CN104481956A - 一种基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制系统，包括初始阀、换向阀、先导阀和快跳阀，先导阀阀芯顶部设置有第一挡块，第一挡块设于气缸活塞杆驱动的两个碰块之间，先导阀阀芯中部设置有第二挡块，第二挡块与快跳阀阀芯连接，先导阀阀芯控制主气路的排气回路，换向阀通过气路接口与快跳阀和先导阀连接，初始阀通过气路接口与换向阀连接，初始阀连接外部控制，初始阀控制气缸所需的主气路走向，同时控制控制气路走向让换向阀阀芯、先导阀阀芯和快跳阀阀芯运动到初始化位置。该控制系统自动换向不会有换向死点，在停止、维修或运输后可以轻松进行阀芯的初始化，从而保证阀芯动作的时序准确，能够适应各种频率的自动换向动作。

Description

一种基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制系统

技术领域

本发明涉及一种基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制系统，具体涉及一种适合于单作用柱塞式气动泵的自动换向控制系统。

背景技术

现在针对基于行程控制的双作用气缸的自动换向（不借助于电气控制），一般采用的方法是：换向阀阀芯采用气驱动方式，其气源则是由挡块或者活塞分别开启位于其两侧由弹簧复位的开关阀来控制。这种控制方法的缺陷在于，如果气缸运动速度较低（例如气动柱塞泵在接近于自动平衡时），当它开启某开关阀时，开启的口较小（开关阀不可能做到像电气控制的那种非A即B的逻辑变化，它控制的流量总是从0开始逐渐增至最大流量），由于节流阀的作用，会导致换向阀阀芯慢速运动，而当换向阀阀芯运动到中间位置时（换向阀阀芯的动作也无法实现像电气控制的那种非A即B的逻辑变化，它在切换动作过程中会经历两侧同时接通或两侧同时封闭的过程），如果此时换向阀阀芯的摩擦阻力恰好与换向气源提供的力量平衡甚至稍大而无法继续向前运动，或者此时恰好到达自动平衡点，那么此时即为换向死点。导致的结果就是自动换向动作中断而无法恢复。

还有另一种情形是，在维护后或搬运后，导致换向阀阀芯位于中间位置，这时接通气源，也无法让自动换向动作正常启动。

通常，在这两种情况下，需要借助于外力让换向阀阀芯处于某个极端位置（就像电气中的置位一样），强行帮助换向阀阀芯换向动作的完成。然而这种操作比较困难、而且非常麻烦。

另外，针对双作用气缸的自动换向控制，尤其是气动柱塞泵，几乎都没有考虑有启停阀控制，需要关闭动作时，一般都是采取切断气源的方式。这种方式也容易造成换向死点的出现。气压关闭后或切换到接通大气压，压力逐渐减小，而可能自动换向动作继续进行，这时换向阀阀芯在动作到中间位置时恰好停住的现象就可能发生。然后即使再接通气源，自动换向动作也无法启动。

上述现象在气缸为垂直布局的时候尤其明显。当只是微量开启上部的开关阀，导致换向阀阀芯恰好运动到中间位置段，适逢双作用气缸的动作负载卸载，那么由于重力作用，活塞会有微量的下坠，于是开关阀很可能被切换回关闭状态，于是换向阀阀芯无法继续动作，自动换向动作中断而且无法恢复。即使是先导快跳和换向阀控制，也会出现无法正常换向动作的情况。这时候就需要人工去改变阀芯的位置，操作费时麻烦。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制系统，自动换向动作稳定可靠无死点，可以在任何时候终止换向动作，不仅仅是终止换向动作，而是针对气缸活塞位置和换向阀阀芯和先导阀阀芯进行初始化动作，让它们在任何时候开启自动换向动作后，从规定的位置开始进行。

本发明的技术方案为：一种基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制系统，包括初始阀、换向阀、先导阀和快跳阀，所述先导阀阀芯顶部设置有第一挡块，所述第一挡块设于气缸活塞杆驱动的两个碰块之间，所述先导阀阀芯中部设置有第二挡块，所述第二挡块与快跳阀阀芯连接，所述先导阀阀芯控制主气路的排气回路，所述换向阀通过气路接口与快跳阀连接，所述初始阀通过气路接口与换向阀连接，所述初始阀连接外部控制，所述初始阀控制气缸所需的主气路走向，同时控制控制气路走向让换向阀阀芯、先导阀阀芯和快跳阀阀芯运动到初始化位置。

