CN106812761B - 曲柄滑块式反馈数字液压缸 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲柄滑块式反馈数字液压缸，包括滑阀、液压缸及步进电机，液压缸包括液压缸腔体以及活塞，液压缸腔体分为上腔体与下腔体；滑阀包括阀腔以及阀芯，阀芯一端与步进电机连接，阀芯另一端与丝杆的一端固定，丝杆的另一端设有反馈螺母，反馈螺母与丝杆组成丝杆螺母副，该反馈数字液压缸还包括曲柄滑块机构，曲柄滑块机构包括活塞杆、连杆、曲柄、连接件以及转轴，活塞杆下端与活塞固定，活塞杆上端从液压缸上腔体内伸出至上腔体上方，活塞杆上端通过连接件与连杆的一端绞接，连杆的另一端与曲柄绞接，曲柄通过转轴与反馈螺母连接。该数字液压缸不仅能够精确控制液压缸的运行速度和位移，而且具有结构简单，反馈响应迅速且连续的特点。

Description

曲柄滑块式反馈数字液压缸

技术领域

本发明涉及数字液压缸领域，尤其涉及一种曲柄滑块式反馈数字液压缸。

背景技术

液压缸是液压系统的核心件，是液压执行元件，能量转换装置。随着社会工业的需要对液压元件控制的精准度提出更高的要求，显然，传统的液压技术不管是精准度还是控制方面都达不到现有的工业生产要求。

因此，为了克服传统液压缸的精确度差的问题，数字液压缸应运而生，数字液压缸是将步进电机、液压滑阀、反馈机构集合在液压缸内部，使用时，接通液压油源，所有的功能直接通过可编程逻辑控制器(PLC)发出的数字脉冲信号来控制液压缸中各部件移动长度矢量。通过将数字控制技术与液压缸结合使液压缸的方向控制，速度控制和位置控制更加精确。

目前，数字液压缸主要包括步进电机或伺服电机、液压缸、液压滑阀、传感器以及反馈机构，通过数字技术控制步进电机的角位移进而控制液压滑阀的开度大小，进而控制油的油量与流速，最终达到控制液压缸的运行速度与位移大小，其中，反馈机构主要是通过传感器采集液压缸的位移速度信息反馈给步进电机，进而调整步进电机的角位移从而实现精确控制液压缸，这一过程是对步进电机的闭环控制，这种步进电机闭环控制存在复杂、滞后、非线性以及抗干扰性差等问题，而且通常这种反馈机构的结构都较为复杂。为了克服步进电机闭环控制的缺点，出现对液压缸位移的闭环数字控制，如中国发明专利(授权公告日CN103148047 B授权公告日2016.03.02)公开了内反馈数字伺服液压缸，该发明的滑阀的阀芯由第一电机带动控制，滑阀的反馈螺套由第二电机带动控制，磁滞伸缩位移传感器将液压缸位移信号反馈给第二电机相应的驱动器，驱动器控制第二电机运转，通过对反馈螺套与阀芯二者相对运动的控制，实现对液压缸位移的闭环数字控制，该发明中包括驱动滑阀位移的第一电机以及执行反馈指令的第二电机，由于第二电机需要通过传感器，电机驱动器才能执行反馈动作，因此，这种反馈机构仍然存在反馈响应滞后的缺点。

发明内容

为解决以上问题，本发明的目的是提供一种曲柄滑块式反馈数字液压缸，该数字液压缸不仅能够精确控制液压缸的运行速度和位移，而且具有结构简单，反馈响应迅速且连续的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

曲柄滑块式反馈数字液压缸，包括滑阀、液压缸及步进电机，所述液压缸包括液压缸腔体以及设于液压缸腔体内可沿液压缸内壁上下移动的活塞，所述活塞将液压缸腔体分为上腔体与下腔体；所述滑阀包括阀腔以及阀腔内左右运动的阀芯，所述阀腔上开有高压油进口、第一出油口、第二出油口、与液压缸上腔体连通的第一流通口以及与液压缸下腔体连通的第二流通口；所述阀芯一端通过联轴器与步进电机连接，所述阀芯另一端与丝杆的一端固定，所述丝杆的另一端设有反馈螺母，所述反馈螺母与丝杆组成丝杆螺母副，其中，所述曲柄滑块式反馈数字液压缸还包括可带动反馈螺母旋转的曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构包括活塞杆、连杆、曲柄、连接件以及转轴，所述活塞杆下端与活塞固定，所述活塞杆上端从液压缸上腔体内伸出至上腔体上方，所述活塞杆上端通过连接件与连杆的一端绞接，所述连杆的另一端与曲柄绞接，所述曲柄通过转轴与反馈螺母连接。

作为优选，所述连杆包括一根竖杆与一根横杆，所述竖杆的下端与横杆的一端固定组成“L”形杆，所述竖杆的上端与连接件铰接，所述横杆的另一端与曲柄铰接。其中连杆为“L”形杆，使曲柄的转动轨迹平面与活塞推力或拉力所在平面垂直，使螺母转动更加平稳。

