CN112901570A - 一种应用于液压压力机的电液作动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种应用于液压压力机的电液作动系统，其包括伺服电机、双向定量小排量液压泵、上位油箱、电磁开关阀、压力保护阀、充液单向阀、补油单向阀、非对称液压缸、压力传感器、位移传感器和信号采集与控制单元。本发明通过引入电磁开关阀来代替液控单向阀，对电液作动系统的非对称液压缸无杆腔油液进行主动配流，利用控制算法提升系统的位置控制精度和响应速度，解决了液控单向阀响应慢，以及液控单向阀控制性能受油液压力波动影响的问题，同时本发明构型上减小了泵的排量，进而泵的体积和重量减小，进一步提高了作动器的集成化程度，降低了成本。

Description

一种应用于液压压力机的电液作动系统

技术领域

本发明属于电液控制技术领域。尤其涉及一种应用于液压压力机的电液作动系统。

背景技术

传统的液压压力机液压系统通常采用伺服阀或比例阀同步控制多个液压缸构成阀控液压伺服系统。阀控液压伺服系统具有控制精度高、动态响应快的优点，但是由于阀节流损失的存在，阀控系统的效率较低。近年来随着节能减排要求日趋严格，泵控伺服系统由于远高于阀控系统的传动效率而逐渐被广泛应用。

应用于液压压力机的泵控伺服系统通常采用伺服电机驱动定量泵控制一个非对称液压缸。不同于阀控伺服系统的一个泵源连接多个液压阀控制多个作动器的构型，一个泵控伺服系统通常高度集成化为一个电液作动器，再通过多个独立的电液作动器控制液压压力机滑块。泵控伺服系统具有传动效率高、构型简单和集成化程度高的优点，但是其控制精度和响应速度较阀控系统差。需要说明的是，本专利所阐述的电液作动系统是指单个泵控伺服系统，而非多个作动器同步控制滑块组成的多作动系统。

目前市场上应用于液压压力机的泵控伺服系统有两种构型：一种是采用伺服电机驱动一大排量和一小排量两个定量双向液压泵控制非对称液压缸，小定量泵用来平衡流量非对称性。此种构型的优点是合理地匹配泵和液压缸就可以从元件层级解决非对称液压缸带来的流量不平衡问题，控制简单。但是由于需要考虑两个泵的排量和液压缸两腔面积匹配，大大限制了泵和液压缸的选择；同时增加了泵的数量，增大了成本且降低了系统的集成化程度。另一种是采用伺服电机驱动单个定量泵控制非对称液压缸，通过液控单向阀来平衡流量非对称性。该系统的优点是结构简单，集成化程度高；但是由于液控单向阀本身存在响应频率较低以及控制不稳定等因素，导致该构型的泵控伺服系统位置控制精度差且响应速度较慢。

上述两种构型的共同点在于两者都是采用蓄能器作为储油单元，受限于蓄能器结构和体积，蓄能器不能在作动器快速下行时大流量供油。因此上述两种构型的作动系统在非对称液压缸活塞杆快速下行时，非对称液压缸上腔所需的流量大部分都需要由泵所供应。这导致系统选型时不得不提高泵的排量。泵排量的提高会导致两方面的结果：一是增大了集成部分的体积，降低作动器功重比；二是泵排量越大流量分辨率也就越大，控制精度越差。

发明内容

本发明提出了一种应用于液压压力机的电液作动系统，该系统旨在提高液压压力机泵控伺服系统的位置控制精度和响应频率，增大作动器集成化程度。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种应用于液压压力机的电液作动系统，其包括伺服电机、双向定量小排量液压泵、上位油箱、电磁开关阀、压力保护阀、充液单向阀、补油单向阀、非对称液压缸、压力传感器、位移传感器和信号采集与控制单元，所述伺服电机的动力输出轴与双向定量小排量液压泵的动力输入轴相连，所述双向定量小排量液压泵第一油口与非对称液压缸无杆腔相通，双向定量小排量液压泵第二油口与非对称液压缸有杆腔相通；所述电磁开关阀用于上位油箱与非对称液压缸无杆腔之间油路的通断，阀口在断电状态下关闭；所述压力保护阀包括第一压力保护阀和第二压力保护阀，第一压力保护阀的进油口与非对称液压缸无杆腔相通，其出油口与上位油箱、第二压力保护阀的出油口相连，第二压力保护阀的进油口与非对称液压缸有杆腔相通，非对称液压缸无杆腔、非对称液压缸有杆腔的压力调定值均与系统的最高允许压力相同；所述充液单向阀的进油口与上位油箱连接，其出油口与非对称液压缸无杆腔连接，用于向非对称液压缸无杆腔补油，所述补油单向阀的进油口与上位油箱连接，其出油口与双向定量小排量液压泵第二油口连接；所述信号采集与控制单元包括比较器、控制算法模块、控制信号输出模块、信号采集与处理模块、伺服驱动器和速度编码器，信号采集与处理模块通过现场总线与工控机相连，通过信号传输线分别与速度编码器、第一压力传感器、第二压力传感器和位移传感器相连，并将采集的伺服电机转速信号、非对称液压缸无杆腔进出油路上的压力信号、非对称液压缸有杆腔进出油路上的压力信号和非对称液压缸活塞杆的位移信号传送至工控机，由控制算法模块进行处理，控制信号输出模块输出伺服电机指令信号和电磁开关阀指令信号控制伺服电机和电磁开关阀动作；所述非对称液压缸活塞杆工作模式包括快速下行、工进速度下行、位置保持、系统卸压和快速上行。

