CN111749945B - 一种基于高速开关阀的片式液压步进驱动器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高速开关阀的片式液压步进驱动器及其控制方法，该驱动器包括阀块、供油控制阀、回油控制阀、进退控制阀、复位控制阀、步进柱塞、步退柱塞，所述步进柱塞和步退柱塞在工作过程中配合供油控制阀、回油控制阀、进退控制阀和复位控制阀的逻辑动作，将控制油液离散为步进柱塞和步退柱塞的全部行程排出油液体积，通过进退控制阀和复位控制阀控制步进柱塞和步退柱塞内活塞的排液和复位工作。该驱动器采用步进驱动技术，结构紧凑，不需要使用传感器即可使执行装置动作达到较高精度，具有系统研制成本低、鲁棒性好、能耗低等优势。

Description

一种基于高速开关阀的片式液压步进驱动器及其控制方法

技术领域

本发明涉及液压技术领域，特别是涉及一种基于高速开关阀的片式液压步进驱动器及其控制方法。

背景技术

在工程施工机械、救援机器人等领域，通常采用电液比例/伺服控制技术构成闭环控制系统对执行装置位置进行控制。闭环控制系统需要多个信号采集处理通道，结构复杂，可靠性不高，在复杂应用工况下还存在失稳失控等风险。而执行装置要求结构紧凑、作业灵活，在关节处增加位置传感器将影响关节动作范围，并且增加硬件成本。此外电液比例伺服阀通常存在有较大节流损失，系统发热严重。

因此为降低成本，提高系统可靠性，使用开环控制的液压步进驱动技术一直是一个研究热点。液压步进技术是通过采用高速开关元件，将连续的流体传动介质离散为固定的微小步进流量，只需控制步进数量即可实现位置控制。

发明内容

本发明的目的在于针对现有方案的不足，提供一种基于高速开关阀的片式液压步进驱动器及其控制方法，该驱动器采用步进驱动技术，结构紧凑，不需要使用传感器即可使执行装置动作达到较高精度，具有系统研制成本低、鲁棒性好、能耗低等优势。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于高速开关阀的片式液压步进驱动器，该驱动器包括阀块、供油控制阀、回油控制阀、进退控制阀、复位控制阀、步进柱塞和步退柱塞；

所述阀块为扁平片状结构，作为步进驱动器的基座，开有进油口和回油口并与油源相连，同时开有负载口与终端执行器相连；所述阀块上安装供油控制阀、回油控制阀、进退控制阀、复位控制阀、步进柱塞和步退柱塞。

所述步进柱塞和步退柱塞均由缸体、活塞、行程调节机构以及复位弹簧组成。其中活塞在缸体内部做往复运动，一端为锥面与行程调节机构配合，另一端与复位弹簧连接；步进柱塞进油口与进退控制阀连接，出油口与复位控制阀连接；步退柱塞进油口与复位控制阀连接，出油口与进退控制阀连接；所述步进柱塞和步退柱塞在工作过程中配合供油控制阀、回油控制阀、进退控制阀、复位控制阀的逻辑动作，将控制油液离散为步进柱塞和步退柱塞全部行程排出油液体积，通过进退控制阀和复位控制阀控制步进柱塞和步退柱塞的排液和复位工作。

所述供油控制阀一端与阀块进油口连接，另一端与回油控制阀一端并联后与进退控制阀一端连接，回油控制阀另一端与阀块出油口连接，复位控制阀一端、步退柱塞出油口和步进柱塞进油口并联后与进退控制阀另一端连接，复位控制阀另一端与阀块负载口相连接。

进一步地，所述供油控制阀、回油控制阀、进退控制阀和复位控制阀均为二位二通高速开关阀，均包括阀芯锥、阀帽、阀套、阀芯杆、阀座、复位弹簧和线圈。阀帽上有外螺纹，与阀块固定；线圈外侧与阀套内圈连接，线圈内侧与线圈骨架连接；复位弹簧一端与阀帽接触，另一端与阀芯杆接触；阀芯锥一端与阀芯杆连接，另一端与阀座连接。

