CN105156390A - 自调节数字液压阀、其组成的控制系统及控制方法 - Google Patents
自调节数字液压阀、其组成的控制系统及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种自调节数字液压阀、其组成的控制系统及控制方法，自调式数字液压阀由指令端、反馈端、阀芯、阀套和阀体等组成，其中指令端与阀芯连接，可带动阀芯轴向运动；反馈端与阀套相连，可带动阀套轴向运动。阀芯与阀套的相互作用，构成指令信号和反馈信号的比较和调节过程，从而实现了控制过程的自动调节机理。该发明可同时控制阀芯和阀套运动，在控制方法上是指令信号和反馈信号都施加在液压阀上，在阀内实现闭环控制的自动调节过程。为防止阀芯和阀套运动到死点，采取了控制复位的控制方法，能保证每个控制过程的起始状态阀芯和阀套都复位到零位。由于省去了阀内的旋转运动到直线运动的转换，可最大限度的减少机械死区，提高精确度。
Description
技术领域
本发明涉及液压控制技术，具体说是一种自调节数字液压阀及控制方法。
背景技术
无论是电液伺服(比例)阀，还是数字液压阀，其基本原理是通过控制阀的开度控制流量，而控制信号的调节必须由控制器完成。即控制器接收指令信号，把其与传感器反馈的信号进行控制运算，根据反馈信号与指令信号的接近程度调节伺服阀的输入，从而控制执行机构的速度、位置和方向。在液压缸运动的过程中，位移传感器测量的液压缸实际位移信号与指令位移信号在控制器内进行比较运算，运算后的信号输出给液压控制阀，控制进入液压缸的流量，从而控制液压缸(或马达)的速度和位置。
液压伺服控制系统最复杂的环节为控制器，要把指令信号与反馈信号通过一定的控制算法(PID或其它算法)处理后控制电液伺服阀，因为控制算法必须从事自动控制的人才能掌握，许多从事液压的技术人员并不具备自动控制的知识。在搭建液压系统的同时还要构建一套智能控制系统，开发控制程序，因此，控制器成为液压技术人员进行伺服控制的“瓶颈”。
在数字液压阀的研究中，发现在不增加设备复杂程度的情况下控制效率和精度还存在进一步提高的空间，深入探索发现如果使用螺纹副将旋转运动转化为直线运动，阀芯与阀套之间不必要的摩擦非常严重，不仅损耗能源，还造成液压油的污染和设备的发热，是造成转化效率低和控制精度差的重要因素，同时还存在由于旋转运动带来阀芯与阀套的油路对位不准而带来的控制问题，是给阀体的使用寿命和可靠性带来隐患的重要因素。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种自调节数字液压阀、其组成的控制系统及控制方法，在保证控制过程可靠性的前提下尽量简化控制系统的开发过程和设备结构。
所述自调节数字液压阀，自调节数字液压阀，包括指令端、阀芯、阀套、阀体和反馈端等，其特征在于：所述指令端和反馈端为直线电机，可带动阀芯或阀套轴向运动；
所述阀芯可轴向滑动地嵌套于所述阀套内，该阀芯的一端与所述指令端连接；所述阀套可轴向滑动地嵌套于所述阀体内，该阀套邻近反馈端的一端与所述反馈端连接；所述阀体开有轴向的圆柱形孔，侧壁径向设有的油路通孔，用于嵌套阀套，阀体的两端分别固定连接指令端和反馈端；
所述阀芯的外侧壁设有凸沿，所述阀套的内侧壁开设有与所述凸沿对应的沟槽，所述阀芯与阀套构成三位四通液压阀。
所述阀体的内侧壁的油路通孔开口位置设有轴向扩展的油路开口槽，油路在阀体的内侧壁的开口与所述油路开口槽连通，每个所述油路开口槽之间以及油路开口槽与阀体的端面之间在所述阀体内互不连通。
轴向扩展是指设定油路开口槽的轴向长度大于对应的油孔宽度。
作为一种实施例，所述指令端和反馈端还可以用步进电机通过螺纹副将旋转运动转换为直线运动。
具体地，所述阀套与所述阀芯配合构成的三位四通阀中，阀套和阀体的轴向依次排列对应A、P、B、T接口的油孔和油路，所述阀芯分别对应A、B接口油孔的凸台a、b与阀套的内壁之间围成与P口连通的空腔，所述a、b凸台的两外侧分别设有与阀套密封的凸台c、d，且a凸台与c凸台之间、b凸台与d凸台之间形成通过阀芯内部通道与T接口连通的空腔。
