CN101456135B - 电、液驱动轴混用的位置联动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电、液驱动轴混用的位置联动控制装置。该装置的CNC控制系统通过控制线分别与至少一个伺服驱动器、继电器、液压控制装置相连，CNC控制系统还通过检测线与光栅尺相连，液压泵直接安装在三相电机上，液压泵通过油管液压控制装置连接，液压控制装置分别与与液压缸的上、下腔连接；溢流阀并接在液压泵与液压控制装置之间；光栅尺位于液压缸活塞一侧。本发明将液压驱动的轴A作为主动轴，其速度可根据实际工作的需要由调速阀进行调节，而伺服电机驱动的轴X作为随动轴，并保持后者与前者之间指定的坐标位置跟踪关系，从而实现液压缸与伺服电机这两种驱动轴的位置联动。

Description

电、液驱动轴混用的位置联动控制装置

技术领域

本发明涉及以电液控制技术为特征的控制技术领域，具体是指电、液驱动轴混用的位置联动控制装置。

背景技术

目前数控机床的应用越来越普遍，控制方法也随之出现多种样式，在使用伺服电机驱动和液压缸驱动的机械中，大体可分为如下三类：一是纯粹使用伺服电机驱动所有运动轴的情况，这种情况应用得相当广泛，基本上都采用CNC控制系统，比如两轴的数控车床、三轴或四轴的数控铣床等，控制系统无论是进口的还是国产的都比较成熟，可以实现多轴位置联动，运动轨迹既可以是简单的斜线，也可以是比较复杂的弧线等；二是纯粹使用液压缸驱动所有运动轴的情况，在塑性加工、大型机械等需要较大工作载荷的工程领域应用较多，基本上都采用PLC及光栅尺或编码器来进行控制，可以实现两轴联动，但运动轨迹相对比较简单；三是既使用伺服电机驱动又使用液压缸驱动的情况，比如带有液压卡紧装置或液压尾顶的数控车床等，应用也相当普遍，但只把伺服电机驱动的运动作为轴来进行控制，而液压驱动的运动不作为轴，不能由控制器指定液压缸的活塞杆运行到任一位置，而是只能通过行程开关等元件实现停留在某些特定位置，或者即使可以通过光栅尺或编码器控制液压缸活塞的运行位置，也不能与伺服电机驱动的轴实现位置联动，给需要混合使用这两种驱动方式的机床带来了控制上的难题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足，提供一种电、液驱动轴混用的位置联动控制装置，使得设计人员在设计机床时，在选择多轴机床各轴的驱动方式上更为灵活，有效地提高机床对不同产品的适应能力和生产效率。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种电、液驱动轴混用的位置联动控制装置，其CNC控制系统通过控制线分别与至少一个伺服驱动器、继电器、液压控制装置相连，CNC控制系统还通过检测线与光栅尺相连，伺服驱动器通过数据线和动力线与伺服电机相连，继电器通过控制线与接触器相连，接触器通过动力线与三相电机相连，液压泵直接安装在三相电机上，液压泵通过油管液压控制装置连接，液压控制装置分别与与液压缸的上、下腔连接；溢流阀并接在液压泵与液压控制装置之间；光栅尺位于液压缸活塞一侧。

所述液压控制装置优选包括电磁换向阀、单向节流阀之一和单向节流阀之二；液压泵通过油管与电磁换向阀连接，电磁换向阀分别与单向节流阀之一和单向节流阀之二连接，单向节流阀之一和单向节流阀之二分别与液压缸的上、下腔连接。

所述液压控制装置还可是电磁换向阀、单向节流阀之二、流量控制阀之一、流量控制阀之二和流量控制阀之三，流量控制阀之一、流量控制阀之二和流量控制阀之三分别与CNC控制系统相连，流量控制阀之一、流量控制阀之二和流量控制阀之三并联后一端与电磁换向阀连接，另一端与液压泵上腔或者下腔连接，单向节流阀之二则相应与液压泵的下腔或者上腔连接，电磁换向阀与液压泵连接。

所述液压控制装置进一步优选为比例换向阀，比例换向阀一端与液压泵连接，另一端分别与液压缸的上、下腔连接，比例换向阀还与CNC控制系统相连。

所述伺服驱动器优选为三个，三个伺服驱动器分别通过数据线和动力线与伺服电机相连。

本发明的控制过程是：根据CNC控制系统指定的油缸驱动的A轴行程、伺服电机驱动的X轴行程，以及二者之间的联动插补关系，计算出伺服电机驱动轴的位置坐标X与油缸驱动轴的位置坐标A的对应公式。当A轴开始运行时，通过光栅尺及时反馈其坐标值A，再由CNC控制系统的内部计算获得对应的X坐标值，并及时驱动X轴运行到对应位置。考虑到液压元件的动作会有一定的滞后现象，导致A轴停止时的实际行程超过设定位置，因此应提前关闭液压阀，可以在CNC系统中预先设定A轴关闭的位置补偿量a，a值的大小可以事先测量。通过上述方法即可以实现电、液驱动轴混用的位置联动。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