进一步地，执行器液压缸的两侧均使用该液压步进驱动器时，能够不依靠执行器负载实现执行器液压缸的步进步退。

进一步地，液压步进驱动器为片式结构，可以通过并联多个液压驱动器对执行器单步行程进行调整。

进一步地，所述复位弹簧的作用为当活塞动作进行完毕后将活塞进行复位；所述行程调节机构的作用为对活塞的行程进行调节。

一种基于高速开关阀的片式液压步进驱动器的控制方法，片式液压步进驱动器包含步进模式、步退模式、快进模式、快退模式、位置保持和卸荷六种工作模式，可通过供油控制阀、回油控制阀、进退控制阀和复位控制阀进行工作模式的切换。

(1)步进模式：当供油控制阀右位连通状态，回油控制阀处于左位关闭状态，进退控制阀处于右位连通状态，复位控制阀处于左位关闭状态时；此时油液流经供油控制阀和进退控制阀进入步进柱塞中，在油液压力作用下，步进柱塞中的活塞开始运动，当活塞运动至极限位置时，步进柱塞排出活塞运动总行程体积的油液，进入执行器中，执行器步进一步。当供油控制阀右位连通状态，回油控制阀处于左位关闭状态，进退控制阀处于左位关闭状态，复位控制阀处于右位连通状态时；步进柱塞进油口与出油口通过复位控制阀连通，缸体内压力相等，在柱塞内复位弹簧的作用下，步进柱塞内活塞回到原位。循环上述过程即可实现执行器的多步进给。

(2)快进模式：当供油控制阀右位连通状态，回油控制阀处于左位关闭状态；进退控制阀处于右位连通状态，复位控制阀处于右位连通状态时。此时油液流经供油控制阀、进退控制阀和复位控制阀直接进入执行器中，在油液作用下执行器快速进给。

(3)步退模式：当供油控制阀左位关闭状态，回油控制阀处于右位连通状态，进退控制阀处于右位连通状态，复位控制阀处于左位关闭状态时。执行器在负载的作用下开始运动，油液进入步退柱塞中，在油液作用下步退柱塞中活塞开始运动，活塞运动至极限位置时，步进柱塞排出活塞运动总行程体积的油液，流经进退控制阀和回油控制阀进入油箱，执行器步退一步。当供油控制阀左位关闭状态，回油控制阀处于右位连通状态，进退控制阀处于左位关闭状态，复位控制阀处于右位连通状态时，步退柱塞进油口与出油口通过复位控制阀连通，压力相等，在柱塞内复位弹簧的作用下，步退柱塞内活塞回到原位。循环上述过程即可实现执行器的多步后退。

(4)快退模式；当供油控制阀左位关闭状态，回油控制阀处于右位连通状态，进退控制阀处于右位连通状态，复位控制阀处于右位连通状态时。此时执行器内油液流经复位控制阀、进退控制阀和回油控制阀直接回到油箱中，在油液作用下执行器快速后退。

(5)位置保持：当供油控制阀左位关闭状态，回油控制阀处于左位关闭状态时，负载口与进油口、回油口均不连通，执行器内压力保持恒定，执行器位置保持不变。

(6)卸荷：当供油控制阀右位连通状态，回油控制阀处于右位连通状态，进退控制阀处于左位关闭状态时，步进驱动器进油口与回油口相连，驱动器处于卸荷状态。

进一步地，步进模式下步进驱动器通过步进柱塞内活塞的运动和复位实现执行器的进给，对执行器位置进行控制，在步进模式中步退柱塞无运动，通过调整复位控制阀与进退控制阀开关频率对执行器进给速率进行调整。

进一步地，步退模式下步进驱动器通过步退柱塞内活塞的运动和复位实现执行器的后退，对执行器位置进行控制，在步退模式中步进柱塞无运动，通过调整复位控制阀与进退控制阀开关频率对执行器进给速率进行调整。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1、片式液压步进驱动器结构简单，不使用传感器即可对执行器位置进行精确控制，节省了安装空间与成本。通过并联多个片式液压步进驱动器可对执行器单步行程进行调整，使用方便。

