CN104863917B - 一种交流伺服电机驱动的液压流量和方向复合控制阀 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种交流伺服电机驱动的液压流量和方向复合控制阀，包括微处理单元、转角传感器、阀体、端盖、油咀、驱动器、交流伺服电机和阀芯，阀芯设在阀体内，端盖设在阀体两侧，交流伺服电机输出轴与阀芯相连，转角传感器的检测信号反馈输入至微处理单元，微处理单元的输出端与驱动器输入端相连，驱动器信号输出端与交流伺服电机相连，阀体上设有P、T、A、B四个油口，油咀分别设四个油口内；阀芯上设有第一组扇形油槽、第二组扇形油槽以及连通两组扇形油槽的流道x、y，第一组扇形油槽与P油口和T油口相连；第二组扇形油槽与A油口和B油口相连。本发明能够同时实现对液压系统的流量和方向的数字式复合控制，结构简单、使用方便。

Description

一种交流伺服电机驱动的液压流量和方向复合控制阀
技术领域：
本发明涉及一种交流伺服电机驱动的液压流量和方向复合控制阀。
背景技术：
流量控制阀和方向控制阀在普通液压系统中是两种独立的控制元件。仅在电液伺服和电液比例控制系统中采用流量和方向复合阀。但电液比例阀或伺服阀，仅能接受连续变化的电压或电流信号控制。当应用计算机对电液系统进行控制时，必须使用D/A转换装置，致使系统变得复杂，提高了成本，降低了可靠性。
数字式电液控制阀直接接收数字信号，无需D/A转换，具有结构简单、价格低廉、抗干扰与污染能力强、重复性好、工作稳定可靠、功耗小等优点，因此已成为液压技术的一个广为关注的研究热点。目前国内外电液数字阀的发展仍较慢，可供选择种类不多。
发明内容：
本发明为了解决上述现有技术中存在的问题而提供一种交流伺服电机驱动的液压流量和方向复合控制阀。
本发明所采用的技术方案有：
一种交流伺服电机驱动的液压流量和方向复合控制阀，包括防护罩、微处理单元、转角传感器、阀体、端盖、油咀、驱动器、交流伺服电机和圆柱形阀芯，所述阀芯转动设置在阀体内，端盖设置在阀体左右两侧，交流伺服电机的输出轴与阀芯相连，微处理单元和转角传感器通过防护罩设置在阀体的左侧，驱动器设置在阀体的右侧，转角传感器的检测信号反馈输入至微处理单元，微处理单元的输出端与驱动器输入端相连，驱动器的信号输出端与交流伺服电机的相连，阀体上设有与油泵、油箱、液压执行元件进、回油口相连接的P油口、T油口、A油口和B油口，油咀对应连接在阀体上的P油口、T油口、A油口和B油口内；所述阀芯上设有第一组扇形油槽、第二组扇形油槽以及连通所述两组扇形油槽的轴向流道x、y，第一组扇形油槽与P油口和T油口相连通；第二组扇形油槽与A油口和B油口相连通，所述复合控制阀在处于闭合状态时，P油口、T油口、A油口和B油口互不连通；当阀芯在阀体顺时针旋转时，P油口通过流道x和B油口连通，A油口通过流道y和T油口连通；当阀芯在阀体逆时针旋转时，P油口通过流道y和A油口连通，B油口通过流道x和T油口连通。
本发明的进一步设计在于：
所述第一组扇形油槽包括两条相同的第一、二变截面扇形油槽，两条相同的第一、二等截面扇形油槽，短油孔e、f和长油孔m、n；所述长油孔n和短油孔e相连通，长油孔m和短油孔f相连通，第一变截面扇形油槽通过长油孔n和短油孔e与第二等截面扇形油槽相连通，第二变截面扇形油槽通过长油孔m和短油孔f与第一等截面扇形油槽相连通，长油孔m、n分别对应与流道x和流道y相连通。
所述第一变截面扇形油槽、第二变截面扇形油槽、第一等截面扇形油槽和第二等截面扇形油槽沿阀芯轴线方向环形对称设置。