进一步的，所述初始阀由至少两个两位三通阀集成而成。

进一步的，所述换向阀阀芯由先导阀阀芯控制的控制气路控制其处于两个位置，对主气路起切换作用。

进一步的，所述外部控制为电磁阀控制，所述气缸连接的液压系统设置有用于监控液压系统的压力传感器，所述气缸顶部设置有位置传感器，所述气缸活塞在循环动作中的底部位置设置位置传感器。

进一步的，所述快跳阀阀芯直径比换向阀阀芯直径小。

本发明还公开了一种基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制方法，包括以下步骤：

（1）气缸活塞的位置初始化：把初始阀切换到初始化状态，初始阀阀芯将直接控制主气路的走向，而让气缸活塞往上运动，直到初始化位置停止并保持；

（2）先导阀阀芯、快跳阀阀芯初始化：气缸活塞驱动的碰块迫使先导阀阀芯同时往上运动，直到初始化位置；先导阀阀芯的运动同时让快跳阀阀芯也往上运动，让快跳阀阀芯也回到初始化位置；

（3）换向阀阀芯初始化：初始阀完成对先导阀阀芯的初始化后，先导阀阀芯与换向阀阀芯之间的控制气路的连通与关闭切换已经预先处于规定的状态，当初始阀切换到循环工作状态的最初，控制气路按预定的走向作用于换向阀阀芯，使换向阀阀芯往上运动，直到初始化位置；

（4）启动工作状态：对换向阀阀芯进行初始化动作后，系统进入自动循环工作状态。

进一步的，所述换向阀阀芯由先导阀阀芯控制的控制气路控制其处于两个位置，对主气路起切换作用。

进一步的，所述初始阀由电磁阀控制，监控液压系统的压力、气缸活塞的初始化位置和气缸活塞在循环动作中的底部位置；当压力监控发出低压力信号，在一定时间内没收到气缸活塞运动到循环动作中的底部位置的信号时，启动初始阀控制气缸活塞初始化到顶部；气缸活塞初始化位置的监控发出初始化动作完成后，把初始阀切换到循环工作状态。

本发明的有益效果是：

1、该自动换向控制系统可以使得基于行程控制的双作用气缸自动换向动作稳定可靠无死点；可以在任何时候终止换向动作；而且针对气缸活塞位置和换向阀阀芯和先导阀阀芯进行初始化动作，让它们在任何时候开启自动换向动作时，从规定的位置开始进行。在维修或搬运之后，无需顾忌阀芯的位置状态，只需先把初始阀置于初始位置让气缸及先导阀初始化动作完成后，然后再切换到循环工作位置即可稳定工作。

2、由于设计有快跳阀，因此能胜任高频次的换向动作，从而保证阀芯动作的时序准确、能够适应各种频率的自动换向动作。

3、初始阀通过电磁阀控制，并在气缸的不同位置设置有传感器，可以让系统长时间无人值守而保持高可靠性的正常工作。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制系统的结构示意图；

图2为本发明基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制系统的气路原理图；

图3为本发明基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制系统的气路接口定义示意图。

其中，10、阀组，11气路接口，12、第一挡块，14、第二档块，21、初始阀，22、换向阀，23、先导阀，24、快跳阀，211、初始阀阀芯，221、换向阀阀芯，231、先导阀阀芯，241、快跳阀阀芯。

具体实施方式

以下结合附图描述本发明具体实施方式。

实施例

如图1、2所示，一种基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制系统，阀组10包括初始阀21、换向阀22、先导阀23和快跳阀24。初始阀阀芯211，其位置改变依据于外部控制，在初始化位置则独立控制气缸所需的主气路走向，同时控制控制气路走向让换向阀阀芯221、先导阀阀芯231和快跳阀阀芯241运动到初始化位置；

在循环工作位置则让主气路走向主要取决于换向阀阀芯221的位置；换向阀阀芯221，由先导阀阀芯231通过控制气路控制其处于两个位置，对主气路起切换作用；先导阀阀芯231设置两个挡块，先导阀阀芯231的顶部设置有第一挡块12设置于气缸活塞杆驱动的两个碰块之间，气缸活塞杆运动到两个末端时将驱动先导阀阀芯231运动；先导阀阀芯231同时控制了主气路的排气回路，快跳阀阀芯241与先导阀阀芯231上的第二挡块14连接，第二挡块14设置在先导阀阀芯231的中部，先导阀阀芯231的运动同时让快跳阀阀芯241一起运动，同时快跳阀阀芯241在控制气路作用下的运动也会作用于先导阀阀芯231让其加速运动，快跳阀阀芯241所需的控制气路主要由先导阀阀芯231控制。

