CN201679800U - 新型数控电液伺服机构 - Google Patents

Abstract

一种新型数控电液伺服机构，其特征是它主要由液压动力单元本体(1)、数字驱动控制器(2)和伺服作动器(3)组成，所述的伺服作动器(3)包括高速换向阀(4)和作动器(5)，所述的液压动力单元本体(1)中的油缸柱塞与磁控形状记忆合金棒相连，磁控形状记忆合金棒位于磁场激励线圈中，磁场激励线圈受控于数字驱动控制器(2)；液压动力单元本体(1)的高压油出口通过单向阀与高速换向阀(4)的进油腔相连通，高速换向阀(4)的两个出油口分别与作动器(5)的正向输入端和反向输入端相连通，安装在作动器(5)上的传感器(6)的输出端与数字驱动控制器(2)的反馈信号输入端相连。本实用新型具有体积小、重量轻，数字控制、响应快，密封性能好、噪声低，效率高、可靠性高等优点。

Description

新型数控电液伺服机构

技术领域

本实用新型涉及一种液压伺服机构，尤其是一种没有电机驱动的液压伺服机构，具体地说是一种新型数控电液伺服机构。

背景技术

众所周知，液压伺服机构是航空、航天控制系统的执行机构，是决定系统性能的关键子系统。目前液压伺服机构主要是采用恒压变量泵+伺服阀控制的形式，电动机(或燃气涡轮)带动恒压变量泵给伺服机构提供能源，通过伺服阀精确控制作动器的位置、力或速度。由于存在原动机且采用阀控缸的控制形式，传统液压伺服机构在不同程度上存在如下问题：(1)体积和重量较大；(2)油液清洁度要求高；(3)效率低；(4)动密封效果较差；(5)噪声大；(6)组成复杂、可靠性低。

CN1168715A公开了一种运用形状记忆合金的液压泵。该液压泵通过改变形状记忆合金的温度实现形状记忆合金变形，从而推动活塞运动实现活塞腔体的吸排油。但是，该方法由于受温度场驱动，其响应频率很低(1Hz左右)，很难满足工业化要求。

公知磁控形状记忆合金(Magnetic Shape Memory Alloy，MSMA)是一类新型的机敏功能材料，不但具有传统形状记忆合金受温度场控制的热弹性形状记忆效应，而且具有受磁场控制的磁性形状记忆效应(Magnetic ShapeMemory Effect，MSME)。因此，兼有大恢复应变、大输出应力、高响应频率和可精确控制的综合特性，使其可能在大功率水下声呐、微位移器、震动和噪声控制、线性马达、微波器件、机器人等领域有重要应用，有望成为压电陶瓷和磁致伸缩材料之后的新一代驱动与传感材料。目前，已发现的磁控形状记忆合金主要包括：Ni系合金，Ni-Mn-Ga，Ni-Al-Mn，Ni-Co-Al等；Co系合金，Co-Mn，Co-Ni，Co-Ni-Ga等；Fe系合金，Fe-Pd，Fe-Mn-Si，Fe-Ni-Co-Ti，Fe-Pt，Fe-C，Fe-Cr-Ni-Mn-Si-Co等。其中，Ni-Mn-Ga合金是最早发现的MSMA，对它的研究也最为深入和最具代表性，并且已实现初步应用。

传统形状记忆合金，如TiNi基，Cu基，Fe基等，虽然具有较大的可逆恢复应变和大的恢复力，但由于受温度场驱动，其响应频率很低(1Hz左右)。与形状记忆合金相比，压电陶瓷和磁致伸缩材料虽然具有很高的响应频率(1000Hz左右)，但所能达到的最大应变也只有0.2％，限制了材料在实际工程中的应用。而MSMA则兼有大应变和高响应频率，目前报道MSMA的最大磁致应变为9.4％，最高响应频率可达5000Hz，在150Hz高频交变磁场中仍能获得高达1％的大磁致应变，弥补了传统形状记忆合金响应频率慢、压电及磁致伸缩材料应变小的不足，是一种较为理想的驱动材料。

数字控制功率驱动器在电机的变频控制与伺服控制中应用广泛。用控制芯片控制功率驱动管的开关频率可以控制磁控形状记忆合金磁场激励线圈电源的通断频率。这样，很容易实现液压动力单元的流量、压力输出数字控制。通过控制磁控形状记忆合金磁场激励线圈电源的通断频率，可以精确控制伺服作动器的位置、力或速度。与传统的伺服机构相比，该伺服机构直接将电能转化为液压能，具有体积小、重量轻，数字控制、响应快，密封性能好、噪声低，效率高、可靠性高等优点。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有的由电机驱动的液压伺服机构存在的体积和重量较大、油液清洁度要求高、效率低、动密封效果较差、噪声大、组成复杂、可靠性低等一系列问题，设计一种体积小、重量轻，数字控制、响应快，密封性能好、噪声低，效率高、可靠性高等优点的没有电机驱动的新型数控电液伺服机构。