所述第二组扇形油槽包含四条相同第三、四、五、六等截面扇形油槽，短油孔h、g和长油孔u、k；所述长油孔u和短油孔h相连通，长油孔k和短油孔g相连通，第三等截面扇形油槽通过短油孔g和长油孔k与第四等截面扇形油槽相连通，第五等截面扇形油槽过短油孔h和长油孔u与第六等截面扇形油槽相连通，长油孔u、k分别对应与流道x和流道y相连通。
所述第三等截面扇形油槽、第四等截面扇形油槽、第五等截面扇形油槽和第六等截面扇形油槽沿阀芯轴线方向环形对称设置。
所述第一组扇形油槽中的第一变截面扇形油槽和第二变截面扇形油槽对称设置于阀体上P油口两侧，第一变截面扇形油槽和第二变截面扇形油槽沿阀芯圆周方向展开后为截面腰形状的槽，且该腰形状槽的两侧边之间距离朝P油口方向逐渐变大。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明能够同时实现阀体的流量和方向的复合控制，结构简单、使用方便。
(2)本发明采用交流伺服电机直接驱动阀芯旋转，消除了由于传动机构造成的阀的输出死区以及惯性滞后，提高了流量控制的线性度和动态响应速度。
(3)本发明能够直接接收数字信号，用于计算机控制的液压系统，便于实现本发明装置的自动化管理。
(4)本发明能够实现对液压执行元件进油腔和回油腔的双向流量控制。
附图说明：
图1为本发明结构示意图。
图2为图1中第一组扇形油槽与第二组扇形油槽的剖视结构图。
图3为图2中阀芯在阀体内顺时针转动后结构示意图。
图4为图2中阀芯在阀体内逆时针转动后结构示意图。
图5为图2中流道x、y的剖视结构图。
图6为图1中第一组扇形油槽与第二组扇形油槽在沿阀芯圆周方向展开后的结构图。
图7为本发明中第一变截面扇形油槽的剖视结构示意图。
图8为本发明中定位机构结构示意图。
其中
1、防护罩；2、微处理单元；3、转角传感器；4、左端盖；5、定位机构；6、阀芯7、阀体；8、油咀；9、右端盖；10、轴承；11、驱动器；12、交流伺服电机；13、预紧螺母；14、弹簧；15、定位钢球；16、V型槽；61、第一组扇形油槽；62、第二组扇形油槽；63、第一变截面扇形油槽；64、第二变截面扇形油槽；65、第一等截面扇形油槽；66、第二等截面扇形油槽；67、第三等截面扇形油槽；68、第四等截面扇形油槽；69、第五等截面扇形油槽；70、第六等截面扇形油槽。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
请参照图1，本发明一种交流伺服电机驱动的液压流量和方向复合控制阀，包括阀体7和圆柱形阀芯6，阀芯6通过轴承10设置在阀体7内转动，在阀体7左右两侧分别设有左端盖4和右端盖9，在阀体7右侧设有一交流伺服电机12，该交流伺服电机12的输出轴与阀芯6固定连接。本发明为了实现对控制阀自动化控制，在阀体7上设有微处理单元2、转角传感器3和驱动器11，其中微处理单元2和转角传感器3通过防护罩1设置在阀体7左侧。转角传感器3的检测信号反馈输入至微处理单元2，微处理单元2的输出端与驱动器11输入端相连，驱动器11的信号输出端与交流伺服电机12的相连。改变液压系统流量或液流方向的控制指令可以直接由微处理单元2，或由控制系统上位机通过微处理单元2间接向驱动器11发出，由驱动器11控制交流伺服电机12按要求的转动角度或方向驱动阀芯6旋转，转角传感器3检测阀芯6转过的角度并反馈至驱动器11，并通过驱动器11内的控制算法，输出脉冲信号，决定交流伺服电机12是否进一步转动或转动角度的大小和方向，直至控制阀精确输出对应指令的流量或方向。