一种实施例是，所述阀体与阀芯的横截面为矩形。
一种利用上述数字液压阀组建的自调节数字液压阀控制系统，其特征在于：包括自调节数字液压阀、驱动器、带反馈装置的液压执行机构和信号选择开关，所述自调节数字液压阀的指令端和反馈端分别通过与各自的驱动器电连接，所述指令端的驱动器与指令信号信号连接，所述反馈端的驱动器通过所述信号选择开关与所述指令信号或液压执行机构的反馈装置输出信号连接，所述自调节数字液压阀为三位四通阀，其A、B接口分别管道连接到所述液压执行机构的往返油路接口端，P、T接口分别管道连接到压力油端和回油端。
进一步地，所述指令端和所述反馈端均为直线电机，所述反馈装置输出对应所述液压执行机构动力输出端位置状态的数字脉冲信号。
一种基于上述自调节数字液压阀控制系统的控制方法，其特征在于：控制过程包括下述顺序执行的步骤：
一、设置所述信号选择开关使之接通反馈端的驱动器输入端和指令信号，所述指令信号输出回位信号，直到指令端将阀芯位置复位，且反馈端将阀套复位，复位状态下，自调节数字液压阀的四个外连油路均处于截止状态；
二、根据液压执行机构的动力输出端的目标位置确定指令信号所需输出的信号参数，设置所述信号选择开关使反馈端的驱动器输入端和反馈装置的输出端电连通；
三、所述指令信号输出设定动作信号，所述阀芯进行相应的轴向移动并由设定动作信号决定移动距离和自调节数字液压阀的输出油路开度；
四、所述液压执行机构的动力输出端在油压作用下运动，反馈装置输出所述液压执行机构的动力输出端的位置或移动状态信号，并通过导通状态的所述信号选择开关反馈到所述反馈端，控制所述阀套作与阀芯移动方向同向的移动，由反馈信号决定所述阀套移动距离，并因此减小自调节数字液压阀的输出油路开度，当动力输出端达到指令设定状态时，反馈信号驱动所述阀套轴向平移所到达的位置为：使自调节数字液压阀的阀芯凸台与油孔对齐，输出油路关闭，所述动力输出端停止运动，以使所述液压执行机构的动力输出端的位置实现非程序控制的自动调节。
典型地，所述指令端和所述反馈端均为直线电机，所述指令信号输出设定动作脉冲信号，设定动作脉冲信号的相位差、频率和数量决定所述阀芯的移动方向、移动速度和移动距离，并由此控制液压执行机构的动力输出端运动的方向、动作速度和运动距离；所述反馈装置输出对应所述液压执行机构动力输出端的运动距离或位移的反馈脉冲信号，反馈脉冲信号的相位差、频率和数量决定所述阀套的移动方向、移动速度和移动距离。
本发明使用接收指令的直线电机和接收执行机构状态反馈信号的直线电机分别驱动阀芯和阀套做轴向移动，可以同时通过指令端和反馈端控制阀芯和阀套动作，控制更加灵活、快速、高效；通过阀芯和阀套的相对位置来控制阀的开度，不仅可以代替PID调节控制过程，省去了复杂的程序控制设计过程、大幅降低研发成本，而且整体控制系统的结构得到了大幅度的简化，由于结构的大幅简化可靠性得到了显著的提高。
相对于螺纹反馈的数字液压阀而言，除了可控制阀芯和阀套同时动作之外，直线电机直接驱动也大幅简化了阀的结构，明显降低了阀内部件的数量和复杂程度，将旋转运动简化为直线运动大幅降低了阀内各部件之间的运动磨损，因而液压阀的寿命得到明显延长，可靠性得到明显增强。
尤其是，液压阀内的部件之间的磨损运动会产生颗粒物进入液压油，不仅因为磨损会降低控制精度和使用寿命，而且污染的液压油会对液压系统带来深远的影响。长期以来，液压系统中，液压油的质量对系统的控制效果和寿命的作用一直是工程师们重视和研究的话题。本发明的自调节数字液压阀以最小运动状态的直线移动最大限度地降低了阀内部件的运动和磨损，因而对液压油起到了保护作用。
本发明的自调节数字液压阀的控制系统和控制方法需要首先对液压阀进行复位操作，或分阶段进行复位操作，直接设定目标状态即可达到液压阀内以微小的平移动作、纯硬件的简单结构实现稳定的目标机构状态的自动控制。控制过程和动作过程极为简化，大幅降低了液压阀工作过程中的噪音和发热。同时也明显降低了系统维护的难度。