优选地，所述快速下行过程为：所述信号采集与控制单元控制伺服电机正向旋转，电磁开关阀关闭，补油单向阀关闭，非对称液压缸有杆腔所流出的油液排向双向定量小排量液压泵第一油口，通过调节伺服电机的转速，控制非对称液压缸活塞杆的下行速度。

优选地，所述工进速度下行过程为：当非对称液压缸活塞杆快速下行接触工件以后，信号采集与控制单元继续控制电磁开关阀关闭，补油单向阀打开，双向定量小排量液压泵分别从上位油箱、非对称液压缸有杆腔处吸油，当非对称液压缸活塞杆接触工件后，充液单向阀关闭，非对称液压缸无杆腔将处于高压状态使得非对称液压缸活塞杆产生力压制工件。

优选地，所述位置保持过程为：当现有位置值小于所需工艺值时，控制算法模块经计算后将指令信号经控制信号输出模块传递给伺服电机和电磁开关阀，伺服电机反向转动，电磁开关阀打开，双向定量小排量液压泵从第一油口吸油向第二油口排油，油液推动非对称液压缸活塞杆上行，当现有位置值大于所需工艺值时，伺服电机和电磁开关阀作相反动作。

优选地，所述卸压和快速上行过程为：打开电磁开关阀，使得高压油液流回上位油箱，卸压指定时间，伺服电机反向旋转，油液推动非对称液压缸活塞杆快速上行。

优选地，所述上位油箱采用集成作动器与油源分离的结构，集成部分减去了蓄能器，使集成作动器体积重量更小。

优选地，所述双向定量小排量液压泵最大流量大于等于非对称液压缸活塞杆返程时非对称液压缸有杆腔所需要的流量。

优选地，所述电磁阀在系统进行位置控制时主动控制开合，从而控制压力腔的压力和流量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)使用小排量双向定量泵，使得泵控系统的流量分辨率更高，伺服电机驱动泵能够有效控制输出的最小流量更小，提高了系统的位置控制精度；

2)通过引入电磁开关阀来代替液控单向阀，对电液作动系统的非对称液压缸无杆腔油液进行主动配流，利用控制算法提升系统的位置控制精度和响应速度。电磁换向阀的引入同时解决了液控单向阀响应慢，以及液控单向阀控制性能受油液压力波动影响的问题；

3)与市面主流的泵控作动器相比，本系统构型将油箱上置，采用集成作动器与油源分离的结构，集成部分减去了蓄能器，使得集成作动器体积重量更小；

4)相较于目前市场上采用大排量泵满足系统快下时非对称液压缸上腔流量需求，本发明仅需要使泵满足快回时非对称液压缸下腔流量需求；

5)在相同技术参数要求以及伺服电机最大转速相同的条件下，采用本发明泵排量可减小至其他构型的1/5及以下，大大减小了泵的体积和重量，进一步提高了作动器的集成化程度，降低了成本。

附图说明

图1为本发明应用于液压压力机的电液作动系统的液压系统原理示意图；

图2为本发明应用于液压压力机的电液作动系统的控制系统方框图。

附图标记：

1、伺服电机；2、双向定量小排量液压泵；201、双向定量高速小排量液压泵第一油口；202、双向定量高速小排量液压泵第二油口；3、补油单向阀；4、上位油箱；501、第一压力控制阀；502、第二压力控制阀；601、第一压力传感器；602、第二压力传感器；7、充液单向阀；8、电磁开关阀；9、非对称液压缸；901、非对称液压缸无杆腔；903、非对称液压缸活塞杆；904、非对称液压缸有杆腔；10、位移传感器；11、信号采集与控制单元；1101、比较器；1102、控制算法模块；1103、控制信号输出模块；1104、信号采集与处理模块；1105、伺服驱动器；1106、速度编码器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的为，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