如图2，在阀体7外表面上设有与油泵、油箱、液压执行元件进、回油口相连接的P油口、T油口、A油口和B油口，其中P油口和A油口位于阀体7上侧，T油口和B油口位于阀体7下侧，在各个油口内分别设有一油咀8。在阀体7内设有油孔a、b和油孔a＇、b＇，油孔a、油孔b、油孔a＇、油孔b＇分别与P油口、T油口、A油口和B油口对应连通，本发明为了实现对液压系统油液流动方向的控制功能，在阀芯6上设有第一组扇形油槽61、第二组扇形油槽62、流道x和流道y，流道x和流道y沿阀芯6轴向设置，流道x和流道y用以连通第一组扇形油槽61和第二组扇形油槽62。
第一组扇形油槽61包括第一变截面扇形油槽63、第二变截面扇形油槽64，第一等截面扇形油槽65和第二等截面扇形油槽66；第二组扇形油槽62包括第三等截面扇形油槽67、第四等截面扇形油槽68、第五等截面扇形油槽69和第六等截面扇形油槽70。第一组扇形油槽61和第二组扇形油槽62中所有截面为扇形的油槽的深度均为s，圆心角为β。
第一组扇形油槽61中：第一变截面扇形油槽63、第二变截面扇形油槽64，第一等截面扇形油槽65和第二等截面扇形油槽66沿阀芯6轴线方向环形对称设置，其中两变截面扇形油槽63、64对称设置于a油孔(连接P油口)的两侧。在第一组扇形油槽61的剖切截面，沿阀芯6轴线对称一位置处设有短油孔e、f和平台c、d，并沿平台加工长油孔m和长油孔n，长油孔m、n和其对应端的短油孔f、e相连通；第一变截面扇形油槽63通过长油孔n与第二等截面扇形油槽66相连通，第二变截面扇形油槽64通过长油孔m与第一等截面扇形油槽65相连通；长油孔m、n分别对应与流道x和流道y相连通。
第二组扇形油槽62中：第三等截面扇形油槽67、第四等截面扇形油槽68、第五等截面扇形油槽69和第六等截面扇形油槽70沿阀芯6轴线方向环形对称设置，在第二组扇形油槽62的剖切截面，沿阀芯6轴线对称一位置处设有短油孔h、g和平台v、l，并沿平台加工长油孔k和长油孔u，长油孔k、u和其对应端的短孔h、g相连通。第三等截面扇形油槽67通过长油孔k与第四等截面扇形油槽68相连通，第五等截面扇形油槽69通过长油孔u与第六等截面扇形油槽70相连通。长油孔k、u分别对应与流道x和轴向流道y相连通。第一组扇形油槽61中的长油孔m、n与第二组扇形油槽62中的长油孔u、k分别利用轴向流道x、y相连通。
阀芯6处于初始位置时，即本发明复合控制阀处于闭合状态时，阀芯6上的第一组扇形油槽61和第二组扇形油槽62与阀体7上的P油口、T油口、A油口和B油口互不相通，第一组扇形油槽61中的长油孔m和长油孔n处于垂直位置；第二组扇形油槽62中的长油孔u和长油孔k处于水平位置。
结合图3和图4，当交流伺服电机12驱动阀芯6顺时针旋转时，如图3，油液沿图中箭头所示方向流动，在C-C剖面，连接在P油口上的油咀8进油，油液经油孔a进入第一组扇形油槽61中的第二变截面扇形油槽64中的长油孔m，再经由轴向流道x，从D-D剖面中的长油孔u流进第二组扇形油槽62中的第六等截面扇形油槽70，最终流入B油口，因此构成了P与B的连通。同时，A油口也经阀体7和阀芯6的相关油孔以及阀芯轴向流道y流回T油口，因此构成了T与A的连通。
当交流伺服电机12驱动阀芯6逆时针旋转时，如图4所示，油液沿图中箭头所示方向流动，在C-C剖面，连接在P油口上的油咀8进油，油液经油孔a进入第一组扇形油槽61中的第一变截面扇形油槽63，再经由轴向流道y，直接进入D-D剖面中的第二组扇形油槽62中的第三等截面扇形油槽67，最终流入A油口，因此构成了P与A的连通。同时，B油口的回油也经阀体7和阀芯6的相关油孔以及阀芯轴向流道x流回T油口，因此构成了T与B的连通。