附图说明
图1是自调节数字液压阀的结构示意图，
图2是自调节数字液压阀的控制系统示意图。
图中：1—指令端，2—阀芯，3—阀套，4—阀体，5—反馈端，6—油孔，7—连通通道，8—驱动器，9—信号选择开关，10—指令信号端，11—反馈装置，12—液压执行机构，13—油路开口槽，14—油路通孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：如图1所示，所述自调节数字液压阀，包括指令端1、阀芯2、阀套3、阀体4和反馈端5等，所述指令端1和反馈端5为直线电机，可带动阀芯或阀套轴向运动；相应地。因此以简单的结构防止了阀芯与阀套之间的油路对位问题，且避免了阀芯与阀套之间的转动带来的过度摩擦发热和液压阀内的部件之间的磨损运动而产生颗粒物进入液压油的问题，不仅因为磨损会降低控制精度和使用寿命，而且污染的液压油会对液压系统带来深远的影响。长期以来，液压系统中，液压油的质量对系统的控制效果和寿命的作用一直是工程师们重视和研究的话题。本发明的自调节数字液压阀以最小运动状态的直线移动最大限度地降低了阀内部件的运动和磨损，因而对液压油起到了保护作用。
所述阀芯2可轴向滑动地嵌套于所述阀套3内，该阀芯2的一端与所述指令端1固定连接；所述阀套3可轴向滑动地嵌套于所述阀体4内，该阀套3邻近反馈端的一端与所述反馈端5固定连接；所述阀体4开有轴向的圆柱形孔，侧壁径向设有的油路通孔14，用于嵌套阀套，阀体的两端分别固定连接指令端1和反馈端5。阀芯、阀套和阀体的侧壁均相互接触地嵌套，使径向的油路可以密封流通。
步进直线电机对阀芯和阀套的控制更加精确，从而可以精确控制油压对目标执行机构的作用。直线电机的直线驱动精度确定，消除了螺纹副转化为直线运动的加工差异，消除了旋转摩擦带来的低效率和发热，尤其是减小了阀芯、阀套与阀体之间的磨削而带来的对液压油的污染。
所述阀芯2的外侧壁设有凸沿，所述阀套3的内侧壁开设有与所述凸沿对应的沟槽，所述阀芯2与阀套3构成三位四通液压阀；所述阀套与所述阀芯配合构成的三位四通阀中，阀套和阀体的轴向依次排列对应A、P、B、T接口的油孔和油路，所述阀芯分别对应A、B接口油孔的凸台a、b与阀套的内壁之间围成与P口连通的空腔，所述a、b凸台的两外侧分别设有与阀套密封的凸台c、d，且a凸台与c凸台之间、b凸台与d凸台之间形成通过阀芯内部通道与T接口连通的空腔。在上述三位四通阀中，复位状态是凸台a与凸台b分别对准接口A和接口B对应的油孔，油路被截止。当阀芯右移时，接口P通道与接口B通道开始连通，同时，接口A通道通过阀芯的内部通道与接口T通道开始连通；相反，当阀芯左移时，接口P通道与接口A通道开始连通，同时，接口B通道通过阀芯的内部通道与接口T通道开始连通。该阀以简单紧凑的结构即可实现三位四通阀的功能。阀芯的凸台位置对准阀套的油孔6开口位置时，阀套的油孔和阀体的油路被截止，当阀芯和阀套有相对移动时，凸台没有完全封堵油孔，油孔被开启或部分开启。
所述阀体的内侧壁的油路通孔14开口位置设有轴向扩展的油路开口槽13，轴向扩展是指设定油路开口槽的轴向长度大于对应的油孔宽度。油路在阀体的内侧壁的开口与所述油路开口槽连通，每个所述油路开口槽之间以及油路开口槽与阀体的端面之间在所述阀体内互不连通。由于阀套仅作轴向运动而不作旋转运动，使得阀套的油路结构简单，与阀体的油路仅通过局部扩展的油路开口槽即可方便地与阀体的油路连通，在阀芯与阀套做轴向运动时阀体可保持固定不动，使阀体的安装设置简单化。
作为一种实施例，所述指令端和反馈端也可以用步进电机通过螺纹副将旋转运动转换为直线运动。
