CN203285790U - 微流量液压系统压力控制装置 - Google Patents

Abstract

一种微流量液压系统的压力控制装置，由柱塞式调压结构、压力传感器、驱动电机及PLC控制系统构成，其特征在于，所述柱塞式调压结构包括缸体、柱塞、导轨结构、梯形丝杆传动机构及支架，所述柱塞套装在所述缸体的容腔孔内并可前后运动，所述导轨结构包括拉杆导轨、螺母连接板及衬套，所述螺母连接板通过所述衬套可引着所述拉杆导轨前后运动，所述梯形丝杆传动机构包括梯形丝杆轴与丝杆螺母，所述梯形丝杆轴的梯形丝杆段与所述丝杆螺母啮合传动，所述柱塞的后端及所述丝杆螺母固定在所述螺母连接板上；所述驱动电机固定在支架的底板上，所述PLC控制系统处理压力传感器采集的信息后控制驱动电机的动作。本实用新型提出一种用于微流量液压系统的，调压精度高，调压过程平稳的压力控制装置。

Description

微流量液压系统压力控制装置

技术领域

本发明涉及液压控制系统领域，尤其是一种用于微流量液压系统的高精度压力控制装置。 

背景技术

液压传动系统由于其传动功率大、反应快、动作控制准确的特点而被广泛应用于工业领域，随着工业设备自动化程度的不断提高，液压传动系统的自动化控制水平也在不断地提升。液压传动系统中，“压力”、“流量”、“方向”三个核心要素是控制系统主要的控制对象，液压系统的压力取决于执行对象负载的大小，而非由液压源决定，液压系统的流量决定了执行器的工作速度，液压油的流动方向决定了执行器的工作方向，对于现有成熟的液压控制系统而言，以上三要素的控制是通过液压阀来实现的，系统的压力由压力阀调定，流量由流量控制阀调节，方向由方向控制阀控制。现有的液压系统，执行器通常是液压缸或者液压马达，液压系统的流量决定了液压缸的进给速度或者液压马达的转速。 

然而，随着液压系统应用的不断深入，液压系统的执行器不再局限于液压缸或者液压马达。对于微量进给或者微量补偿所用的液压驱动器、液压作动器，对于微量变形加紧所用的液压夹紧轴套等，例如用于机床刀头微进给的微变形驱动器，用于精密滑动导轨微间隙补偿的补偿执行器，机床刀柄液压夹紧轴套的加压腔，作为一种新型的液压系统执行器单元，在压力调节的过程中，往往对流量要求非常小，故我们将此类液压控制系统定义为微流量液压系统。对于微流量液压系统的压力自动化控制，如果采用传统的液压控制方式，能通过比例溢流阀、伺服溢流阀、比例 减压阀等比例压力控制单元来实现，但是采用以上压力控制单元也存在着一些不足，例如压力控制精度取决于控制阀的种类，液压控制系统成本高，压力调节过程中存在着液压冲击，对执行器造成一定的损坏，更重要的一点是，由于微流量液压系统对流量要求非常小，过量的流量不仅会造出溢流浪费，同时也会造出液压系统温升，不利于系统的长期稳定工作。 

发明内容

为了克服现有液压控制系统无法很好满足微流量液压系统的工作需求，液压控制系统存在着开发成本高、溢流浪费的不足，本发明提出了一种用于微流量液压系统，调压精度高、系统响应快、调压过程平稳无冲击的压力控制装置。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种微流量液压系统的压力控制装置，由柱塞式调压结构、压力传感器、驱动电机及PLC控制系统构成，其特征在于，所述柱塞式调压结构包括缸体、柱塞、导轨结构、梯形丝杆传动机构及支架，所述缸体固定在支架的前立板上，所述缸体内设置有容腔孔，前端面开有出油口，所述柱塞套装在所述缸体的容腔孔内并可前后运动，所述柱塞与所述外缸体间设置有密封装置，所述导轨结构包括拉杆导轨、螺母连接板及衬套，所述螺母连接板通过所述衬套可引着所述拉杆导轨前后运动，所述梯形丝杆传动机构包括梯形丝杆轴与丝杆螺母，所述梯形丝杆轴通过轴承可转动固定在支架的后立板上，所述梯形丝杆轴的梯形丝杆段与所述丝杆螺母啮合传动，所述柱塞的后端及所述丝杆螺母固定在所述螺母连接板上；所述驱动电机固定在支架的底板上，所述驱动电机的输出轴通过联轴器与所述梯形丝杆轴连接，所述压力传感器固定在所述缸体上，所述压力传感器的接口油通道与所述缸体的容腔孔相通，所述PLC控制系统处理压力传感器采集的信息后控制驱动电机的动作。 

