量；外部驱动单元向被控液压缸压入或从被控液压缸吸出该差别量。外部驱动单元包括电气控制部分、液压部分、机械部分；电气控制部分包括：电源模块，微机系统，接口电路，此外还有继电器、电机驱动器、压力变送器等。本发明是一个集机、电、液、微机系统于一体的具有自动检测与智能控制功能的动力装置，将其通过极简单的安装，连接到普通的开关阀控制液压缸行程(位置)系统中即可。可用于大部分单缸及多缸位置控制系统。

Description

液压缸精密行程智能驱动方法及其外部驱动单元

【技术领域】

本发明涉及一种液压缸精密行程智能驱动方法及其外部驱动单元，属于液压控制系统应用领域。

【背景技术】

以液压动力元件作驱动装置的设备在现有设备尤其在较大功率设备中占有相当的比例，对液压动力元件性能的研究具有十分重要的意义。液压缸是液压动力元件的主要装置之一，其行程(位置)控制是液压系统输出功能的重要组成部分。目前液压缸行程(位置)控制系统绝大部分采用开关阀进行控制，用电液比例阀或电液伺服阀控制的相对较少。开关阀控制液压缸行程(位置)系统因其成本低廉、系统对环境要求不高、控制系统简单而得到广泛应用，其最大的缺点是控制精度很低；比例阀及伺服阀控制液压缸行程(位置)系统的控制精度相对较高，但价格较昂贵、系统对环境要求高、控制复杂，并且其工作原理仍然是开放式容积的流量控制，位置刚度相对有限，因此提高位置控制精度必然导致制造成本的大幅度增加。

【发明内容】

本发明目的是针对现有技术中的普通开关阀控制液压缸行程(位置)系统存在的上述问题而提出的改进，以实现对液压缸行程(位置)输出的精确控制。

本发明所述液压缸精密行程智能驱动方法包括以下步骤：

步骤一：通过安放在(由所控液压缸驱动的)执行机构上的位移传感器获取控制点、启动点、原点的位置数据；

步骤二：将启动点与控制点之间位置数据的差别换算为工作液体在缸内体积的差别量；

步骤三：外部驱动单元利用“模糊指数”算得“当量数值”并据此向被控液压缸压入或从被控液压缸吸出步骤二计算出的工作液体差别量。

上述外部驱动单元可以是一个独立的单元或多个并联的单元。

上述外部驱动单元包括：电气控制部分、液压部分、机械部分；所述机械部分包括：柱塞式液压缸1、支撑套2、径向滚珠轴承3、联轴器4、锯齿形螺纹丝杠5、导向键6、导向套7、推力球轴承8、丝杠螺母齿轮9、机架10、齿轮轴11、步进电机12。其中支撑套2固定安装在机架10上；柱塞式液压缸1与支撑套2固定连接，柱塞式液压缸1的柱塞杆通过联轴器4与锯齿形螺纹丝杠5轴向连接并在该丝杠的带动下移动；锯齿形螺纹丝杠5的外圆柱面通过与导向套7的内孔滑动配合实现径向定位，锯齿形螺纹丝杠5的螺纹与丝杠螺母齿轮9的丝杠螺母啮合，锯齿形螺纹丝杠5沿轴线的键槽与导向键6滑动配合实现轴向导向定位；导向套7固定安装在机架10上；导向键6固定安装在导向套7上；丝杠螺母齿轮9通过安装在机架10上的推力球轴承8进行定位安装，丝杠螺母齿轮9的内丝杠螺母部分与锯齿形螺纹丝杠5啮合、丝杠螺母齿轮9的外齿轮部分与齿轮轴11啮合；齿轮轴11一端安装在固定在机架10上的径向滚珠轴承3的孔内、另一端与安装在机架10上的步进电机12的电机轴轴向连接；当步进电机12在电气控制部分的控制驱动下旋转时，通过齿轮轴11、丝杠螺母齿轮9、锯齿形螺纹丝杠5传动，带动柱塞式液压缸1的柱塞左右移动实现向被控液压缸压入或从被控液压缸吸出工作液体“差别”量。