2、片式液压驱动器技术本质上为开环控制，不存在振荡、失稳等问题，鲁棒性好。

3、片式步进驱动器在目标位置停留时，供油控制阀与回油控制阀均处于完全关闭状态，几乎无节流/泄漏，不会持续瞬时功率，能耗更低。

附图说明

图1是片式液压驱动器剖视图；

图2是片式液压驱动器液压系统原理图；

图中，1.阀块2.回油控制阀固定套筒3.回油控制阀；4.回油控制阀螺堵；5.工艺孔螺堵；6.步退柱塞；7.步退柱塞固定套筒；8.步退柱塞连接工艺孔螺堵；9.步退柱塞螺堵；10.复位控制阀；11.复位控制阀螺堵；12.复位控制阀固定套筒；13.步进柱塞螺堵；14.步进柱塞；15.步进柱塞固定套筒；16.进退控制阀；17.进退控制阀固定套筒；18.进退控制阀螺堵；19.供油控制阀；20.供油控制阀固定套筒；21.供油控制阀螺堵；22.外接油路；23.执行器；24.负载。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明进行进一步的描述，本发明的目的和效果将更加明显。

如图1所示，本发明提供了一种基于高速开关阀的片式液压步进驱动器，该片式液压步进驱动器主要包括阀块1、回油控制阀固定套筒2、回油控制阀3、回油控制阀螺堵4、工艺孔螺堵5、步退柱塞6、步退柱塞固定套筒7、步退柱塞连接工艺孔螺堵8、步退柱塞螺堵9、复位控制阀10、复位控制阀螺堵11、复位控制阀固定套筒12、步进柱塞螺堵13、步进柱塞14、步进柱塞固定套筒15、进退控制阀16、进退控制阀固定套筒17、进退控制阀螺堵18、供油控制阀19、供油控制阀固定套筒20、供油控制阀螺堵21。

所述阀块1为扁平片状结构，是步进驱动器的基座，开有进油口和回油口与油源相连，开有负载口与终端执行器相连。此外打孔用以安装供油控制阀19、回油控制阀3、进退控制阀16、复位控制阀10、步进柱塞14、步退柱塞6。

供油控制阀19安装于阀块1左下部安装孔内，通过螺纹固定，供油控制阀固定套筒20右端面与供油控制阀19左端面接触，保证供油控制阀19处于正确位置。供油控制阀螺堵21右端面与供油控制阀固定套筒20左端面接触，保持供油控制阀19正确位置以及保护油液不受泄露。

回油控制阀3安装于阀块1右下部安装孔中，通过回油控制阀固定套筒2和回油控制阀螺堵4使回油控制阀3处于并保持正确位置。复位控制阀10安装于阀块1上部安装孔中，通过复位控制阀螺堵11和复位控制阀固定套筒12使复位控制阀10处于并保持正确位置。进退控制阀16安装于阀块1中部安装孔中，通过进退控制阀固定套筒17和进退控制阀螺堵18使进退控制阀16处于并保持正确位置。

步退柱塞6安装于阀块1上部安装孔中，步退柱塞固定套筒7下端面与步退柱塞6接触使步退柱塞6处于正确位置，步退柱塞螺堵9下端面与步退柱塞固定套筒7上端面接触保持步退柱塞6正确位置以及保护油液不受泄露。步进柱塞14安装于阀块1上部安装孔中，步进柱塞固定套筒15下端面与步进柱塞14接触使步进柱塞处于正确位置，步进柱塞螺堵13下端面与步进柱塞固定套筒15上端面接触保持步进柱塞14正确位置以及保护油液不受泄露。

供油控制阀19一端与阀块1进油口连接，另一端与回油控制阀3一端并联后与进退控制阀16一端连接，回油控制阀3另一端与阀块1出油口连接，复位控制阀10一端、步退柱塞6出油口和步进柱塞14进油口并联后与进退控制阀16另一端连接，复位控制阀10另一端与阀块1负载口相连接。