1.设计人员可以根据设备各运动轴的工作负荷灵活选择各运动轴的驱动形式，负荷大的轴选用液压驱动，负荷小的轴选用电机驱动。

2.可以充分发挥电机驱动和液压驱动两种形式的优点，避免全部采用伺服电机驱动时的高成本和全部采用液压驱动时的低精度等缺点。

3.可以采用普通的液压元件实现液压驱动的位置控制，可以避免采用昂贵的电液伺服阀或比例伺服阀。

4.可以选用目前通用的CNC控制系统，避免开发专用控制系统所造成的浪费。

附图说明

图1是电、液驱动轴混用的位置联动控制方法的基本原理图；

图2是采用多个流量控制阀的实例图；

图3是采用比例换向阀控制流量的实例图；

图4是具有多套伺服电机驱动轴和一套液压驱动轴的实例图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

实施例1

如图1所示，电、液驱动轴混用的位置联动控制装置由CNC控制系统1、伺服电机13、伺服电机驱动器12、继电器2、接触器3、普通三相电机4、液压泵5、溢流阀6、电磁换向阀7、单向节流阀之一8、单向节流阀之二9、液压缸10、光栅尺11等元件组成。CNC控制系统1通过控制线分别与伺服驱动器12、继电器2、电磁换向阀7相连，还通过检测线与光栅尺11相连，伺服驱动器12通过数据线和动力线与伺服电机13相连，继电器2通过控制线与接触器3相连，接触器3通过动力线与三相电机4相连，液压泵5直接安装在三相电机4上，液压泵5通过油管与电磁换向阀7连接，电磁换向阀7分别与单向节流阀之一8、单向节流阀之二9连接，单向节流阀之一8、单向节流阀之二9分别与液压缸10的上、下腔连接，溢流阀6接在液压泵与电磁换向阀之间。当需要活塞杆伸出时，使电磁换向阀7的电磁铁71得电，打开电磁换向阀的一个通道，液压油流经单向节流阀之一8流向油缸上腔；需要活塞杆缩回时，使电磁换向阀7的电磁铁72得电，打开电磁换向阀的另一个通道，液压油流经单向节流阀之二9流向油缸下腔。

下面以X轴与A轴进行线性插补的联动关系为例说明本例的控制方法，设A轴由坐标A1进给到坐标A2，X轴由坐标X1进给到坐标X2，则任一坐标A值所对应的X坐标由下式确定。

$X=X1+\frac{X2-X1}{A2-A1}(A-A1)$

事先根据工作需要将单向节流阀之一8和单向节流阀之二9的旋扭调整到合适位置，以得到合适的油缸活塞杆101伸出(A+方向)和缩回(A-方向)速度，并测量出对应速度下由于液压阀动作滞后造成的活塞杆101伸出时和缩回时的A轴坐标超程数值a1、a2，作为CNC控制系统的内部坐标位置补偿量。设当前A、X轴的坐标分别为A1、X1，目的坐标分别为A2、X2。则存在如下两种情况：

(1)：若A2大于A1，则执行指令G01X(X2)A(A2)M1，这里G01和M1两个指令位于同一控制语句，同时执行，指令M1用于打开电磁换向阀的电磁铁71，使活塞杆101伸出，指令G01用于驱动伺服电机并使得X轴坐标按线性关系跟踪A轴坐标。执行过程中，CNC系统1通过光栅尺11检测A轴实际坐标，通过上述数学公式计算所需要的X轴坐标，并由伺服驱动器12驱动伺服电机13实现所需要的X坐标值，当A坐标到达(A2-a1)时，CNC系统关闭液压阀，依靠其动作滞后现象使活塞杆101伸出量刚好使A坐标到达设定的终点A2值，同时X坐标也随动至设定的终点X2值；

(2)：若A2小于A1，则执行指令G01X(X2)A(A2)M2，同样，这里G01和M2两个指令位于同一控制语句，同时执行，指令G01用于驱动伺服电机并使得X轴坐标按线性关系跟踪A轴坐标，与第(1)种情况的区别仅在于指令M2用于打开电磁换向阀的电磁铁72，使活塞杆101缩回，当A坐标到达(A2+a2)时，关闭液压阀，使活塞杆101缩回至A坐标刚好到达设定的终点A2值，同时X坐标也随动至设定的终点X2值。