上述电气控制部分包括：电源模块，为控制系统及电器元件提供电能；微机系统包括单片机、扩展程序及数据存储器；接口电路包括键盘、显示接口电路、光栅位移传感器倍频鉴相电路、压力传感器信号放大电路、输入信号光电隔离电路、输出信号光电隔离电路；此外还有继电器、步进电机或伺服电机驱动器、压力变送器。

上述液压部分包括：一个减压阀；一个压力表；两个调速阀；两个双电控三位四通电磁换向阀；两个液控单向阀；两个液控截止阀(图中职能符号为液控二位二通换向阀)。

本发明的工作原理如下：

本“驱动单元”是“以微小容积为基本单位用数字量控制的智能化液压缸油液供给系统”。众所周知，液压缸是容积可变的容器。当缸筒固定时，在油液的压迫下工作腔的容积变化，其容器活动壁(活塞连同活塞杆)移动便形成对外的机械量输出。液压缸输出的机械量中，位移的大小取决于充入液压缸的油液量多少；速度的大小取决于充入液压缸油液量的快慢；力的大小则取决于负载的反作用力。

由此可见，若想准确控制油缸的输出就必须精确控制充入油缸的油液。为此本“驱动单元”采用了数字式供油方式，即提供的油液量可用数字量控制。具体地说就是，当被控液压缸活塞的位置变化所需油液容积量进入本“驱动单元”可控容积范围后，“驱动单元”中的液控截止阀(图中职能符号为液控二位二通换向阀)1关闭，使“驱动单元”与被控液压缸的工作腔形成封闭容积。此时(由所控液压缸驱动的)执行机构上的位移传感器测得的被控液压缸活塞当前位置与计算机中存储的目标值(控制点)比较，计算出所需油液量的对应“当量数值”，控制系统按此数值向步进电机驱动器发出供油指令，步进电机定量转动通过丝杠螺母齿轮9的外齿轮部分与齿轮轴11啮合驱动丝杠螺母副中的锯齿形螺纹丝杠5移动，丝杠带动柱塞缸的柱塞运动形成油液输出。在油缸运动完成时计算机再次检测油缸位置并作进一步的闭环调整，实现精确的位置控制。

“当量数值”：被控液压缸活塞当前位置与目标值(控制点)之间“所需油液容积量”除以“驱动单元”自身的“基本容积单位”(“基本容积单位”见下述具体实施方式(四)性能预计部分)所得的“商”——控制步进电机产生相应运动的脉冲数。

“所需油液容积量”除了和测得位置到目标值(控制点)之间的“几何容积”有关外，还与具体系统的工作压力、自身刚度、被控液压缸的截面积大小、系统所用油液成分、系统工作温度等等因素相关。本“驱动单元”控制系统在调试过程中会运用模糊算法自动计算并记录“几何容积”与“所需油液容积量”间的“模糊指数”，工作中利用该指数便可快速算得“当量数值”。此外，在每次进行闭环调整后还会根据调整量对“模糊指数”作更新计算，实现控制参数的智能化更新。

本发明是一个集机、电、液、微机系统于一体的具有自动检测与智能控制功能的动力装置，将其通过极简单的安装，连接到普通的开关阀控制液压缸行程(位置)系统中即可。可用于大部分单缸及多缸位置控制系统。

【附图说明】

图1：机械部分主视图；图中：1为柱塞式液压缸、2为支撑套、3为径向滚珠轴承、4为联轴器、5为锯齿形螺纹丝杠、6为导向键、7为导向套、8为推力球轴承、9为丝杠螺母齿轮、10为机架、11为齿轮轴、12为步进电机。

图2：机械部分俯视图；

图3：机械部分左视图；

图4：电气部分结构框图；图中：13为22V交流电源输入接口、14为工作参数设定及调试操作面板、15为压力变送器接口、16为外接位移传感器接口、17为通讯接口、18为工进信号输入接口、19为返回行程信号输入接口、20为预留开关量输出接口。

图5：液压部分原理图；图中：21为控制油路压力油输入接口、22为控制油路油液回油接口、23为工作油液输入接口、24为工作油液输出接口。

图6：液压缸精密行程智能驱动单元应用示例；图中：21为“驱动单元”的控制油路压力油输入接口、22为“驱动单元”的控制油路油液回油接口、23为“驱动单元”的工作油液输入接口、24为“驱动单元”的工作油液输出接口。