结合附图1，本发明提供的一种应用于液压压力机的电液作动系统，包括伺服电机1、双向定量小排量液压泵2、补油单向阀3、上位油箱4、压力保护阀、压力传感器、充液单向阀7、电磁开关阀8、非对称液压缸9、位移传感器10和信号采集与控制单元11。

伺服电机1的动力输出轴与双向定量小排量液压泵2的动力输入轴相连，伺服电机1驱动双向定量小排量液压泵2完成吸排油动作。双向定量小排量液压泵第一油口201与非对称液压缸无杆腔901相通，双向定量小排量液压泵第二油口202与非对称液压缸有杆腔903相通。电磁开关阀8用于控制上位油箱4与非对称液压缸无杆腔901之间油路的通断，阀口在断电状态下关闭，当系统根据状态判断无杆腔需要向上位油箱4排出多余的油液时，信号采集与控制单元11使电磁开关阀8的电磁铁得电，非对称液压缸无杆腔901与上位油箱4连通。压力保护阀分为第一压力保护阀501和第二压力保护阀502，其中第一压力保护阀501的进油口与非对称液压缸无杆腔901相通、出油口与上位油箱4和第二压力保护阀502的出油口相连，第二压力保护阀502进油口与非对称液压缸有杆腔903相通，出油口与上位油箱4和第一压力保护阀501的出油口相连；二者的压力调定值均与系统的最高允许压力相同，系统正常工作时二者的阀口常闭，当非对称液压缸无杆腔901的压力等于或者超过压力调定值时，第一压力保护阀501的阀口开启溢流，使非对称液压缸无杆腔901的压力保持在系统的最高允许压力，当非对称液压缸有杆腔903的压力等于或者超过压力调定值时，第二压力保护阀502的阀口开启溢流，使非对称液压缸有杆腔903的压力保持在系统的最高允许压力。充液单向阀7进油口与上位油箱4连接，出油口与非对称液压缸无杆腔901连接，用于执行器快速下行时向非对称液压缸无杆腔901补油；补油单向阀3进油口与上位油箱4连接，出油口与双向定量小排量液压泵第二油口202连接。信号采集与控制单元11用于接收压力传感器和位移传感器10的信号并输出信号控制伺服电机1、电磁开关阀8的动作。非对称液压缸无杆腔901进出油路上，接有第一压力传感器601，非对称液压缸有杆腔903进出油路上，接有第二压力传感器602，压力传感器的输出信号由信号采集与处理模块1104接收，实现对系统压力状态的实时监控；非对称液压缸活塞杆902接有位移传感器10，其输出信号由信号采集与处理模块1104接收并处理。

为详细说明本发明的工作过程，现选用附图1所示的液压系统原理作为优选实施例进行说明。值得注意的是，本发明的一种应用于液压机的电液控制系统，即非对称液压缸垂直地面安装，非对称液压缸活塞杆902可在重力作用下自由下行。

在附图2所示的本发明控制系统原理中，信号采集与控制单元11共包括比较器1101、控制算法模块1102、控制信号输出模块1103、信号采集与处理模块1104、伺服驱动器1105和速度编码器1106六个部分。其中信号采集与处理模块1104针对本系统可以选用为xPC数据采集与处理系统或Delta数据采集与处理系统，信号采集与处理模块1104通过现场总线与工控机相连，速度编码器1106、第一压力传感器601、第二压力传感器602和位移传感器10通过信号传输线与信号采集与处理模块1104相应数字量、模拟量接口相连，所采集的信号送入工控机中的控制算法模块1102进行处理。同时，位移传感器10输出的非对称液压缸活塞杆位移信号也由比较器接收，由比较器将用户输入的位移指令信号与非对称液压缸活塞杆位移信号进行做差处理，并将产生的位移偏差输送到控制算法模块1102中，该模块对当前偏差进行判断并指定下一步系统工作模式，然后将结果输送到控制信号输出模块1103，由控制信号输出模块1103输出伺服电机指令信号和电磁开关阀指令信号控制伺服驱动器和电磁开关阀8动作。伺服驱动器输出驱动信号控制伺服电机1转动，同时伺服电机11的转速由速度编码器接收后反馈至伺服驱动器，由伺服驱动器完成对伺服电机的转速的精确闭环控制，并驱动双向定量高速小排量液压泵2输出压力和流量。电磁开关阀8根据指令信号控制阀口开闭，实现对非对称液压缸无杆腔901的压力和流量控制，最终实现对非对称液压缸活塞杆902的位移的控制。上述过程为本发明的一个工作周期中的工作过程，每个工作周期中上述过程依次进行，并不断循环，直到位移传感器的输出信号与位移指令信号相同且不再发生变化。

