CN106678126A - 一种可精确定位的数控油缸及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可精确定位的数控油缸及其控制方法，属于数控油缸技术领域。本发明的一种可精确定位的数控油缸，包括缸体、活塞杆、传动轴、蜗轮、齿轮、齿轮轴旋转编码器、蜗杆轴旋转编码器、蜗杆和伺服电机，蜗轮和齿轮同轴安装于传动轴上，齿轮轴旋转编码器安装于传动轴上；活塞杆的前端加工出齿条，且该齿条与齿轮无侧隙啮合；伺服电机与蜗杆相连，蜗杆与蜗轮相啮合，蜗杆轴旋转编码器安装于蜗杆上。本发明还公开了一种可精确定位的数控油缸的控制方法。本发明利用简单的结构即可精确定位油缸的位置，将数控技术的精确性与液压油缸的可靠稳定性有机结合在一起，实现了液压油缸在精密执行元件中的应用，操作简单、安装方便、通用性强。

Description

一种可精确定位的数控油缸及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种数控油缸，更具体地说，涉及一种可精确定位的数控油缸及其控制方法。

背景技术

液压油缸具有结构简单、传动力量大、使用寿命长和工作可靠稳定等特点，在各个领域得到了十分广泛的应用。但由于液压油缸是以液压油为工作介质的，在活塞的两侧不可避免的要有液压油的内泄露，这种内泄露会造成活塞不能完成相应的行程，同时液压油也不是绝对不可压缩的，这些因素均造成液压油缸的活塞位置很难精确控制，从而限制了液压油缸作为精密执行元件的应用，特别是在很多大型设备中，液压执行元件由于精度不够，不得不用结构复杂的电动执行系统代替。

为了使油缸安全可靠的工作，就需要对油缸的位移量做出可靠的测量，目前采用的方法一般有以下两种：

(1)在油缸工作的地方安装机械限位，当油缸运行时触发相应的限位，表示油缸工作到了某一位置，该方式安装简单，但测量出的数据都是离散量，不能连续检测出油缸的位移，并且限位安装场所一般工作环境较差，限位容易损坏和产生误信号；

(2)在油缸周围安装较为精确的电气传感器，可以连续实时的检测油缸活塞位移量，该检测方式往往安装步骤繁琐，对工作油缸选型有特定要求，检测设备价格较昂贵，而且由于靠近油缸工作环境，需要可靠的防护，给安装和维护带来不便。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有油缸难以精确定位的不足，提供一种可精确定位的数控油缸及其控制方法，采用本发明的技术方案，利用简单的结构即可精确定位油缸的位置，将数控技术的精确性与液压油缸的可靠稳定性有机结合在一起，实现了液压油缸在精密执行元件中的应用；同时，具有操作简单、安装方便、降低使用成本和通用性强等优点。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种可精确定位的数控油缸，包括缸体和活塞杆，还包括传动轴、蜗轮、齿轮、齿轮轴旋转编码器、蜗杆轴旋转编码器、蜗杆和伺服电机，所述的蜗轮和齿轮同轴安装于传动轴上，所述的齿轮轴旋转编码器安装于传动轴上；所述的活塞杆的前端加工出齿条，且该齿条与齿轮无侧隙啮合；所述的伺服电机与蜗杆相连，所述的蜗杆与蜗轮相啮合，所述的蜗杆轴旋转编码器安装于蜗杆上；

工作时，活塞杆直线运动，通过其前端的齿条带动齿轮和蜗轮转动，伺服电机同时带动蜗杆转动，通过齿轮轴旋转编码器的信号换算得出活塞杆的位置；当需要定位活塞杆的位置时，伺服电机停止转动，通过蜗轮和蜗杆的自锁作用锁定活塞杆的位置。

作为本发明进一步改进，所述的齿轮轴旋转编码器为绝对值型编码器，所述的蜗杆轴旋转编码器为增量型编码器。

作为本发明进一步改进，所述的蜗轮和齿轮分别通过键与传动轴传递扭矩。

作为本发明进一步改进，所述的蜗杆通过联轴器与伺服电机相连接。

本发明的一种可精确定位的数控油缸的控制方法，包括以下步骤：

(a)、假设活塞杆在右极限位置时的位置为零，通过调整齿轮轴旋转编码器和蜗杆轴旋转编码器的安装角度位置，使齿轮轴旋转编码器和蜗杆轴旋转编码器输出零位信号；通过齿轮轴旋转编码器输出的脉冲信号可换算出活塞杆(2)的位置S；