图7：多个驱动装置并联驱动较大功率容量系统时的液压部分原理图；图中：21为控制油路压力油输入接口、22为控制油路油液回油接口、23为工作油液输入接口、24为工作油液输出接口。

图8：双驱动装置“驱动单元”液压部分原理图；图中：21为控制油路压力油输入接口、22为控制油路油液回油接口、23-1为第一路工作油液输入接口、24-1为第一路工作油液输出接口、23-2为第二路工作油液输入接口、24-2为第二路工作油液输出接口。

图9：双驱动装置“驱动单元”应用示例；图中：21为控制油路压力油输入接口、22为控制油路油液回油接口、23-1为第一路工作油液输入接口、24-1为第一路工作油液输出接口、23-2为第二路工作油液输入接口、24-2为第二路工作油液输出接口。

图10：控制系统的组成框图

图11：键盘、显示接口电路

图12：光栅传感器倍频鉴相电路

图13：压力传感器信号放大电路

图14：输入信号光电隔离电路

图15：输出信号光电隔离电路

注：本发明的液压部分原理图中的液控二位二通换向阀(液控截止阀)必须具有可靠的完全关断油路能力，即关断时不允许有油液渗漏。

【具体实施方式】

参照图1-6，对本发明的具体实施方式作如下说明

本发明所述液压缸精密行程智能驱动方法包括以下步骤：

步骤一：通过安放在(由所控液压缸驱动的)执行机构上的位移传感器获取控制点、启动点、原点的位置数据；

步骤二：将启动点与控制点之间位置数据的差别换算为工作液体在缸内体积的差别量；

步骤三：外部驱动单元利用“模糊指数”算得“当量数值”并据此向被控液压缸压入或从被控液压缸吸出步骤二计算出的工作液体差别量。

上述外部驱动单元可以是一个独立的单元或多个并联的单元。

上述外部驱动单元包括：电气控制部分、液压部分、机械部分。

所述机械部分包括：柱塞式液压缸1、支撑套2、径向滚珠轴承3、联轴器4、锯齿形螺纹丝杠5、导向键6、导向套7、推力球轴承8、丝杠螺母齿轮9、机架10、齿轮轴11、步进电机12。其中支撑套2固定安装在机架10上；柱塞式液压缸1与支撑套2固定连接，柱塞式液压缸1的柱塞杆通过联轴器4与锯齿形螺纹丝杠5轴向连接并在该丝杠的带动下移动；锯齿形螺纹丝杠5的外圆柱面通过与导向套7的内孔滑动配合实现径向定位，锯齿形螺纹丝杠5的螺纹与丝杠螺母齿轮9的丝杠螺母啮合，锯齿形螺纹丝杠5沿轴线的键槽与导向键6滑动配合实现轴向导向定位；导向套7固定安装在机架10上；导向键6固定安装在导向套7上；丝杠螺母齿轮9通过安装在机架10上的推力球轴承8进行定位安装，丝杠螺母齿轮9的内丝杠螺母部分与锯齿形螺纹丝杠5啮合、丝杠螺母齿轮9的外齿轮部分与齿轮轴11啮合；齿轮轴11一端安装在固定在机架10上的径向滚珠轴承3的孔内、另一端与安装在机架10上的步进电机12的电机轴轴向连接；当步进电机12在电气控制部分的控制驱动下旋转时，通过齿轮轴11、丝杠螺母齿轮9、锯齿形螺纹丝杠5传动，带动柱塞式液压缸1的柱塞左右移动实现向被控液压缸压入或从被控液压缸吸出工作液体“差别”量。

上述电气控制部分包括：电源模块，为控制系统及电器元件提供电能；微机系统包括单片机、扩展程序及数据存储器；接口电路包括键盘、显示接口电路、光栅位移传感器倍频鉴相电路、压力传感器信号放大电路、输入信号光电隔离电路、输出信号光电隔离电路；此外还有继电器、步进电机或伺服电机驱动器、压力变送器。