步进柱塞14和步退柱塞6均由缸体、活塞、行程调节机构以及复位弹簧组成。其中活塞在缸体内部做往复运动，一端为锥面与行程调节机构配合，另一端与复位弹簧连接；复位弹簧的作用为当活塞动作进行完毕后将活塞进行复位；行程调节机构的作用为对活塞的行程进行调节。步进柱塞14进油口与进退控制阀16连接，出油口与复位控制阀10连接；步退柱塞6进油口与复位控制阀10连接，出油口与进退控制阀16连接；所述步进柱塞14和步退柱塞6在工作过程中配合供油控制阀19、回油控制阀3、进退控制阀16、复位控制阀10的逻辑动作，将控制油液离散为步进柱塞14和步退柱塞6全部行程排出油液体积，通过进退控制阀16和复位控制阀10控制步进柱塞14和步退柱塞6的排液和复位工作。

供油控制阀19、回油控制阀3、进退控制阀16和复位控制阀10均为二位二通高速开关阀，包括阀芯锥、阀帽、阀套、阀芯杆、阀座、复位弹簧、线圈。阀帽上有外螺纹，与阀块固定；线圈外侧与阀套内圈连接，线圈内侧与线圈骨架连接；复位弹簧一端与阀帽接触，一端与阀芯杆接触；阀芯锥一端与阀芯杆连接，一端与阀座连接。

为了在阀块内将液压元件依据如图2所示的液压原理进行连接，在阀块上开有工艺孔。为将步退柱塞6出油口和步进柱塞14进油口连接，阀块1上开有工艺孔并用工艺孔螺堵5进行密封，防止油液泄露；为将步退柱塞6进油口、步进柱塞14出油口和复位控制阀10进行连接，阀块1上开有工艺孔并用步退柱塞连接工艺孔螺堵8进行密封，防止油液泄露。

如图2所示，供油控制阀18一端与阀块1进油口相连，另一端与回油控制阀3并联后与进退控制阀16一端相连，回油控制阀3另一端与阀块1出油口相连。步退柱塞6、步进柱塞14和复位控制阀10一端并联后与进退控制阀16另一端与相连。步退柱塞6、步进柱塞14和复位控制阀10另一端并联后通过外接油路22与执行器23相连，执行器23一端接负载24。

通过上述结构，步进柱塞14与步退柱塞6将控制油液离散为柱塞缸的全部行程排出油液体积，通过进退控制阀16和复位控制阀10切换片式液压步进驱动器工作模式，无需传感器，只需控制步进数量即可实现位置控制，成本低，鲁棒性好，能耗低，精度控制准确。

本发明还提供了一种基于高速开关阀的片式液压步进驱动器的控制方法，片式液压步进驱动器包含步进模式、步退模式、快进模式、快退模式、位置保持和卸荷六种工作模式，可通过供油控制阀、回油控制阀、进退控制阀和复位控制阀进行工作模式的切换。

(1)步进模式：当供油控制阀右位连通状态，回油控制阀处于左位关闭状态，进退控制阀处于右位连通状态，复位控制阀处于左位关闭状态时；此时油液流经供油控制阀和进退控制阀进入步进柱塞中，在油液压力作用下，步进柱塞中的活塞开始运动，当活塞运动至极限位置时，步进柱塞排出活塞运动总行程体积的油液，进入执行器中，执行器步进一步。当供油控制阀右位连通状态，回油控制阀处于左位关闭状态，进退控制阀处于左位关闭状态，复位控制阀处于右位连通状态时；步进柱塞进油口与出油口通过复位控制阀连通，缸体内压力相等，在柱塞内复位弹簧的作用下，步进柱塞内活塞回到原位。循环上述过程即可实现执行器的多步进给。

(2)快进模式：当供油控制阀右位连通状态，回油控制阀处于左位关闭状态；进退控制阀处于右位连通状态，复位控制阀处于右位连通状态时。此时油液流经供油控制阀、进退控制阀和复位控制阀直接进入执行器中，在油液作用下执行器快速进给。