现结合本发明实现非对称液压缸活塞杆902全工况过程进行说明。本发明提出的电液控制系统可以实现活塞杆的快速下行、工进速度下行、位置保持、系统卸压和快速上行。

本发明的快速下行过程：现假定伺服电机带动泵正向转动的方向是使双向定量小排量液压2从双向定量小排量液压泵第二油口202吸油向双向定量小排量液压泵第一油口201排油。在快速下行阶段，信号采集与控制单元11控制伺服电机1正向旋转，电磁开关阀8关闭。此时非对称液压缸活塞杆902会在重力的作用下快速下行。由于非对称液压缸有杆腔油液要产生压力以平衡非对称液压缸活塞杆902以及活塞杆所联接机械零件的重力，因此补油单向阀3关闭。在这种情况下，非对称液压缸有杆腔903所流出的油液全部经过双向定量小排量液压泵2被排出到双向定量小排量液压泵第一油口201。此时伺服电机带动双向定量泵实现对双向定量小排量液压泵2转速的控制，也就实现了对双向定量小排量液压泵2的流量控制，进一步可以控制非对称液压缸快速下行阶段的下行速度。由于双向定量小排量液压泵2排出的油液流量满足不了非对称液压缸无杆腔901所需的流量，在负压的作用下上位油箱4的油液经由充液单向阀7补充进入非对称液压缸无杆腔901。

本发明的工进速度下行过程：当非对称液压缸活塞杆902快速下行接触工件以后，信号采集与控制单元11继续控制电磁开关阀8关闭。由于活塞杆接触到工件，非对称液压缸有杆腔903的压力变小将低于大气压力，补油单向阀3打开，双向定量小排量液压泵2经由补油单向阀3从上位油箱4吸油。同时双向定量小排量液压泵2也吸收从非对称液压缸有杆腔903排出来的油液。活塞杆接触工件后，速度将变慢，此时非对称液压缸无杆腔901所需的流量可由双向定量小排量液压泵2排出的流量直接满足，因此充液单向阀7关闭，非对称液压缸无杆腔901将处于高压状态使得非对称液压缸活塞杆902产生力压制工件。

本发明的位置保持过程：此过程也即位置控制过程，根据工艺的需求，非对称液压缸活塞杆902在最终压制的时候需要保持在某一位置一定时间。例如，当工艺需要非对称液压缸活塞杆902保持在50mm时。当位置小于50mm时，系统状态如上文中工进速度下行过程所描述，非对称液压缸活塞杆902下行。当位置大于50mm时，非对称液压缸活塞杆902需要上行以调整偏差。此时控制算法模块1102计算出需要给伺服电机1和电磁开关阀8的指令信号，经由控制信号输出模块1103将信号传递给二者。控制伺服电机1反向转动，同时打开电磁开关阀8。双向定量小排量液压泵2从双向定量小排量液压泵第一油口201吸油向双向定量小排量液压泵第二油口202排油。油液推动非对称液压缸活塞杆902上行，同时非对称液压缸无杆腔901的油液经由电磁开关阀8排入上位油箱4。由于在位置保持过程中，非对称液压缸活塞杆902位置与准确位置总有偏差，且是在50mm附近波动，因此非对称液压缸活塞杆902总是在上行和下行两种状态下不停切换。

本发明的系统卸压和快速上行过程：在位置保持时，非对称液压缸无杆腔901总是处于较高压力的状态，在位置保持结束，非对称液压缸活塞杆902需要上行前，先打开电磁开关阀8，使得高压油液流回油箱。卸压一定时间后，伺服电机1反向旋转，油液推动非对称液压缸活塞杆902快速上行。

综上，在系统快速下行阶段，非对称液压缸无杆腔901的大流量需求依靠上位油箱4的油液补充流量来满足，且此时伺服电机1依靠控制双向定量小排量液压泵2的转速，来实现非对称液压缸活塞杆902下行速度的可控。在系统位置保持阶段，依靠电磁开关阀8的主动控制，可以提高非对称液压缸无杆腔901排油的快速性；泵的小排量提高了泵所能控制流量的分辨率，从而实现位置控制精度的提高。

压力控制阀用于保证系统压力不超过最高允许工作压力，当系统压力超过最高允许工作压力，即调定压力时，压力控制阀的阀口开启。压力传感器用于检测系统压力，当压力控制阀出现故障时，系统压力异常，该故障信号经过压力传感器后由信号采集与控制单元11采集，然后发出控制信号使电磁开关阀8打开或伺服电机1正向旋转。