上述液压部分包括：一个减压阀；一个压力表；两个调速阀；两个双电控三位四通电磁换向阀；两个液控单向阀；两个液控截止阀(图中职能符号为液控二位二通换向阀)。

本发明的具体工作过程如下：

(一)安装连接

本发明应用于开关阀控制液压系统时电气连接为：将图6中电磁铁7DT的电源线与图4中18“驱动单元”的“工进信号输入接口”相接、将图6中电磁铁5DT的电源线与图4中19“驱动单元”的“返回行程信号输入接口”相接、将图6中位移传感器的信号线与图4中16“驱动单元”的“外接位移传感器接口”相接，并将位移传感器正确的安装定位在机架上、将220伏交流电与“驱动单元”的“22V交流电源输入接口”连接。图6中的21、22、23、24即为图5中的对应接口。

在图5中的液控二位二通换向阀(截止阀)1关闭，即截断液压系统向油缸工作腔的供油通路时，图4中“驱动单元”有两路通过继电器输出的“预留开关量输出”信号20有效，可用于对电磁铁或接触器进行控制，以满足系统卸荷及其它特殊需求。

(二)调试及设定

在设备调试阶段，首先按下“工作参数设定及调试操作面板”上的“调试”按钮，启动调试程序的运行。此时屏幕上时时显示位移传感器的测量数值。手动控制液压缸反复运动，检查位移传感器安装的正确性，并将液压缸分别停止在“控制点”、“启动点”、“原点”上(“控制点”指液压缸工作中要精确定位的工作点；“启动点”指工作中“驱动单元”开始对液压缸进行驱动的位置；“原点”指位移传感器计量的起始位置)。在此过程中可按“工作参数设定及调试操作面板”上的“前进”和“后退”按钮进行微量驱动。当确定了“控制点”、“启动点”、“原点”的具体位置后，按下“工作参数设定及调试操作面板”上的相应按钮，“驱动单元”的控制系统自动记取相应的位置数据。

在完成上述操作后，将液压缸全程退回并按下“工作参数设定及调试操作面板”上的“运行”按钮，启动“驱动单元”的工作程序。再次手动控制液压缸工进，“驱动单元”将在“启动点”关闭截止阀(图中职能符号为液控二位二通换向阀)1，截断原系统向液压缸工作腔的供油通路并自动驱动液压缸达到“控制点”。若在此过程中“驱动单元”报警，说明“启动点”设置不当，超出了“驱动单元”的控制范围，需再次按下“工作参数设定及调试操作面板”上的“调试”按钮启动调试程序的运行，重新选定“启动点”。当“驱动单元”自动驱动液压缸达到“控制点”而没有发生报警时，便宣告调试工作完成。

对于单缸驱动系统，经上述调试后就可直接进入自动循环工作；对于仅有一个同步点要求的多缸位置协调动作系统，(可将其中一个“驱动单元”作为主机，亦可另配上位机)利用通讯接口联机调试，确定“同步”“控制点”，之后即可进入自动循环工作；对于具有多点(包括函数)“同步”的多缸位置协调动作系统，首先对最关键的同步位置做“基准”联合设定，每个“驱动单元”均以该基准为前提再对各个“同步”“控制点”的具体位置进行设定(“控制点1”、“控制点2”、“控制点3”等)，之后经联机调试，再进入自动循环工作。

注：每个“驱动单元”一般只能控制一只油缸。

(三)自检及故障处理

本驱动单元的本质是以微小容积为基本单位用数字量控制的智能化液压缸油液供给系统。作为前提，要求“驱动单元”与液压缸工作腔形成的“封闭容积”得近乎于绝对密封，其渗漏量在一定的时间内(此时间为本“驱动单元”可靠提供一个基本容积单位所需的时间，约为0.0002秒)不得大于一个基本容积单位。否则其控制精度将难于实现。因此泄漏是导致“驱动单元”控制失效的最大故障原因。