一种利用上述数字液压阀组建的自调节数字液压阀控制系统，如图2所示，包括自调节数字液压阀、驱动器8、带反馈装置11的液压执行机构12和信号选择开关9，所述自调节数字液压阀的指令端1和反馈端5分别通过与各自的驱动器8电连接，所述指令端的驱动器与指令信号10信号连接，所述反馈端的驱动器通过所述信号选择开关9与所述指令信号或液压执行机构的反馈装置输出信号连接，所述自调节数字液压阀为三位四通阀，其A、B接口分别管道连接到所述液压执行机构的往返油路接口端，P、T接口分别管道连接到压力油端和回油端。由于阀体固定，阀体油路与液压执行机构的连接也变得简单直观。如图所示，液压执行机构的反馈装置将活塞杆的当前状态直接通过传感器的输出端连接到选择开关的反馈端，使得反馈信号可以不经过处理器即可直接驱动数字液压阀阀体的反馈端。设定液压执行机构的反馈装置的输出信号频率，使得与指令信号频率相应，即在指令信号的控制下阀芯运动使液压执行机构到达指令信号所指定位置时，反馈信号使阀套正好与阀芯同向运动到关闭阀内油路。此时，即可使得数字液压阀实现内闭环自动位置控制，而无需复杂的计算机控制电路和算法，反馈信号规范化可使内闭环式数字液压阀直接与液压执行机构配套使用，快速实现设备的成套化而省略了控制开发过程。无需PID调节控制，搭建控制系统方便快速，由于省略了计算机控制过程，整体可靠性和抗干扰性能也得到了最大限度的提高。
典型地，所述指令端1和所述反馈端5均为直线电机，所述反馈装置11输出对应所述液压执行机构动力输出端位置状态的数字脉冲信号。
一种基于上述自调节数字液压阀控制系统的控制方法，控制过程包括下述顺序执行的步骤：
一、设置所述信号选择开关9使之接通反馈端5的驱动器8输入端和指令信号10，所述指令信号输出回位信号，直到指令端1将阀芯2位置复位，且反馈端5将阀套3复位，复位状态下，自调节数字液压阀的四个外连油路均处于截止状态。使用指令信号可以简单地将阀芯和阀套复位，无需位置检测控制系统。
二、根据液压执行机构12的动力输出端的目标位置确定指令信号所需输出的信号参数，设置所述信号选择开关9使反馈端5的驱动器8输入端和反馈装置11的输出端电连通。选择开关与反馈装置11的输出端连通后，数字液压阀与液压执行机构即构成了内闭环的自调节位置控制系统。而该系统无需经过计算机的程序控制。数字液压阀经过复位后，直接设定目标状态即可达到液压阀内以微小的平移动作、纯硬件的简单结构实现稳定的目标机构状态的自动控制。控制过程和动作过程极为简化，大幅降低了液压阀工作过程中的噪音和发热。同时也明显降低了系统维护的难度。
三、所述指令信号10输出设定动作信号，所述阀芯进行相应的轴向移动并由设定动作信号决定移动距离和自调节数字液压阀的输出油路开度。
四、所述液压执行机构12的动力输出端在油压作用下运动，反馈装置11输出所述液压执行机构的动力输出端的位置或移动状态信号，并通过导通状态的所述信号选择开关反馈到所述反馈端，控制所述阀套3作与阀芯移动方向同向的移动，由反馈信号决定所述阀套移动距离，并因此减小自调节数字液压阀的输出油路开度，当动力输出端达到指令设定状态时，反馈信号驱动所述阀套轴向平移所到达的位置为：使自调节数字液压阀的阀芯凸台与油孔对齐，输出油路关闭，所述动力输出端停止运动，以使所述液压执行机构的动力输出端的位置实现非程序控制的自动调节。
典型地，所述指令端1和所述反馈端5均为直线电机，所述指令信号10输出设定动作脉冲信号，设定动作脉冲信号的相位差、频率和数量决定所述阀芯的移动方向、移动速度和移动距离，并由此控制液压执行机构的动力输出端运动的方向、动作速度和运动距离；所述反馈装置11输出对应所述液压执行机构动力输出端的运动距离或位移的反馈脉冲信号，反馈脉冲信号的相位差、频率和数量决定所述阀套的移动方向、移动速度和移动距离。
Claims (8)
1.一种自调节数字液压阀，包括指令端(1)、阀芯(2)、阀套(3)、阀体(4)和反馈端(5)等，其特征在于：所述指令端(1)和反馈端(5)为直线电机，可带动阀芯或阀套轴向运动；
所述阀芯(2)可轴向滑动地嵌套于所述阀套(3)内，该阀芯(2)的一端与所述指令端(1)连接；所述阀套(3)可轴向滑动地嵌套于所述阀体(4)内，该阀套(3)邻近反馈端的一端与所述反馈端(5)连接；所述阀体(4)开有轴向的圆柱形孔，侧壁径向设有的油路通孔(14)，用于嵌套阀套，阀体的两端分别固定连接指令端(1)和反馈端(5)；
