CN1167886C - 电液伺服控制元件/组件 - Google Patents

Abstract

一类电液伺服控制元件/组件，采用不同于现有技术的连接方式或针对具体情况分别设置杠杆、连杆、横向推拉杆拐臂连杆机构、剪式机构等措施，进一步提高了先导级控制部件所受的驱动力，降低了折算到电-机械转换器输出端的负载惯量，并使稳定状态时液压放大器可动部件对先导级控制部件反馈的位移增量或相对位移增量传递比等于或大于1，从而获得可应用多种类型的电-机械转换器的，具有抗油污能力强、动态响应较快、重复精度较高、零漂较小、体积可以较小等特性。本发明属方向流量或双向位移输出型多级电液伺服控制元件/组件，用于电液位置伺服或速度伺服系统中，替代现有技术可以使系统的技术指标和工作可靠性显著提高。

Description

电液伺服控制元件/组件

(一)技术领域

本发明涉及一种多级力反馈式电液伺服控制元件/组件。所称的“元件”为整体形装配结构，所称的“组件”为接搭式装配结构。其输入量为电气量，输出量为方向流量或双向位移量，输出量与输入量一一对应。

(二)背景技术

现有的多级方向流量或双向位移输出型电液伺服控制元件/组件，如电液伺服阀/伺服缸/比例阀/比例缸等，由电—机械转换器、先导级和一级或两级液压放大器所组成，电—机械转换器将输入的电气量转换为力(力矩)或位移，直接驱动先导级的控制部件，先导级改变相应液压，经液压放大器放大后输出；液压放大器与先导级之间设置有相应的负反馈，其型式有直接反馈、流量反馈、电反馈和力反馈等四种。

直接反馈需要电—机械转换器有较大的输出位移，因受频宽、功率等因素的制约，对应的输出力(力矩)即驱动先导级控制部件的力(力矩)就较小。由于多级电液伺服元件/组件的抗油污能力取决于其先导级，而影响先导级抗油污能力的重要因素之一是先导级控制部件所受驱动力(力矩)的大小，驱动力(力矩)大，抗油污能力就强，反之，抗油污能力就差。故采用直接反馈的多级电液伺服控制元件/组件的抗油污能力较差。

流量反馈所需耗油量较大，功率损失较大，相应地也加重了滤油器的负担。

电反馈需配传感器和较复杂的控制电路，增加了故障点，降低了工作的可靠性。特别是若单独应用电反馈，就有可能在相关电路故障或断电时出现电液伺服控制元件/组件失控的危险。但电反馈可以显著提高电液伺服控制元件/组件的伺服精度和动态响应速度，调整和改变参数亦方便、灵活，故通常是作为一种提高电液伺服控制元件/组件性能指标的辅助措施予以应用。

力反馈可以不要求电—机械转换器具有较大的输出位移，因而可以方便地提高电—机械转换器的频宽和输出力(力矩)，故可使电液伺服控制元件/组件具有较高的动态响应速度和抗油污能力。但现采用的力反馈型式主要存在两个问题：一是先导级必须与液压放大器分开设置，耗材较多、体积较大：二是稳定状态时液压放大器的可动部件对先导级控制部件反馈的位移增量传递比小于0.5，难以使“元件”/“组件”获得较高的重复精度和较小的零漂，特别在采用负开口先导级的情况下该问题更为突出，通常需要辅设电反馈或/和对中(复中)弹簧加以改进。下面对第二个问题产生的原因作进一步说明。

