CN109469655B - 一种油缸快速运动装置及控制方式 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种油缸快速运动装置及控制方式，该装置包括油箱、伺服电机泵单元、管路结构、方向控制机构、负载，其中油缸内设活塞杆，其将油缸分为有杆腔和无杆腔，负载固定在活塞杆上，油箱、伺服电机泵单元、方向控制机构、无杆腔、有杆腔之间通过管路结构连接，该装置还设有控制及驱动系统、检测装置，检测装置固定在活塞杆上，用来检测活塞杆在油缸上的移动位置，控制及驱动系统通过控制信号线分别控制伺服电机泵单元、方向控制机构、检测装置的动作；其控制方式是由控制驱动系统控制方向控制机构实现相应的动作。本发明提供的油缸快速运动装置及控制方式，其结构简单、运动周期短、活塞杆运动快，运行平稳，活塞杆停止位置精确可控。

Description

一种油缸快速运动装置及控制方式
技术领域
本发明涉及机械设备液压缸控制技术领域，具体是涉及一种利用伺服电机泵单元作为动力单元进行快速驱动油缸运动的运动装置及控制方式。
背景技术
目前，随着伺服节能技术的成熟与普及，市场上主流的液压动力单元已经逐渐从以往的定变量泵配异步电机驱动过渡到伺服电机泵作为动力单元驱动。作为液压设备常用的液压执行机构-液压油缸组件，其控制的效率和精度随着液压技术的进步也进一步提高，常规的异步电机驱动定变量泵的液压油压力和流量靠压力阀和流量阀实现液压油缸组件的活塞杆的停止精度，伺服电机泵的液压油压力和流量依靠伺服电机的扭矩转速和对应的位置环来实现压油缸组件的活塞杆的停止精度。采用伺服电机泵作为动力单元驱动油缸运动，而在高速运动过程中，因为伺服电机转速较高，急速停止过程要达到油缸活塞杆两端的力平衡让活塞杆的位置停止精确非常困难，因为伺服电机急速的刹车甚至反转会导致伺服泵的排量急速变化乃至油管倒吸真空，容易导致活塞杆停止位置波动偏移,如图1所示。而伺服电机泵单元在油缸停止位置前面很长一段距离就开始减速能控制活塞杆停止精度，但此控制又会导致油缸运动时间变长,如图2所示。
为了实现快速运动过程中油缸停止位置的精确控制，常有人用伺服阀来控制油缸活塞的运动，这无形中增加了很多成本，浪费了伺服电机驱动的灵敏特性，所以，如何利用普通的换向阀在伺服电机泵单元作为动力单元的高速运动过程中得到良好的位置控制精度，如何解决上述问题，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明针对以上技术问题，提供一种结构简单、运动周期短、运行平稳，活塞杆停止位置精确可控的一种油缸快速运动机构及控制方式。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种油缸快速运动装置，包括油箱、伺服电机泵单元、管路结构、方向控制机构、负载，其中油缸内设活塞杆，活塞杆将油缸分为有杆腔和无杆腔，负载固定在活塞杆上，油箱、伺服电机泵单元、方向控制机构、无杆腔、有杆腔之间通过管路结构连接，其特征在于：该油缸快速运动装置设有控制及驱动系统及检测装置，检测装置固定在活塞杆上，用来检测活塞杆在油缸上的移动位置，控制及驱动系统通过控制信号线分别控制伺服电机泵单元、方向控制机构、检测装置的动作。
进一步所述的管路结构分为吸油管路、来油管路、无杆腔管路、有杆腔管路、回油管路，油箱和伺服电机泵单元之间连接吸油管路，伺服电机泵单元与方向控制机构之间连接来油管路，方向控制机构与无杆缸之间连接无杆缸管路，有杆缸与方向控制机构之间连接有杆缸管路，方向控制机构与油箱之间连接回油管路。
进一步所述的方向控制机构包括三位四通电磁换向阀、两位四通电磁换向阀、溢流阀，所述的无杆腔通过无杆腔管路和三位四通电磁换向阀的A口连接、有杆腔通过有杆腔管路和三位四通电磁换向阀的B口连接；