(b)、假设活塞杆在正行程时，蜗轮的蜗轮齿右侧与蜗杆的左侧无间隙，则齿轮轴旋转编码器(7)输出值Z₁的增量ΔZ₁与蜗杆轴旋转编码器输出值Z₂的增量ΔZ₂存在一一对应的关系，即ΔZ₂＝ΔZ₁×i，其中，i与蜗轮、蜗杆的传动比以及齿轮的齿数有关；

(c)、假设活塞杆处于零位置时，蜗轮的蜗轮齿左侧侧与蜗杆的右侧无间隙，则在蜗轮位置不动的情况下，蜗杆反向旋转ΔZ可得到步骤(b)中的蜗轮的蜗轮齿右侧与蜗杆的左侧无间隙的啮合状态，其中，ΔZ的大小可通过实验获得；

(d)、当活塞杆由零位置启动时，设定齿轮轴旋转编码器的初始值为Z₁₀＝0，蜗杆轴旋转编码器的初始值为Z₂₀＝ΔZ；当Z₁×i<Z₂<Z₁×i+ΔZ时，则表明蜗轮和蜗杆处于非接触状态；

(e)、活塞杆由零位置刚运动时，假设蜗杆不动，蜗轮齿右侧与蜗杆的左侧有间隙，同时假设活塞杆移动距离S_min后，蜗轮齿右侧与蜗杆的左侧无间隙，此时可以通过以下方法确定活塞杆位置S>S_min时的位置S：

(e-1)、在活塞杆移动过程中，齿轮轴旋转编码器实时输出Z₁，同时控制蜗杆旋转使蜗杆轴旋转编码器输出的Z₂保持在(Z_2min，Z_2max)区间内，即蜗轮和蜗杆不接触，其中，

(e-2)、当活塞杆需定位在位置S时，可先计算出齿轮轴旋转编码器的输出值Z_1s，而蜗杆因定位活塞杆应该停在的位置为Z_1s×i；因此，在活塞杆移动过程中，如果由步骤(e-1)的式(1)得到Z_2max大于Z_1s×i，则取

Z_2max＝Z_1s×i(Z_2max>Z_1s×i) (2)；

(e-3)、在活塞杆正行程运动过程中，控制蜗杆按步骤(e-1)和步骤(e-2)中的式(1)和式(2)运动，可保证蜗轮和蜗杆不接触，即活塞杆完全处于液压传动状态；在活塞杆靠近位置S且Z_2max＝Z_1s×i时，蜗杆轴旋转编码器的输出值逐渐逼近Z_2max，最终达到蜗轮的蜗轮齿右侧与蜗杆的左侧无间隙的定位接触状态。

作为本发明进一步改进，所述的齿轮轴旋转编码器为绝对值型编码器，所述的蜗杆轴旋转编码器为增量型编码器，则齿轮轴旋转编码器的输出值Z₁表示齿轮轴旋转编码器的角度值，直接由齿轮轴旋转编码器中读出；蜗杆轴旋转编码器的输出值Z₂表示蜗杆轴旋转编码器的角度值，等于蜗杆轴旋转编码器的增量累加值加上ΔZ。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种可精确定位的数控油缸及其控制方法，其利用简单的结构即可精确定位油缸的位置，将数控技术的精确性与液压油缸的可靠稳定性有机结合在一起，实现了液压油缸在精密执行元件中的应用；同时，具有操作简单、安装方便、降低使用成本和通用性强等优点；

(2)本发明的一种可精确定位的数控油缸及其控制方法，其齿轮轴旋转编码器为绝对值型编码器，蜗杆轴旋转编码器为增量型编码器，使齿轮轴旋转编码器和蜗杆轴旋转编码器的读数更加方便，简化了计算，更加容易控制。

