CN108692090A - 手自一体自动控制阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了手自一体自动控制阀，包括减速电机、带高台快开阀、齿轮组外壳、齿轮组盖和三级减速装置，三级减速装置包括连接在减速电机输出轴上的第一级小齿轮轴，以及连接在第一级小齿轮轴上的第二级双层减速齿轮组,还包括固定在带高台快开阀的阀杆上的第三级扇形减速齿轮；第一级小齿轮轴穿过第三级扇形减速齿轮的圆弧形凹槽并且延伸至齿轮组盖的外侧，同时第一级小齿轮轴位于齿轮组盖的外侧部位连接手动阀表头；减速电机和带高台快开阀通过控制电路连接单片机。本发明的手自一体自动控制阀，结构紧凑，可显示开度，且开度精度控制高。阀自动运转轻盈顺畅、无明显噪声。手动旋转时阻尼适中、手感顺滑。

Description

手自一体自动控制阀

技术领域

本发明涉及加压氧舱阀门技术领域或其他自动阀控制的相关领域，特别是涉及手动和自动控制一体化的加压、减压阀。

背景技术

加压氧舱是通过空气或氧气对密闭舱内进行加压，使舱内绝对压力大于1个大气压、不超过3个大气压。加压氧舱在压力升或降的过程，必须严格控制升压、降压速率，避免或减轻耳朵剧痛等不适症状。舱内升、降压力控制的主要部件是加压阀、减压阀，包括进气流量控制阀、排气流量控制阀以及相应的控制系统组成。

现有的进、排气控制阀一般采用直角螺纹截止阀，其阀杆装有旋转表头，可以转若干圈来控制阀的开启程度，并能指示转动的圈数，具有比较线性的气体输入和排气控制能力。根据技术标准的有关规定，成人氧舱的最大升、降压速率应不小于0.03 MPa/min,婴儿舱的最大升、降压速率应不小于0.01 MPa/min。现有方案，是根据对设备的操作经验，设定阀的一定的开度，并在相应时间内完成加压和减压。由于采用固定的阀门开度或固定的流量进行控制，实际舱内压力的升降并非线性。操作人员必须进过专业的培训，并积累必要的操作经验。但往往因为不同人操作，仍然会产生不同的效果，并易引起耳朵剧痛等不适症状。

如果将进、排气阀进行自动化控制，能够较好地对加、降压进行线性控制。同时，国家技术规范要求，进、排气在自动控制的同时，必须同时具备手动操作功能。目前市场上的电子控制阀主要有两类，一类是自动控制的比例阀，只能实现全开和全闭，不能控制开度多少，因此只能通过控制开和闭时间长短来模拟阀门开度，从而控制压力升降；另一类可以自动控制阀的开度，但没有可手动控制的构件,无法方便地进行手动操作。在停电等特殊应急情况下，很难进行人工干预，对加压氧舱类产品来说，增加了安全隐患。现有自动控制的方案，都是采用手动控制和自动控制两套系统并存的方案，增加系统的复杂性和操作难度。主要存在下列技术问题：

1.现有直角螺纹截止阀体积大，手动控制精度低，操作技能要求高,无法进行自动控制。

2.直角螺纹截止阀通过螺纹控制阀开度，关闭时用力过大容易导致锁死，再开时必须要大力，用于自动控制时会出现电机堵转的情形。

3.现有自动比例阀的频繁开闭，会产生明显的控制噪声，且快速开闭产生脉冲气流冲击舱内，噪声较大，更容易产生不适感。

4.现有自动开度控制阀，完全是自动控制，无法进行人工干预，在停电等特别情况下无法控制，存在安全隐患。

发明内容

为了克服上述现有技术不足，本发明提供了一种全自动控制、精度高、手动和自动一体化的控制阀。

本发明所采用的技术方案是： 手自一体自动控制阀，包括减速电机、带高台快开阀、齿轮组外壳、齿轮组盖和三级减速装置，三级减速装置包括连接在减速电机的输出轴上的第一级小齿轮轴，以及连接在第一级小齿轮轴上的第二级双层减速齿轮组,还包括固定在带高台快开阀的阀杆上的第三级扇形减速齿轮；其中：