所述的回油管路分为前段回油管路、中间回油管路、末端回油管路，其中前段回油管路连接三位四通电磁换向阀的T口和两位四通电磁换向阀的P口，两位四通电磁换向阀的T口通过中间回油管路和溢流阀的P口连接、两位四通电磁换向阀的A口通过末端回油管路和油箱及溢流阀的T口连接，来油管路将伺服电机泵单元和三位四通电磁换向阀的P口连接，溢流阀的P口通过中间回油管路和两位四通电磁换向阀的B口连接，溢流阀的T口通过回油管路和油箱连接。
一种油缸快速运动控制方式，包括上述的油缸快速运动装置，该油缸快速运动控制方式如下：
当活塞杆往有杆腔方向快速运动时，控制及驱动系统控制三位四通电磁换向阀的b端得电，三位四通电磁换向阀的P口和A口相通，B口和T口相通，液压油从油箱经吸油管路吸进入伺服电机泵单元，经过伺服电机泵单元压缩后，通过来油管路、三位四通电磁换向阀和无杆腔管路进入到无杆腔，而回油从有杆腔经有杆腔管路、三位四通电磁换向阀、前段回油管路、两位四通电磁换向阀和末端回油管路流回油箱；
当检测装置检测到活塞杆的位置接近油缸的目标停止位置S时，控制及驱动系统控制两位四通电磁换向阀和溢流阀得电，两位四通电磁换向阀的P口和B口联通，有杆腔的回油经过溢流阀流回油箱；同时，控制驱动系统控制伺服电机泵单元控制伺服电机转速下降，来油压力降低到P1；此时，有杆腔的回油底压等于溢流阀压力P0，负载的负载力为G，活塞杆和油缸内壁的摩擦力为f，油缸无杆腔的受力面积为S1，有杆腔的受力面积为S2；
伺服电机泵单元的伺服电机降低转速调节无杆腔的进油量和油压力，使得油缸的无杆腔液压油压力为P1，当P×S1＝P0×S2+f+G时，活塞杆到达有杆腔的终点位置S；
当活塞杆往无杆腔方向快速运动时，控制及驱动系统控制三位四通电磁换向阀的a端得电，三位四通电磁换向阀的P口和B口相通，A口和T口相通，液压油从油箱经吸油管路吸进入伺服电机泵单元，经过伺服电机泵单元压缩后，通过来油管路、三位四通电磁换向阀和有杆腔管路进入到有杆腔，而回油从无杆腔经无杆腔管路、三位四通电磁换向阀、前段回油管路、两位四通电磁换向阀和末端回油管路流回油箱；
当检测装置检测到活塞杆的位置接近无杆腔的目标停止位置S'时，控制及驱动系统控制两位四通电磁换向阀和溢流阀得电，溢流阀压力为P0'，两位四通电磁换向阀的P口和B口联通，无缸腔的回油经过溢流阀流回油箱，无杆腔的回油底压等于溢流阀压力P0'；
伺服电机泵单元的伺服电机降低转速调节有杆腔的进油量，使得有杆腔对活塞杆的压力为P1'，当P1'×S2＝P0'×S1+f+G时，活塞杆到达无杆腔的终点位置S'；
当活塞杆到达目标停止位置S或S'时，控制及驱动系统控制三位四通电磁换向阀失电，三位四通电磁换向阀的A、B、P、T断开，活塞杆停止；同时，伺服电机泵单停止动作，两位四通电磁换向阀及溢流阀失电，三位四通电磁换向阀的T口直接和油箱联通。
本发明与现有技术相比具有如下技术优点：本发明实现直接用一种油缸快速运动装置及控制方式，有着结构简单、运动周期短、活塞杆位置精确可控等特点，能广泛应用在各种油缸运动机构上。
附图说明
图1是常规机构下伺服电机的速度—位置运动控制第一种情形示意图；
图2是常规机构下伺服电机的速度—位置运动控制第二种情形示意图；
图3是本发明的结构示意图；
图4是活塞杆向有杆腔运动的示意图；
图5是活塞杆向有杆腔运动停止前控制示意图；
图6是活塞杆在有杆腔停止示意图；
图7是本发明伺服电机的速度—位置运动控制示意图；
图8是活塞杆向无杆腔运动的示意图；
图9活塞杆向无杆腔运动停止前控制示意图；
图10是活塞杆在无杆腔停止示意图。