进一步，所述支架包括底板、前立板、后立板，所述拉杆导轨安装在所述前立 板与后立板的拉杆导轨孔中，并用螺栓连接固定在支架上；所述后立板的前、后端面开有轴承安装孔，所述轴承安装孔上安装有轴承，并利用轴承端盖将轴承固定在后立板上，所述梯形丝杆轴安装在上述轴承中；所述驱动电机通过调节安装板固定在所述支架的底板上。 

再进一步，所述缸体的侧面设置有进油口，单向阀通过连接接头固定在所述进油口上，辅助注油系统的油管通过所述单向阀与所述缸体的容腔孔单向相通；所述缸体的前端面设置有出油口，所述出油口通过特制管接头与液压管道与执行器的工作容腔相通。 

作为优选的一种方案：所述缸体为回转体，所述缸体内设置有容腔孔，前端面设置有出油口，缸体前端的上侧面设有压力传感器安装面与螺纹安装孔，缸体的侧面设置有进油口，所述容腔孔、压力传感器安装孔、进油口、出油口通过内部油道相通；所述缸体的后端为法兰凸台，所述缸体通过法兰凸台安装在前立板的缸体安装孔中并用螺钉紧固；缸体端盖通过螺钉固定所述缸体的后端面，所述缸体端盖内设置有防尘圈安装槽，所述防尘圈安装槽中安置C型防尘圈。 

作为优选的另一种方案：所述柱塞为阶梯状回转体，所述柱塞分柱塞工作段与柱塞连接段，所述柱塞工作段套装在所述缸体的容腔孔内，所述柱塞工作段外环面上设置有两道密封圈安装沉槽；所述柱塞连接段套装在丝杆螺母的安装孔内，所述柱塞连接段外环面上对称开有螺纹固定孔；所述柱塞的后端面还设置有梯形丝杆悬空孔。 

进一步，所述密封圈安装沉槽内可安装O型密封圈配合挡圈，也可安装Y型唇形密封圈。 

作为优选的再一种方案：所述螺母连接板两端嵌装有衬套，所述螺母连接板的中心开有丝杆螺母的安装型孔，所述螺母连接板上与衬套嵌装孔垂直的两端对称设 置有第一螺纹固定通孔；所述丝杆螺母的内孔分为前后两段，前段为柱塞连接段的安装孔，后段为梯形内螺纹，所述丝杆螺母外环面前端对称设置有定位面，所述定位面上开有第二螺纹固定通孔，所述丝杆螺母通过定位面固定在所述螺母连接板的安装型孔内；当所述柱塞的柱塞连接段安装到所述丝杆螺母的安装孔内，所述丝杆螺母安装到所述螺母连接板的安装型孔内时，所述第一螺纹固定通孔、第二螺纹固定通孔及柱塞上的螺纹固定孔重合。 

作为优选的再一种方案：所述梯形丝杆轴为阶梯轴，前段为梯形丝杆段，中段为轴承安装段，后端为联轴器连接段。 

作为优选的再一种方案：所述压力传感器为工业级扩散硅型压力变送器，所述压力传感器上配置有油压值显示模块。 

作为优选的再一种方案：所述PLC控制系统包括信号放大器、信号采集卡、PLC控制模块、D/A转换器、直流电源模块及数据接口装置，压力传感器采集的信号经信号放大器、接口装置及数据采集卡采集后，变为PLC系统能识别的数字信号，PLC控制模块按照预设逻辑对采集的数字信号进行处理后，将处理完成的信号经D/A转换器之后转换为模拟信号，并将此信号反馈给驱动电机，控制驱动电机的动作。 