现有技术中实现力反馈所采用的双向位移—力转换机构有两种，一是弹性杆机构(用于喷嘴档板式或射流管式或偏转板射流式先导级的电液伺服阀和喷嘴档板式比例阀中)，二是双圆柱压缩弹簧机构(用于滑阀式先导级的比例阀中)。在弹性杆机构中，弹性杆的一端与弹簧管固接，形成弹性杆机构的支点；弹性杆的另一端作为位移信号输入端直接或装一小球与液压放大器滑阀阀芯结合；弹性杆机构与先导级的结合点，即反馈的作用点处于位移信号输入端与支点之间并距支点较近的位置。根据其力学及几何的关系可知，稳态时液压放大器阀芯对先导级控制部件(档板/射流管/偏转板等)的位移增量传递比小于0.5。而在双圆柱压缩弹簧机构中则采用一根装于液压放大器可动部件与先导滑阀阀芯之间、另一根装于比例电磁铁与拧在壳体尾部的调零螺钉之间的结构形式。由于后一弹簧与调零螺钉的结合端在工作过程中是固定不动的，所以在稳态时，液压放大器可动部件对先导滑阀阀芯的位移增量传递比与两弹簧的刚度有关，当两弹簧的刚度相等时为0.5；当后一弹簧的刚度比前一弹簧的大时，小于0.5，反之大于0.5而小于1。实际上，因受安置空间的限制，后一弹簧的刚度要比前一弹簧的大得多，故对应的位移增量传递比远小于0.5。

在无其他辅助措施的情况下，电液伺服控制元件/组件的重复精度及零漂与上述位移增量传递比及先导级死区有关，位移增量传递比越大、先导级死区越小，重复精度就越高、零漂就越小，反之亦然。当然，这种对应关系还要受“元件”/“组件”自身稳定性的限制，若位移增量传递比过大，则可能出现不稳定的问题。但是，现有技术存在的问题是所述位移增量传递比过小，需要也有足够的裕度予以提高。对采用弹性杆式双向位移—力转换机构的“元件”而言，由于其对应的几种形式的先导级无死区，故基本上无明显的不良后果；而对上述双弹簧双向位移—力转换机构的“元件”而言，由于其对应的先导滑阀有死区(为放宽零部件配合精度要求和降低“元件”的静态耗油量而采用负开口结构)，所造成的不良后果因而很突出。

引证资料：

1.“液压工程手册”雷天觉主编  机械工业出版社  1990年4月科技新书目：210-002

ISBN-111-01724-2/TH.294

元件篇  9.伺服、比例、数字控制元件

2.“机械工程手册”第二版  传动设计卷  机械工程手册/电机工程手册编辑委员会编机械工业出版社  1997年7月  ISBN 7-111-04510-6/TH-62  第二章  液压元件  3液压控制阀

3.“实用电液比例技术”吴根茂  邱敏秀  王庆丰等编著  浙江大学出版社  1993年9月  ISBN 7-308-01170-4/TH.040  第九章  电液比例方向阀第十章  比例控制液压泵

(三)发明内容

本发明的目的是提供可应用多种类型的电—机械转换器的，具有抗油污能力强、动态响应较快、重复精度较高、零漂较小、体积可以较小的新型方向流量或双向位移输出型多级电液伺服控制元件/组件。

本发明由电—机械转换器、先导级、双向位移—力转换机构和液压放大器所组成，电—机械转换器驱动先导级控制部件，先导级控制液压放大器，位移—力转换器将液压放大器可动部件的位移转换为力，反馈给先导级控制部件，电—机械转换器的输出端与先导级的控制部件、先导级的控制部件与双向位移—力转换机构、双向位移—力转换机构与液压放大器的可动部件连接，先导级为三通或四通滑阀式或喷嘴档板式或射流管式或偏转板射流式，其特征是：双向位移—力转换机构对三通或四通滑阀式先导级为单弹簧结构或双弹簧结构，对喷嘴档板式或射流管式或偏转板射流式先导级为弹性杆结构；电—机械转换器对滑阀式先导级为力马达或摆动电机或有限转角电机或力矩电机或双向极化式比例电磁铁，对喷嘴档板式或射流管式或偏转板射流式先导级为力矩马达；对力马达或摆动电机或力矩电机型电—机械转换器，与双向位移—力转换机构通过中间机构间接连接；对双向极化式比例电磁铁型电—机械转换器，与双向位移—力转换机构既可通过中间机构间接连接，也可直接连接；对弹性杆结构的双向位移—力转换机构，一端与液压放大器的可动部件固接；另一端装一小球与相应先导级的控制部件结合。