结合5至图7，本发明为实现流量调节，第一组扇形油槽61中的第一变截面扇形油槽63和第二变截面扇形油槽64沿阀芯6圆周方向展开后为截面腰形状的槽，且该腰形状槽的两侧边之间距离朝P油口方向逐渐变大，且大端宽度也为w，小端宽度为0.2w。随着阀芯6在阀体7内旋转角度的改变，阀体7上固定的油口a与阀芯6表面变截面扇形油槽的重叠面积(节流口面积)也相应改变，则通过该节流口的流量也随之变化，从而达到调节油液流量的目的。
当阀芯6逆时针旋转，使阀体7上油口a处于阀芯6表面上第一组扇形油槽61中的第一变截面扇形油槽63中，图中剖面线面积为节流口面积。如果阀芯6继续逆时针旋转，相当于第一变截面扇形油槽63扇形沉槽相对阀体7油口a向左移动，则近似梯形的节流口面积由于l1和l2的减小而减小。相反，此时如果阀芯6顺时针旋转，相当于变截面扇形油槽63扇形沉槽相对阀体7油口a向右移动，则近似梯形的节流口面积由于l1和l2的增大而增大。
根据液压传动理论，通过某节流口的流量按下式计算：
q = C d A 2 ρ Δ p - - - ( 1 )
式中q——流量控制阀的输出流量；Cd—流量系数，通常Cd＝0.60～0.62；Δp—节流口前后的压力差；ρ—油液密度；A—节流口的面积。
当Δp一定时，改变节流口面积A，就可以调节流量q。对本发明的结构，阀节流口近似为梯形，其面积A为
A = H ( l 1 + l 2 ) 2 - - - ( 2 )
根据图8所示，l1和l2显然随阀芯6相对阀体7油口a转过角度Δβ的变化而变化。(2)式中，H可近似等于油口直径Φ，而l2＝2l1tanγ，γ为节流扇形槽的半锥角，则(2)式为
A = 3 2 dl 1 t a n γ - - - ( 3 )
显然(3)式中仅l1随阀芯旋转角度Δβ而变化，即l1＝f(β)，所以可以通过伺服电机驱动阀芯旋转来控制阀的输出流量。阀芯6旋转的角度范围为0°≤Δβ≤(90°－α)，α为阀芯上任意两扇形沉槽间的夹角。根据液压传动原理，对流量控制的目的是调速，即调节液压执行元件的速度。
在本发明中，第一组扇形油槽61中的第一变截面扇形油槽63和第二变截面扇形油槽64对称设置于阀体7内油孔a(对应P油口)的两侧，根据前面所述，当阀芯6顺时针旋转，使P油口与B油口连通，T油口与A油口连通,即此时在0°≤β≤(90°－α)范围调节阀芯6的旋转角度Δβ就能改变油泵通过P油口进入液压缸B腔的流量；当阀芯6逆时针旋转，使P油口与A油口连通，T油口与B油口连通。同样，在0°≤β≤(90°－α)范围调节阀芯6的旋转角度Δβ就能改变油泵通过P油口进入液压缸A腔的流量。
如图8，为保证阀芯6处于初始位置时，P、T、A、B四个油口互不连通，在阀芯6与阀体7左侧结合处设有定位机构5，该定位机构5包括预紧螺母13、弹簧14、定位钢球15和V型槽16，在阀体7左侧端面上设有安装孔，弹簧14通过预紧螺母13设置在该安装孔内，定位钢球15固定连接在弹簧14上，V型槽16设置在阀芯6上；阀芯6在初始位置时，弹簧14将钢球15紧压于阀芯6端面的V型槽中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种交流伺服电机驱动的液压流量和方向复合控制阀，其特征在于：包括防护罩(1)、微处理单元(2)、转角传感器(3)、阀体(7)、端盖、油咀(8)、驱动器(11)、交流伺服电机(12)和圆柱形阀芯(6)，所述阀芯(6)转动设置在阀体(7)内，端盖设置在阀体(7)左右两侧，交流伺服电机(12)的输出轴与阀芯(6)相连，微处理单元(2)和转角传感器(3)通过防护罩(1)设置在阀体(7)的左侧，驱动器(11)设置在阀体(7)的右侧，转角传感器(3)的检测信号反馈输入至微处理单元(2