“封闭容积”可分为两个独立的部分，一个是“驱动单元”内部分、另一个是被控油缸工作腔及其连接管路部分。调试工作开始时，首先应进行系统自检工作。

(a)“驱动单元”内部分密封性能检测

按下“工作参数设定及调试操作面板”上的“容积1”按钮，“驱动单元”控制系统便自动关闭截止阀(图中职能符号为液控二位二通换向阀)1及截止阀(图中职能符号为液控二位二通换向阀)2，启动步进电机给“驱动单元”内部油路加压。通过“压力变送器”测得压力达到一定数值后停止加压并保持，如果保压过程中压力数值基本不变说明密封性能合格，“工作参数设定及调试操作面板”上显示“O”并闪动，即可进入下一步检测；若保压过程中压力数值发生明显下降说明密封性能检测不合格，“工作参数设定及调试操作面板”上显示“F”并闪动，就需对其作相应的维修处理。

(b)被控油缸工作腔及其连接管路部分密封性能检测

按下“工作参数设定及调试操作面板”上的“容积2”按钮，“驱动单元”控制系统便自动关闭截止阀(图中职能符号为液控二位二通换向阀)1，启动步进电机给“封闭容积”油路加压。通过“外接位移传感器”测得被控油缸达到一定位移数值后停止加压并保持，如果保压过程中位移传感器数值基本不变并且“压力变送器”测得压力数值也基本不变，说明密封性能合格“工作参数设定及调试操作面板”上显示“O”并闪动；若保压过程中位移传感器数值发生明显变化或“压力变送器”测得压力数值发生明显变化，说明密封性能检测不合格，“工作参数设定及调试操作面板”上显示“F”并闪动，就需查找泄油部位并对其作具体的维修处理。

(c)本“驱动单元”在正常使用中要定期作密封性能检测，当工作中出现控制精度不理想时也应首先作密封性能检测。

(四)性能预计

(d)位置精度

本“驱动单元”的控制位置精度既与其自身的“基本容积单位”有关，同时又与被控缸工作腔的有效截面积大小及渗漏状况有关。

设：步进电机的步距角为：0.9°；齿轮副的传动比为：0.22；丝杠螺母副的螺距为：4mm；柱塞缸的柱塞直径为：20mm。则

“基本容积单位”为： $\frac{\mathrm{\π}}{4}\×{20}^2\×4\×0.22\×\frac{0.9}{360}=0.691m{m}^3.$

再设：被控缸工作腔的有效截面积为：300mm²，则

每个指令脉冲对应液压缸的行程为： $\frac{0.691}{300}=0.0023\mathrm{mm}.$

即“驱动单元”控制液压缸的位置精度可达0.0023mm。如果被控缸工作腔的有效截面积更大、采用细分电路使步进电机的步距角更小，则“驱动单元”控制液压缸的位置精度将更高。当然，同时要求位移传感器的稳定检测精度也要很高。

(e)响应速度

仍以上述假设为计算依据。步进电机每转脉冲数为： $\frac{360}{0.9}=400,$ 当脉冲频率为5千赫兹时，步进电机每秒转数为：12.5转，此时产生的容积输出量为： $\frac{\mathrm{\π}}{4}\×{20}^2\×4\×0.22\×12.5=3455.749m{m}^3,$ 则“驱动单元”控制液压缸的响应速度为：

$\frac{3455.749}{300}=11.519\mathrm{mm}/s.$

(五)“驱动单元”的变换和组合

前述内容是本发明的实现方式之一，基于本发明的原理和精度获取方式及相应速度计算方法，对于具体的应用对象可根据具体特点进行相应变换和组合。

方法一：对于较大功率容量系统

如果被控液压缸的输出功率容量较大，可用交流伺服电机来代替步进电机。这种方法是在使用步进电机不能满足系统要求，且在进行了与方法二的成本比较后方使用的方案。因为采用本方法将提高造价并增加抗干扰处理的费用与技术难度。

方法二：采用多个驱动装置并联

本“驱动单元”的特点是很容易实现微量油液供给，但响应速度较低、控制点和启动点间距离较短。当响应速度或控制行程不能满足要求时，可采用多个驱动装置并联的方法解决，如图7所示。图中表示三组并联，框内其它内容与前述相同。

方法三：采用交流伺服电机与多个驱动装置组合

如果上述方法一、二单独使用仍难于满足要求，可采用方法一、二两种方法组合来进一步提高输出能力。

方法四：双向交变载荷的应对

如果被控液压缸的负载为双向作用载荷时，可采用图8、图9所示的双驱动装置“驱动单元”进行控制。

Claims (7)