初始阀21可以为远程控制，其阀芯始终处于两个极限位置之一，让整个控制系统处于两个状态其中之一：初始化状态或正常循环工作状态。初始阀21是多个两位三通阀之集成，两个状态是对主气路和控制气路的走向的改变。

该系统的工作流程：

（1）无论何时把初始阀切换到初始化状态（本例图中初始阀阀芯位于底部），初始阀阀芯将直接控制主气路的走向，而让气缸活塞往上运动，直到初始化位置（顶部位置）而停止；

（2）初始阀对气缸活塞的初始化动作，让气缸活塞驱动的碰块迫使先导阀阀芯同时往上运动，直到初始化位置（顶部位置）；先导阀阀芯的运动同时让快跳阀阀芯也往上运动，同时让快跳阀阀芯也回到初始化位置（顶部位置）；初始阀同时控制了快跳阀阀芯的排气气路与大气相通，使其初始化动作无阻力；

（3）初始阀对换向阀阀芯的初始化功能是在初始阀被切换到循环工作状态的最初时间段内实现的。由于初始阀已经完成对先导阀阀芯的初始化，先导阀阀芯与换向阀阀芯之间的控制气路的连通与关闭切换已经预先处于规定的状态，当初始阀切换到循环工作状态的最初，控制气路按预定的走向作用于换向阀阀芯，将让换向阀阀芯往上运动，直到初始化位置（顶部位置），而不论换向阀阀芯在此之前处于何种位置。

（4）启动循环工作状态：初始阀切换到循环工作状态，对换向阀阀芯进行初始化动作后，系统进入自动循环工作状态。换向阀让主气路通往气缸上腔，让气缸活塞往下运动；气缸活塞驱动的碰块也随之往下运动，直到驱动先导阀阀芯也跟着往下运动；先导阀阀芯往下运动到既定位置，对快跳阀阀芯的控制气路进行切换；快跳阀阀芯在控制气路的作用下加速往下运动，其加速运动同时让先导阀阀芯也加速往下运动；先导阀阀芯的加速运动将让快跳阀阀芯的控制气路口加速打开，二者相互作用，先导阀阀芯和快跳阀阀芯将快跳到底部。

先导阀阀芯的快跳将关闭气缸的排气回路，从而让气缸完成第一次制动；先导阀阀芯的快跳同时切换了换向阀阀芯的控制气路，起初，由于快速通道的存在，让换向阀阀芯第一次快跳（向下运动）；换向阀阀芯的第一次快跳让气缸上下腔通上相同压力的压缩空气，让气缸完成第二次制动；然后，换向阀阀芯在单向节流阀的作用下慢速运动；慢速运动到既定位置（向下运动），由于快速通道再次开启，从而让换向阀阀芯完成第二次快跳（向下运动，直到底部）；换向阀阀芯的第二次快跳迅速对气缸的主气路进行切换，从而让气缸活塞迅速反向启动往上运动。气缸活塞驱动的碰块也随之往上运动，直到驱动先导阀阀芯也跟着往上运动。

先导阀阀芯往上运动到既定位置，对快跳阀阀芯的控制气路进行切换；快跳阀阀芯在控制气路的作用下加速往上运动，其加速运动同时让先导阀阀芯也加速往上运动；先导阀阀芯的加速运动将让快跳阀阀芯的控制气路口加速打开，二者相互作用，先导阀阀芯和快跳阀阀芯将快跳到顶部；先导阀阀芯的快跳将关闭气缸的排气回路，从而让气缸完成第一次制动；先导阀阀芯的快跳同时切换了换向阀阀芯的控制气路，起初，由于快速通道的存在，让换向阀阀芯第一次快跳（向上运动）；换向阀阀芯的第一次快跳让气缸上下腔通上相同压力的压缩空气，让气缸完成第二次制动。

然后，换向阀阀芯在单向节流阀的作用下慢速运动（向上运动）；慢速运动到既定位置，由于快速通道再次开启，从而让换向阀阀芯完成第二次快跳（向上运动，直到顶部）；换向阀阀芯的第二次快跳迅速对气缸的主气路进行切换，从而让气缸活塞迅速反向启动往下运动。如此循环往复。