本发明中的液压放大器，在输出功率不很大时采用一级，输出功率很大时采用两级；其作用形式可以选用单作用差动式，也可以选用双作用式。对双向位移输出的电液伺服控制元件/组件，由液压放大器功率级活塞杆输出位移量；对方向流量输出的电液伺服控制元件/组件，由液压放大器功率级滑阀输出方向流量。功率级滑阀可以是三通结构，也可以是四通或更多通路数结构。

与现有技术相比，本发明提供了多种技术方案用以提高作用于先导级控制部件的驱动力，即除采用与现有技术相同的应用高输出力(力矩)型电—机械转换器直接驱动先导级控制部件的方案外，还提供了采用杠杆机构或剪式机构或横向推拉杆拐臂连杆机构等三种力传递或力放大方案，可以进一步提高先导级控制部件所受的驱动力。故本发明抗油污能力强、电—机械转换器类型的可选范围宽。同时本发明的力放大方案可以降低折算到电—机械转换器输出端的负载惯量，故本发明的动态响应较快。

稳定状态时液压放大器可动部件对先导级控制部件反馈的位移增量或相对位移增量传递比，现有技术不超过0.5，本发明因有新型连接机构和连接方式作保证，可以等于或大于1。故本发明比现有技术的重复精度高、零漂小。特别在先导级具有负开口时的效果更加显著。

(四)附图说明

图1是本发明技术方案之一和之二的原理框图；

图2是设置横向推拉杆拐臂连杆机构实现本发明的结构简图；

图3是设置剪式机构实现本发明的结构简图；

在图1至图3所示的本发明的几种技术方案中，1为电—机械转换器，2为先导级，3为液压放大器，4为双向位移—力转换机构，X为输入量，Y为输出量，P为压力油，T为回油。

(五)具体实施方式

本发明的技术方案之一是：先导级与液压放大器分别设置，电—机械转换器与先导级控制部件、先导级控制部件与双向位移—力转换机构、双向位移—力转换机构与液压放大器可动部件直接连接。其原理框图如图1所示。该原理框图及所描述的信号传递路径和基本工作原理与现有技术一样，不再赘述。其特征在于双向位移—力转换机构的结构形式及连接方式方面，下面作一说明。

本方案中的双向位移—力转换机构在先导级为喷嘴档板式或射流管式或偏转板射流式时采用弹性杆结构；当先导级为滑阀式时采用单弹簧或双弹簧结构。

弹性杆双向位移—力转换机构的连接方式是：弹性杆的一端作为位移信号输入端，与液压放大器的可动部件固接；另一端作为力信号输出端，装一小球与相应先导级的控制部件结合。

单压缩弹簧双向位移—力转换机构的连接方式是：其位移信号输入端与液压放大器的可动部件固接；力信号输出端与先导滑阀阀芯固接或绞接。

双弹簧双向位移—力转换器的连接方式是：两弹簧各有一端与液压放大器可动部件直接或通过拉杆连接；两弹簧各自的另一端与先导阀芯直接或通过拉杆连接。

稳态时，作用于先导级控制部件的驱动力与反馈力平衡，对弹性杆而言，液压放大器可动部件的位移增量不会使其产生明显的附加变形，这一点与现有技术的一样，但本方案的连接方式避免或显著减小了现有技术中存在的杠杆作用的影响，从而使液压放大器可动部件对先导级控制部件的位移增量传递比可等于或稍小于1。对单压缩弹簧或双弹簧而言，本方案的连接方式完全消除了现有技术中调零弹簧的不利影响，使液压放大器可动部件在稳态时的位移增量不引起弹簧产生附加变形，故其对应的位移增量传递比等于1。

