CN202707658U - 直动型大流量方向流量伺服阀及应用该伺服阀的控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直动型大流量方向流量伺服阀，同时公开应用上述伺服阀的控制系统。该伺服阀的阀芯是由伺服电机驱动的凸轮轴进行推动的，所述凸轮轴包括偏心段以及驱动段，所述阀芯的一端压靠于所述偏心段的轴面上，所述驱动段的轴面上设有零位感应头；所述凸轮箱设有与所述零位感应头配合的感应传感器，所述感应传感器用于连接至控制器，所述控制器接受所述感应传感器的信号，控制所述伺服电机在小范围内往复转动，对所述阀芯进行零位定位。该伺服阀的响应速度快，控制精度高。同时，阀芯零定位准确度高，无温度零漂，重复精度高；并且零位定位调节时间短，并且调节零位时，液压系统较稳定。

Description

直动型大流量方向流量伺服阀及应用该伺服阀的控制系统

技术领域

本实用新型属于伺服阀设计制造技术领域，特别涉及一种直动型大流量方向流量伺服阀及应用该伺服阀的控制系统。

背景技术

现有的方向流量伺服阀，多为电液比例直动式或先导式伺服阀，其由力矩马达或动圈式电磁铁，驱动一级单喷嘴挡板，双喷嘴挡板，射流喷嘴结构的先导阀，再经二级、三级放大。由液压力差来推动大流量滑阀阀芯（大直径阀芯）做轴向位移、轴向位移量通过差动变压器（位移传感器）来测定阀芯的零位和位移方向及位移量。其阀芯响应速度低，位移控制精度低，重复精度差，零定位漂移，特别是油液温度零位漂移更大。并且由于所用力矩马达或动圈电磁铁，是用电流和电压作为控制量，所以与微机进行脉冲数字通讯时，要进行数/模（A/D）转换，其响应速度慢，计算误差大，而且很难和数字计算机或以太网直接双向数据交换，因此很难在高端领域的自动化控制中得到较理想的应用。

为解决上述问题，中国专利CN101603876A公开了一种电液激振器振动波形控制系统，该控制系统包括一种并联伺服阀，该并联伺服阀由零偏伺服电机控制凸轮机构推动并联伺服阀阀芯滑动；这种伺服阀由于直接由伺服电机进行控制，其可以做到阀芯响应速度快，控制误差较小。但是，该伺服阀未能解决零位定位的问题，现有采用伺服电机控制阀芯的伺服阀来说，其零位定位通过在伺服电机上的旋转编码器把阀芯的零位和实时位移数据对比，通过反馈线输入控制器，构成半闭环实现零位控制。但是，实时位移需要控制阀芯的凸轮轴反复旋转才能够确定，其调节时间较长，同时阀芯随着凸轮轴左右漂移，导致液压系统稳定性差。

实用新型内容

为此，本实用新型所要解决的技术问题在于现有的直动型大流量方向流量伺服阀的零位定位的调节时间较长，并且调节零位时，液压系统稳定性较差的问题，进而提供一种零位定位调节速度快的方向流量伺服阀。

为解决上述技术问题，本实用新型公开一种直动型大流量方向流量伺服阀，其包括，阀体，所述阀体内设有阀芯，控制所述阀芯移动的伺服电机，以及设置于所述伺服电机与所述阀体之间的凸轮机构，所述凸轮机构设置于凸轮箱内，所述凸轮机构包括：由所述伺服电机驱动的凸轮轴，所述凸轮轴包括偏心段以及驱动段，所述阀芯的一端压靠于所述偏心段的轴面上，所述驱动段的轴面上设有零位感应头；所述凸轮箱上设置有与所述零位感应头配合的感应传感器，所述感应传感器用于连接至控制器，所述控制器接受所述感应传感器的信号，控制所述伺服电机转动，对所述阀芯进行零位定位。