以上所述各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应该理解：其依然能对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种应用于液压压力机的电液作动系统，其包括伺服电机、双向定量小排量液压泵、上位油箱、电磁开关阀、压力保护阀、充液单向阀、补油单向阀、非对称液压缸、压力传感器、位移传感器和信号采集与控制单元，其特征在于，

所述伺服电机的动力输出轴与双向定量小排量液压泵的动力输入轴相连，所述双向定量小排量液压泵的第一油口与非对称液压缸无杆腔相通，双向定量小排量液压泵的第二油口与非对称液压缸有杆腔相通，所述电磁开关阀用于控制上位油箱与非对称液压缸无杆腔之间油路的通断，阀口在断电状态下关闭；

所述压力保护阀包括第一压力保护阀和第二压力保护阀，第一压力保护阀的进油口与非对称液压缸无杆腔相通，其出油口与上位油箱、第二压力保护阀的出油口相连，第二压力保护阀的进油口与非对称液压缸有杆腔相通，非对称液压缸无杆腔、非对称液压缸有杆腔的压力调定值均与系统的最高允许压力相同；

所述充液单向阀的进油口与上位油箱连接，其出油口与非对称液压缸无杆腔连接，用于向非对称液压缸无杆腔补油，所述补油单向阀的进油口与上位油箱连接，其出油口与双向定量小排量液压泵第二油口连接；

所述信号采集与控制单元包括比较器、控制算法模块、控制信号输出模块、信号采集与处理模块、伺服驱动器和速度编码器，信号采集与处理模块通过现场总线与工控机相连，通过信号传输线分别与速度编码器、第一压力传感器、第二压力传感器和位移传感器相连，并将采集的伺服电机转速信号、非对称液压缸无杆腔进出油路上的压力信号、非对称液压缸有杆腔进出油路上的压力信号和非对称液压缸活塞杆的位移信号传送至工控机，由控制算法模块进行处理，控制信号输出模块输出伺服电机指令信号和电磁开关阀指令信号控制伺服电机和电磁开关阀动作；

所述非对称液压缸活塞杆工作模式包括快速下行、工进速度下行、位置保持、系统卸压和快速上行。

2.根据权利要求1所述的应用于液压压力机的电液作动系统，其特征在于，所述快速下行过程为：所述信号采集与控制单元控制伺服电机正向旋转，电磁开关阀关闭，补油单向阀关闭，非对称液压缸有杆腔所流出的油液排向双向定量小排量液压泵的第一油口，通过调节伺服电机的转速，控制非对称液压缸活塞杆的下行速度。

3.根据权利要求1所述的应用于液压压力机的电液作动系统，其特征在于，所述工进速度下行过程为：当非对称液压缸活塞杆快速下行接触工件以后，信号采集与控制单元继续控制电磁开关阀关闭，补油单向阀打开，双向定量小排量液压泵分别从上位油箱、非对称液压缸有杆腔处吸油，当非对称液压缸活塞杆接触工件后，充液单向阀关闭，非对称液压缸无杆腔将处于高压状态使得非对称液压缸活塞杆产生力压制工件。

4.根据权利要求1所述的应用于液压压力机的电液作动系统，其特征在于，所述位置保持过程为：当现有位置值小于所需工艺值时，控制算法模块经计算后将指令信号经控制信号输出模块传递给伺服电机和电磁开关阀，伺服电机反向转动，电磁开关阀打开，双向定量小排量液压泵从第一油口吸油向第二油口排油，油液推动非对称液压缸活塞杆上行，当现有位置值大于所需工艺值时，伺服电机和电磁开关阀作相反动作。

5.根据权利要求1所述的应用于液压压力机的电液作动系统，其特征在于，所述卸压和快速上行过程为：打开电磁开关阀，使得高压油液流回上位油箱，卸压指定时间，伺服电机反向旋转，油液推动非对称液压缸活塞杆快速上行。

6.根据权利要求1所述的应用于液压压力机的电液作动系统，其特征在于，所述上位油箱采用集成作动器与油源分离的结构，集成部分减去了蓄能器，使集成作动器体积重量更小。

7.根据权利要求1所述的应用于液压压力机的电液作动系统，其特征在于，所述双向定量小排量液压泵最大流量大于等于非对称液压缸活塞杆返程时非对称液压缸有杆腔所需要的流量。

8.根据权利要求1所述的应用于液压压力机的电液作动系统，其特征在于，所述电磁阀在系统进行位置控制时主动控制开合，从而控制压力腔的压力和流量。

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