本发明技术方案之二是：以图1所示方案为基础，设置杠杆机构；电—机械转换器与先导级控制部件、先导级控制部件与双向位移—力转换机构、双向位移—力转换机构与液压放大器可动部件直接或通过杠杆机构间接连接。所设置的杠杆机构可以提高电—机械转换器对先导级控制部件的驱动力和稳态时液压放大器可动部件对先导级控制部件的位移增量传递比。

本发明的技术方案之三是：先导级与液压放大器采用组合式结构，设置横向推拉杆拐臂连杆机构，将电—机械转换器与液压放大器可动部件、先导级控制部件及双向位移—力转换机构间接连接。其结构简图如图2所示。图中的先导级采用滑阀式，其阀芯2′装于液压放大器可动部件3′之内；由横向推拉杆5、拐臂6、机架7和连杆8组成横向推拉杆拐臂机构。其连接方式是：横向推拉杆5的两端分别与电—机械转换器1的输出端及拐臂6的A点绞接；拐臂6的O、B、C点分别与机架7、连杆8的一端及双向位移—力转换机构4的可动端绞接；机架7与液压放大器的可动部件3′固接；连杆8的另一端与先导阀芯2′绞接。

在图2所示的状况下，工作中当电—机械转换器1的输出端作向左或向右的横向运动时，通过横向推拉杆拐臂连杆机构使先导阀芯2′相对于液压放大器可动部件3′作向下或向上的竖向运动；液压放大器可动部件3′随先导阀芯2′作向下或向上的竖向运动；双向位移—力转换机构4的可动端竖向运动的位移所产生的向上或向下的对应力则通过横向推拉杆机构形成负反馈，从而使先导阀芯2′向阀口关闭的方向运动和使电—机械转换器1的输出端向中位方向运动。在此过程中，横向推拉杆5除作横向运动外，还以其与电—机械转换器1组成的回转副为中心作平面摇摆运动，而拐臂6则除以回转副O为中心作平面摇摆运动外，还随液压放大器可动部件3′作竖向运动。稳定后先导滑阀的阀口关闭，液压放大器可动部件3′的位移与电—机械转换器1的输出力成正比例。

本方案中拐臂6的各臂长度 AO、 BO、 CO可以相等，也可以不等。根据其力学和几何的关系可知，电—机械转换器1的输出力与传至先导阀芯2′的驱动力之比等于BO与AO之比；稳态时液压放大器可动部件3′的位移增量与由其引起的先导阀芯2′相对于液压放大器可动部件3′的位移增量之比，等于CO与BO之比。

本发明的技术方案之四是：先导级与液压放大器采用组合式结构，设置剪式机构，将电—机械转换器与先导级控制部件、液压放大器可动部件及双向位移—力转换机构间接连接。其结构简图如图3所示，图中的先导级采用滑阀式，其阀芯2′装于液压放大器可动部件3′之内；由杠杆9、连杆10、机架11、杠杆12、连杆13、机架14和连杆15组成剪式机构。其连接方式是：电—机械转换器1的输出端与杠杆9的A点绞接，杠杆9的O点及杠杆12的O′点分别与连杆10的两端绞接，杠杆9的B点和C点分别与连杆15的一端和双向位移—力转换机构4的可动端绞接，连杆15的另一端与先导阀芯2′绞接，连杆13的两端分别与杠杆12的B′点和机架14绞接，机架14与液压放大器可动部件3′的端部固接，机架11与本体(图中未示出)固接并与杠杆12的A′点绞接。

在图3所示的状况下，工作中当电—机械转换器1的输出端作向上或向下的运动时，通过连杆9和连杆15使先导阀芯2′相对于液压放大器可动部件3′作向下或向上的运动；液压放大器可动部件3′随之作向下或向上的运动；并通过机架14、连杆13、杠杆12、连杆10和杠杆9使双向位移—力转换机构4的可动端作向下或向上的运动；双向位移—力转换机构4的可动端向下或向上运动的位移所产生的向上或向下的对应力，则通过剪式机构形成反馈，从而使先导阀芯2向阀口关闭的方向运动和使电—机械转换器1的输出端向中位方向运动。在此过程中，杠杆9除A端随电—机械转换器1的输出端作上、下运动外，还以A点为中心随液压放大器可动部件3′的上、下运动作摇摆运动。稳定后先导滑阀的阀口关闭，液压放大器可动部件3′的位移与电-机械转换器1的输出力成正比例。