本实用新型的技术方案是：

一种新型数控电液伺服机构，其特征是它主要由液压动力单元本体1、数字驱动控制器2和伺服作动器3组成，所述的伺服作动器3包括高速换向阀4和作动器5，所述的液压动力单元本体1中的油缸柱塞与磁控形状记忆合金棒相连，磁控形状记忆合金棒位于磁场激励线圈中，磁场激励线圈受控于数字驱动控制器2；液压动力单元本体1的低压油进口通过单向阀与油箱8相连通，液压动力单元本体1的高压油出口通过单向阀与高速换向阀4的进油腔相连通，高速换向阀4的两个出油口分别与作动器5的正向输入端和反向输入端相连通，安装在作动器5上的传感器6的输出端与数字驱动控制器2的反馈信号输入端相连。

在高速换向阀4的两个高压油出油口之间连接有旁通阀7。

所述的液压动力单元本体1并接有七个以上的、单数个的由柱塞、磁控形状记忆合金棒及柱塞腔组成的高压油产生单元。

所述的数字驱动控制器2包括一个控制芯片、与柱塞个数对应的功率驱动管、光耦隔离电路和稳压电路及辅助电路，每个功率驱动管对应控制一个磁场激励线圈电源的通断，控制芯片根据控制指令与反馈信号解算出液压动力单元流量、压力需求，控制各个功率驱动管按照一定的频率轮流导通使液压动力单元输出所需流量、压力的液体；根据控制指令与反馈信号控制高速换向阀4的方向切换；高速换向阀4、传感器、磁场激励线圈引线与数字驱动控制器2之间通过电缆连接；控制芯片、传感器、功率驱动管由直流电源或地面交流变直流电源供电。

作动器5的活塞杆的位置由一个传感器6感知并反馈给数字驱动控制器，传感器6可以为滑线变阻器型反馈电位计，也可以为磁致伸缩位移传感器。

所述的传感器为位移传感器、压力传感器、压差传感器或速度传感器。

所述的高速换向阀为由控制级小阀芯及高压级主阀芯组成的两级阀，控制级小阀芯由力矩马达驱动或由高速开关阀驱动。

本实用新型的有益效果：

本实用新型取消了传统液压伺服机构的电动机(或内燃机)，而电动机(或内燃机)重量占据整个液压伺服机构的绝大部分，因此，本实用新型的体积和重量大大减小；传统液压伺服机构的液压泵有外伸泵轴，且泵轴随原动机轴一起高速旋转，因此存在外部泄漏途径，本实用新型的液压动力单元没有旋转运动，动密封处数少，密封效果好；传统液压伺服机构采用伺服阀控制液压缸的形式，效率低且油液清洁度要求高，本实用新型的液压动力单元采用数字控制调节功率驱动管的开关频率控制输出流量，效率高且对油液污染不敏感；传统液压伺服机构原动机为旋转机械、传动系摩擦副较多且一般存在冷却风扇，使得整个动力单元噪声很大，本实用新型的液压伺服机构不存在旋转运动从原理上克服了噪声大的缺点；传统液压伺服机构原动机与泵和能源壳体之间需要连接装置，多处连接及配合降低了能量转化效率和可靠性、增加了液压伺服机构的复杂性，本实用新型的液压伺服机构结构简单，可靠性高。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的数控驱动控制器的电原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如1、2所示。