作为优选，所述滑阀为四凸肩四边滑阀。采用四凸肩四边滑阀相比于两凸肩四边滑阀，三凸肩四边滑阀具有更好的流体线性关系。

作为优选，所述曲柄滑块式反馈数字液压缸还包括可编程控制器，所述可编程控制器将输出脉冲信号直接传输给电机驱动器，所述电机驱动器带动步进电机运作。通过可编程控制器直接将输出脉冲信号传输给步进电机驱动器带动步进电机转动，无需数/模转换器的转换，实现了真正意义上的“数字”控制而且解决了模拟信号在传输过程中的干扰问题，使控制系统更加稳定。

作为优选，所述可编程控制器的输出脉冲信号根据液压缸运行的位移、速度以及方向进行设定。

本发明的优点在于：

1，本发明中利用曲柄滑块机构带动反馈螺母转动来完成数字液压缸的反馈过程，这种反馈相比于传统的传感反馈，曲柄滑块机构响应更加迅速而且不受信号干扰的影响，相比于齿轮齿条机构这种曲柄滑块机构反馈更加连续从而使液压缸的运行速度与位移更加精确。

2，传统的数字液压缸采用的是对步进电机的闭环控制(如图4)，本发明中通过曲柄滑块机构直接对滑阀进行闭环控制(如图5)，对于步进电机则是开环控制，克服了步进电机闭环控制存在复杂、滞后、非线性以及抗干扰性差等问题。

3，现有的数字液压缸中可编程控制器的输出脉冲信号是根据滑阀中阀口开度大小进行设定，并且通过传感器采集液压缸的位置与速度信号反馈给步进电机来调节阀口开度大小，相比于这种控制方法，直接根据液压缸运行的位移、速度以及方向进行设定输出脉冲信号更加直接，简单，而且避免了传感器易受干扰的缺陷。

附图说明

图1为本发明曲柄滑块式反馈数字液压缸的结构示意图(曲柄滑块式反馈数字液压缸处于静止状态)；

图2为步进电机正转时，曲柄滑块式反馈数字液压缸的结构示意图；

图3为步进电机反转时，曲柄滑块式反馈数字液压缸的结构示意图；

图4为传统数字液压缸对步进电机闭环控制的原理图；

图5为本发明曲柄滑块式反馈数字液压缸对滑阀闭环控制的原理图；

图中各部件标号如下：滑阀1、液压缸2(其中，包括液压缸腔体21、上腔体21a、下腔体21b、活塞22)、步进电机3、阀腔4(其中，包括高压油进口4a、第一出油口4b、第二出油口4c、第一流通口4d、第二流通口4e)、阀芯5、联轴器6、丝杆7、反馈螺母8、曲柄滑块机构9(其中，包括活塞杆9a、连杆9b、曲柄9c、连接件9d、转轴9e)、竖杆10、横杆11、可编程控制器12、电机驱动器13。

具体实施方式

为更好地理解本发明，以下将结合附图和具体实例对发明进行详细的说明。

如图1所示，曲柄滑块式反馈数字液压缸，包括四凸肩四边滑阀1、液压缸2及步进电机3，液压缸2包括液压缸腔体21以及设于液压缸腔体21内可沿液压缸内壁上下移动的活塞22，所述活塞22将液压缸腔体21分为上腔体21a与下腔体21b；所述四凸肩四边滑阀1包括阀腔4以及阀腔4内左右运动的阀芯5，所述阀腔4上开有高压油进口4a、第一出油口4b、第二出油口4c、与液压缸2上腔体21a连通的第一流通口4d以及与液压缸2下腔体21b连通的第二流通口4e；阀芯5一端通过联轴器6与步进电机3连接，阀芯5另一端与丝杆7的一端固定，丝杆7另一端设有反馈螺母8，反馈螺母8与丝杆7组成丝杆螺母副，其中，曲柄滑块式反馈数字液压缸还包括可带动反馈螺母8旋转的曲柄滑块机构9，曲柄滑块机构9包括活塞杆9a、连杆9b、曲柄9c、连接件9d以及转轴9e，活塞杆9a下端与活塞22固定，活塞杆9a上端从液压缸2上腔体21a内伸出至上腔体21a上方，活塞杆9a上端通过连接件9d与连杆9b的一端绞接，连杆9b另一端与曲柄9c绞接，曲柄9c通过转轴9e与反馈螺母8连接，其中，连杆9b包括一根竖杆10与一根横杆11，竖杆10的下端与横杆11的一端固定组成“L”形杆，所述竖杆10的上端与连接件9d铰接，所述横杆11另一端与曲柄9c铰接。

曲柄滑块式反馈数字液压缸还包括可编程控制器12，可编程控制器12将输出的脉冲信号直接传输给电机驱动器13，电机驱动器13带动步进电机3运作，其中，可编程控制器12输出的脉冲信号根据液压缸2运行的位移、速度以及方向进行设定。