上述直动型大流量方向流量伺服阀中，所述伺服电机驱动减速器，所述减速器的输出轴驱动所述凸轮轴；其中，所述输出轴与所述阀芯垂直设置。

上述直动型大流量方向流量伺服阀中，所述零位感应头为螺纹连接于所述驱动段的圆头螺钉，所述感应传感器为接近传感器。

上述直动型大流量方向流量伺服阀中，所述伺服阀为直动型三位四通的零开口阀，所述阀芯与所述阀体之间设有五段互相贴合连接的阀套，所述阀套上分别开设有连通进油口P，回油口T，以及执行机构进油口A/B,执行机构出油口B/A的通孔；所述阀芯的周向上设置节流凹槽，所述节流凹槽对应所述执行机构进油口A/B，执行机构出油口B/A的两侧控制边处的流量到所述执行机构进油口A/B，所述执行机构出油口B/A中间位置处的流量呈线性关系。

上述直动型大流量方向流量伺服阀中，所述节流凹槽为菱形凹槽，所述菱形凹槽相对的顶点分别设置于所述执行机构进油口A/B，以及所述执行机构出油口B/A的两侧的控制边上；所述菱形凹槽形成三角形通流截面。

上述直动型大流量方向流量伺服阀中，所述阀体在远离所述凸轮机构的另一侧与端盖密封连接，所述端盖内设有压靠于所述阀芯的弹性件。

上述直动型大流量方向流量伺服阀中，所述凸轮轴远离所述输出轴的一端伸出所述凸轮箱外部；其端部固定连接有具有刻度值的复位手轮。

本实用新型同时公开一种应用上述伺服阀的控制系统，其包括，与所述伺服阀上的伺服电机电连接的控制器，与所述伺服阀连接的液压执行机构，以及用于检测所述液压执行机构位置信息的位置检测装置，所述位置检测装置采集到的所述液压执行机构的位置、方向、速度信息输入至所述控制器，所述控制器根据采集的信息与设定信息对比后，控制所述伺服电机旋转，进而控制所述伺服阀的所述阀芯移动，最终实现所述液压执行机构位置、方向、速度调节。

上述控制系统中，所述控制器通过驱动器驱动所述伺服电机。

上述控制系统中，所述液压执行机构为液压缸或液压马达，所述位置检测装置对应为直线编码器或旋转编码器。

本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本实用新型的伺服阀的阀芯采用直动型阀芯结构，对油液清洁度、油温、使用环境都与普通液压件的标准相同，降低了使用成本。本实用新型的阀芯通过伺服电机控制凸轮机构实现的，伺服电机后端装有旋转编码器，可直接采集到阀芯零位和正反位移的脉冲数据，并反馈到微机控制器，阀芯零定位准确度为0.0001，无温度零漂，重复精度高达0.001mm。同时伺服电机可以直接与现场总线、以太网、遥控脉冲控制器进行双向数据通讯，而无需A/D转换，所以响应快，控制精度准确，易于自动化控制和无人控制。凸轮机构的凸轮轴上设置用于零位定位的定位机构，其包括设置于凸轮轴驱动段轴面上的零位感应头和设置于凸轮箱上的感应传感器，所述感应传感器连接至控制器，所述控制器接受所述感应传感器的信号，控制所述伺服电机转动，对所述阀芯进行零位定位。所述伺服电机的上端的旋转编码器可以把阀芯的零位和实时位移数据，反馈至控制器，构成半闭环控制。所以阀芯零位定位准确，无温度零位漂移，使油缸活塞杆(油马达输出轴)控制精度高，响应快，重复精度高。当控制器发出阀芯回零指令时，设计有感应传感器和零位感应头，使伺服电机在零位感应头附近的小范围内，很快找到零位。

（2）并且，该伺服阀与伺服电机采用集成式的结构形式，相比现有的液压控制系统设计中需要专门对伺服阀与伺服电机进行匹配的方式，零位漂移，重复精度更容易保证，并且生产装配成本低。