种新型数控电液伺服机构，它主要由液压动力单元本体1、数字驱动控制器2和伺服作动器3组成，所述的伺服作动器3包括高速换向阀4和作动器5，所述的液压动力单元本体1中的油缸柱塞与磁控形状记忆合金棒相连，磁控形状记忆合金棒位于磁场激励线圈中，磁场激励线圈受控于数字驱动控制器2；液压动力单元本体1的低压油进口通过单向阀与油箱8相连通，液压动力单元本体1的高压油出口通过单向阀与高速换向阀4的进油腔相连通，高速换向阀4的两个出油口分别与作动器5的正向输入端和反向输入端相连通，安装在作动器5上的传感器6的输出端与数字驱动控制器2的反馈信号输入端相连。在高速换向阀4的两个高压油出油口之间还可连接有旁通阀7。所述的液压动力单元本体1并接有七个以上的、单数个的由柱塞、磁控形状记忆合金棒及柱塞腔组成的高压油产生单元。如图1所示。动力单元本体1、数字驱动控制器2、伺服作动器3可以一体化设计，也可以分体设计。具体实施时，根据伺服机构控制的需要，传感器可采用位移传感器、压力传感器、压差传感器、速度传感器等传感器反馈作动器的工作状态。作动器5中的活塞杆的位置由一个位移传感器感知并反馈给数字驱动控制器，位移传感器可以为滑线变阻器型反馈电位计，也可以为采用磁致伸缩等新技术的位移传感器。伺服作动器上集成有高速换向阀、传感器、旁通阀及电气连接器等。高速换向阀4为两级阀，控制级可采用力矩马达控制控制一个小阀芯的运动从而控制高压油推动主阀芯的换向达到高速换向的目的；也可以采用高速开关阀作为前置级控制高压液体推动主阀芯的换向达到高速换向的目的。

本实用新型的控制驱动控制器2的电原理图如图2所示，它包括一个控制芯片、与柱塞个数对应的功率驱动管、光耦隔离电路、稳压电路及其外围的辅助电路，如图2，每个功率驱动管对应控制一个磁场激励线圈电源的通断，控制芯片根据控制指令与反馈信号解算出液压动力单元流量、压力需求，控制各个功率驱动管按照一定的频率轮流导通使液压动力单元输出所需流量、压力的液体；根据控制指令与反馈信号控制高速换向阀的方向切换。高速开关阀(控制高速换向阀的前置控制装置)、传感器、磁场激励线圈引线与数字驱动控制器之间通过电缆连接。控制芯片、传感器、功率驱动由直流电源或地面交流变直流电源供电。

作为替代传统电机驱动油泵产生高压油的液压动力单元本体采用了磁控形状记忆合金棒的变形带动柱塞在缸体内运动，从而改变容腔体积实现吸排油过程，多个柱塞轮流吸排油形成一个液压动力单元，一个基于控制芯片控制的功率驱动控制器分别控制各磁控形状记忆合金磁场发生器的电源的通断频率实现液压动力单元输出流量、压力的数字控制，通过控制液压动力单元的输出流量和压力可以精确控制伺服作动器的位置、力或速度，通过一个高速换向阀可以实现伺服作动器的伸出和缩回控制。本发明的特征在于，由液压动力单元本体、数字驱动控制器、伺服作动器三部分组成，液压动力单元本体通过磁控形状记忆合金棒在磁场内产生大应变的特性带动柱塞在缸体内运动给伺服机构提供高压液体，高压液体的流量、压力由激励磁场电源的通断频率调节，电源的通断采用控制芯片控制功率驱动管的通断实现，缸体的吸液和排液由单向阀控制，伺服作动器的伸出和缩回由高速换向阀控制，数字控制器通过指令与反馈信号的比较精确控制伺服作动器的位置、力或速度。磁控形状记忆合金棒与柱塞通过公知的方式连接并与前端盖铰接，单向阀分别嵌在缸体内各柱塞的吸液和排液回路上，磁场激励线圈嵌入缸体内并覆盖磁控形状记忆合金棒在变形过程的整个行程，磁场激励线圈的引线通过电缆与数字驱动控制器连接；数字驱动控制器由控制芯片、功率驱动管、光耦隔离电路、稳压电路及辅助电路组成。

控制芯片根据接受的指令调节连接各磁场激励线圈的功率驱动管的开关频率从而控制各柱塞的运动频率，最终控制液压动力单元的输出流量、压力。伺服作动器的传感器将作动器当前的运动状态反馈给数字控制器。Ni-Mn-Ga等磁控形状记忆合金是近几年研究十分热门的新型形状记忆材料。它被发现同时具有磁性和热弹性马氏体相变特征的金属间化合物，兼有双向形状记忆和磁诱发可逆应变两种实用功能。此外，这种材料还兼有高的响应频率与大的恢复应变和恢复力。磁控形状记忆合金利用磁场改变马氏体变体的取向，产生大的磁感生应变，有研究表明其静态磁致应变大于10％，在150Hz的磁场下仍有1％的大应变，应用前景十分广阔。利用功率驱动管控制磁场激励线圈电源的通断频率，可产生高频的通断磁场，从而获得磁控形状记忆合金高频响应的大应变。用多个处于高频通断磁场中的磁控形状记忆合金与柱塞连接使其改变缸体内容积高频变化，从而获得液压传动和控制需要的大流量，通过改变电源的通断频率可以改变液压动力单元的流量、流量。伺服作动器的状态通过传感器反馈实现闭环控制。