滑阀1、液压缸2(其中，包括液压缸腔体21、上腔体21a、下腔体21b、活塞22)、步进电机3、阀腔4(其中，包括高压油进口4a、第一出油口4b、第二出油口4c、第一流通口4d、第二流通口4e)、阀芯5、联轴器6、丝杆7、反馈螺母8、曲柄滑块机构9(其中，包括活塞杆9a、连杆9b、曲柄9c、连接件9d、转轴9e)、竖杆10、横杆11、可编程控制器12、电机驱动器13。

本发明的工作原理：结合图1与图5所示，可编程控制器12将输出的脉冲信号传输给电机驱动器13，电机驱动器13带动步进电机3转动，产生一定的转角，由于步进电机通过联轴器6与阀芯5的一端连接，因此步进电机3转动带动阀芯5转动，阀芯5转动进而带动与阀芯固定连接的丝杆7转动，丝杆7上配合有反馈螺母8，由于反馈螺母8与曲柄滑块机构9连接，而且液压缸2运动的驱动力要比转动阀芯5所需要的驱动力大得多，所以，当步进电机3转动带动阀芯5转动时，反馈螺母8不转动，因此，迫使丝杆7带动阀芯5轴向位移，进而打开第一流通口4d与第二流通口4e，阀芯5位移的方向决定第一流通口4d与第二流通口4e为进油方向还是出油方向，如图1所示，电机停止转动，阀芯5堵住第一流通口4d与第二流通口4e，高压油Ps不流通，整个装置处于静止状态，如图2所示，电机正转，带动阀芯5向右移动，高压油从高压油进口4a流入，经第二流通口4e流入液压缸2的下腔体21b，推动活塞22向上运动，上腔体21a内的低压油Po依次经第一流通4d口与第一出油口4b流出，在活塞22向上运动的同时，启动曲柄滑块机构9，曲柄滑块机构9带动反馈螺母8转动，反馈螺母8转动的方向与步进电机3转动的方向相反，反馈螺母8与丝杆7组成丝杆螺母副，反馈螺母8转动带动丝杆7向左产生位移，从而给阀芯5一个向左的反馈力，这种反馈使液压缸2运行地更加平稳，而且通过曲柄滑块机构9相比于其他的传动机构比如齿轮齿条传动的机构，这种反馈更加连续从而使液压缸的运行位移与速度更加精确，相比于传感反馈，曲柄滑块机构响应更加迅速而且不受信号干扰的影响。电机反转如图3所示，其原理与上述电机正转相同，这里不再赘述。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种曲柄滑块式反馈数字液压缸，包括滑阀(1)、液压缸(2)及步进电机(3)，所述液压缸(2)包括液压缸腔体(21)以及设于液压缸腔体(21)内可沿液压缸内壁上下移动的活塞(22)，所述活塞(22)将液压缸腔体(21)分为上腔体(21a)与下腔体(21b)；所述滑阀(1)包括阀腔(4)以及阀腔(4)内左右运动的阀芯(5)，所述阀腔(4)上开有高压油进口(4a)、第一出油口(4b)、第二出油口(4c)、与液压缸(2)上腔体(21a)连通的第一流通口(4d)以及与液压缸(2)下腔体(21b)连通的第二流通口(4e)；所述阀芯(5)一端通过联轴器(6)与步进电机(3)连接，所述阀芯(5)另一端与丝杆(7)的一端固定，所述丝杆(7)另一端设有反馈螺母(8)，所述反馈螺母(8)与丝杆(7)组成丝杆螺母副，其特征在于：所述曲柄滑块式反馈数字液压缸还包括可带动反馈螺母(8)旋转的曲柄滑块机构(9)，所述曲柄滑块机构(9)包括活塞杆(9a)、连杆(9b)、曲柄(9c)、连接件(9d)以及转轴(9e)，所述活塞杆(9a)下端与活塞(22)固定，所述活塞杆(9a)上端从液压缸(2)上腔体(21a)内伸出至上腔体(21a)上方，所述活塞杆(9a)上端通过连接件(9d)与连杆(9b)的一端绞接，所述连杆(9b)的另一端与曲柄(9c)绞接，所述曲柄(9c)通过转轴(9e)与反馈螺母(8)连接；

所述连杆(9b)包括一根竖杆(10)与一根横杆(11)，所述竖杆(10)的下端与横杆(11)的一端固定组成“L”形杆，所述竖杆(10)的上端与连接件(9d)铰接，所述横杆(11)的另一端与曲柄(9c)铰接；

所述滑阀(1)为四凸肩四边滑阀。

2.根据权利要求1所述的曲柄滑块式反馈数字液压缸，其特征在于：它还包括可编程控制器(12)，所述可编程控制器(12)将输出的脉冲信号直接传输给电机驱动器(13)，所述电机驱动器(13)带动步进电机(3)运作。

3.根据权利要求2所述的曲柄滑块式反馈数字液压缸，其特征在于：所述可编程控制器(12)输出的脉冲信号根据液压缸(2)运行的位移、速度以及方向进行设定。