(3)步退模式：当供油控制阀左位关闭状态，回油控制阀处于右位连通状态，进退控制阀处于右位连通状态，复位控制阀处于左位关闭状态时。执行器在负载的作用下开始运动，油液进入步退柱塞中，在油液作用下步退柱塞中活塞开始运动，活塞运动至极限位置时，步进柱塞排出活塞运动总行程体积的油液，流经进退控制阀和回油控制阀进入油箱，执行器步退一步。当供油控制阀左位关闭状态，回油控制阀处于右位连通状态，进退控制阀处于左位关闭状态，复位控制阀处于右位连通状态时，步退柱塞进油口与出油口通过复位控制阀连通，压力相等，在柱塞内复位弹簧的作用下，步退柱塞内活塞回到原位。循环上述过程即可实现执行器的多步后退。

(4)快退模式；当供油控制阀左位关闭状态，回油控制阀处于右位连通状态，进退控制阀处于右位连通状态，复位控制阀处于右位连通状态时。此时执行器内油液流经复位控制阀、进退控制阀和回油控制阀直接回到油箱中，在油液作用下执行器快速后退。

(5)位置保持：当供油控制阀左位关闭状态，回油控制阀处于左位关闭状态时，负载口与进油口、回油口均不连通，执行器内压力保持恒定，执行器位置保持不变。

(6)卸荷：当供油控制阀右位连通状态，回油控制阀处于右位连通状态，进退控制阀处于左位关闭状态时，步进驱动器进油口与回油口相连，驱动器处于卸荷状态。本发明提供的液压步进驱动器设置有一个负载口可以与执行器相连，在执行器液压缸的两侧均使用本液压驱动器时可以不依靠执行器负载实现执行器液压缸的步进步退。本发明提供的液压步进驱动器为片式结构，可以通过并联多个液压驱动器对执行器单步行程进行调整。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于高速开关阀的片式液压步进驱动器的控制方法，其特征在于，该驱动器包括阀块、供油控制阀、回油控制阀、进退控制阀、复位控制阀、步进柱塞和步退柱塞；

所述阀块为扁平片状结构，作为步进驱动器的基座，开有进油口和回油口并与油源相连，同时开有负载口与终端执行器相连；所述阀块上安装供油控制阀、回油控制阀、进退控制阀、复位控制阀、步进柱塞和步退柱塞；

所述步进柱塞和步退柱塞均由缸体、活塞、行程调节机构以及复位弹簧组成；其中活塞在缸体内部做往复运动，一端为锥面与行程调节机构配合，另一端与复位弹簧连接；步进柱塞进油口与进退控制阀连接，出油口与复位控制阀连接；步退柱塞进油口与复位控制阀连接，出油口与进退控制阀连接；所述步进柱塞和步退柱塞在工作过程中配合供油控制阀、回油控制阀、进退控制阀、复位控制阀的逻辑动作，将控制油液离散为步进柱塞和步退柱塞全部行程排出油液体积，通过进退控制阀和复位控制阀控制步进柱塞和步退柱塞的排液和复位工作；

所述供油控制阀一端与阀块进油口连接，另一端与回油控制阀一端并联后与进退控制阀一端连接，回油控制阀另一端与阀块出油口连接，复位控制阀一端、步退柱塞出油口和步进柱塞进油口并联后与进退控制阀另一端连接，复位控制阀另一端与阀块负载口相连接；

片式液压步进驱动器包含步进模式、步退模式、快进模式、快退模式、位置保持和卸荷六种工作模式，可通过供油控制阀、回油控制阀、进退控制阀和复位控制阀进行工作模式的切换；

(1)步进模式：当供油控制阀右位连通状态，回油控制阀处于左位关闭状态，进退控制阀处于右位连通状态，复位控制阀处于左位关闭状态时；此时油液流经供油控制阀和进退控制阀进入步进柱塞中，在油液压力作用下，步进柱塞中的活塞开始运动，当活塞运动至极限位置时，步进柱塞排出活塞运动总行程体积的油液，进入执行器中，执行器步进一步；当供油控制阀右位连通状态，回油控制阀处于左位关闭状态，进退控制阀处于左位关闭状态，复位控制阀处于右位连通状态时；步进柱塞进油口与出油口通过复位控制阀连通，缸体内压力相等，在柱塞内复位弹簧的作用下，步进柱塞内活塞回到原位；循环上述过程即可实现执行器的多步进给；