所述阀芯(2)的外侧壁设有凸沿，所述阀套(3)的内侧壁开设有与所述凸沿对应的沟槽，所述阀芯(2)与阀套(3)构成三位四通液压阀。
2.根据权利要求1所述的自调节数字液压阀，其特征在于：所述阀体的内侧壁的油路通孔开口位置设有轴向扩展的油路开口槽(13)，油路在阀体的内侧壁的开口与所述油路开口槽连通，每个所述油路开口槽之间以及油路开口槽与阀体的端面之间在所述阀体内互不连通。
3.根据权利要求1所述的自调节数字液压阀，其特征在于：所述指令端和反馈端还可以用步进电机通过螺纹副将旋转运动转换为直线运动。
4.根据权利要求1所述的自调节数字液压阀，其特征在于：所述阀套与所述阀芯配合构成的三位四通阀中，阀套和阀体的轴向依次排列对应A、P、B、T接口的油孔和油路，所述阀芯分别对应A、B接口油孔的凸台a、b与阀套的内壁之间围成与P口连通的空腔，所述a、b凸台的两外侧分别设有与阀套密封的凸台c、d，且a凸台与c凸台之间、b凸台与d凸台之间形成通过阀芯内部通道与T接口连通的空腔。
5.一种利用权利要求1～4之一的数字液压阀组建的自调节数字液压阀控制系统，其特征在于：包括自调节数字液压阀、驱动器(8)、带反馈装置(11)的液压执行机构(12)和信号选择开关(9)，所述自调节数字液压阀的指令端(1)和反馈端(5)分别通过与各自的驱动器(8)电连接，所述指令端的驱动器与指令信号(10)信号连接，所述反馈端的驱动器通过所述信号选择开关(9)与所述指令信号或液压执行机构的反馈装置输出信号连接，所述自调节数字液压阀为三位四通阀，其A、B接口分别管道连接到所述液压执行机构的往返油路接口端，P、T接口分别管道连接到压力油端和回油端。
6.根据权利要求5所述的自调节数字液压阀控制系统，其特征在于：所述指令端(1)和所述反馈端(5)均为直线电机，所述反馈装置(11)输出对应所述液压执行机构动力输出端位置状态的数字脉冲信号。
7.一种基于权利要求5或6的自调节数字液压阀控制系统的控制方法，其特征在于：控制过程包括下述顺序执行的步骤：
一、设置所述信号选择开关(9)使之接通反馈端(5)的驱动器(8)输入端和指令信号(10)，所述指令信号输出回位信号，直到指令端(1)将阀芯(2)位置复位，且反馈端(5)将阀套(3)复位，复位状态下，自调节数字液压阀的四个外连油路均处于截止状态；
二、根据液压执行机构(12)的动力输出端的目标位置确定指令信号所需输出的信号参数，设置所述信号选择开关(9)使反馈端(5)的驱动器(8)输入端和反馈装置(11)的输出端电连通；
三、所述指令信号(10)输出设定动作信号，所述阀芯进行相应的轴向移动并由设定动作信号决定移动距离和自调节数字液压阀的输出油路开度；
四、所述液压执行机构(12)的动力输出端在油压作用下运动，反馈装置(11)输出所述液压执行机构的动力输出端的位置或移动状态信号，并通过导通状态的所述信号选择开关反馈到所述反馈端，控制所述阀套(3)作与阀芯移动方向同向的移动，由反馈信号决定所述阀套移动距离，并因此减小自调节数字液压阀的输出油路开度，当动力输出端达到指令设定状态时，反馈信号驱动所述阀套轴向平移所到达的位置为：使自调节数字液压阀的阀芯凸台与油孔对齐，输出油路关闭，所述动力输出端停止运动，以使所述液压执行机构的动力输出端的位置实现非程序控制的自动调节。
8.根据权利要求7所述的自调节数字液压阀控制系统的控制方法，其特征在于：所述指令端(1)和所述反馈端(5)均为直线电机，所述指令信号(10)输出设定动作脉冲信号，设定动作脉冲信号的相位差、频率和数量决定所述阀芯的移动方向、移动速度和移动距离，并由此控制液压执行机构的动力输出端运动的方向、动作速度和运动距离；所述反馈装置(11)输出对应所述液压执行机构动力输出端的运动距离或位移的反馈脉冲信号，反馈脉冲信号的相位差、频率和数量决定所述阀套的移动方向、移动速度和移动距离。
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