附图说明

图1为本发明的一种可精确定位的数控油缸的结构示意图；

图2为本发明中的传动轴、蜗轮、齿轮和齿轮轴旋转编码器的安装结构示意图；

图3为本发明中的活塞杆正行程定位时蜗轮和蜗杆的啮合状态示意图；

图4为本发明中的活塞杆在零位置时蜗轮和蜗杆的啮合状态示意图；

图5为本发明中的活塞杆在运动时蜗轮和蜗杆的啮合状态示意图。

示意图中的标号说明：

1、缸体；2、活塞杆；3、键；4、传动轴；5、蜗轮；6、齿轮；7、齿轮轴旋转编码器；8、蜗杆轴旋转编码器；9、蜗杆；10、联轴器；11、伺服电机；12、第一油管；13、第二油管。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1和图2所示，本实施例的一种可精确定位的数控油缸，包括缸体1、活塞杆2、传动轴4、蜗轮5、齿轮6、齿轮轴旋转编码器7、蜗杆轴旋转编码器8、蜗杆9和伺服电机11。缸体1上连接第一油管12和第二油管13，在液压油的作用下可使活塞杆2前后直线运动；蜗轮5和齿轮6同轴安装于传动轴4上，具体地，蜗轮5和齿轮6分别通过键3与传动轴4传递扭矩；齿轮轴旋转编码器7安装于传动轴4上(连接关系如图2所示)，用于测量传动轴4的旋转角度值；活塞杆2的前端加工出齿条，且该齿条与齿轮6无侧隙啮合；伺服电机11与蜗杆9相连，具体可通过联轴器10相连接，蜗杆9与蜗轮5相啮合，蜗杆轴旋转编码器8安装于蜗杆9上，用于测量蜗杆9的旋转角度值，本实施例中的蜗杆9采用右旋结构。在本实施例中，齿轮轴旋转编码器7为绝对值型编码器，蜗杆轴旋转编码器8为增量型编码器，便于读数、简化计算、更易控制。工作时，活塞杆2直线运动，通过其前端的齿条带动齿轮6和蜗轮5转动，伺服电机11同时带动蜗杆9转动，通过齿轮轴旋转编码器7的信号换算得出活塞杆2的位置；当需要定位活塞杆2的位置时，伺服电机11停止转动，并使之处于脱机状态以节能，通过蜗轮5和蜗杆9的自锁作用锁定活塞杆2的位置。

本实施例的一种可精确定位的数控油缸，结构简单、安装方便、降低了使用成本、通用性强。

实施例2

接续图1和图2所示，本实施例为上述实施例1的一种可精确定位的数控油缸的控制方法，包括以下步骤：

(a)、假设活塞杆2在右极限位置时的位置为零，通过调整齿轮轴旋转编码器7和蜗杆轴旋转编码器8的安装角度位置，使齿轮轴旋转编码器7和蜗杆轴旋转编码器8输出零位信号，该零位信号的调整，可采用中国专利号：ZL201210101907.8，授权公告日为：2015年1月7日，发明创造名称为：一种旋转编码器的零位调整装置及其使用方法的专利申请案的技术方案，在此就不再赘述；通过齿轮轴旋转编码器7输出的脉冲信号可换算出活塞杆2的位置S；

(b)、假设活塞杆2在正行程时，蜗轮5的蜗轮齿右侧与蜗杆9的左侧无间隙(如图3所示)，则齿轮轴旋转编码器7输出值Z₁的增量ΔZ₁与蜗杆轴旋转编码器8输出值Z₂的增量ΔZ₂存在一一对应的关系，即ΔZ₂＝ΔZ₁×i，其中，i与蜗轮5、蜗杆9的传动比以及齿轮6的齿数有关，可根据具体数值计算得出；

(c)、假设活塞杆2处于零位置时，蜗轮5的蜗轮齿左侧侧与蜗杆9的右侧无间隙(如图4所示)，则在蜗轮5位置不动的情况下，蜗杆9反向旋转ΔZ可得到步骤(b)中的蜗轮5的蜗轮齿右侧与蜗杆9的左侧无间隙的啮合状态，即图3中蜗轮5与蜗杆9的啮合状态，其中，ΔZ的大小可通过实验获得；

(d)、当活塞杆2由零位置启动时，设定齿轮轴旋转编码器7的初始值为Z₁₀＝0，蜗杆轴旋转编码器8的初始值为Z₂₀＝ΔZ；当Z₁×i<Z₂<Z₁×i+ΔZ时，则表明蜗轮5和蜗杆9处于非接触状态(如图5所示)；