针对需要长期稳定极高可靠性循环工作的工况，可以实现初始化动作的自动控制：本例中，把远控阀修改为电磁阀控制，同时加装三个传感器：一是气缸工作冲程中作用的液压系统的压力监控，二是气缸活塞初始化位置（最顶部）的监控，三是气缸活塞在循环动作中的底部位置（注意不是最底部；为了防止例如气路接错导致的气缸错误动作让其活塞直接运动到底部对先导阀阀芯的破坏，气缸活塞在正常循环动作中不会运动到其最底部，而是预留有部分距离，至少大于先导阀阀芯的快跳距离）。这样，当压力监控发出压力低的信号时，如果在既定时间内没收到气缸活塞运动到循环动作中的底部位置的信号时，那么自动启动初始阀；初始阀让气缸活塞初始化到顶部；气缸活塞初始化位置（最顶部）的监控发出初始化动作完成后，再自动把初始阀切换到循环工作状态。这样，就可以让系统长时间无人值守而保持高可靠性的正常工作。

下面结合各个气路接口进行详细描述，气路接口的定义如图3所示，C1-C14为初始阀的各个气路接口，H1-H17为换向阀的各个气路接口，K1、K2为快跳阀，X1-X12为先导阀的气路接口，QS为气缸上腔，QX为气缸下腔，J1-J3为调节阀，DJ1、DJ2为调节阀。

切换初始阀到初始位置（假设换向阀阀芯、先导阀阀芯等均不在初始位置），C1得气，初始阀阀芯动作到底部初始位置，C2侧压缩空气经消声器排入大气。主气路：C10→C11→C8→C7→QX，气缸下腔进气；气缸上腔：QS→C13→C14→J3，经消声器排入大气，气缸往上运动，调节阀J3可以调节初始化速度，C9→C4→C3，把原来阀组中的压缩空气排入大气（如果有），K1→H3→C5→C3连通大气，快跳阀K1不会阻碍初始化动作；即使如图所示快跳阀K2腔没连通大气，也可以忽略其压降的影响。

第一步初始化动作，在活塞到达顶部时完成，气缸活塞初始化的同时，先导阀阀芯被初始化到顶部；

第二步初始化，把换向阀阀芯初始化到顶部，这步动作是把初始阀切换到工作位置时的第一步动作。如图2所示，如果换向阀阀芯不在初始位置，那么初始阀切换到工作位置时，气缸并不会立即动作。控制气路C10→C9→X10→X11→DJ2→H15，推动换向阀阀芯上移，因为换向阀阀芯的上腔H6→X4→X3连通大气、H5→DJ1→X4→X3连通大气，如后面的描述，换向阀阀芯的初始化动作可能包含第一次快跳、慢速前进、第二次快跳；这视换向阀阀芯初始化前的位置而定。

无论换向阀阀芯在初始阀从初始位置切换到工作位置的瞬间处于什么位置，它都将被初始化到顶部。此时的状态，即为阀组阀芯所有正常动作开始的初始状态。

自动换向动作启动：主气路：C10→C9→H10→H11→C13→C14→QS，气缸上腔通压缩空气；气缸下腔：QX→C7→C6→H9→H8→X7→X6→J1排出，J1可以调节活塞往下运动的速度；控制气路：C10→C9→X10→X11→H13、H14，换向阀阀芯始终处于顶部。活塞往下运动，直到挡块挨上先导阀阀芯拨杆。快跳阀K2→H17连通大气，不阻碍先导阀阀芯的向下运动。

活塞继续推动先导阀阀芯往下运动，首先关闭X10进气口，X11与X12也不通，换向阀阀芯的下腔内的压缩空气被封住，使换向阀阀芯保持在顶部；主气路不变。

活塞继续推动先导阀阀芯往下运动，关闭X3排气口，为快跳阀K1进气和换向阀H5侧进气准备就绪；同时X11依然不与X10和X12接通，让换向阀阀芯仍然保持在顶部，主气路不变。

活塞继续推动先导阀阀芯往下运动，接通X11和X12，换向阀阀芯因为密封圈等摩擦阻力的作用，并不会立即下坠，这是为换向阀阀芯的动作做好准备。控制气路X3和X10均不通，主气路不变。

活塞继续推动先导阀阀芯往下运动，接通X2和X3，控制气路：C10→C9→X3→X2→H4→H3→K1、H5，由于快跳阀阀芯直径比换向阀阀芯直径小，因此压缩空气首先作用于快跳阀K1，K1的动作促使先导阀阀芯快速地往下运动，同时快跳阀阀芯的往下运动速度的加快，也加速了K1的动作，相互作用下，先导阀阀芯迅速动作到底部；

在先导阀阀芯快跳过程中，首先切断X7与X6的通道，气缸下腔：QX→C7→C6→H9→H8→X7被封闭，于是气缸快速制动。

然后先导阀阀芯才快跳到底部；快跳阀阀芯不再消耗气源后，控制气路：C10→C9→X3→X2→H4→H3就主要通往H5，由于H13与H14→X11→X12，因此换向阀阀芯快跳。首先关闭H8，气缸下腔：QX→C7→C6→H9被封闭，气缸制动继续。

