CN103511360B - 基于液压伺服闭环控制的液压缸快速送进系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液压伺服闭环控制的液压缸快速送进系统，包括动力系统、控制系统、执行元件及辅助装置；动力系统包括液压泵、与液压泵连接的电动机和蓄能器；控制系统包括PLC控制单元、常开电磁溢流阀、伺服阀和设置在伺服控制缸内的直线位移传感器；执行元件包括伺服控制缸、位于伺服控制缸上方的比例增速缸和与比例增速缸连通的快速送进缸；辅助装置包括设置在底座上的油箱和与伺服阀连接的压力继电器。该液压缸快速送进系统，系统流量低,体积小,节约成本,降低能源消耗；系统结构简单紧凑,易于实现,适于全面推广。

Description

基于液压伺服闭环控制的液压缸快速送进系统

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，涉及一种液压缸快速送进装置，具体的说是一种基于液压伺服闭环控制的液压缸快速送进系统。

背景技术

液压缸快速送进装置是为了实现液压缸活塞杆快速伸出，且能实现其加减速过程闭环控制。根据液体动力学基础公式,过流断面的平均流速V等于过流断面的流量Q比上过流断面的面积A,即V=Q/A,由于液压缸活塞的运动速度与过流断面的流速相同，由上式可知：当活塞面积一定时，活塞的运动速度与流量成正比，因此，若要实现液压缸活塞杆快速伸出，则必须要增大无杆腔流量。目前为止快速回路主要有以下几种：如液压缸差动连接快速回路、变量泵供油快速回路、蓄能器供油快速回路，气液缸与快速缸串联增速回路等，但以上快速回路均有不同程度的缺陷，具体说明如下：

1、液压缸差动连接快速回路

    当活塞杆快速伸出时，液压缸有杆腔与无杆腔相通、压力相等，活塞杆伸出速度与液压缸两腔面积差有关，一般情况下，差动连接时活塞杆伸出速度只能增大到非差动连接时速度的2倍左右，速度增长范围窄；

    2、 变量泵供油快速回路

    活塞杆的伸出速度受变量泵排量的影响，活塞杆伸出速度越高，泵排量随之增大，当达到一定速度时，甚至需要多个液压泵并联才能满足系统要求 ，这样会造成系统的体积大、成本高、维护困难、噪声污染等问题；

    3、蓄能器供油快速回路

    蓄能器作为储能元件可以向系统提供大量的液压油，而且可以减小动力源的输入功率，但执行液压缸的行程、活塞面积及压力直接影响所需蓄能器的容量大小，而直接利用蓄能器作为快速缸的动力源会造成蓄能器体积庞大，从而造成油箱尺寸安装不方便等问题；

    4、气液缸与快速缸串联快速回路

    由大活塞直径的气液缸向小活塞直径的快速缸提供大流量液压油，推动快速缸活塞杆高速运动，但气液缸内部结构为活塞一侧为液压油，一侧为有一定压力的氮气，中间靠密封将两种不同介质隔开，长时间使用时，内部泄漏问题会直接影响系统的整体精度。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提供了一种基于液压伺服闭环控制的液压缸快速送进系统。

本发明为解决这一问题所采取的技术方案是:

本发明的基于液压伺服闭环控制的液压缸快速送进系统，包括动力系统、控制系统、执行元件及辅助装置；动力系统包括液压泵、与液压泵连接的电动机和蓄能器；控制系统包括PLC控制单元、常开电磁溢流阀、伺服阀和设置在伺服控制缸内的直线位移传感器；执行元件包括伺服控制缸、位于伺服控制缸上方的比例增速缸和与比例增速缸连通的快速送进缸；辅助装置包括设置在底座上的油箱和与伺服阀连接的压力继电器。

所述的比例增速缸与快速送进缸并联，通过油管连通，两缸的有杆腔与有杆腔相通，无杆腔与无杆腔相通。

所述的比例增速缸与伺服控制缸串联，两缸之间利用两活塞杆刚性连接，实现两活塞杆同步运动。

所述的伺服控制缸的活塞面积小于比例增速缸的活塞面积。

所述的伺服控制缸为双出杆结构。

所述的液压泵、电动机、蓄能器和伺服阀设置在油箱上。

本发明的优点和积极效果为：

本发明的基于液压伺服闭环控制的液压缸快速送进系统，系统流量低,体积小,节约成本,降低能源消耗；系统结构简单紧凑,易于实现,适于全面推广；执行元件速度调节范围广,最高速度可达15m/s；控制系统控制精度高，操作简便；位移传感器安装在低速小行程的液压缸内，提高安全性，增加寿命；快速送进缸为流量控制，换向和速度全程可控。总之，本发明的液压缸快速送进系统，降低了动力源的总功率、简化了系统结构、减小了系统体积、易于实现速度控制；介质单一、节省能源、降低成本且维护方便。