(e)、活塞杆2由零位置刚运动时，假设蜗杆9不动，蜗轮齿右侧与蜗杆9的左侧有间隙，同时假设活塞杆2移动距离S_min后，蜗轮齿右侧与蜗杆9的左侧无间隙，则此时可以通过以下方法确定当活塞杆2位置S>S_min时，活塞杆2的位置S，具体方法如下：

(e-1)、在活塞杆2移动过程中，齿轮轴旋转编码器7实时输出Z₁值，同时控制蜗杆9(或伺服电机11)旋转使蜗杆轴旋转编码器8输出的Z₂保持在(Z_2min，Z_2max)区间内，即蜗轮5和蜗杆9不接触，其中，

(e-2)、当活塞杆2需定位在某一位置S时，由齿轮6和齿条的传动关系，可先计算出当活塞杆2定位在位置S时，齿轮轴旋转编码器7的输出值Z_1s，而蜗杆9因定位活塞杆2最后应该停在的位置为Z_1s×i；因此，在活塞杆2移动过程中，如果由步骤(e-1)的式(1)得到Z_2max大于Z_1s×i，则取

Z_2max＝Z_1s×i(Z_2max>Z_1s×i) (2)；

(e-3)、在活塞杆2正行程运动过程中，控制蜗杆9按步骤(e-1)和步骤(e-2)中的式(1)和式(2)运动，可保证蜗轮5和蜗杆9不接触，即活塞杆2完全处于液压传动状态；在活塞杆2靠近位置S且Z_2max＝Z_1s×i时，蜗杆轴旋转编码器8的输出值逐渐逼近Z_2max，图5中的Δ2逐渐减小到零，最终达到如图3所示的蜗轮5的蜗轮齿右侧与蜗杆9的左侧无间隙的定位接触状态。

在本实施例中，上述的齿轮轴旋转编码器7采用绝对值型编码器，蜗杆轴旋转编码器8采用增量型编码器，则齿轮轴旋转编码器7的输出值Z₁表示齿轮轴旋转编码器7的角度值，直接由齿轮轴旋转编码器7中读出；蜗杆轴旋转编码器8的输出值Z₂表示蜗杆轴旋转编码器8的角度值，等于蜗杆轴旋转编码器8的增量累加值加上Z_20，即ΔZ，使齿轮轴旋转编码器7和蜗杆轴旋转编码器8的读数更加方便，简化了计算，更加容易控制。

本发明的一种可精确定位的数控油缸及其控制方法，其利用简单的结构即可精确定位油缸的位置，将数控技术的精确性与液压油缸的可靠稳定性有机结合在一起，实现了液压油缸在精密执行元件中的应用；同时，具有操作简单、安装方便、降低使用成本和通用性强等优点。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可精确定位的数控油缸，包括缸体(1)和活塞杆(2)，其特征在于：还包括传动轴(4)、蜗轮(5)、齿轮(6)、齿轮轴旋转编码器(7)、蜗杆轴旋转编码器(8)、蜗杆(9)和伺服电机(11)，所述的蜗轮(5)和齿轮(6)同轴安装于传动轴(4)上，所述的齿轮轴旋转编码器(7)安装于传动轴(4)上；所述的活塞杆(2)的前端加工出齿条，且该齿条与齿轮(6)无侧隙啮合；所述的伺服电机(11)与蜗杆(9)相连，所述的蜗杆(9)与蜗轮(5)相啮合，所述的蜗杆轴旋转编码器(8)安装于蜗杆(9)上；

工作时，活塞杆(2)直线运动，通过其前端的齿条带动齿轮(6)和蜗轮(5)转动，伺服电机(11)同时带动蜗杆(9)转动，通过齿轮轴旋转编码器(7)的信号换算得出活塞杆(2)的位置；当需要定位活塞杆(2)的位置时，伺服电机(11)停止转动，通过蜗轮(5)和蜗杆(9)的自锁作用锁定活塞杆(2)的位置。