本发明的有益效果体现在： 

微流量液压系统的压力控制装置，作为微流量或者超小流量液压系统下的新型压力控制方式，其优势体现在：1）利用液压油可压缩性进行加、减压控制，而非溢流调压的原理，能够防止溢流浪费及过量溢流致使系统温升过高对系统造出的不利影响；2）压力控制精度非常高，调压过程平稳无冲击，有利于延长执行器的工作寿命；3）压力控制装置的整体化设计，替代传统的液压站系统及液压控制阀块，体积较小，安装便利，便于使用、装配及后期的维护维修；4）节约成本。 

附图说明

图1是本发明微流量液压系统压力控制装置结构图 

图2是本发明微流量液压系统压力控制装置结构图（另一视向） 

图3是本发明微流量液压系统压力控制装置结构剖视图 

图4是本发明柱塞/螺母连接板/丝杆螺母的结构及装配关系对应图 

图5是本发明理论设计模型腔体分布示意图 

图6是本发明压力控制装置工作对象执行器的示意图 

具体实施方式

结合图1～图6，在分析具体实施例之前，先来简单介绍微流量液压系统的压力控制装置设计的理论依据，微流量液压系统的压力控制装置是基于油液体积弹性模量理论为基础设计，油液压缩后产生压力值的现象，符合油液体积弹性模量理论，其现象类似于弹簧受压产生压力的现象，只是油液弹性模量不同于弹簧的劲度系数，并不是一个定值。 

首先解释油液体积弹性模量的概念，任何弹性模量都可用应力与应变来解释，对于油液体积弹性模量，应力是指油液的压力，而应变则是油液体积的变化率。液体的可压缩性是指油液受压力作用下体积减小的性质，压力为P时压力油对应的体积为V，当压力增大了ΔP，则体积减少了ΔV。定义油液有效体积弹性模量K_e如下： 

$K_e=\mathrm{\ΔP}\×\frac{v}{-\mathrm{\ΔV}}$

对于本发明权利保护范围相关的一例实施例，其设计计算模型见附图5，当辅助注油系统对压力控制装置完成初始的加压注油后，由于单向阀的反向锁紧，使得缸体的容腔孔内容积V1、缸体内部管道和连接油管的内容积V2、执行器的密闭腔体容积V3构成了一个封闭的整体，在柱塞3的作用下，固定体积的液压油被压缩产生压力，符合油液体积弹性模量理论。由上面公式可推导得出： 

$\mathrm{\ΔV}=L*\left(\mathrm{\π}{R}^2\right)=\frac{(P-P_0)\×(V_1+V_2+V_3)}{K_g}$

$L=\frac{(P-P_0)\×(V_1+V_2+V_3)}{K_g\×\left(\mathrm{\π}{R}^2\right)}$

F＝P×(nR²) 

其中，油液有效体积弹性模量K_e是个非常复杂的概念，其可通过实验装置测试得到，但是其值的大小与液压油种类、液压油含气量、液压系统压力、环境温度等因素密切相关，对油液有效体积弹性模量K_e的理解可参考其他资料，在此不展开说明。在油液有效体积弹性模量K_e确定一个范围值内，上述的计算公式是微流量液压系统压力控制装置设计的理论依据。 

油液有效体积弹性模量K_e值范围的确定非常复杂，故微流量液压系统对液压油的种类及处理工艺有一定的要求，相关条件要求如下：第一，液压油弹性模量值较大，且弹性模量变化较小。除了液压油类型对体积弹性模量造成影响外（磷酸酯型液压油比石油基液压油的弹性模量高），含气量是最主要影响因素，故需对液压油进行特殊脱气、脱水处理；2）同密封材料相容性好。由于是封闭液压系统，密封与泄露问题是系统稳定工作的保障；3）消泡和抗泡沫性好，液压油被往复地压缩、释放，故要求抗泡沫性好。 