附图说明

图1是本发明的液压缸快速送进系统的液压原理图；

图2是本发明的液压缸之间的连接结构图；

图3是本发明的基于液压伺服闭环控制的液压缸快速送进系统的整体结构图。

图中主要部件标号说明：

1：油箱               2：液位计

3：温度计             4：空滤器

5：吸油滤油器         6：液压泵

7：电动机             8：常开电磁溢流阀

9：液压表            10：单向阀

11：压力管路滤油器   12：蓄能器

13：压力继电器       14:  电磁换向阀

15：伺服阀           16：减压阀

17：伺服控制缸       18：比例增速缸

19：快速送进缸       20：测压排气接头

21：直线位移传感器   22：回油滤油器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，附图中与现有技术相同的部件采用了相同的标号。下述各实施例仅用于说明本发明而并非对本发明的限制。

图1是本发明的液压缸快速送进系统的液压原理图；图2是本发明的液压缸之间的连接结构图；图3是本发明的基于液压伺服闭环控制的液压缸快速送进系统的整体结构图。如图1至图3所示，本发明的基于液压伺服闭环控制的液压缸快速送进系统，包括动力系统、控制系统、执行元件及辅助装置。

动力系统包括液压泵6、与液压泵连接的电动机7和蓄能器12。

控制系统包括PLC控制单元、常开电磁溢流阀8、单向阀10、电磁换向阀14、伺服阀15、减压阀16和设置在伺服控制缸内的直线位移传感器21。

执行元件包括伺服控制缸17、位于伺服控制缸17上方的比例增速缸18和与比例增速缸18连通的快速送进缸19。如图2所示，比例增速缸18与伺服控制缸17串联，两缸之间利用两活塞杆刚性连接，两活塞杆可以通过螺纹连接固定在一起，实现两活塞杆同步运动。伺服控制缸17的活塞面积小于比例增速缸18的活塞面积。比例增速缸18与快速送进缸19并联，通过油管连通，两缸的有杆腔与有杆腔相通，无杆腔与无杆腔相通。

伺服控制缸17、比例增速缸18和快速送进缸19上都设置有测压排气接头20。

采用比例增速缸18与快速送进缸19并联，即两缸的有杆腔与有杆腔相通，无杆腔与无杆腔相通的连接方式，可以实现通过调节两缸的活塞面积比便可改变两缸活塞杆的运动速度比。

采用比例增速缸18与伺服控制缸17串联，即两缸之间利用两活塞杆刚性连接的连接方式，可以使两缸的活塞杆同步运动，然后通过减小伺服控制缸的活塞面积，从而减小输入的流量。

将伺服控制缸17作为直接控制与测量对象，简化系统结构，并将伺服控制缸17活塞杆结构设计成双出杆形式，进一步减小所需流量。

辅助装置包括设置在底座上的油箱1、设置在油箱1上的液位计2、温度计3、空滤器4、吸油滤油器5、液压表9、压力管路滤油器11、与伺服阀连接的压力继电器13、测压排气20和回油滤油器22。

如图3所示，液压泵6、电动机7、蓄能器12和伺服阀15等部件也设置在油箱1上。系统整体布局紧凑，空间利用率高，适合在用于空间范围受限制的场合。

本发明的基于液压伺服闭环控制的液压缸快速送进系统，使用时分两个阶段运行，第一阶段为系统初始化，第二阶段为正常运行，以下为两阶段的运行流程:

第一阶段 系统初始化

初始状态:设定为3个缸内均无液压油，活塞杆均在缩回位置且上腔空气已排净。

1> 系统循环过滤

启动电动机7，常开电磁溢流阀8卸荷，系统低压循环过滤，首次使用或三个月以上未使用或更换添加新液压油时，系统至少循环60分钟，经常使用至少循环10分钟，确保液压油清洁度达到NAS5级以上。

2> 液压缸排气

打开3个缸下腔的测压排气接头，2DT、8DT得电，液压油进入3个缸上腔，待3个缸活塞杆全部伸出，2DT、8DT断电，关闭3个缸下腔的测压排气接头，此时3个缸下腔的空气已全部排净。

3> 快速送进缸19杆缩回

5DT、7DT得电，液压油进入快速送进缸19下腔，活塞杆缩回，到达初始位置时，5DT、7DT断电。

4> 液压缸试运行，系统检查与排气

3DT得电，液压油进入伺服控制缸17下腔，伺服控制缸17推动比例增速缸18活塞上行，将其上腔液压油输送到快速送进缸上腔，快速送进缸活塞杆伸出，到达终点时，3DT断电、2DT得电，液压油进入伺服控制缸17上腔，伺服控制缸推动比例增速缸18活塞下行，将其下腔液压油输送到快速送进缸19下腔，快速送进缸19活塞杆缩回，到达终点时，2DT断电；重复以上动作10次以上，排净管路内空气，检查排除泄漏等故障，确保系统运行通畅。