本方案中两杠杆的各臂长度 AO、 BO、 CO、 A′O′及 B′O′可以相等，也可以不等。根据其力学和几何的关系可知，电—机械转换器1的输出力与传至先导阀芯2′的驱动力之比等于BO与AO之比；稳态时液压放大器可动部件3′的位移增量与由其引起的先导阀芯2′相对于液压放大器可动部件3′的位移增量之比，等于1+( A′O′/ A′B′)×( OB- CO)/ CO。

在本发明的技术方案之三和之四中，先导级亦可选用喷嘴档板式。

设置横向推拉杆拐臂连杆机构或剪式机构是现有技术所没有的，它们可以使液压放大器可动部件对先导级控制部件产生携带作用，从而实现以较小位移输出的电—机械转换器精确控制大位移量的装有先导级的组合式液压放大器。故本发明可以比现有同功率的力反馈式电液伺服控制元件/组件耗材少、体积小。

为降低静态耗油量，本发明中的先导级最好选用三通或四通式具有零开口或一定负开口的滑阀结构。三通式先导滑阀适用于单作用差动式液压放大器，四通式先导滑阀适用于双作用式液压放大器，后者可以具有更高的功率增益和动态响应速度。

本发明中的电—机械转换器，最好选用输入信号为零时的定位力(力矩)为零和输入信号为定值时，在其输出位移的工作段内，具有水平力(力矩)—位移(角位移)特性的类型。

在前述本发明的技术方案之一中，电—机械转换器应选用高输出力(力矩)型，如摆动电机、有限转角电机、力矩电机、双向极化式比例电磁铁等。单压缩弹簧式双向位移—力转换机构及连接方式较简单，但调零不方便，故最好用于对零位要求不严格的双向位移输出型电液伺服控制元件/组件中；双弹簧式双向位移—力转换机构及连接方式较复杂，但可借助其拉杆上的螺母方便、精确地进行零位调整，故最好用于对零位要求严格的方向流量输出型电液伺服控制元件/组件中。

实现前述本发明技术方案之二的最好方式是，采用三通滑阀式先导级、高输出力(力矩)型电—机械转换器、单作用差动式液压放大器和单压缩弹簧式双向位移—力转换机构，电—机械转换器与先导阀芯直接连接，液压放大器可动部件与双向位移—力转换机构及先导阀芯通过设置的杠杆机构间接连接，构成接搭式装配的方向流量输出型多级电液伺服控制组件。该方案可以方便地实现组件的零位调整和合适的前述位移增量传递比。

实现前述本发明技术方案之三的最好方式是，先导级为滑阀式，其阀芯置于液压放大器可动部件之内；双向位移—力转换机构为单压缩弹簧式，其固定端为轴向可调式结构，以兼作调零之用；电—机械转换器应具有不很小的输出位移；设置的将电—机械转换器输出端、液压放大器可动部件、先导阀芯和双向位移—力转换机构可动端间接连接的横向推拉杆拐臂连杆机构，其横向推拉杆具有足够的长度，拐臂的臂长 AO＞＞ BO≥ CO。

实现本发明技术方案之四的最好方式是，先导级为滑阀式，其阀芯置于液压放大器可动部件之内；双向位移—力转换机构为单压缩弹簧式，其固定端为轴向可调式结构，以兼作调零之用；设置的将电—机械转换器输出端、液压放大器可动部件、先导阀芯和双向位移—力转换机构可动端间接连接的剪式机构，其两杠杆的臂长 AO＝ A′O′、 BO＝ B′O′、 BO≥ CO，连杆13与连杆15的长度相等，稳态时杠杆9与杠杆12平行，连杆13与连杆15平行。当电机械转换器具有较大输出位移时， AO＞ BO或 AO＞＞ BO；当电—机械转换器具有较大或很大输出力时， AO＝ BO或 AO＜ BO。