基于上述的理论分析模型，本发明提出了一种微流量液压系统的压力控制装置，由柱塞式调压结构、压力传感器7-1、驱动电机6及PLC控制系统构成，所述柱塞式调压结构包括缸体2、柱塞3、导轨结构、梯形丝杆传动机构及支架，所述缸体2固定在支架的前立板1-2上，所述缸体内设置有容腔孔，前端面开有出油口2-3，所述柱塞套装在所述缸体的容腔孔内并可前后运动，所述柱塞与所述外缸体间设置有密封装置，所述导轨结构包括拉杆导轨4-1、螺母连接板4-3及衬套4-2，所述螺母连接板4-3通过所述衬套4-2可引着所述拉杆导轨4-1前后运动，所述梯形丝杆传动机构包括梯形丝杆轴5与丝杆螺母5-1，所述梯形丝杆轴5通过轴承1-6可转动固定在支架的后立板1-3上，所述梯形丝杆轴的梯形丝杆段与所述丝杆螺母 啮合传动，所述柱塞的后端及所述丝杆螺母固定在所述螺母连接板上；所述驱动电机6固定在支架的底板上，所述驱动电机的输出轴通过联轴器6-1与所述梯形丝杆轴5连接，所述压力传感器7-1固定在所述缸体上，所述压力传感器的接口油通道与所述缸体的容腔孔相通，所述PLC控制系统处理压力传感器采集的信息后控制驱动电机的动作。 

对于柱塞式调压结构的具体结构形式，描述如下：所述支架包括底板1-1、前立板1-2、后立板1-3，所述拉杆导轨4-1安装在所述前立板与后立板的拉杆导轨孔中，并用螺栓连接固定在支架上，从而形成一个刚性较好的支架整体，该支架承受内部拉应力的能力远远强于内部压应力，是较为理想的受力结构模型；所述后立板的前、后端面开有轴承安装孔，所述轴承1-6安装孔上安装有轴承，并利用轴承端盖1-5将轴承固定在后立板上，所述梯形丝杆轴安装在上述轴承中；所述驱动电机6通过调节安装板1-4固定在所述支架的底板上。上述的轴承可以为一对深沟球轴承的设置方法，也可为前端为推力轴承，后端为深沟球轴承的组合设置方法。 

所述缸体2的侧面设置有进油口，单向阀7-2通过连接接头7-3固定在所述进油口上，辅助注油系统的油管通过所述单向阀与所述缸体的容腔孔单向相通，辅助注油系统可由手动泵注油，或者依靠重力注油，或者液压站系统中的一根分支油路实现注油。所述缸体的前端面设置有出油口2-3，所述出油口通过特制管接头与液压管道与执行器的工作容腔相通。由于该压力控制装置用于微流量液压系统，系统的流量非常小，故液压管道可以选择内孔径较小的纯钛管。 

所述缸体2为回转体，所述缸体内设置有容腔孔，前端面设置有出油口，缸体前端的上侧面设有压力传感器安装面与螺纹安装孔，所述压力传感器通过压力传感器安装面与螺纹安装孔安装在缸体上，缸体的侧面设置有进油口，所述容腔孔、压力传感器安装孔、进油口、出油口通过内部油道相通，见附图3；所述缸体的后端 为法兰凸台2-2，所述缸体通过法兰凸台2-2安装在前立板1-2的缸体安装孔中并用螺钉紧固；缸体端盖2-1通过螺钉固定所述缸体的后端面，所述缸体端盖内设置有防尘圈安装槽，所述防尘圈安装槽中安置C型防尘圈2-5。 

所述柱塞为阶梯状回转体，所述柱塞3分柱塞工作段3-1与柱塞连接段3-2，所述柱塞工作段3-1套装在所述缸体的容腔孔内，所述柱塞工作段外环面上设置有两道密封圈安装沉槽2-4，所述密封圈安装沉槽2-4内可安装O型密封圈配合挡圈，也可安装Y型唇形密封圈。所述柱塞连接段套装在丝杆螺母的安装孔内，所述柱塞连接段外环面上对称开有螺纹固定孔3-4；所述柱塞的后端面还设置有梯形丝杆悬空孔3-3。 

