CN1690452A

CN1690452A - 流体系统同步运动数字化控制的脉冲数字流方法及装置

Info

Publication number: CN1690452A
Application number: CN 200410010232
Authority: CN
Inventors: 张志成
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2024-04-27
Also published as: CN100420859C

Abstract

本发明涉及一种流体系统同步运动数字化控制脉冲数字流方法及装置，即采用脉冲数字流的方法，用脉冲数字流同步发生器的控制装置对流体系统中的工作介质进行模/数(A/D)转换，把流体系统中连续流动的模拟式流体转变为两列或两列以上的等量(或成比例)的一连串可计数的、确定量的流体脉冲，同时这些一连串的流体脉冲又有与其一一对应的电脉冲信号相伴随。把各列流体脉冲作用于要求同步动作的液压缸，即可实现各液压缸的同步运动；而电子脉冲由计算机进行计数、比较、运算等处理后，控制流体开关阀的工作状态，从而控制同步液压缸的动作。本发明的方法不但可使两个或两个以上液压缸获得位置、速度的同步，也能使这种同步运动成为一种数字化的控制方式，这对促进流体系统的数字化技术发展，具有重要的意义。

Description

流体系统同步运动数字化控制的脉冲数字流方法及装置

技术领域

本发明涉及一种实现流体系统同步运动数字化控制的脉冲数字流方法，同时还涉及一种流体系统同步运动数字化控制装置，属机械工程学科中的流体传动与控制技术领域。

背景技术

在流体系统中，有时要求两个或两个以上的液动机(油缸或油马达)同时动作，即要求它们以相同的速度或相同的位移进行运动，这就是同步控制。目前，在流体技术领域中实现同步控制的方法主要有以下几种：

(1)机械连接的同步方法：用机械方式(刚性梁、或齿轮、齿条等)将两个油缸的活塞杆牢固地连接起来，以实现同步。该方法宜用于两缸负载差别不大且油缸行程较小的情况，同步精度取决于机构的刚性。

(2)应用流量控制阀的同步方法：该方法是在两个液压缸的进油路或回油路上安装节流阀，调整节流阀的流量，以实现两液压缸的单向或双向的速度同步，该方法的同步精度受油温和负载变化影响较大，且系统效率较低。

(3)使用分流集流阀(即同步阀)的同步方法：该方法是利用负载压力反馈来补偿因负载压力变化而引起流量变化的一种流量控制阀。它只能保证在液压缸稳态运动时的速度同步，但不能保证在液压缸动态过程时的速度同步，更难实现位置同步。由于同步阀的流量范围较窄，阀上压降较大，故不宜用于低压系统。

(4)串连油缸的同步方法：把两个活塞有效面积相等的液压缸串连起来，以实现两缸的位置同步。因为两个液压缸是串连连接的，因此对同样的负荷，泵的压力要增加一倍。

(5)采用同步缸的同步方法：该方法是用一种特制的多连油缸，各连的缸体和活塞的尺寸相同，且各连的活塞串连在同一活塞杆上，并与活塞杆牢固连接。

(6)使用并联泵(或马达)的同步方法：用两个同轴等排量泵(或马达)分别向两个液压缸供油以实现两缸的同步运动。同步精度受两个泵(或马达)的容积效率、排量差异及两缸负载不同等因素影响，宜采用容积效率较稳定的柱塞泵(或马达)。

(7)应用闭环控制的同步方法：采用伺服阀、伺服泵或比例阀、比例泵，按所检测到的两个液动机的同步误差，进行伺服控制，以实现同步。该方法同步精度较高，但结构复杂，费用较高。

上述各种方法所实现的同步运动控制，都是在工作介质稳恒、连续流动的状态下所得到的模拟式结果，即同步运动的位置或速度都不是一个数字化的形式，这与数字信息时代的进步和要求是不相适应的。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种流体系统同步运动的数字化控制方法，以使流体系统的同步运动控制能与计算机技术更好、更方便地结合，实现同步运动的数字控制。