1、液压缸精密行程智能驱动方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：通过安放在由所控液压缸驱动的执行机构上的位移传感器获取控制点、启动点、原点的位置数据；

步骤二：将启动点与控制点之间位置数据的差别换算为工作液体在缸内体积的差别量；

步骤三：外部驱动单元利用“模糊指数”算得“当量数值”并据此向被控液压缸压入或从被控液压缸吸出步骤二计算出的工作液体差别量。

2、根据权利要求1所述液压缸精密行程智能驱动方法，其特征在于，所述外部驱动单元可以是一个独立的单元或多个并联的单元。

3、用于权利要求1或2液压缸精密行程智能驱动方法中所述的外部驱动单元，其特征在于，该外部驱动单元包括：电气控制部分、液压部分、机械部分；所述机械部分包括：

柱塞式液压缸(1)、支撑套(2)、径向滚珠轴承(3)、联轴器(4)、锯齿形螺纹丝杠(5)、导向键(6)、导向套(7)、推力球轴承(8)、丝杠螺母齿轮(9)、机架(10)、齿轮轴(11)、电机(12)；其中支撑套(2)固定安装在机架(10)上；柱塞式液压缸(1)与支撑套(2)固定连接，柱塞式液压缸(1)的柱塞杆通过联轴器(4)与锯齿形螺纹丝杠(5)轴向连接并在该丝杠的带动下移动；锯齿形螺纹丝杠(5)的外圆柱面通过与导向套(7)的内孔滑动配合实现径向定位，锯齿形螺纹丝杠(5)的螺纹与丝杠螺母齿轮(9)的丝杠螺母啮合，锯齿形螺纹丝杠(5)沿轴线的键槽与导向键(6)滑动配合实现轴向导向定位；导向套(7)固定安装在机架(10)上；导向键(6)固定安装在导向套(7)上；丝杠螺母齿轮(9)通过安装在机架(10)上的推力球轴承(8)进行定位安装，丝杠螺母齿轮(9)的内丝杠螺母部分与锯齿形螺纹丝杠(5)啮合、丝杠螺母齿轮(9)的外齿轮部分与齿轮轴(11)啮合；齿轮轴(11)一端安装在固定在机架(10)上的径向滚珠轴承(3)的孔内、另一端与安装在机架(10)上的电机(12)的电机轴轴向连接；当电机(12)在电气控制部分的控制驱动下旋转时，通过齿轮轴(11)、丝杠螺母齿轮(9)、锯齿形螺纹丝杠(5)传动，带动柱塞式液压缸(1)的柱塞左右移动实现向被控液压缸压入或从被控液压缸吸出工作液体“差别”量。

4、根据权利要求3所述的外部驱动单元，其特征在于，所述电机为步进电机。

5、根据权利要求3所述的外部驱动单元，其特征在于，所述电机为交流伺服电机。

6、根据权利要求3至5任何一项所述的外部驱动单元，其特征在于，所述电气控制部分包括：

电源模块，为控制系统及电器元件提供电能；

微机系统，包括单片机、扩展程序及数据存储器电路；

接口电路，与微机系统连接，包括键盘、显示接口电路、光栅位移传感器倍频鉴相电路、压力传感器信号放大电路、输入信号光电隔离电路、输出信号光电隔离电路；

步进电机驱动器，通过接口电路与微机系统连接并对步进电机进行驱动；

继电器组，分别与输出信号光电隔离电路连接并通过电磁铁分别对液压部分中的三位私通换向阀进行控制；

压力变送器，与压力传感器信号放大电路连接，用于检测液压系统压力并在系统密封性能自检中用来判断是否泄漏。

7、根据权利要求3至5任何一项所述的外部驱动单元，其特征在于，所述液压部分包括：一个减压阀；一个压力表；两个调速阀；两个双电控三位四通电磁换向阀；两个液控单向阀；两个液控截止阀。减压阀用于调整“驱动单元”的油压大小，压力表用于调压时的压力显示，调速阀用于控制液控截止阀的启闭速度，双电控三位四通电磁换向阀用于控制液控截止阀的工作状态，液控单向阀用于保证液控截止阀的工作可靠，液控截止阀用于可靠的完全关断油路实现无油液渗漏。

Images