第二阶段  运行阶段

1> 开机运行

1DT与4DT失电，常开电磁溢流阀8卸荷，系统空载运行。

2> 提升

1DT与4DT得电，保证快速送进缸19回到初始位置，即活塞杆完全缩回。

3> 蓄能

1DT得电，4DT失电，当蓄能器12压力达到设定压力时，压力继电器13发讯，1DT断电，常开电磁溢流阀8卸荷，系统空载运行。

4> 送位

1DT失电，4DT得电，伺服控制缸17所需液压油全部由蓄能器12提供，然后伺服阀15开启，由PLC闭环回路控制伺服阀15开度大小，从而可任意调节伺服控制缸17速度，然后由伺服控制缸17带动比例增速缸18运行,比例增速缸18将无杆腔流量提供给快速送进缸19无杆腔，使得快速送进缸19活塞杆高速运动。

由图1可知：当快速送进缸19活塞杆快速送进时，所有电磁换向阀14均处于中位失电状态，控制伺服阀15的开度，便可任意调节伺服控制缸17活塞杆的运动速度，从而实现调节快速送进缸19活塞杆的速度。

本发明的突出优点包括：

1>将比例增速缸18与快速送进缸19并联，比例增速缸18向上移动时推动快速送进缸19向下移动，同时，快速送进缸19有杆腔的流体介质进入比例增速缸18的有杆腔，比例增速缸18无杆腔的输出流量与快速送进缸19无杆腔的输入流量相同，根据上述公式V=Q/A可知：当流量相同时，两缸的运动速度与活塞面积成反比；此方案中，两缸的活塞面积比可根据需要设计，速度调节范围广，而且两油缸采用相同介质传递动力，从而解决了不同介质之间泄漏问题对系统造成的影响。

2> 根据上述公式V=Q/A可知：当面积一定时，流量与活塞的运动速度成正比，因此提高活塞的速度便可提高比例增速缸18的输出流量。可以采用如下方案提高比例增速缸18的速度：比例增速缸18与伺服控制缸17串联，伺服控制缸17的活塞杆带动比例增速缸18的活塞杆上下移动，由于伺服控制缸17的活塞面积可以远小于比例增速缸18的活塞面积，因此可以避免系统对大流量输入的要求，从而降低动力源的总功率、减小系统的整体体积。

3> 由上述内容可知，伺服控制缸17与快速送进缸19的活塞速度成正比，为了易于实现过程控制，该系统将伺服控制缸17作为控制与测量对象，并同直线位移传感器21、伺服阀15等相结合，共同组成加减速闭环控制系统，由图3可知，伺服控制缸17设计成双出杆结构的主要由于活塞面积比无杆时面积小，在速度要求一定的情况下，可降低所需的输入流量。

Claims (4)

1.一种基于液压伺服闭环控制的液压缸快速送进系统，其特征在于：该快速送进系统包括动力系统、控制系统、执行元件及辅助装置；动力系统包括液压泵（6）、与液压泵（6）连接的电动机（7）和蓄能器（12）；控制系统包括PLC控制单元、常开电磁溢流阀（8）、伺服阀（15）和设置在伺服控制缸（17）内的直线位移传感器（21）；执行元件包括伺服控制缸（17）、位于伺服控制缸（17）上方的比例增速缸（18）和与比例增速缸（18）连通的快速送进缸（19）；辅助装置包括设置在底座上的油箱（1）和与伺服阀（15）连接的压力继电器（13）；比例增速缸（18）与快速送进缸（19）并联，通过油管连通，两缸的有杆腔与有杆腔相通，无杆腔与无杆腔相通；比例增速缸（18）与伺服控制缸（17）串联，两缸之间利用两活塞杆刚性连接，实现两活塞杆同步运动。

2.根据权利要求1所述的基于液压伺服闭环控制的液压缸快速送进系统，其特征在于：伺服控制缸（17）的活塞面积小于比例增速缸（18）的活塞面积。

3.根据权利要求1所述的基于液压伺服闭环控制的液压缸快速送进系统，其特征在于：伺服控制缸（17）为双出杆结构。

4.根据权利要求1所述的基于液压伺服闭环控制的液压缸快速送进系统，其特征在于：液压泵（6）、电动机（7）、蓄能器（12）和伺服阀（15）设置在油箱（1）上。