第二级双层减速齿轮组，包括第二级减速大齿轮和第二级减速小齿轮，并且第二级减速大齿轮啮合在第一级小齿轮轴上，第二级减速小齿轮啮合在第三级扇形减速齿轮上；

第二级双层减速齿轮组的轴的两端分别贯穿在齿轮组外壳和齿轮组盖的孔上；并且轴两端分别套上法兰轴承；

第一级小齿轮轴穿过圆弧形凹槽并且延伸至齿轮组盖的外侧，同时第一级小齿轮轴位于齿轮组盖的外侧部位连接手动阀表头；

第三级扇形减速齿轮，扇面上设有圆弧形凹槽，圆弧形凹槽两端的圆心角为90度；

减速电机通过控制电路连接单片机。

进一步地，减速电机包括减速机驱动器以及光电编码器，其中单片机通过光电编码器采集的数据来控制带高台快开阀的开度。

进一步地，在齿轮组外壳内部对应第三级扇形减速齿轮开和关的方向上，设有配对的开限位突起和关限位突起，分别限定第三级扇形减速齿轮开和关转动的极限位置。

进一步地，带高台快开阀固定在齿轮组外壳的底部，第三级扇形减速齿轮上的圆弧形凹槽两端的圆心角为90度，当带高台快开阀的阀杆转动90度即为全开时，第一级小齿轮轴始终在圆弧形凹槽内。

进一步地，带高台快开阀为陶瓷暗阀或球阀。

进一步地，减速电机选用直流无刷或有刷电机，最好选用空心杯电机，并且减速比为1：50至1：200。

进一步地，在带高台快开阀全开时，手动阀表头转动圈数为2-12.5圈。

进一步地，第一级小齿轮轴与第二级减速大齿轮转动的变速比为1：2至1：5, 第二级减速小齿轮与第三级扇形减速齿轮转动的变速比为1；4至1：10。

进一步地，控制电路通过DC/DC 模块连接单片机处理器和光电编码器为其供电，其中：

减速电机的光电编码器安装在减速电机主轴上，减速电机工作的同时带动光电编码器旋转，并输出正交脉冲信号，单片机处理器通过此信号计算出电机旋转的方向、速度和位置；

单片机处理器，通过CANBUS 总线收发器实现单片机处理器与物理总线之间的电气连接，通过PWM信号控制减速电机驱动器的转速、DIR信号控制减速电机驱动器转动的方向。

进一步地，控制电路安装减速电机的侧面，当阀开始工作时，单片机处理器控制手自一体自动控制阀先自动关闭,随后再根据单片机处理器对压力和流量的控制要求打开阀，并通过光电编码器采集的数据来控制带高台快开阀的开度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1. 手自一体自动控制阀与现有手动控制直角螺纹截止阀相比，通过电脑采集舱内的压力变化数据，通过CAN总线自动控制阀的开、关和开度。同时可以手动进行旋转控制阀的开度，如果手动控制超过升降、压标准时，能自动修正阀的开度。在停电等特殊情况下，方便改为手动控制。