由图1可知，本实用新型主要由液压动力单元本体、数字驱动控制器和伺服作动器组成，数字驱动控制器接收控制指令，解算出功率驱动管开关频率，控制各功率驱动管按照解算出来的频率依次导通液压动力单元的磁控形状记忆合金的磁场激励线圈电源，控制液压动力单元输出系统所需流量、压力的液体，传感器将作动器的状态反馈给数字驱动控制器，实现闭环控制，可精确控制伺服作动器的位置、力或速度。其中，磁控形状记忆合金棒使用材料为Ni-Mn-Ga合金棒，即镍锰镓合金棒制作的形状记忆合金棒。Ni-Mn-Ga合金棒能量密度大，电-机耦合因数高，输出力大，变形位移大，其应变大于10％。Ni-Mn-Ga合金变形位移响应快，一般小于ms；频率响应快，在150Hz范围内有稳定输出。磁场激励线圈采用螺线管，螺线管与缸体之间采用公知技术连接。柱塞与柱塞孔之间采用聚酰亚胺材料密封圈密封。各螺线管引线集中在一起采用连接器与数字驱动控制器相连。柱塞个数应采用单数个，一般为7个或9个甚至更多。液压动力单元本体、数字驱动控制器和伺服作动器应采用一体化设计，既减小伺服机构的体积重量，又能减小伺服机构对外的电磁干扰。

图2所示的数字驱动控制器的功率电源为直流电源，可以为电池，也可以为地面交流变直流电源，控制芯片的控制电源采用直流电源。数字驱动控制器将电压稳定在所需要的电压后，控制芯片控制各功率管的导通与关断进而控制各磁记忆合金棒磁场的通断。控制芯片与功率管之间采用光耦隔离。控制芯片的驱动采用直流电源。根据实际使用需要，可将系统的压力、位移、压差、速度等信号引入控制器做闭环控制，提高控制精度。

本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种新型数控电液伺服机构，其特征是它主要由液压动力单元本体(1)、数字驱动控制器(2)和伺服作动器(3)组成，所述的伺服作动器(3)包括高速换向阀(4)和作动器(5)，所述的液压动力单元本体(1)中的油缸柱塞与磁控形状记忆合金棒相连，磁控形状记忆合金棒位于磁场激励线圈中，磁场激励线圈受控于数字驱动控制器(2)；液压动力单元本体(1)的低压油进口通过单向阀与油箱(8)相连通，液压动力单元本体(1)的高压油出口通过单向阀与高速换向阀(4)的进油腔相连通，高速换向阀(4)的两个出油口分别与作动器(5)的正向输入端和反向输入端相连通，安装在作动器(5)上的传感器(6)的输出端与数字驱动控制器(2)的反馈信号输入端相连。

2.根据权利要求1所述的新型数控电液伺服机构，其特征是在高速换向阀(4)的两个高压油出油口之间连接有旁通阀(7)。

3.根据权利要求1所述的新型数控电液伺服机构，其特征是所述的液压动力单元本体(1)至少并接有七个以上的、单数个的由柱塞、磁控形状记忆合金棒及柱塞腔组成的高压油产生单元。

4.根据权利要求1所述的新型数控电液伺服机构，其特征是所述的数字驱动控制器(2)包括一个控制芯片、与柱塞个数对应的功率驱动管、光耦隔离电路和稳压电路及辅助电路，每个功率驱动管对应控制一个磁场激励线圈电源的通断，控制芯片根据控制指令与反馈信号解算出液压动力单元流量、压力需求，控制各个功率驱动管按照一定的频率轮流导通使液压动力单元输出所需流量、压力的液体；根据控制指令与反馈信号控制高速换向阀(4)的方向切换；高速换向阀(4)、传感器、磁场激励线圈引线与数字驱动控制器(2)之间通过电缆连接；控制芯片、传感器、功率驱动管由直流电源或地面交流变直流电源供电。

5.根据权利要求1所述的新型数控电液伺服机构，其特征是作动器(5)的活塞杆的位置由一个传感器(6)感知并反馈给数字驱动控制器，传感器(6)可以为滑线变阻器型反馈电位计，也可以为磁致伸缩位移传感器。

6.根据权利要求1所述的新型数控电液伺服机构，其特征是所述的传感器为位移传感器、压力传感器、压差传感器或速度传感器。

7.根据权利要求1所述的新型数控电液伺服机构，其特征是所述的高速换向阀为由控制级小阀芯及高压级主阀芯组成的两级阀，控制级小阀芯由力矩马达驱动或由高速开关阀驱动。

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