图中：油箱1、吸油管路2、伺服电机泵单元3、管路结构X、方向控制机构Y、回油管路Z、来油管路4、三位四通电磁换向阀5、无杆腔管路6、油缸7、无杆腔8、控制信号线9、控制及驱动系统10、有杆腔11、活塞杆12、负载13、检测装置14、有杆腔管路15、前段回油管路16、两位四通电磁换向阀17、中间回油管路18、溢流阀19、末端回油管路20。
具体实施方式
下面将结合附图中的实施例对本发明作进一步地详细说明。
如图3所示，本发明的油缸快速运动装置，包括油箱1、伺服电机泵单元3、管路结构X、方向控制机构Y、负载13，其中油缸7内设活塞杆12，活塞杆12将油缸7分为有杆腔11和无杆腔8，负载13固定在活塞杆12上，油箱1、伺服电机泵单元3、方向控制机构Y、无杆腔8、有杆腔11之间通过管路结构X连接，其特征在于：该油缸快速运动装置设有控制及驱动系统10及检测装置14，检测装置14固定在活塞杆12上，用来检测活塞杆12在油缸7上的移动位置，控制及驱动系统10通过控制信号线9分别控制伺服电机泵单元3、方向控制机构Y、检测装置14的动作。
如图3所示，管路结构X分为吸油管路2、来油管路4、无杆腔管路6、有杆腔管路15、回油管路Z，油箱1和伺服电机泵单元3之间连接吸油管路2，伺服电机泵单元3与方向控制机构Y之间连接来油管路4，方向控制机构Y与无杆腔8之间连接无杆腔管路6，有杆腔11与方向控制机构Y之间连接有杆腔管路15，方向控制机构Y与油箱1之间连接回油管路Z。
如图3所示，方向控制机构Y包括三位四通电磁换向阀5、两位四通电磁换向阀17、溢流阀19，所述的无杆腔8通过无杆腔管路6和三位四通电磁换向阀5的A口连接、有杆腔11通过有杆腔管路15和三位四通电磁换向阀5的B口连接。
如图3所示，回油管路Z分为前段回油管路16、中间回油管路18、末端回油管路20，其中前段回油管路16连接三位四通电磁换向阀5的T口和两位四通电磁换向阀17的P口，两位四通电磁换向阀17的T口通过中间回油管路18和溢流阀19的P口连接、两位四通电磁换向阀17的A口通过末端回油管路20和油箱1及溢流阀19的T口连接，来油管路4将伺服电机泵单元3和三位四通电磁换向阀5的P口连接，溢流阀19的P口通过中间回油管路18和两位四通电磁换向阀17的B口连接，溢流阀19的T口通过回油管路Z和油箱1连接。
一种油缸快速运动控制方式，使用上述的油缸快速运动装置，其控制方式如下：
如图4所示，当活塞杆12往有杆腔11方向快速运动时，控制及驱动系统10控制三位四通电磁换向阀5的b端得电，三位四通电磁换向阀5的P口和A口相通，B口和T口相通，液压油从油箱1经吸油管路2吸进入伺服电机泵单元3，经过伺服电机泵单元3压缩后，通过来油管路4、三位四通电磁换向阀5和无杆腔管路6进入到无杆腔8，而回油从有杆腔11经有杆腔管路15、三位四通电磁换向阀5、前段回油管路16、两位四通电磁换向阀17和末端回油管路20流回油箱1。
如图5所示，当检测装置14检测到活塞杆12的位置接近油缸7的目标停止位置S时，控制及驱动系统10控制两位四通电磁换向阀17和溢流阀19得电，两位四通电磁换向阀17的P口和B口联通，有杆腔11的回油经过溢流阀19流回油箱1。同时，控制驱动系统控制伺服电机泵单元3控制伺服电机转速下降，来油压力降低到P1。此时，有杆腔11的回油底压等于溢流阀19压力P0，负载13的负载力为G，活塞杆12和油缸7内壁的摩擦力为f，油缸7无杆腔8的受力面积为S1，有杆腔11的受力面积为S2。
如图6所示，伺服电机泵单元3的伺服电机降低转速调节无杆腔8的进油量和油压力，使得油缸7的无杆腔8液压油压力为P1，当P×S1＝P0×S2+f+G时，活塞杆12到达有杆腔11的终点位置S。