（3）本实用新型伺服阀中阀芯与阀体的配合采用分断结构的阀套与阀芯的配合形式，其相比整体式结构的阀芯与阀体来说，四个控制边的尺寸在制造中可分别测量，保证尺寸一致，阀芯与阀套的工艺性容易保证，这样可以使四个控制边均为零遮盖，使控制无盲区，响应速度高。并且阀芯采用线切割割出菱形的节流凹槽，而菱形凹槽和阀套内孔构成的三角形开口起节流口作用，压力流量曲线在开启关闭时都有一定的斜面，没有震动，控制平稳，消除了压力流量跳跃。并且菱形的节流凹槽使阀芯移动轴向液压力减小了60%-70%，再经减速器减速增扭后保证了阀芯无卡死现象，提高了可靠性。

（4）本实用新型的伺服阀的凸轮轴在远离所述输出轴的一端的端部固定连接有具有刻度值的复位手轮，当系统出现故障时，可用手动旋转手轮，使阀芯回到原位，使液压执行机构复位。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中

图1是本实用新型的直动型大流量方向流量伺服阀的剖面图；

图2是本实用新型的互相配合的阀芯和阀套的立体图；

图3是本实用新型的位置控制系统的结构示意图；

图4是应用本实用新型的伺服阀的三个油缸组成X,Y，Z三轴空间曲线插补运动控制系统。

图5是应用本实用新型的伺服阀的六伸缩杆六自由度加工机械手的控制系统。

图中附图标记表示为：

1-阀体，2-阀芯，21-节流凹槽，3-伺服电机，4-凸轮轴，41-驱动段，42-偏心段，5-零位感应头，6-减速机，7-输出轴，8-阀套，9-感应传感器，10-端盖，11-箱体，12-复位手轮，13-液压执行机构，14-位置检测装置，15-弹性件，16-控制器，17-驱动器。

具体实施方式

以下将结合附图，使用以下实施例对本实用新型进行进一步阐述。

实施例1

图1为本实用新型公开的直动型大流量方向流量伺服阀，其包括，阀体1，所述阀体1内设有阀芯2；控制所述阀芯2移动的伺服电机3，以及设置于所述伺服电机3与所述阀体1之间的凸轮机构，所述凸轮机构设置于凸轮箱11内，所述凸轮箱11分别与所述阀体1以及所述伺服电机3密封连接。所述凸轮机构包括：由所述伺服电机3驱动的凸轮轴4，所述凸轮轴4包括偏心段42以及驱动段41，所述阀芯2的一端压靠于所述偏心段42的轴面上，所述驱动段41的轴面上设有零位感应头5；所述凸轮箱11上对应所述零位感应头5设有感应传感器9，所述感应传感器9用于连接至控制器，所述控制器接受所述感应传感器9的信号，控制所述伺服电机3转动，对所述阀芯2进行零位定位。

其中，所述零位感应头5为螺纹连接于所述驱动段41的圆头螺钉，所述感应传感器9为接近传感器。所述伺服电机3的上端置有磁栅旋转编码器可以把阀芯的零位和实时位移数据，反馈至控制器52，构成半闭环控制。所以阀芯零位定位准确，无温度零位漂移，可以使油缸活塞杆(油马达输出轴)控制精度高，响应快，重复精度高。当所述控制器16发出阀芯回零指令时，所述感应传感器9通过感应所述零位感应头5（圆头螺钉）的位置，将所述凸轮轴4的位置信息传输至所述控制器16，控制器16控制所述伺服电机3在所述圆头螺钉附近的小范围内，很快找到零位。