同时，本发明的目的还在于提供一种实现流体系统同步运动数字化控制的装置，以实现同步运动的数字控制。

为了实现上述目的，本发明的技术方案在于采用了一种流体系统同步运动数字化控制的脉冲数字流方法，对流体系统中的工作流体进行离散和量化，将流体系统中连续的模拟式流动的流体转变为两列或两列以上等量或成比例的一连串可计数的、确定量的流体脉冲，且每一列流体脉冲的量都是恒定且不变的；同时一连串的流体脉冲又有与其一一对应的电脉冲信号相伴随，形成脉冲数字流，两列或两列以上一连串的流体脉冲作用于两个或两个以上要求同步运动的液压缸；而电脉冲信号则经计算机计数、运算、比较等处理后，控制流体开关阀的工作状态，从而控制同步液压缸的动作。

所述各列流体脉冲在各往复周期的流量彼此相等或成一定比例，并且各列流体脉冲是同步产生，因而各列流体脉冲的频率相同。

所述各列流体脉冲的脉冲数可以计量和预先设定。

所述的流体脉冲数可直接由计算机或数字电路装置籍助与流体脉冲相伴随的电脉冲信号进行计数和控制。

两列或两列以上等量或成比例的一连串可计数的、确定量的流体脉冲由脉冲数字流同步发生器产生，脉冲数字流同步发生器包括同步流体脉冲发生器和电脉冲发生器，同步流体脉冲发生器内部的活塞在工作流体作用下往复动作，其每次动作能同时产生两列或两列以上流体脉冲；而电脉冲发生器中的位置传感器则检测活塞的位置变化，给出开关信号，再经由信号处理电路处理，产生一个电脉冲信号，即对应于活塞的每次动作，便同时输出两个或两个以上流体脉冲，相应输出一个电脉冲信号。

同时，本发明的技术方案还在于采用了一种脉冲数字流同步发生器，该发生器由左右两活塞和中间的活塞杆及对应的活塞缸、对两活塞进行驱动控制的换向阀、两活塞外端面上设置的两个或两个以上的柱塞杆及对应的柱塞缸构成，换向阀上两个工作油口分别接活塞缸两端的油口，推动活塞依次向两个方向动作，换向阀上两个工作油口还分别通过一个单向阀组与两边拄塞杆端部的油腔相连，推动拄塞杆与活塞同时动作，两边拄塞杆端部的油腔还分别通过一个单向阀组与驱动同步液压缸的油路相连，以输出执行同步运动的流体脉冲。

在脉冲数字流同步发生器中设有换向机构，使两活塞能往复动作，该换向机构是在左右两边的一对柱塞缸上分别开有两对控制油口，两对控制油口之间的间距与活塞的左右行程相等，与其对应的一对柱塞杆上还分别开有一个过油环槽，两过油环槽中的一个若通过一边的一对油口将控制压力油P_C与换向阀一端的控制油腔连通时，则两过油环槽中的另一个就通过另一边的一对油口将换向阀另一端的控制油腔与油箱连通。

在脉冲数字流同步发生器的活塞缸体上设有位置传感器。

所设的位置传感器可以为光电开关，磁电开关，接近开关，干簧开关。

在对脉冲数字流同步发生器输入工作流体时，该发生器能同时产生两列或两列以上一连串的彼此等量或成比例的流体脉冲，以及与它们相伴随的电脉冲信号。这相当于对每次输出的两列或两列以上流体脉冲进行了编码，即对传统的工作流体本身进行了模/数(A/D)转换，从而使流体系统中流动着的模拟式流体变为离散的、可计数的、可控的数字式流体，称之为脉冲数字流。本发明的方法不但可使两液压缸获得位置、速度的同步，也能使这种同步运动成为一种数字化的控制方式。这对促进流体系统的数字化技术发展，推广计算机技术在流体传动与控制领域的应用，具有重要的意义。

由以上所述可知，应用本发明的脉冲数字流方法及脉冲数字流同步发生器不但可以实现两个液压缸的同步运动，而且还可以将同步运动的控制用数字形式进行给定、加以表示并得以实现，这对引入计算机的应用是非常方便和有利。