换向阀阀芯继续快跳，让H9、H10、H11连通，气缸上下腔同时通压缩空气，气缸继续制动。

第一次快跳结束，是在换向阀阀芯往下运动关闭H13和H14的连通。由于H13和H14的关闭，H15侧的空气必须经过单向节流阀DJ2的慢速通道→X11→X12，因此，换向阀阀芯往下运动进入慢速阶段；主气路依然同时接通H9、H10、H11，气缸上下腔同时通压缩空气，气缸继续制动。

慢进的结束点是再次接通H13和H14。H15→H14→H13→X11→X12，快速通道开启，换向阀阀芯开始第二次快跳。

终极快跳第一步，关闭H10和H11的连通。主气路：C10→C9→H10→H9→C6→C7→QX，但由于气缸上腔：QS→C13→C12→H11，由于H11和H12并未接通，因此气缸依然制动中。

终极快跳第二步，接通H11和H12，气缸上腔排气接通，由于气缸下腔已先行通气，活塞启动往上运行。

气缸往上运动的动作，并不会立即让先导阀侧的控制气路改变，控制气路依然是：C10→C9→X3→X2→H4→H3→H5，换向阀阀芯快跳到底部。

返回行程的阀芯动作，与上述工作行程类似。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1. 一种基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制系统，其特征在于，包括初始阀、换向阀、先导阀和快跳阀，所述先导阀阀芯顶部设置有第一挡块，所述第一挡块设于气缸活塞杆驱动的两个碰块之间，所述先导阀阀芯中部设置有第二挡块，所述第二挡块与快跳阀阀芯连接，所述先导阀阀芯控制主气路的排气回路，所述换向阀通过气路接口与快跳阀和先导阀连接，所述初始阀通过气路接口与换向阀连接，所述初始阀连接外部控制，所述初始阀控制气缸所需的主气路走向，同时控制控制气路走向让换向阀阀芯、先导阀阀芯和快跳阀阀芯运动到初始化位置。

2.根据权利要求1所述的基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制系统，其特征在于，所述初始阀由至少两个两位三通阀集成而成。

3.根据权利要求1所述的基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制系统，其特征在于，所述换向阀阀芯由先导阀阀芯控制的控制气路控制其处于初始化状态或正常循环工作状态，对主气路起切换作用。

4.根据权利要求1所述的基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制系统，其特征在于，所述外部控制为电磁阀控制，所述气缸连接的液压系统设置有用于监控液压系统的压力传感器，所述气缸顶部设置有位置传感器，所述气缸活塞在循环动作中的底部位置设置位置传感器。

5.根据权利要求1所述的基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制系统，其特征在于，所述快跳阀阀芯直径比换向阀阀芯直径小。

6.一种基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）气缸活塞的位置初始化：把初始阀切换到初始化状态，初始阀阀芯将直接控制主气路的走向，而让气缸活塞往上运动，直到初始化位置停止并保持；

（2）先导阀阀芯、快跳阀阀芯初始化：气缸活塞驱动的碰块迫使先导阀阀芯同时往上运动，直到初始化位置；先导阀阀芯的运动同时让快跳阀阀芯也往上运动，让快跳阀阀芯也回到初始化位置；

（3）换向阀阀芯初始化：初始阀完成对先导阀阀芯的初始化后，先导阀阀芯与换向阀阀芯之间的控制气路的连通与关闭切换已经预先处于规定的状态，当初始阀切换到循环工作状态的最初，控制气路按预定的走向作用于换向阀阀芯，使换向阀阀芯往上运动，直到初始化位置；

（4）启动工作状态：对换向阀阀芯进行初始化动作后，系统进入自动循环工作状态。

7.根据权利要求6所述的基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制方法，其特征在于，所述换向阀阀芯由先导阀阀芯控制的控制气路控制其处于两个位置，对主气路起切换作用。

8.根据权利要求6所述的基于行程控制的双作用气缸的自动换向控制方法，其特征在于，所述初始阀由电磁阀控制，监控液压系统的压力、气缸活塞的初始化位置和气缸活塞在循环动作中的底部位置；当压力监控发出低压力信号，在一定时间内没收到气缸活塞运动到循环动作中的底部位置的信号时，启动初始阀控制气缸活塞初始化到顶部；气缸活塞初始化位置的监控发出初始化动作完成后，把初始阀切换到循环工作状态。