所述伺服电机3驱动减速器6实现减速增扭，所述减速器6的输出轴7驱动所述凸轮轴4；其中，所述输出轴7与所述阀芯2垂直设置。

所述伺服阀为直动型三位四通的零开口阀。所述阀芯2与所述阀体1之间设有五段互相贴合连接的阀套8，如图2所示。所述阀套8上分别开设有连通进油口P，回油口T，以及执行机构进油口A/B,执行机构出油口B/A的通孔；所述阀芯2周向上设置节流凹槽21，如图2所示，所述节流凹槽21对应所述执行机构进油口A/B，执行机构出油口B/A的两侧控制边处的流量到所述执行机构进油口A/B，所述执行机构出油口B/A中间位置处的流量成线性关系。所述阀芯2在执行机构进油口A/B,执行机构出油口B/A圆周上分别加工有四个三角形凹面，沿轴向凹面的两端尖角最小，中间最宽最深，所述两尖角之间的距离E/D/F与所述阀套8的控制边之间的距离e/d/f对应相等，构成四条零遮盖控制边。

优选的，所述凹槽21为菱形凹槽，所述菱形凹槽相对的顶点分别设置于所述执行机构进油口A/B，以及所述执行机构出油口B/A的两侧的控制边上；所述菱形凹槽形成三角形通流截面。工作时，所述阀芯2左移，高压油P口与B口相通，A口与回油口T相通。反之阀芯向右移动，高压油P口与A口相通，B口与回油口T相通，所述阀芯左右移动的量，由小到大，使阀芯上的三角斜凹面与阀套内孔形成的三角通流截面也由小变大，使流量由小变大。所述四个零遮盖控制边，阀芯采用线切割割出斜凹面，而所述阀套8采用分断结构，从而使四个控制边的尺寸在制造中可分别测量，保证尺寸一致，使能四个控制边均采用零遮盖。以上表征的四边零遮盖，使控制无盲区，响应速度高。所述菱形凹槽和所述阀套8内孔构成的三角形节流口，使压力流量曲线在开启关闭时都有一定的斜面，没有震动，控制平稳，消除了压力流量跳跃。

所述阀体1在远离所述凸轮机构的另一侧通过螺钉与端盖10密封连接，所述端盖10内设有压靠于所述阀芯2的弹性件15。在所述弹性件15的弹簧压力的作用下，使所述阀芯2右端球面始终压向所述偏心段42的轴面上。

所述凸轮轴4远离所述输出轴7的一端伸出所述凸轮箱11外部；其端部固定连接有具有刻度值的复位手轮12。指示刻度盘的刻度值的指针由螺钉固定在轴承盖上。在初期调试时，可以用肉眼直接观看所述伺服电机3的转角和转数、转速、转向。当系统控制出现故障时，可用手动旋转复位手轮12，并使所述阀芯2回到零位，至使液压执行机构（例如液压缸）复位。

图3为本实用新型公开的应用上述伺服阀的控制系统，其包括，与所述伺服阀上的伺服电机3电连接的控制器16，与所述伺服阀连接的液压执行机构13，以及用于检测所述液压执行机构13的位置检测装置14。本实施方式中，所述液压执行机构13是液压缸，所述位置检测装置14为直线编码器。

所述位置检测装置14采集到的所述液压执行机构13的位移方向、速度、位置数据输入至所述控制器16，所述控制器16根据采集的信息与设定的位置信息对比后，控制所述伺服电机3旋转，进而对所述阀芯2移动量进行修正补偿，最终实现所述液压执行机构13方向、速度、位置调节。