两个液压缸的同步工作速度，可以通过改变流体脉冲发生的频率来调节。

附图说明

图1为本发明的工作原理图；

图2为本发明中脉冲数字流同步发生器的结构示意图；

图3为本发明中光电开关的位置结构示意图；

图4为本发明中位置传感器的另一种结构示意图；

图5为本发明中脉冲数字流同步发生器的信号处理电路原理图。

图中，1为活塞杆，2、7为活塞，3、6、8、11为拄塞杆，4、5、9、10为单向阀组，12为液控二位四通换向阀，13为位置传感器，14为活塞缸，15为拄塞缸。

具体实施方式

结合附图对本发明方法加以进一步说明：

实施例1

本实施例的流体系统同步运动数字化控制的脉冲数字流方法是：把流体系统中由能源装置所提供的连续流体离散为两列(此处以两列为例)一连串的彼此等量的流体脉冲，每次同时产生的两个流体脉冲都由一个相应的电脉冲信号伴随(如图1所示)。因此，系统中的工作介质就由原来稳恒连续的模拟式流动变为离散的数字式流动。这里所谓的模拟式流动，是指流体系统中管路里面流动的流体随时间连续变化；而数字式流动，是指流体系统中管路里面流动的流体是由可计数的、可控的一系列流体脉冲组成。每一个流体脉冲即为对模拟式流动的流体进行离散的一个量化单位q，而每一个流体脉冲对流体动力元件(此处为液压缸)所执行的动作，即为对该流体动力元件的一个脉冲当量δ。要求两个液压缸同步运动的量实际上就是要求运动多少个脉冲当量。因为要求两个液压缸的运动同步，因此脉冲数字流同步发生器所产生的两个同步脉冲的量化单位相同，对两个液压缸的脉冲当量也相同。

对采用本发明装置的简单液压同步系统，包括能源供给部分，开关阀，脉冲数字流同步发生器，要求同步运动的液压缸，计算机等。

能源供给部分给系统提供连续的模拟式工作流体，该模拟流体经由开关阀送往脉冲数字流同步发生器中，由其输出的两列等量脉冲数字流驱动液压缸的同步运动，其工作过程叙述如下：

开关阀受计算机指令的控制实现开启或关闭。当要求两个液压缸运动一定的量时，先把该运动量换算为脉冲当量的个数N，存于计算机中。然后由计算机给出开关阀的开启信号，则能源装置所提供的工作油液便经由开关阀输入脉冲数字流同步发生器中，工作油液推动同步发生器中的活塞往复运动，于是便由该同步发生器输出一连串相配对的流体脉冲和电子脉冲。

这两个等量流体脉冲用来驱动两个液压缸的同步运动；电脉冲信号则输入计算机，供计算机进行计数、比较、运算等处理。一旦计算机计数次数达到预先存于计算机中的脉冲当量个数N时，则计算机就会发出指令，关闭开关阀，切断通往脉冲数字流同步发生器的能源供给，则同步发生器立即停止工作，相应的流体脉冲和电子脉冲的输出便随之中止，对这两个同步液压缸的操作也就完成。很显然，对这两个同步液压缸所实现的操作量恰恰就等于计算机预先要求的数字量，因此这两个液压缸的同步运动也就变成可数字化控制的同步回路，这就是控制两个液压缸同步运动时的工作概况。

以下再对产生流体脉冲和电子脉冲的具体过程说明如下：

1)两列等量流体脉冲的产生

如图2所示，脉冲数字流同步发生器由两活塞2、7及在其外端面上设置的两对柱塞杆3、6和8、11及对应的四个柱塞缸15、活塞杆1、和对活塞进行驱动控制的液控二位四通换向阀12组成，换向阀12上两个工作油口A、B分别连接活塞缸14两端的油口k和1，以推动活塞的往复动作；换向阀12的两个工作油口A、B还分别通过单向阀组4、10与拄塞杆3、6、8、11端部的油腔相连，推动拄塞杆与活塞同时动作。拄塞杆3、6、8、11端部的油腔还又分别通过单向阀组5、9与驱动同步液压缸的油路相连，以输出产生同步运动的流体脉冲I、II。

在脉冲数字流同步发生器中设有换向机构，使两活塞能往复动作，该换向机构是在左右两边的一对柱塞缸上分别开有两对控制油口，即a、b和c、d及e、f和g、h，两对控制油口之间的间距与活塞的左右行程相等，与其对应的一对柱塞杆6、8上还分别开有一个过油环槽X、Y，两过油环槽中的一个若通过一边的一对油口将控制压力油P_C与换向阀一端的控制油腔连通时，则两过油环槽中的另一个就通过另一边的一对油口将换向阀另一端的控制油腔与油箱连通。