2. 控制阀结构紧凑，精度控制高。手动控制时，不管操作人员关闭阀时的力度大小，不会出现电机堵转等问题，安全性和稳定性高。

3. 控制阀自动运转轻盈顺畅、无明显噪声，手动旋转时阻尼合适，手感顺滑。

附图说明

图1为手自一体自动控制阀的爆炸图；

图2为手自一体自动控制阀的三维图；

图3为手自一体自动控制阀的一个侧视图；

图4为手自一体自动控制阀的另一个侧视图；

图5为手自一体自动控制阀的打开齿轮组盖的三维图；

图6为控制阀不带齿轮组盖的带高台快开阀打开时的俯视图；

图7为控制阀不带齿轮组盖的带高台快开阀关闭时的俯视图；

图8为三级减速装置的三维结构图；

图9为手自一体自动控制阀不带齿轮组外壳的侧视图；

图10为手自一体自动控制阀的控制电路原理图；

其中：1-减速电机，101-输出轴，102-光电编码器，103-减速机驱动器；2-带高台快开阀，201-阀杆,202-连接螺钉或者连接螺栓；3-齿轮组外壳，31-开限位突起，32-关限位突起；4-控制电路，5-手动阀表头，6-齿轮组盖，7-第三级扇形减速齿轮，71-圆弧形凹槽，72-定位螺丝，73-连接衬套；8-第一级小齿轮轴，9-第二级双层减速齿轮组，91-第二级减速大齿轮，92-第二级减速小齿轮；10-法兰轴承，11-轴。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1所示，手自一体自动控制阀，包括减速电机1、带高台快开阀2、齿轮组外壳3、齿轮组盖6和三级减速装置，如图2和图3以及图4所示，三级减速装置包括连接在减速电机1输出轴101上的第一级小齿轮轴8，以及连接在第一级小齿轮轴8上的第二级双层减速齿轮组9,还包括固定在带高台快开阀2的阀杆201上的第三级扇形减速齿轮7。

第二级双层减速齿轮组9的轴11的两端分别贯穿在齿轮组外壳3和齿轮组盖6的孔上；并且轴11两端分别套上法兰轴承10，第二级减速大齿轮91啮合在第一级小齿轮轴8上，第二级减速小齿轮92啮合在第三级扇形减速齿轮7上。第二级双层减速齿轮组9的轴两端套上法兰轴承10，并贯穿齿轮组外壳3和齿轮组盖6的孔上。

第三级扇形减速齿轮7，扇面上设有圆弧形凹槽71，圆弧形凹槽71两端的圆心角为90度；第一级小齿轮轴8穿过圆弧形凹槽71并且延伸至齿轮组盖6的外侧，同时第一级小齿轮轴8位于齿轮组盖6的外侧部位连接手动阀表头5；带高台快开阀2朝向齿轮组外壳3的底部并通过连接螺钉或者连接螺栓202固定连接。第三级扇形减速齿轮7固定在带高台快开阀2的阀杆201上。

也就是说，本发明的手自一体自动控制阀，详见图1和图8所示，其齿轮组外壳3的内部有三级减速齿轮组：第一级，为小齿轮轴8，安装在减速电机1的轴上，与第二级减速大齿轮91连接；第二级，为第二级双层减速齿轮组9，其齿轴两端通过法兰轴承10安装在齿轮组外壳3和齿轮组盖6上；第三级，为第三级扇形减速齿轮7，与第二级减速小齿轮92连接。当手动阀表头5或减速电机1转动时，第一级小齿轮轴8带动第二级双层减速齿轮组9的第二级减速大齿轮91转动，第二级减速齿轮组9的第二级减速小齿轮92带动第三级扇形减速齿轮7转动且不超过90度。当手动阀表头5沿逆时针或顺时针旋转若干圈后，带高台快开阀2即全开或全关，带高台快开阀2全开状态如图6所示，关闭状态如图7所示，整体结构较为简洁，并且这类阀转动90度即为全开的带高台快开阀2不存在堵转问题，使用性能优越。

在上述实施例中，减速电机1包括减速机驱动器103以及光电编码器102，其中单片机通过光电编码器102采集的数据来控制带高台快开阀2的开度。

在上述实施例中，从图1和图5中还可以看出，带高台快开阀2固定在齿轮组外壳3的底部，并且使阀杆201穿入第三级扇形减速齿轮7端部的连接衬套73内，通过定位螺丝72固定，确保带高台快开阀与第三级扇形减速齿轮7同步转动。