所述螺母连接板4-3两端嵌装有衬套4-2，中心开有丝杆螺母的安装型孔4-3-1，所述螺母连接板上与衬套嵌装孔4-3-2垂直的两端对称设置有第一螺纹固定通孔4-3-3；所述丝杆螺母的内孔分为前后两段，前段为柱塞连接段的安装孔，后段为梯形内螺纹，所述丝杆螺母外环面前端对称设置有定位面，所述定位面上开有第二螺纹固定通孔5-5，所述丝杆螺母通过定位面固定在所述螺母连接板的安装型孔4-3-1内；当所述柱塞的柱塞连接段安装到所述丝杆螺母的安装孔内，所述丝杆螺母安装到所述螺母连接板的安装型孔内时，所述第一螺纹固定通孔4-3-3、第二螺纹固定通孔5-5及柱塞上的螺纹固定孔3-4重合，利用螺钉将三者紧固，同时丝杆螺母外环面前端设置的定位面，有利于装配及实现装配后径向的固定。 

所述梯形丝杆轴为阶梯轴，前段为梯形丝杆段5-2，中段为轴承安装段5-3，后端为联轴器连接段5-4。所述梯形丝杆段5-2与丝杆螺母啮合传动，伸出丝杆螺母部分的梯形丝杆段悬空在所述柱塞3的梯形丝杆悬空孔3-3内。所述驱动电机通过联轴器与梯形丝杆轴的联轴器连接段5-4相连，在驱动电机的作用下，实现柱塞的前后运动，完成加减压过程，所述驱动电机采用大扭矩的步进电机或者大扭矩的伺服 电机。 

所述压力传感器为工业级扩散硅型压力变送器，所述压力传感器上配置有油压值显示模块。 

所述PLC控制系统包括信号放大器、信号采集卡、PLC控制模块、D/A转换器、直流电源模块及数据接口装置，系统的压力值由压力传感器实时采集后，经信号放大器放大及数据采集卡的采集处理后，完成了信号滤波及A/D信号转化的过程，采集的信号能被PLC系统所识别，处理后的信号经PLC控制模块处理后，将处理完成的信号经D/A转换器之后转换为模拟信号，并将此信号反馈给驱动电机，控制驱动电机的动作，实现压力的反馈控制。 

微流量液压系统压力控制装置的工作原理如下：当缸体内容腔孔的初始压力过低时，由辅助注油系统完成注油过程，由驱动电机驱动柱塞前后运动，实现压力的调节，系统压力经压力传感器采集及PLC系统处理后反馈给驱动电机，实现闭环控制，大大提高装置的调压精度。 

结合压力控制系统的一例工作对象执行器，数控车床刀头的微进给驱动器，对微流量液压系统压力控制装置的工作做进一步解释，见附图6，数控车床刀头的微进给驱动器依靠材料的拉伸弹性变形工作，刀头8-2安装在微进给驱动器上，微进给驱动器上的内容腔8-1内液压油压力值增大时，微进给驱动器依靠材料的拉伸弹性变形，致使刀头8-2实现了微进给，从而对工件8-3实现精密的进给切削。 

Claims (10)

1.一种微流量液压系统压力控制装置，由柱塞式调压结构、压力传感器、驱动电机及PLC控制系统构成，其特征在于，所述柱塞式调压结构包括缸体、柱塞、导轨结构、梯形丝杆传动机构及支架，所述缸体固定在支架的前立板上，所述缸体内设置有容腔孔，前端面开有出油口，所述柱塞套装在所述缸体的容腔孔内并可前后运动，所述柱塞与所述缸体间设置有密封装置，所述导轨结构包括拉杆导轨、螺母连接板及衬套，所述螺母连接板通过所述衬套可引着所述拉杆导轨前后运动，所述梯形丝杆传动机构包括梯形丝杆轴与丝杆螺母，所述梯形丝杆轴通过轴承可转动固定在支架的后立板上，所述梯形丝杆轴的梯形丝杆段与所述丝杆螺母啮合传动，所述柱塞的后端及所述丝杆螺母固定在所述螺母连接板上；所述驱动电机固定在支架的底板上，所述驱动电机的输出轴通过联轴器与所述梯形丝杆轴连接，所述压力传感器固定在所述缸体上，所述压力传感器的接口油通道与所述缸体的容腔孔相通，所述PLC控制系统处理压力传感器采集的信息后控制驱动电机的动作。 