在图2所示位置时，控制压力油P_C经油口a、环槽X、油口b，作用在液控二位四通换向阀12左端，使换向阀换向处在左位；换向阀12右端控制油

腔的回油经油口f、环槽Y、油口e返回油箱。这时，工作压力油P_P经换向阀上油口A，分为两路。一路经油口k作用在活塞2左端面上；另一路经单向阀组4、油口i、j作用在拄塞杆3、6的左端面上，三者一起推动活塞2、7右移。活塞7右边的回油经油口1、换向阀上油口B、油口0返回油箱；同时，拄塞杆8、11右侧腔体中的油液经油口m、n，单向阀组9，输出两个等量的流体脉冲。因为增压作用，该流体脉冲的压力要高于供油压力P_P，故单向阀组5、10关闭。随着活塞2、7与四个拄塞杆的右移，油口a、b和油口e、f被拄塞杆6、8切断。直至活塞2、7移到右端时，油口c、d经环槽X，油口g、h经环槽Y相互接通。此时，控制压力油P_C经油口g、环槽Y、油口h作用在液控换向阀12的右端；换向阀左端控制油腔的回油经油口d、环槽X、油口c返回油箱，使换向阀换向处在右位。此时，工作压力油P_P经换向阀上油口B，分为两路。一路经油口1作用在活塞7右端面上；另一路经单向阀组10、油口m、n作用在拄塞杆8、11的右端面上，三者一起推动活塞2、7左移。活塞2左边的回油经油口k、换向阀上油口A、油口0返回油箱；同时，拄塞杆3、6左侧腔体中的油液经油口i、j，单向阀组5，又输出两个等量的流体脉冲。同样因为增压作用，单向阀组4、9都关闭，随着活塞2、7与四个拄塞杆的左移，油口g、h和油口c、d又被拄塞杆6、8切断，直至活塞2、7移到左端时，油口a、b经环槽X，油口e、f经环槽Y重又接通，回到图2所示位置，再开始新的一轮往复运动。如此周而复始，就由该发生器输出两列一连串的等量脉冲流，可用来控制两个液动机，使之产生同步的步进运动。

2)电脉冲的产生

如图2、图3所示，在脉冲数字流同步发生器活塞缸体上的适当地方设置有位置传感器。该位置传感器可以是光电开关，磁电开关，接近开关，干簧开关。在本实施例中以光电开关为例，说明如下：

图2中的位置传感器13包括两组光电开关S1，S2，每组光电开关由红外发光二极管D和光敏三极管T组成(参见图3)。在图2所示位置时，S1的光路导通，其T1管导通，a₁处变低电平，经过施密特反相器H1消除光电脉冲边缘抖动，在b₁处得到矩形波，然后通过电容C1和电阻R3的微分电路和施密特反相器H2，在d₁处形成一个利用矩形波的上升沿而获得的等宽负脉冲信号，再经过施密特反相器H3，在e₁处得到一个正脉冲信号，加到或门H7上，输出一个正脉冲信号(见图5)。

当活塞2，7右移时，S1的光电开关，则由亮变暗，b₁处的信号是矩形波的下降沿，电容C1和电阻R3的微分电路及施密特反相器H2不予采用，故e₁处信号没有变化，而S2的一组光电开关，则由暗变亮，在b₂处产生一个矩形波形的上升沿，经由电容C2，电阻R6组成的微分电路，施密特反相器H5、H6，在e₂处得到一个正脉冲信号加到或门H7上，又输出一个正脉冲信号。

当活塞2，7再反向左移时，S1和S2两组光电开关的变化又如以上所述的方式重复进行。这样以来，当活塞2，7右移，柱塞杆8，11通过m，n油口输出一对等量流体脉冲时，就通过光电开关S2的作用，产生一个正脉冲信号；而当活塞2，7左移，柱塞杆3，6通过油口i，j输出一对等量流体脉冲时，就通过光电开关S1的作用，产生一个正脉冲信号。这些电脉冲信号，等于为每一对等量流体脉冲进行了电子编码，作为流体脉冲的计数信号，可供计算机或其他数字电路装置进行计数、运算、比较等处理，从而使两个要求进行同步运动的液压执行机构变成可用数字形式进行表示及控制的数字元件。

如果脉冲数字流同步发生器每次所产生的两个流体脉冲的量是不相等的，即q₁≠q₂，而是成一定的比例关系，即q₁＝mq₂(m为比例系数)，就可以实现两液压缸运动的定比控制。