所述控制器16通过驱动器17驱动所述伺服电机3。

本实施方式中所述液压执行机构13为液压缸，所述位置检测装置14对应为直线编码器。

应用了该伺服阀的位置控制系统的工作过程为：

所述控制器16设定出运动曲线、输出脉冲指令，输入至驱动器17，所述驱动器17把参数进行功率放大后，把脉冲数、脉冲频率、脉冲方向输入所述伺服电机3，所述伺服电机3的输出轴按指令旋转，并通过所述减速器6，带动所述凸轮轴4同步旋转，所述凸轮轴4的所述偏心段42驱动所述阀芯2左右移动。当所述阀芯2向右移动时，打开PA孔和BT孔，高压油P通过油管进入所述液压缸的下腔，液压缸13上腔的回油通过入油孔B，并通过BT腔通过孔T回油箱，所述液压缸13的活塞杆上行，所述活塞杆通过刚性连接件拖动直线编码器14的读码头同步上行，读码头把采集到的所述液压缸13运动方向、速度、长度数据通过反馈导线输入所述控制器16，所述控制器16把设定参数与采集参数比较，功率放大后，再把参数输入所述驱动器17对所述伺服电机3转角进行修正和补偿，直到所述液压缸13的运动参数与设定参数完全一致，以此完成了伺服实时控制。

反之，当所述阀芯2向左移动，打开PB腔和AT腔，高压泊P通过油管进入液压缸的上腔，下腔的油通过油管进入A孔，并通过AT腔从T孔流回油箱，所述液压缸13的活塞杆下行，所述活塞杆通过刚性联接件拖动直线编码器13的读码头同步下行，所述读码头把采集到的液压缸运动方向、速度、长度数据，通过反馈导线输入控制器16，经数据比对，功率放大后输入所述驱动器17对所述伺服电机3转角进行修正和补偿，直到所述液压缸13的反向运动参数与设定参数完全一致。

所述控制器16采取增量式脉数调制（PNM），控制所述伺服电机3的转速和转角（即等于阀芯的位移速度和位移量）、脉数调制（PNM）是在脉数信号的基础上，使每个采样周期的步数在前一采样周期步数上增加或减少一些步数（转速和转角），达到活塞运动方向、速度、位置逼近设定值。这一功能的实现还取决于所述阀芯2的两段所述节流凹槽21与所述阀套8形成的三角形油道具有高压油和回油双节流功能，即所述伺服电机3和所述凸轮轴4的转角越大，所述阀芯2的轴向移动量越大，节流三角油口就越大，所述液压执行机构13（油缸活塞杆或油马达输出轴）速度越大，直至最大。反之，所述伺服电机3和所述凸轮轴4的转角越小，运动速度越小，直至零位停止。当控制器发出任意位置停止的指令，所述伺服电机3会使所述凸轮轴4向零位运动，此时所述感应传感器9感应到所述零位感应头5的位置，使所述凸轮轴4在所述零位感应头5的小范围内迅速找到零位，至使所述阀芯2会关闭PABT四个边、液压缸上腔、下腔的油封死，则液压缸停止。

该伺服系统也可以接受以太网或遥控系统及其它自动化控制系统采集到的数据、通过数据输入线，把数据输入控制器进行实时伺服控制。

实施例2

如图4所示，采用一个所述控制器16，三个所述驱动器17和三个本实施例1中所述的流量伺服阀、三个所述液压执行机构13：液压缸(油马达〉、以及三个所述位置检测装置14：直线编码器(旋转编码器)就可以实现三个液压缸(油马达)进行空间曲线的插补联动实时控制。

实施例3

如图5所示，采用一个所述控制器16，六个所述驱动器17和六个实施例1所述伺服阀，六个所述液压执行机构13：执行液压缸(油马达)、六个所述位置检测装置14：直线编码器(旋转编码器)、就可以实现六自由度液压重载机械手或加工机械手的并联伺服控制，开创一个在超大重型工业装备、军用装备的液压伺服机械应用新领域，实现多轴联动液压伺服控制。如:雷达跟踪、卫星导航、无人驾驶、船舶减遥，船载导弹自动瞄准发射等装备的液压伺服控制。

在其他实施方式中，所述位置检测装置14还可以是位移传感器用于检测位移，同时，所述液压执行机构13还可以根据应用场合选用液压马达，此时，所述编码器14对应为旋转编码器。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种直动型大流量方向流量伺服阀，其包括，