下面再以X轴与A轴的坐标位置应满足圆弧联动关系为例，起点(坐标为X1、A1)到终点(坐标为X2、A2)分别为顺时针方向圆弧和逆时针方向圆弧的两种形式，均可以通过数学计算得出任意X坐标与A坐标的对应公式。运行过程共分为如下四种情况：

①：若A2大于A1并顺时针从起点到终点走半径为r的圆弧轨迹，则执行指令：G02X(X2)A(A2)R(r)M1，指令M1打开电磁换向阀的电磁铁71，使活塞杆101伸出。指令G02用于驱动伺服电机并使得X轴坐标按顺时针方向沿半径为r的圆弧轨迹跟踪A轴坐标。执行过程中，CNC系统1通过光栅尺11检测A轴实际坐标，并根据顺时针方向圆弧轨迹的要求计算出所需要的X轴坐标，并由伺服驱动器12驱动伺服电机13实现所需要的X坐标值。

②：若A2小于A1并顺时针走半径为r的圆弧轨迹，与第①种情况相比，只是改变一下油缸的运动方向，用M2指令打开电磁换向阀的电磁铁72，即执行指令：G02X(X2)A(A2)R(r)M2。

③：若A2大于A1并逆时针从起点到终点走半径为r的圆弧轨迹，则执行指令：G03X(X2)A(A2)R(r)M1，指令G03用于驱动伺服电机并使得X轴坐标按逆时针方向沿半径为r的圆弧轨迹跟踪A轴坐标，除计算X轴坐标时要考虑运行轨迹为逆时针方向之外，其它执行过程与第①种情况相同。

④：若A2小于A1并逆时针从起点到终点走半径为r的圆弧轨迹，与第③种情况相比，只是改变一下油缸的运动方向，用M2指令打开电磁换向阀的电磁铁72，即执行指令：G03X(X2)A(A2)R(r)M2。

从该实施例可以看出，本发明仅采用普通液压阀就可以达到液压运动的位置控制目的，实现了普通控制方法只有采用昂贵的电液伺服阀或比例伺服阀才能实现的位置控制技术，不仅如此，还实现了液压驱动轴与伺服电机驱动轴的位置联动。当两个轴需要位置联动，并且所承受的负荷相差较大时，则可以采用本发明的电、液驱动轴混用的位置联动控制方法，避免全部采用伺服电机驱动时的高成本和全部采用液压驱动时的低精度等缺点。

在该实施例中，液压轴的运行由指令M1或M2操纵实现油缸活塞杆的伸出或缩回，其速度大小可以事先通过单向节流阀的调节旋扭来加以人工设定。而伺服电机驱动的X轴的坐标位置，则完全由运行轨迹的数学计算公式以及实时测量的A轴坐标位置来跟踪。因此，液压驱动的轴为主动轴，伺服电机驱动的轴为随动轴，并按设定的运行轨迹保持后者与前者的坐标位置跟踪关系。

本发明的操作过程是：首先根据液压缸活塞杆移动速度的需要，将调速阀的旋扭调整到合适位置，测量出在此速度下的a值，并将a值输入CNC控制系统，在CNC控制系统的控制程序中通过指令编辑两个轴指定的目标位置和联动插补关系，然后执行该控制程序，便可以实现所希望的电、液驱动轴混用的位置联动。

实施例2

如图2所示，考虑到在A轴往一个方向的移动过程中需要有不同的速度，则可以在油路中并联一组由CNC控制的流量控制阀，图2所示为油缸活塞杆101伸出时(A+方向)具有三种速度的情况，即将图1中的单向节流阀8换成三个并联的流量控制阀之一81、流量控制阀之二82和流量控制阀之三83，流量控制阀之一81、流量控制阀之二82和流量控制阀之三83分别与CNC控制系统相连，将这三个流量控制阀的开口分别调为大、中、小，分别实现活塞杆101伸出时的快速、中速、慢速移动，当CNC系统同时打开电磁换向阀的电磁铁71和流量控制阀81时，由于流量控制阀81的开口较大，所以活塞杆101伸出的速度较快；或同时打开电磁铁71和流量控制阀82，由于流量控制阀82的开口适中，则可以得到速度适中的活塞杆101伸出速度；或同时打开电磁铁71和流量控制阀83，由于流量控制阀83的开口较小，则可以得到速度较小的活塞杆101伸出速度；执行过程中，当活塞杆101伸出时，由CNC控制系统打开电磁铁71和三个流量控制阀中的一个。

