CN211599134U - 一种用于机械手的数字阀组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型克服公开一种用于机械手的数字阀组件，具有传统液压、控制系统功能，但液压系统大大简化，并且高抗污染，控制简单，而且大幅度降低成本；采用的技术方案为：一种用于机械手的数字阀组件，包括数字阀，数字阀串联设置在液压执行部的进油管和回油管上，通过数字阀调节液压执行部进油管和回油管的液压油流速和流量，实现对液压执行部速度和位置的控制；数字阀的传感器设置在数字阀本体或液压执行部的机座上，用于反馈数字阀本体的开度，舵机主机与数字阀本体的动作部连接，用于驱动数字阀本体的动作部，调节开度大小，主控制器与传感器和舵机主机之间电连接，通过传感器反馈的信号控制舵机主机驱动数字阀本体的动作部动作。

Description

一种用于机械手的数字阀组件

技术领域

本实用新型一种用于机械手的数字阀组件，属于机械手控制技术领域。

背景技术

目前公知的传统液压驱动、控制系统的设计包括调压回路、调速回路、保压回路、换向回路、缓冲回路和内在反馈开环控制系统，整个液压系统复杂、对液压油的清洁度要求高、故障点多、控制精度不高、成本高。

实用新型内容

本实用新型克服了现有技术存在的不足，提供了一种用于机械手的数字阀组件，具有传统液压、控制系统功能，但液压系统大大简化，并且高抗污染，控制简单，而且大幅度降低成本。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种用于机械手的数字阀组件，包括数字阀，所述数字阀串联设置在液压执行部的进油管和回油管上，通过所述数字阀调节液压执行部进油管和回油管的液压油流速和流量，实现对液压执行部速度和位置的控制；

所述数字阀包括数字阀本体、主控制器、传感器和舵机主机，所述传感器设置在数字阀本体或液压执行部的机座上，用于反馈数字阀本体的开度，所述舵机主机与数字阀本体的动作部连接，用于驱动数字阀本体的动作部，调节开度大小，所述主控制器与传感器和舵机主机之间电连接，通过传感器反馈的信号控制舵机主机驱动数字阀本体的动作部动作。

所述舵机主机包括舵机控制器和舵机执行器，所述舵机控制器与主控制器之间电连接，所述舵机主机通过连接件与数字阀本体的动作部连接。

所述舵机主机直接用数字量控制，其转角与输入的数字式信号脉冲数成正比，其转速随输入的脉冲频率的不同而变化。

所述主控制器传递给舵机控制器的信号包括前馈控制信号和模糊控制信号，所述前馈控制信号为预设控制信号，控制数字阀本体的动作部在传感器反馈前动作，所述模糊控制信号为传感器的反馈信号。

所述数字阀单个设置，或多个并排组合设置。

本实用新型与现有技术相比具有的有益效果是：本新型数字阀门是指将舵机、转接连接套件、阀门、闭环位置反馈设计组合，接通液压油源，所有的功能直接通过可编程逻辑控制器（PLA）发出的数字脉冲信号来完成阀门开度控制；从而实现对进出油管路装有数字阀的单执行器的位置和速度的控制；进而完成机械手大、小臂油缸及底座油马达、手爪油缸的位置、速度控制。

附图说明

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型中数字阀的结构示意图。

图3为本实用新型中数字阀本体的结构示意图。

图4为本实用新型的实施例示意图。

图5为本实用新型的实施例油路连接示意图。

图6为本实用新型数字阀并排组合设置示意图。

图7为本实用新型的实施例液压油路示意图。

图8为本实用新型的实施例控制框架示意图。

图中：1为数字阀、11为数字阀本体、12为主控制器、13为传感器、14为舵机主机、2为液压执行部。

具体实施方式

如图1～图8所示，本实用新型一种用于机械手的数字阀组件，包括数字阀1，所述数字阀1串联设置在液压执行部2的进油管和回油管上，通过所述数字阀1调节液压执行部2进油管和回油管的液压油流速和流量，实现对液压执行部2速度和位置的控制；

所述数字阀1包括数字阀本体11、主控制器12、传感器13和舵机主机14，所述传感器13设置在数字阀本体11或液压执行部2的机座上，用于反馈数字阀本体11的开度，所述舵机主机14与数字阀本体11的动作部连接，用于驱动数字阀本体11的动作部，调节开度大小，所述主控制器12与传感器13和舵机主机14之间电连接，通过传感器13反馈的信号控制舵机主机14驱动数字阀本体11的动作部动作。

所述舵机主机14包括舵机控制器和舵机执行器，所述舵机控制器与主控制器12之间电连接，所述舵机主机14通过连接件与数字阀本体11的动作部连接。

所述舵机主机14直接用数字量控制，其转角与输入的数字式信号脉冲数成正比，其转速随输入的脉冲频率的不同而变化。

所述主控制器12传递给舵机控制器的信号包括前馈控制信号和模糊控制信号，所述前馈控制信号为预设控制信号，控制数字阀本体11的动作部在传感器13反馈前动作，所述模糊控制信号为传感器13的反馈信号。