阀体（1），所述阀体（1）内设有阀芯（2）；

控制所述阀芯（2）移动的伺服电机（3）；

以及设置于所述伺服电机（3）与所述阀体（1）之间的凸轮机构，所述凸轮机构设置于凸轮箱（11）内；其特征在于：

所述凸轮机构包括：由所述伺服电机（3）驱动的凸轮轴（4），所述凸轮轴（4）包括偏心段（42）以及驱动段（41），所述阀芯（2）的一端压靠于所述偏心段（42）的轴面上，所述驱动段（41）的轴面上设有零位感应头（5）；所述凸轮箱（11）上设置有与所述零位感应头（5）配合的感应传感器（9），所述感应传感器（9）用于连接至控制器（16），所述控制器（16）接受所述感应传感器（9）的信号，控制所述伺服电机（3）转动，对所述阀芯（2）进行零位定位。

2.根据权利要求1所述的直动型大流量方向流量伺服阀，其特征在于：

所述伺服电机（3）驱动减速器（6），所述减速器（6）的输出轴（7）驱动所述凸轮轴（4）；其中，所述输出轴（7）与所述阀芯（2）垂直设置。

3.根据权利要求1或2所述的直动型大流量方向流量伺服阀，其特征在于：

所述零位感应头（5）为螺纹连接于所述驱动段（41）的圆头螺钉，所述感应传感器（9）为接近传感器。

4.根据权利要求3所述的直动型大流量方向流量伺服阀，其特征在于：

所述伺服阀为直动式三位四通的零开口阀，所述阀芯（2）与所述阀体（1）之间设有五段互相贴合连接的阀套（8），所述阀套（8）上分别开设有连通进油口P，回油口T，以及执行机构进油口A/B,执行机构出油口B/A的通孔；所述阀芯（2）的周向上设置节流凹槽（21），所述节流凹槽（21）对应所述执行机构进油口A/B，执行机构出油口B/A的两侧控制边处的流量到所述执行机构进油口A/B，所述执行机构出油口B/A中间位置处的流量呈线性关系。

5.根据权利要求4所述的直动型大流量方向流量伺服阀，其特征在于：

所述节流凹槽（21）为菱形凹槽，所述菱形凹槽相对的顶点分别设置于所述执行机构进油口A/B，以及所述执行机构出油口B/A的两侧的控制边上；所述菱形凹槽形成三角形通流截面。

6.根据权利要求5所述的直动型大流量方向流量伺服阀，其特征在于：

所述阀体（1）在远离所述凸轮机构的另一侧与端盖（10）密封连接，所述端盖（10）内设有压靠于所述阀芯（2）的弹性件（15）。

7.根据权利要求6所述的直动型大流量方向流量伺服阀，其特征在于：

所述凸轮轴（4）远离所述输出轴（7）的一端伸出所述凸轮箱（11）外部；其端部固定连接有具有刻度值的复位手轮（12）。

8.一种应用权利要求1-7任一所述伺服阀的控制系统，其特征在于：

其包括，与所述伺服阀上的伺服电机（3）电连接的控制器（16），

与所述伺服阀连接的液压执行机构（13），

以及用于检测所述液压执行机构（13）位置信息的位置检测装置（14），

所述位置检测装置（14）采集到的所述液压执行机构（13）的位置、方向、速度信息输入至所述控制器（12），所述控制器（12）根据采集的信息与设定信息对比后，控制所述伺服电机（3）旋转，进而控制所述阀芯（2）移动，最终实现所述液压执行机构（13）位置、方向、速度调节。

9.根据权利要求8所述的控制系统，其特性在于：

所述控制器（16）通过驱动器（17）驱动所述伺服电机（3）。

10.根据权利要求8或9所述的控制系统，其特性在于：

所述液压执行机构（13）为液压缸或液压马达，所述位置检测装置（14）对应为直线编码器或旋转编码器。

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