如图8所示，当活塞杆12往无杆腔8方向快速运动时，控制及驱动系统10控制三位四通电磁换向阀5的a端得电，三位四通电磁换向阀5的P口和B口相通，A口和T口相通，液压油从油箱1经吸油管路2吸进入伺服电机泵单元3，经过伺服电机泵单元3压缩后，通过来油管路4、三位四通电磁换向阀5和有杆腔管路15进入到有杆腔11，而回油从无杆腔8经无杆腔管路6、三位四通电磁换向阀5、前段回油管路16、两位四通电磁换向阀17和末端回油管路20流回油箱1。
如图9所示，当检测装置14检测到活塞杆12的位置接近无杆腔8的目标停止位置S'时，控制及驱动系统10控制两位四通电磁换向阀17和溢流阀19得电，溢流阀19压力为P0'，两位四通电磁换向阀17的P口和B口联通，无缸腔的回油经过溢流阀19流回油箱1，无杆腔8的回油底压等于溢流阀19压力P0'。
如图10所示，伺服电机泵单元3的伺服电机降低转速调节有杆腔11的进油量，使得有杆腔11对活塞杆12的压力为P1'，当P1'×S2＝P0'×S1+f+G时，活塞杆12到达无杆腔8的终点位置S'。
如图6、10所示，当活塞杆12到达目标停止位置S或S'时，控制及驱动系统10控制三位四通电磁换向阀5失电，三位四通电磁换向阀5的A、B、P、T断开，活塞杆12停止。同时，伺服电机泵单停止动作，两位四通电磁换向阀17及溢流阀19失电，三位四通电磁换向阀5的T口直接和油箱1联通。
该发明的油缸快速运动控制方式，伺服电机的速度—位置运动控制示意图如图7所示，其运动周期短、运行平稳，活塞杆停止位置精确可控。
综上所述，本发明如说明书及图示内容，制成实际样品且经多次使用测试，从测试效果看，证明该发明能达到预期目的，实用性毋庸置疑。以上所举实施例仅用来方便说明该发明的内容，并非对其作形式上的限制；任何所属技术领域中具有公知常识者，在不脱离本发明所提技术特征及相似特征的范畴，利用该发明所揭示技术内容所作出局部更改或修饰的等效实施例，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种油缸快速运动控制方式，其特征在于：包括油缸快速运动装置，
该油缸快速运动装置，包括油箱(1)、伺服电机泵单元(3)、管路结构(X)、方向控制机构(Y)、负载(13)，其中油缸(7)内设活塞杆(12)，活塞杆(12)将油缸(7)分为有杆腔(11)和无杆腔(8)，负载(13)固定在活塞杆(12)上，油箱(1)、伺服电机泵单元(3)、方向控制机构(Y)、无杆腔(8)、有杆腔(11)之间通过管路结构(X)连接，该油缸快速运动装置设有控制及驱动系统(10)及检测装置(14)，检测装置(14)固定在活塞杆(12)上，用来检测活塞杆(12)在油缸(7)上的移动位置，控制及驱动系统(10)通过控制信号线(9)分别控制伺服电机泵单元(3)、方向控制机构(Y)、检测装置(14)的动作；
所述的管路结构(X)分为吸油管路(2)、来油管路(4)、无杆腔管路(6)、有杆腔管路(15)、回油管路(Z)，油箱(1)和伺服电机泵单元(3)之间连接吸油管路(2)，伺服电机泵单元(3)与方向控制机构(Y)之间连接来油管路(4)，方向控制机构(Y)与无杆腔(8)之间连接无杆腔管路(6)，有杆腔(11)与方向控制机构(Y)之间连接有杆腔管路(15)，方向控制机构(Y)与油箱(1)之间连接回油管路(Z)；
所述的方向控制机构(Y)包括三位四通电磁换向阀(5)、两位四通电磁换向阀(17)、溢流阀(19)，所述的无杆腔(8)通过无杆腔管路(6)和三位四通电磁换向阀(5)的A口连接、有杆腔(11)通过有杆腔管路(15)和三位四通电磁换向阀(5)的B口连接；