所述数字阀1单个设置，或多个并排组合设置。

本实用新型是用小功率舵机+连接套件+阀门的全新电控液技术，解决传统液压伺服控制技术系统复杂、抗干扰性差、液压元件成本高、对液压油洁净度要求高、系统响应速度低、控制精度低等的问题全新数字控制技术。

具体就是在机械手手臂液压缸的进回油管路中安装本数字阀,包括机械手手臂一上的液压缸一的进（回）油管和回（进）油管中间加装数字阀一和数字阀二，通过控制数字阀一和数字阀二的开度实现通过对液压缸一的控制从而控制机械手手臂一的举升和下落的位置、速度的控制。

同理机械手手臂二的举升和下落的位置、速度通过控制液压缸二的进出油管中间加装的数字阀进行控制。

同理底座的回转位置、速度通过液压马达的进出油管中间加装的数字阀进行控制。

以上三对六组数字阀集成到两个数字阀块上，其中数字阀块一集成了控制液压马达A3口、控制液压缸二A2口和B2口的数字阀；数字阀块二集成了控制液压马达B3口、控制液压缸一A1口和B1口的数字阀。

集成的数字阀块一和数字阀块二的结构相同，包括新型数字阀、安装底板、数字阀块外罩、安装通孔一等。新型数字阀可单独安装使用，也可集成安装使用。本应用实例数字阀块一和数字阀块二分别通过四个安装通孔一与机械手手臂底座连接，通过四个螺纹孔与数字阀块外罩连接。

同理手爪的夹持和松开的位置、速度通过控制手爪的进出油管中间加装的数字阀进行控制。手爪上装力学传感器进行力的感知，从而对被不同的抓取件进行力的控制，即既不会因抓力过大而损伤被抓取件表面，也不会因抓力过小而抓不紧被抓取件。

本实用新型数字阀包括舵机、舵机安装架、转接头一、转接头二、转接头三、阀门安装架、连接螺栓（母、垫）、液压管接头、阀门、数字阀壳体等。

转接头二与转接头一的安装孔将转接头一与转接头二相连接，转接头二与转接头三的安装孔将转接头二与转接头三相连接。

转接头三与转接头二的安装孔将转接头三与转接头二相连接，转接头三与阀门的安装将转接头三与阀门紧密连接。

阀门轴头与安装孔紧密连接，液压管接头一头与阀门连接，另一头与进、回油管连接，阀门安装架通过舵机安装架、液压管接头和连接螺栓（母、垫）将阀门紧固，使阀门与舵机的相对位置不变，但舵机轴头的旋转可以带动阀门轴头的旋转，从而使阀门的内芯开度从全关到全开的无级变化，实现流量的变化控制。

具体的控制是通过液压缸一上安装的拉线传感器一对液压缸一的活塞杆伸出和收回的行程进行检测，从而确定机械手手臂一的举升和下落的位置，拉线传感器一检测的数据传输给控制器，控制器再给数字阀一和数字阀二上的舵机一和舵机二发出控制指令，分别操控与舵机连接的阀门一和阀门二的开度，控制液压缸一活塞杆的伸出和收回的位置及速度，实现机械手手臂一的举升和下落位置和速度控制。

同理，通过液压缸二上安装的拉线传感器二对液压缸二的活塞杆伸出和收回的行程进行检测，从而确定机械手手臂二的举升和下落的位置，拉线传感器二检测的数据传输给控制器，控制器再给液压缸二进回油管的舵机三和舵机四发出控制指令，分别操控与舵机连接的阀门三和阀门四的开度（注：舵机和阀门等构成数字阀），控制液压缸二活塞杆的伸出和收回的位置及速度，实现机械手手臂二的举升和下落位置和速度控制。

同理，通过液压马达上安装的编码器对液压马达的左转和右转角度进行检测，从而确定底座的位置，编码器检测的数据传输给控制器，控制器再给液压马达进回油管的舵机五和舵机六发出控制指令，分别操控与舵机连接的阀门五和阀门六的开度（注：舵机和阀门等构成数字阀），控制液压马左转和右转的位置及速度，实现液压马达的左转和右转的位置和速度控制。

同理，通过手爪的手爪油缸进出油管上安装的压力传感器一和压力传感器二对手爪油缸的进出油管的压力进行检测，从而确定手爪与被抓件之间的接触情况，压力传感器一和压力传感器二检测的数据传输给控制器，控制器再给手爪油缸进回油管的舵机七和舵机八发出控制指令，分别操控与舵机连接的阀门七和阀门八的开度（注：舵机和阀门等构成数字阀），从而控制手爪夹持和松开的位置及速度，实现手爪的夹持和松开的位置和速度控制，以实现对不同尺寸和不同材质被抓件的抓取，又不会损伤被抓件表面。