更佳的实施例为，在齿轮组外壳3内部对应第三级扇形减速齿轮7转向开和关的方向上，分别设有一个半圆形开限位突起31和关限位突起32，可以很好地限定第三级扇形减速齿轮7的旋转末端定位，最终限定带高台快开阀2的开度。

更佳的实施例为，带高台快开阀2为带高台的陶瓷暗阀或球阀。减速电机1选用直流无刷或有刷电机。减速电机1最好选用空心杯电机，并且减速比为1：50至1：200。手动阀表头转动的最大圈数为2-12.5圈。第一级小齿轮轴8与第二级减速大齿轮91的传动变速比为1：2至1：5,第二级减速小齿轮92与第三级扇形减速齿轮7传动的变速比为1；4至1：10。

结合图1以及图10，从图10中还可以看出其控制电路4主要包括输入、输出端口，控制单元以及减速电机1。可以看出控制电路4通过DC/DC 模块连接单片机处理器和光电编码器102为其供电，其中：光电编码器102安装在减速电机1主轴上，减速电机1工作的同时带动光电编码器102旋转，并输出正交脉冲信号，单片机处理器通过此信号计算出电机旋转的方向、速度和位置；单片机处理器，通过CANBUS 总线收发器实现单片机处理器与物理总线之间的电气连接，从而实现单片机与CANBUS总线的数据交互。通过PWM信号控制减速电机驱动器103的转速、DIR信号控制减速电机驱动器103转动的方向。

手自一体自动控制阀在工作过程中，主要有上电流程、正常工作流程以及紧急流程三个工作模式，具体地说：

1. 上电流程

系统上电后，单片机处理器执行复位程序，驱动减速电机1旋转关闭阀门，同时检测光电编码器102的输出信号，当检测到光电编码器102停止计数时，说明阀门已经关闭到位，然后计数器清零，并标记阀门复位状态=1，复位过程结束。在复位程序执行过程中，不接受CANBUS总线收发器发送的位置控制命令，只接受位置查询命令。

2.正常工作流程

复位过程结束后系统即进入正常工作流程。此时正常响应由CANBUS总线收发器发送的位置控制命令，位置控制命令定义详见表1，位置控制命令由两个部分组成：POS、MODE，其中POS表示预期的阀门开度（0～100%）；MODE表示工作的模式，收到控制命令后，单片机会根据预期的目标位置T1计算出光电编码器计数值C1，然后启动PWM，并根据当前阀门的位置P1和目标位置P2计算出阀门的转动方向DIR，如果P1<P2，则DIR=CCW（逆时针），如果P1>P2，则DIR=CW（顺时针），当高速计数器的计数值C=C1时产生硬件中断，并在中断函数中停止PWM输出。

表1 位置控制命令定义

3.紧急流程

当系统连续多个时间周期没有收到由CANBUS总线发送器发送的控制命令或者查询命令，此时意味着与主控系统已经失去连接，必须立刻进入紧急流程。紧急流程按照预定义的时间表调整阀门。紧急流程表定义如表2：

表2 紧急流程表定义

例如：紧急流程表定义时间300、开度15；时间600、开度20；时间800、开度40；当连接恢复后，系统退出紧急流程，重新进入受控工作模式。

在具体的实施过程中，控制电路4安装减速电机1的侧面，当开始加压时，单片机处理器控制手自一体自动控制阀先自动关闭,随后再根据单片机处理器对压力的控制要求打开阀，而且通过光电编码器102采集的数据来控制带高台快开阀的开度。

本发明与现有手动控制直角螺纹截止阀相比，通过电脑采集的舱体的压力变化数据，通过CAN总线自动控制阀的开、关和开度，同时可以手动进行旋转控制。在停电等特殊情况下，可以改为手动控制。如果手动控制超过升降压标准时，阀能自动修正开度。