实现两个液压缸的定比运动，可以采用如下三种方式：其一是保持两个工作液压缸的尺寸一样，而使两个脉冲数字流的量化单位成一定的比例；其二是保持两个脉冲数字流的量化单位一样，而使两个工作油缸的尺寸成一定的比例；其三是同时使两个脉冲数字流的量化单位及两个油缸的尺寸都不相同，而使两者的脉冲当量成一定的比例。

实施例2

如图4所示，本实施例与实施例1的区别仅在于：本实施例中所采用的位置传感器为干簧开关，径向作用的环形磁铁安置在活塞2、7上(与缸壁不接触)，当磁铁移近干簧开关管J的位置时，J内节点吸合，当磁铁离开时，J内接点断开，从而在a₁处产生一交替的矩形波信号，a₁后面信号的处理同采用光电传感器的电路原理相同。

如果要求实现多于两个液压缸的同步运动时，可以增加脉冲数字流同步发生器中柱塞杆的数目以及相应的连接油路即可，其工作概况一如前述。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，但本领域的普通技术人员依然可以对本发明进行修改或者等同替换。而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1、一种流体系统同步运动数字化控制的脉冲数字流方法，其特征在于：对流体系统中的工作流体进行离散和量化，将流体系统中连续的模拟式流动的流体转变为两列或两列以上等量或成比例的一连串可计数的、确定量的流体脉冲，且每一列流体脉冲的量都是恒定且不变的；同时一连串的流体脉冲又有与其一一对应的电脉冲信号相伴随，形成脉冲数字流，两列或两列以上一连串的流体脉冲作用于两个或两个以上要求同步运动的液压缸；而电脉冲信号则经计算机计数、运算、比较等处理后，控制流体开关阀的工作状态，从而控制同步液压缸的动作。

2、根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述各列流体脉冲在各往复周期的流量彼此相等或成一定比例，并且各列流体脉冲是同步产生，因而各列流体脉冲的频率相同。

3、根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：所述各列流体脉冲的脉冲数可以计量和预先设定。

4、根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述的流体脉冲数可直接由计算机或数字电路装置籍助与流体脉冲相伴随的电脉冲信号进行计数和控制。

5、根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：两列或两列以上等量或成比例的一连串可计数的、确定量的流体脉冲由脉冲数字流同步发生器产生，脉冲数字流同步发生器包括同步流体脉冲发生器和电脉冲发生器，同步流体脉冲发生器内部的活塞在工作流体作用下往复动作，其每次动作能同时产生两个或两个以上流体脉冲；而电脉冲发生器中的位置传感器则检测活塞的位置变化，给出开关信号，再经由信号处理电路处理，产生一个电脉冲信号，即对应于活塞的每次动作，便同时输出两个或两个以上流体脉冲，相应输出一个电脉冲信号。

6、一种流体系统同步运动数字化控制装置，其特征在于：使用脉冲数字流同步发生器，该发生器由左右两活塞和中间的活塞杆及对应的活塞缸、对两活塞进行驱动控制的换向阀、两活塞外端面上设置的两个或两个以上的柱塞杆及对应的柱塞缸构成，换向阀上两个工作油口分别接活塞缸两端的油口，推动活塞依次向两个方向动作，换向阀上两个工作油口还分别通过一个单向阀组与两边拄塞杆端部的油腔相连，推动拄塞杆与活塞同时动作，两边拄塞杆端部的油腔还分别通过一个单向阀组与驱动同步液压缸的油路相连，以输出执行同步运动的流体脉冲。

7、根据权利要求6所述的流体系统同步运动数字化控制装置，其特征在于：在脉冲数字流同步发生器中设有换向机构，使两活塞能往复动作，该换向机构是在左右两边的一对柱塞缸上分别开有两对控制油口，两对控制油口之间的间距与活塞的左右行程相等，与其对应的一对柱塞杆上还分别开有一个通油环槽，两通油环槽中的一个若通过一边的一对油口将控制压力油PC与换向阀一端的控制油腔连通时，则两通油环槽中的另一个就通过另一边的一对油口将换向阀另一端的控制油腔与油箱连通。

8、根据权利要求6或7所述的流体系统同步运动数字化控制装置，其特征在于：在脉冲数字流同步发生器的活塞缸体上设有位置传感器。

9、根据权利要求8所述的流体系统同步运动数字化控制装置，其特征在于：在脉冲数字流同步发生器上所设的位置传感器可以为光电开关，磁电开关，接近开关，干簧开关。