2.如权利要求1所述的微流量液压系统压力控制装置，其特征在于：所述支架包括底板、前立板、后立板，所述拉杆导轨安装在所述前立板与后立板的拉杆导轨孔中，并用螺栓连接固定在支架上；所述后立板的前、后端面开有轴承安装孔，所述轴承安装孔上安装有轴承，并利用轴承端盖将轴承固定在后立板上，所述梯形丝杆轴安装在上述轴承中；所述驱动电机通过调节安装板固定在所述支架的底板上。 

3.如权利要求1所述的微流量液压系统压力控制装置，其特征在于：所述缸体的侧面设置有进油口，单向阀通过连接接头固定在所述进油口上，辅助注油系统的油管通过所述单向阀与所述缸体的容腔孔单向相通；所述缸体的前端面设置有出油 口，所述出油口通过特制管接头与液压管道与执行器的工作容腔相通。 

4.如权利要求1或2或3所述的微流量液压系统压力控制装置，其特征在于：所述缸体为回转体，所述缸体内设置有容腔孔，前端面设置有出油口，缸体前端的上侧面设有压力传感器安装面与螺纹安装孔，缸体的侧面设置有进油口，所述容腔孔、压力传感器安装孔、进油口、出油口通过内部油道相通；所述缸体的后端为法兰凸台，所述缸体通过法兰凸台安装在前立板的缸体安装孔中并用螺钉紧固；缸体端盖通过螺钉固定所述缸体的后端面，所述缸体端盖内设置有防尘圈安装槽，所述防尘圈安装槽中安置C型防尘圈。 

5.如权利要求1或2或3所述的微流量液压系统压力控制装置，其特征在于：所述柱塞为阶梯状回转体，所述柱塞分柱塞工作段与柱塞连接段，所述柱塞工作段套装在所述缸体的容腔孔内，所述柱塞工作段外环面上设置有两道密封圈安装沉槽；所述柱塞连接段套装在丝杆螺母的安装孔内，所述柱塞连接段外环面上对称开有螺纹固定孔；所述柱塞的后端面还设置有梯形丝杆悬空孔。 

6.如权利要求5所述的微流量液压系统压力控制装置，其特征在于：所述密封圈安装沉槽内安装O型密封圈配合挡圈，或安装Y型唇形密封圈。 

7.如权利要求1或2或3所述的微流量液压系统压力控制装置，其特征在于：所述螺母连接板两端嵌装有衬套，所述螺母连接板的中心开有丝杆螺母的安装型孔，所述螺母连接板上与衬套嵌装孔垂直的两端对称设置有第一螺纹固定通孔；所述丝杆螺母的内孔分为前后两段，前段为柱塞连接段的安装孔，后段为梯形内螺纹，所述丝杆螺母外环面前端对称设置有定位面，所述定位面上开有第二螺纹固定通孔，所述丝杆螺母通过定位面固定在所述螺母连接板的安装型孔内；当所述柱塞的柱塞连接段安装到所述丝杆螺母的安装孔内，所述丝杆螺母安装到所述螺母连接板的安装型孔内时，所述第一螺纹固定通孔、第二螺纹固定通孔及柱塞上的螺 纹固定孔重合。 

8.如权利要求1或2或3所述的微流量液压系统压力控制装置，其特征在于：所述梯形丝杆轴为阶梯轴，前段为梯形丝杆段，中段为轴承安装段，后端为联轴器连接段。 

9.如权利要求1或2或3所述的微流量液压系统压力控制装置，其特征在于：所述压力传感器为工业级扩散硅型压力变送器，所述压力传感器上配置有油压值显示模块。 

10.如权利要求1或2或3所述的微流量液压系统压力控制装置，其特征在于：所述PLC控制系统包括信号放大器、信号采集卡、PLC控制模块、D/A转换器、直流电源模块及数据接口装置，压力传感器采集的信号经信号放大器、接口装置及数据采集卡采集后，变为PLC系统能识别的数字信号，PLC控制模块按照预设逻辑对采集的数字信号进行处理后，将处理完成的信号经D/A转换器之后转换为模拟信号，并将此信号反馈给驱动电机，控制驱动电机的动作。 

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