针对图2的实施例，如果X轴坐标按线性关系跟踪A轴坐标，终点坐标为(X2、A2)，分如下四种情况运行。

一：当活塞杆快速伸出时，则执行指令G01X(X2)A(A2)M11，其中指令M11用于同时打开电磁铁71和流量控制阀81；

二：当活塞杆中速伸出时，则执行指令G01X(X2)A(A2)M12，其中指令M12用于同时打开电磁铁71和流量控制阀82；

三：当活塞杆慢速伸出时，则执行指令G01X(X2)A(A2)M13，其中指令M13用于同时打开电磁铁71和流量控制阀83；

四：当活塞杆缩回时，则执行指令G01X(X2)A(A2)M14，其中指令M14用于同时打开电磁铁72和单向节流阀9。

上述四种情况下，所执行的指令G01与实施例1中的相同，即驱动伺服电机并使得X轴坐标按线性关系跟踪A轴坐标，控制方法也与实施例1的相同。

如果油缸活塞杆101缩回(往A-方向)需要具有不同的速度，则可以将图1中的单向节流阀9换成几个并联的可由CNC系统控制的流量控制阀。如果油缸活塞杆101伸出和缩回都需要具有不同的速度，则可以将图2中的单向节流阀9换成几个并联的可由CNC系统控制的流量控制阀。如果图2的实施例需要X轴和A轴运行圆弧轨迹，只要将线性轨迹的控制指令G01改为圆弧轨迹控制指令G02(顺时针方向)或G03(逆时针方向)就可以了。

实施例3

如图3所示，将上述实施例2中的流量控制阀之一81、流量控制阀之二82和流量控制阀之三83以及单向节流阀9集合成一个比例换向阀85，由于比例换向阀是一套高度集中的液压元件，相当于一个可以控制开口大小的电磁换向阀，不仅可以预设液压阀开口的大、中、小流量所对应的控制电压值，还可以控制液压阀的开口方向，因此可以取消图1中的电磁换向阀7。由于比例换向阀85内部带有一个放大板，可以接受CNC控制系统传来的多条控制指令，进而控制比例换向阀的开口大小和方向，因此可以事先在比例换向阀85的放大板上预设几个液压油的流量控制信号接口及一个换向信号接口，这样就可以由CNC系统通过多条控制信号线将指令传送到放大板，进而对比例换向阀进行控制，同样可以实现上述两个实施例的目的。本实施例采用比例换向阀可以代替电磁换向阀与单向节流阀(或其它电控流量控制阀)的组合。

实施例4

如图4所示，是在实施例2的基础上增加两套伺服驱动系统的情况。伺服电机之三17通过数据线和动力线与伺服电机驱动器之三16连接，伺服电机驱动器之三16通过控制线与CNC控制系统1连接；伺服电机之三17与伺服电机驱动器之三16连接，伺服电机之二15通过数据线和动力线与伺服电机驱动器之二14连接，伺服电机驱动器之二15通过控制线与CNC控制系统1连接。所增加的两个轴分别命名为Y轴和Z轴，Z轴运动通过伺服电机之三17控制，Y轴运动通过伺服电机之二15控制。这样除了原有X轴可以与A轴进行坐标联动之外，Y轴和Z轴也可以与A轴进行坐标联动，X、Y、Z三个轴之间也可以像普通伺服电机驱动控制系统那样实现坐标联动。

如上所述，即可较好地实现本发明。

Claims (2)

1.一种电、液驱动轴混用的位置联动控制装置，其特征在于：CNC控制系统通过控制线分别与继电器、液压控制装置以及至少一个伺服驱动器相连，CNC控制系统还通过检测线与光栅尺相连，伺服驱动器通过数据线和动力线与伺服电机相连，继电器通过控制线与接触器相连，接触器通过动力线与三相电机相连，液压泵直接安装在三相电机上，液压泵通过油管与液压控制装置连接，液压控制装置分别与液压缸的上、下腔连接；溢流阀并接在液压泵与液压控制装置之间；光栅尺位于液压缸活塞一侧；

所述液压控制装置包括电磁换向阀、单向节流阀、第一流量控制阀、第二流量控制阀和第三流量控制阀，第一流量控制阀、第二流量控制阀和第三流量控制阀分别与CNC控制系统相连，第一流量控制阀、第二流量控制阀和第三流量控制阀并联后一端与电磁换向阀连接，另一端与液压泵上腔或者下腔连接，单向节流阀则相应与液压泵的下腔或者上腔连接，电磁换向阀与液压泵连接。

2.根据权利要求1所述的电、液驱动轴混用的位置联动控制装置，其特征在于：所述伺服驱动器为三个，三个伺服驱动器分别通过数据线和动力线与伺服电机相连。

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