综合地说，本发明的手自一体自动控制阀，阀结构紧凑，精度控制高。手动控制时，不管操作人员关闭阀时的力度大小，不会出现电机堵转等问题，安全性和稳定性高。阀自动运转轻盈顺畅、阻尼合适，无明显噪声，手动旋转时力度小、手感轻松。

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.手自一体自动控制阀，其特征在于：包括减速电机（1）、带高台快开阀（2）、齿轮组外壳（3）、齿轮组盖（6）和三级减速装置，三级减速装置包括连接在减速电机（1）的输出轴（101）上的第一级小齿轮轴（8），以及连接在第一级小齿轮轴（8）上的第二级双层减速齿轮组（9）,还包括固定在带高台快开阀（2）的阀杆（201）上的第三级扇形减速齿轮（7）；其中：

第二级双层减速齿轮组（9），包括第二级减速大齿轮（91）和第二级减速小齿轮（92），并且第二级减速大齿轮（91）啮合在第一级小齿轮轴（8）上，第二级减速小齿轮（92）啮合在第三级扇形减速齿轮（7）上；

第二级双层减速齿轮组（9）的轴（11）的两端分别贯穿在齿轮组外壳（3）和齿轮组盖（6）的孔上；并且轴（11）两端分别套上法兰轴承（10）；

第一级小齿轮轴（8）穿过圆弧形凹槽（71）并且延伸至齿轮组盖（6）的外侧，同时第一级小齿轮轴（8）位于齿轮组盖（6）的外侧部位连接手动阀表头（5）；

第三级扇形减速齿轮（7），扇面上设有圆弧形凹槽（71），圆弧形凹槽（71）两端的圆心角为90度；

减速电机（1）通过控制电路（4）连接单片机。

2.根据权利要求1所述的手自一体自动控制阀，其特征在于：减速电机（1）包括减速机驱动器（103）以及光电编码器（102），其中单片机通过光电编码器（102）采集的数据来控制带高台快开阀（2）的开度。

3.根据权利要求2所述的手自一体自动控制阀，其特征在于：齿轮组外壳（3）内部对应第三级扇形减速齿轮（7）转向开和关的方向上，分别设有一个半圆形的开限位突起（31）和关限位突起（32），进而限定第三级扇形减速齿轮（7）旋转的极限位置。

4.根据权利要求3所述的手自一体自动控制阀，其特征在于：带高台快开阀（2）固定在齿轮组外壳（3）的底部，并且阀杆（201）穿入第三级扇形减速齿轮（7）端部的连接衬套（73）内，通过定位螺丝（72）固定。

5.根据权利要求3所述的手自一体自动控制阀，其特征在于：带高台快开阀（2）为带高台的陶瓷暗阀或球阀。

6.根据权利要求2所述的手自一体自动控制阀，其特征在于：减速电机（1）为直流无刷或有刷空心杯电机，并且减速比为1：50至1：200。

7.根据权利要求2所述的手自一体自动控制阀，其特征在于：手动阀表头（5）转动的最大圈数为2-12.5圈。

8.根据权利要求2所述的手自一体自动控制阀，其特征在于：第一级小齿轮轴（8）与第二级减速大齿轮（91）的传动变速比为1：2至1：5,第二级减速小齿轮（92）与第三级扇形减速齿轮（7）的传动变速比为1：4至1：10。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的手自一体自动控制阀，其特征在于：控制电路（4）通过DC/DC 模块连接单片机处理器和光电编码器（102）为其供电，其中：

光电编码器（102）安装在减速电机（1）主轴上，减速电机（1）工作的同时带动光电编码器（102）旋转，并输出正交脉冲信号，单片机处理器通过此信号计算出电机旋转的方向、速度和位置；

单片机处理器，通过CANBUS 总线收发器实现单片机处理器与物理总线之间的电气连接，通过PWM信号控制减速电机驱动器的转速、DIR信号控制减速电机（1）驱动器转动的方向。