所述的回油管路(Z)分为前段回油管路(16)、中间回油管路(18)、末端回油管路(20)，其中前段回油管路(16)连接三位四通电磁换向阀(5)的T口和两位四通电磁换向阀(17)的P口，两位四通电磁换向阀(17)的T口通过中间回油管路(18)和溢流阀(19)的P口连接、两位四通电磁换向阀(17)的A口通过末端回油管路(20)和油箱(1)及溢流阀(19)的T口连接，来油管路(4)将伺服电机泵单元(3)和三位四通电磁换向阀(5)的P口连接，溢流阀(19)的P口通过中间回油管路(18)和两位四通电磁换向阀(17)的B口连接，溢流阀(19)的T口通过回油管路(Z)和油箱(1)连接；
该油缸快速运动控制方式如下：
当活塞杆(12)往有杆腔(11)方向快速运动时，控制及驱动系统(10)控制三位四通电磁换向阀(5)的b端得电，三位四通电磁换向阀(5)的P口和A口相通，B口和T口相通，液压油从油箱(1)经吸油管路(2)吸进入伺服电机泵单元(3)，经过伺服电机泵单元(3)压缩后，通过来油管路(4)、三位四通电磁换向阀(5)和无杆腔管路(6)进入到无杆腔(8)，而回油从有杆腔(11)经有杆腔管路(15)、三位四通电磁换向阀(5)、前段回油管路(16)、两位四通电磁换向阀(17)和末端回油管路(20)流回油箱(1)；
当检测装置(14)检测到活塞杆(12)的位置接近油缸(7)的目标停止位置S时，控制及驱动系统(10)控制两位四通电磁换向阀(17)和溢流阀(19)得电，两位四通电磁换向阀(17)的P口和B口联通，有杆腔(11)的回油经过溢流阀(19)流回油箱(1)；同时，控制驱动系统控制伺服电机泵单元(3)控制伺服电机转速下降，来油压力降低到P1；此时，有杆腔(11)的回油底压等于溢流阀(19)压力P0，负载(13)的负载力为G，活塞杆(12)和油缸(7)内壁的摩擦力为f，油缸(7)无杆腔(8)的受力面积为S1，有杆腔(11)的受力面积为S2；
伺服电机泵单元(3)的伺服电机降低转速调节无杆腔(8)的进油量和油压力，使得油缸(7)的无杆腔(8)液压油压力为P1，当P×S1＝P0×S2+f+G时，活塞杆(12)到达有杆腔(11)的终点位置S；
当活塞杆(12)往无杆腔(8)方向快速运动时，控制及驱动系统(10)控制三位四通电磁换向阀(5)的a端得电，三位四通电磁换向阀(5)的P口和B口相通，A口和T口相通，液压油从油箱(1)经吸油管路(2)吸进入伺服电机泵单元(3)，经过伺服电机泵单元(3)压缩后，通过来油管路(4)、三位四通电磁换向阀(5)和有杆腔管路(15)进入到有杆腔(11)，而回油从无杆腔(8)经无杆腔管路(6)、三位四通电磁换向阀(5)、前段回油管路(16)、两位四通电磁换向阀(17)和末端回油管路(20)流回油箱(1)；
当检测装置(14)检测到活塞杆(12)的位置接近无杆腔(8)的目标停止位置S'时，控制及驱动系统(10)控制两位四通电磁换向阀(17)和溢流阀(19)得电，溢流阀(19)压力为P0'，两位四通电磁换向阀(17)的P口和B口联通，无缸腔的回油经过溢流阀(19)流回油箱(1)，无杆腔(8)的回油底压等于溢流阀(19)压力P0'；
伺服电机泵单元(3)的伺服电机降低转速调节有杆腔(11)的进油量，使得有杆腔(11)对活塞杆(12)的压力为P1'，当P1'×S2＝P0'×S1+f+G时，活塞杆(12)到达无杆腔(8)的终点位置S'；
当活塞杆(12)到达目标停止位置S或S'时，控制及驱动系统(10)控制三位四通电磁换向阀(5)失电，三位四通电磁换向阀(5)的A、B、P、T断开，活塞杆(12)停止；同时，伺服电机泵单停止动作，两位四通电磁换向阀(17)及溢流阀(19)失电，三位四通电磁换向阀(5)的T口直接和油箱(1)联通。
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