与现有技术一样，可以采用设置油阻、加入颤震电流、增设电反馈和使双向位移—力转换机构的弹簧有一定预压缩量等措施，进一步提高本发明的相应性能指标。

Claims (4)

1.一类电液伺服控制元件/组件，由电—机械转换器、先导级、双向位移—力转换机构和液压放大器所组成，电—机械转换器驱动先导级控制部件，先导级控制液压放大器，位移—力转换器将液压放大器可动部件的位移转换为力，反馈给先导级控制部件，电—机械转换器的输出端与先导级的控制部件、先导级的控制部件与双向位移—力转换机构、双向位移—力转换机构与液压放大器的可动部件连接，先导级为三通或四通滑阀式或喷嘴档板式或射流管式或偏转板射流式，其特征在于双向位移—力转换机构对三通或四通滑阀式先导级为单弹簧结构或双弹簧结构，对喷嘴档板式或射流管式或偏转板射流式先导级为弹性杆结构；电—机械转换器对滑阀式先导级为力马达或摆动电机或有限转角电机或力矩电机或双向极化式比例电磁铁，对喷嘴档板式或射流管式或偏转板射流式先导级为力矩马达；对力马达或摆动电机或有限转角电机或力矩电机型电—机械转换器，与双向位移—力转换机构通过中间传动机构间接连接；对双向极化式比例电磁铁型电—机械转换器，与双向位移—力转换机构既可通过中间传动机构间接连接，也可直接连接；对弹性杆结构的双向位移—力转换机构，一端与液压放大器的可动部件固接；另一端装一小球与相应先导级的控制部件结合。

2.按权利要求1所述的电液伺服控制元件/组件，其特征在于先导级与液压放大器采用组合式结构，先导级采用滑阀式，其阀芯[2′]装于液压放大器可动部件[3′]之内；中间传动机构为横向推拉杆拐臂连杆机构，将电—机械转换器与液压放大器可动部件、先导级控制部件及双向位移—力转换机构间接连接；横向推拉杆拐臂连杆机构由横向推拉杆[5]、拐臂[6]、机架[7]和连杆[8]所组成；横向推拉杆[5]的两端分别与电—机械转换器[1]的输出端及拐臂[6]的[A]点绞接；拐臂[6]的[O]、[B]、[C]点分别与机架[7]、连杆[8]的一端及双向位移—力转换机构[4]的可动端绞接；机架[7]与液压放大器的可动部件[3′]固接；连杆[8]的另一端与先导阀芯[2′]绞接。

3.按权利要求2所述的电液伺服控制元件/组件，其特征在于用剪式机构代替横向推拉杆拐臂连杆机构；剪式机构由杠杆[9]、连杆[10]、机架[11]、杠杆[12]、连杆[13]、机架[14]和连杆[15]所组成；电—机械转换器[1]的输出端与杠杆[9]的[A]点绞接，杠杆[9]的[0]点及杠杆[12]的[0′]点分别与连杆[10]的两端绞接，杠杆[9]的[B]点和[C]点分别与连杆[15]的一端和双向位移—力转换机构[4]的可动端绞接，连杆[15]的另一端与先导阀芯[2′]绞接，连杆[13]的两端分别与杠杆[12]的[B′]点和机架[14]绞接，机架[14]与液压放大器可动部件[3′]的端部固接，机架[11]与本体固接并与杠杆[12]的[A′]点绞接。

4.按权利要求3所述的电液伺服控制元件/组件，其特征在于剪式机构中两杠杆的臂长 AO＝ A′O′、 BO＝ B′O′、 BO≥ CO，连杆[13]与连杆[15]的长度相等，稳态时剪式机构的几何关系是杠杆[9]与杠杆[12]平行，连杆[13]与连杆[15]平行。

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