(2)快进模式：当供油控制阀右位连通状态，回油控制阀处于左位关闭状态；进退控制阀处于右位连通状态，复位控制阀处于右位连通状态时；此时油液流经供油控制阀、进退控制阀和复位控制阀直接进入执行器中，在油液作用下执行器快速进给；

(3)步退模式：当供油控制阀左位关闭状态，回油控制阀处于右位连通状态，进退控制阀处于右位连通状态，复位控制阀处于左位关闭状态时；执行器在负载的作用下开始运动，油液进入步退柱塞中，在油液作用下步退柱塞中活塞开始运动，活塞运动至极限位置时，步进柱塞排出活塞运动总行程体积的油液，流经进退控制阀和回油控制阀进入油箱，执行器步退一步；当供油控制阀左位关闭状态，回油控制阀处于右位连通状态，进退控制阀处于左位关闭状态，复位控制阀处于右位连通状态时，步退柱塞进油口与出油口通过复位控制阀连通，压力相等，在柱塞内复位弹簧的作用下，步退柱塞内活塞回到原位；循环上述过程即可实现执行器的多步后退；

(4)快退模式；当供油控制阀左位关闭状态，回油控制阀处于右位连通状态，进退控制阀处于右位连通状态，复位控制阀处于右位连通状态时；此时执行器内油液流经复位控制阀、进退控制阀和回油控制阀直接回到油箱中，在油液作用下执行器快速后退；

(5)位置保持：当供油控制阀左位关闭状态，回油控制阀处于左位关闭状态时，负载口与进油口、回油口均不连通，执行器内压力保持恒定，执行器位置保持不变；

(6)卸荷：当供油控制阀右位连通状态，回油控制阀处于右位连通状态，进退控制阀处于左位关闭状态时，步进驱动器进油口与回油口相连，驱动器处于卸荷状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于高速开关阀的片式液压步进驱动器的控制方法，其特征在于，所述供油控制阀、回油控制阀、进退控制阀和复位控制阀均为二位二通高速开关阀，均包括阀芯锥、阀帽、阀套、阀芯杆、阀座、复位弹簧和线圈；阀帽上有外螺纹，与阀块固定；线圈外侧与阀套内圈连接，线圈内侧与线圈骨架连接；复位弹簧一端与阀帽接触，另一端与阀芯杆接触；阀芯锥一端与阀芯杆连接，另一端与阀座连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于高速开关阀的片式液压步进驱动器的控制方法，其特征在于，执行器液压缸的两侧均使用该液压步进驱动器时，能够不依靠执行器负载实现执行器液压缸的步进步退。

4.根据权利要求1所述的一种基于高速开关阀的片式液压步进驱动器的控制方法，其特征在于，液压步进驱动器为片式结构，通过并联多个液压驱动器对执行器单步行程进行调整。

5.根据权利要求1所述的一种基于高速开关阀的片式液压步进驱动器的控制方法，其特征在于，所述复位弹簧的作用为当活塞动作进行完毕后将活塞进行复位；所述行程调节机构的作用为对活塞的行程进行调节。

6.根据权利要求1所述的一种基于高速开关阀的片式液压步进驱动器的控制方法，其特征在于，步进模式下步进驱动器通过步进柱塞内活塞的运动和复位实现执行器的进给，对执行器位置进行控制，在步进模式中步退柱塞无运动，通过调整复位控制阀与进退控制阀开关频率对执行器进给速率进行调整。

7.根据权利要求1所述的一种基于高速开关阀的片式液压步进驱动器的控制方法，其特征在于，步退模式下步进驱动器通过步退柱塞内活塞的运动和复位实现执行器的后退，对执行器位置进行控制，在步退模式中步进柱塞无运动，通过调整复位控制阀与进退控制阀开关频率对执行器进给速率进行调整。

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