2.根据权利要求1所述的一种可精确定位的数控油缸，其特征在于：所述的齿轮轴旋转编码器(7)为绝对值型编码器，所述的蜗杆轴旋转编码器(8)为增量型编码器。

3.根据权利要求2所述的一种可精确定位的数控油缸，其特征在于：所述的蜗轮(5)和齿轮(6)分别通过键(3)与传动轴(4)传递扭矩。

4.根据权利要求3所述的一种可精确定位的数控油缸，其特征在于：所述的蜗杆(9)通过联轴器(10)与伺服电机(11)相连接。

5.一种可精确定位的数控油缸的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)、假设活塞杆(2)在右极限位置时的位置为零，通过调整齿轮轴旋转编码器(7)和蜗杆轴旋转编码器(8)的安装角度位置，使齿轮轴旋转编码器(7)和蜗杆轴旋转编码器(8)输出零位信号；通过齿轮轴旋转编码器(7)输出的脉冲信号可换算出活塞杆(2)的位置S；

(b)、假设活塞杆(2)在正行程时，蜗轮(5)的蜗轮齿右侧与蜗杆(9)的左侧无间隙，则齿轮轴旋转编码器(7)输出值Z₁的增量ΔZ₁与蜗杆轴旋转编码器(8)输出值Z₂的增量ΔZ₂存在一一对应的关系，即ΔZ₂＝ΔZ₁×i，其中，i与蜗轮(5)、蜗杆(9)的传动比以及齿轮(6)的齿数有关；

(c)、假设活塞杆(2)处于零位置时，蜗轮(5)的蜗轮齿左侧侧与蜗杆(9)的右侧无间隙，则在蜗轮(5)位置不动的情况下，蜗杆(9)反向旋转ΔZ可得到步骤(b)中的蜗轮(5)的蜗轮齿右侧与蜗杆(9)的左侧无间隙的啮合状态，其中，ΔZ的大小可通过实验获得；

(d)、当活塞杆(2)由零位置启动时，设定齿轮轴旋转编码器(7)的初始值为Z₁₀＝0，蜗杆轴旋转编码器(8)的初始值为Z₂₀＝ΔZ；当Z₁×i<Z₂<Z₁×i+ΔZ时，则表明蜗轮(5)和蜗杆(9)处于非接触状态；

(e)、活塞杆(2)由零位置刚运动时，假设蜗杆(9)不动，蜗轮齿右侧与蜗杆(9)的左侧有间隙，同时假设活塞杆(2)移动距离S_min后，蜗轮齿右侧与蜗杆(9)的左侧无间隙，此时可以通过以下方法确定活塞杆(2)位置S>S_min时的位置S：

(e-1)、在活塞杆(2)移动过程中，齿轮轴旋转编码器(7)实时输出Z₁，同时控制蜗杆(9)旋转使蜗杆轴旋转编码器(8)输出的Z₂保持在(Z_2min，Z_2max)区间内，即蜗轮(5)和蜗杆(9)不接触，其中， $\left\{\begin{array}{c}{Z}_{2min}=Z_1\&times;i\\ Z_{2max}=Z_1\&times;i+\mathrm{\&Delta;}Z\end{array}\right.---\left(1\right);$

(e-2)、当活塞杆(2)需定位在位置S时，可先计算出齿轮轴旋转编码器(7)的输出值Z_1s，而蜗杆(9)因定位活塞杆(2)应该停在的位置为Z_1s×i；因此，在活塞杆(2)移动过程中，如果由步骤(e-1)的式(1)得到Z_2max大于Z_1s×i，则取

Z_2max＝Z_1s×i(Z_2max>Z_1s×i) (2)；

(e-3)、在活塞杆(2)正行程运动过程中，控制蜗杆(9)按步骤(e-1)和步骤(e-2)中的式(1)和式(2)运动，可保证蜗轮(5)和蜗杆(9)不接触，即活塞杆(2)完全处于液压传动状态；在活塞杆(2)靠近位置S且Z_2max＝Z_1s×i时，蜗杆轴旋转编码器(8)的输出值逐渐逼近Z_2max，最终达到蜗轮(5)的蜗轮齿右侧与蜗杆(9)的左侧无间隙的定位接触状态。

6.根据权利要求5所述的一种可精确定位的数控油缸的控制方法，其特征在于：所述的齿轮轴旋转编码器(7)为绝对值型编码器，所述的蜗杆轴旋转编码器(8)为增量型编码器，则齿轮轴旋转编码器(7)的输出值Z₁表示齿轮轴旋转编码器(7)的角度值，直接由齿轮轴旋转编码器(7)中读出；蜗杆轴旋转编码器(8)的输出值Z₂表示蜗杆轴旋转编码器(8)的角度值，等于蜗杆轴旋转编码器(8)的增量累加值加上ΔZ。