)，微处理单元(2)的输出端与驱动器(11)输入端相连，驱动器(11)的信号输出端与交流伺服电机(12)相连，阀体(7)上设有与油泵、油箱、液压执行元件进、回油口相连接的P油口、T油口、A油口和B油口，油咀(8)对应连接在阀体(7)上的P油口、T油口、A油口和B油口内；所述阀芯(6)上设有第一组扇形油槽(61)、第二组扇形油槽(62)以及连通所述两组扇形油槽的轴向流道x、y，第一组扇形油槽(61)与P油口和T油口相连通；第二组扇形油槽(62)与A油口和B油口相连通，所述复合控制阀在处于闭合状态时，P油口、T油口、A油口和B油口互不连通；当阀芯(6)在阀体(7)顺时针旋转时，P油口通过流道x和B油口连通，A油口通过流道y和T油口连通；当阀芯(6)在阀体(7)逆时针旋转时，P油口通过流道y和A油口连通，B油口通过流道x和T油口连通。
2.如权利要求1所述的交流伺服电机驱动的液压流量和方向复合控制阀，其特征在于：所述第一组扇形油槽(61)包括两条相同的第一、二变截面扇形油槽(63、64)，两条相同的第一、二等截面扇形油槽(65、66)，短油孔e、f和长油孔m、n；所述长油孔n和短油孔e相连通，长油孔m和短油孔f相连通，第一变截面扇形油槽(63)通过长油孔n和短油孔e与第二等截面扇形油槽(66)相连通，第二变截面扇形油槽(64)通过长油孔m和短油孔f与第一等截面扇形油槽(65)相连通，长油孔m、n分别对应与流道x和流道y相连通。
3.如权利要求2所述的交流伺服电机驱动的液压流量和方向复合控制阀，其特征在于：所述第一变截面扇形油槽(63)、第二变截面扇形油槽(64)、第一等截面扇形油槽(65)和第二等截面扇形油槽(66)沿阀芯(6)轴线方向环形对称设置。
4.如权利要求1所述的交流伺服电机驱动的液压流量和方向复合控制阀，其特征在于：所述第二组扇形油槽(62)包含四条相同的第三、四、五、六等截面扇形油槽(67、68、69、70)，短油孔h、g和长油孔u、k；所述长油孔u和短油孔h相连通，长油孔k和短油孔g相连通，第三等截面扇形油槽(67)通过短油孔g和长油孔k与第四等截面扇形油槽(68)相连通，第五等截面扇形油槽(69)过短油孔h和长油孔u与第六等截面扇形油槽(70)相连通，长油孔u、k分别对应与流道x和流道y相连通。
5.如权利要求4所述的交流伺服电机驱动的液压流量和方向复合控制阀，其特征在于：所述第三等截面扇形油槽(67)、第四等截面扇形油槽(68)、第五等截面扇形油槽(69)和第六等截面扇形油槽(70)沿阀芯(6)轴线方向环形对称设置。
6.如权利要求2所述的交流伺服电机驱动的液压流量和方向复合控制阀，其特征在于：所述第一组扇形油槽(61)中的第一变截面扇形油槽(63)和第二变截面扇形油槽(64)对称设置于阀体(7)上P油口两侧，第一变截面扇形油槽(63)和第二变截面扇形油槽(64)沿阀芯(6)圆周方向展开后为截面腰形状的槽，且该腰形状槽的两侧边之间距离朝P油口方向逐渐变大。
7.如权利要求1所述的交流伺服电机驱动的液压流量和方向复合控制阀，其特征在于：在阀体(7)和阀芯(6)结合处设有定位机构(5)，该定位机构(5)包括预紧螺母(13)、弹簧(14)、定位钢球(15)和V型槽(16)，在阀体(7)上设有安装孔，弹簧(14)通过预紧螺母(13)设置在该安装孔内，定位钢球(15)固定连接在弹簧(14)上，V型槽(16)设置在阀芯(6)上；当复合控制阀在处于闭合状态时，定位钢球(15)通过弹簧(14)的弹簧力置于V型槽(16)内。
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