本实用新型中数字阀控制主要由主控制器、拉线传感器、舵机主机三部分组成，辅助设备有熔断器、开关电源，电源适配器，光耦信号转换器等，主控制器包括模拟量采集，脉宽信号输出，CPU处理运算单元，主控制器供电为24VDC，输出也是24VDC信号；拉线传感器检测位置反馈，输出4-20mA模拟量信号，供电为24VDC；舵机主机由舵机执行器和控制器组成，舵机控制器驱动执行器，动作一定角度，舵机控制器接受主控制器脉宽信号，脉宽信号由主控制器输出，输出的脉宽大小取决于反馈信号，根据逻辑判断运算输出，舵机供电为DC5V；控制原理是通过拉线传感器、阀的开度与舵机的关系，可以建立起命令信号与油缸活塞位移之间的控制方程，进而实现位移闭环控制的功能。即通过检测位置反馈，变化趋势、大小，模糊控制脉宽大小，控制不仅仅是闭环控制，还涉及到前馈控制，因为根据反馈再控制脉宽大小，会出现控制延迟，动作响应满足不了应用要求，比如：在手臂近动作前，先给数字阀一个小开度，再根据拉线位置反馈，变化大小，控制脉宽输出大小，变化大小和脉宽输出大小，不仅仅是线性变化，也需增加前馈和模糊控制，才能达到精确控制手臂近的位置，还有动作时间，也是通过控制数字阀开度来实现，因为数字阀的开度，与流量、压力大小有直接关系，控制数字阀开度，手臂动作时间也会影响很大，所以，控制也需要考虑时间要求。

具体调试过程如下：

1、用示波器检测控制器经光耦隔离输出的脉宽大小，是否在900-2000；

2、建立数学模型；

舵机输入脉冲n与输出转角θ的关系为：

n=900+[ (2000-900) / K]* θ

式中：θ——舵机的输出转角；K——舵机的选型角度（本实施例舵机的选型角度为90度）；n——舵机的输入脉冲数（900-2000）；

案例一：计算舵机的输出转角θ为“0度”时的输入脉冲数：

n=900+[(2000-900) / K]* θ

=900+[(2000-900) / K]*0

=900+0

=900

即输入脉冲数900时，舵机的转角为“0度”。

案例二：计算舵机的输出转角θ为“90度”时的输入脉冲数：

n=900+[(2000-900) / K]* θ

=900+[(2000-900) / 90]*90

=900+ (2000-900)

=2000

即输入脉冲数2000时，舵机的转角为“90度”。

案例三：计算舵机的输出转角θ为“45度”时的输入脉冲数：

n=900+[(2000-900) / K]* θ

=900+[(2000-900) / 90]*45

=900+ 550

=1450

即输入脉冲数1450时，舵机的转角为“45度”。

以此类推，利用建立的数学模型，通过舵机的输入脉宽控制舵机的转角，从而控制阀门的开度（舵机通过转接连接件与阀门直连，因此舵机的转角与阀门的开度是一一对应的）。

3、手动点动手臂远近，测量拉线位置信号输出mA值，测量计算是否与实际位置大小是否相符；

4、装好后，系统测试逻辑程序，刚开始仅仅使用拉线反馈，控制数字阀开度，控制效果不理想，手臂动作幅度还是很大，满足不了使用；后修改程序，增加前馈量，再结合拉线位置变化，稳定控制数字阀开度，达到手臂和立柱的控制要求。

5、设定位置，程序逻辑输出，控制数字阀，控制手臂动作时间，动作位置，调整程序等；

本实用新型中：

1、舵机脉宽值，不能给太大，太大会使舵机控制器保护；

2、拉线位置反馈，不能单单利用拉线的量程，需根据实际应用，设置量程；

3、前馈量，需更加应用场合，夹持重量来决定大小；

4、进、出油路，控制数字阀，需配合紧密，单独控制一侧，起不到控制效果；

5、位置精度控制，必须精确，如果设定位置与反馈位置有相差，必然影响后续控制，如物件抓取，物件放下等等；

本实用新型中涉及的数字阀控液压缸是集成了舵机、转接件套件、液压阀门、液压缸、拉线传感器、反馈控制等功能于一体，直接采用计算机或可编程逻辑控制器（PLC）控制完成各种功能。属于全数字控制系统，克服了模拟系统抗干扰能力差和温度漂移等缺点；可以直接进行位移控制，由于采用了数字技术，所以更加适合远程网络化控制。

本实用新型将数字阀控液压缸应用在机械手上，主要解决了机械手在下降过程中动能惯性大的问题和能精确定位的问题，数字液压技术属于正在发展的液压新技术，数字阀作为其中重要的部分已经发挥出巨大的潜力。

本实用新型数字阀控液压缸技术，它是将油缸、舵机、阀门、传感器等设计成一个闭环控制。舵机可以直接接收计算机或可编程逻辑控制器（PLC）发出的数字脉冲信号。舵机转动对应阀门开度，两个舵机分别控制油缸进、出油路流量，从而控制油缸运动，同时通过油缸上装的拉线传感器将活塞的速度和位置反馈到计算机或可编程逻辑控制器（PLC），构成了自动调节的速度闭环和位置闭环，从而将油缸的速度和位移精确与舵机的转速和转角一一对应，形成了外闭环控制的自动调节激励。

本实用新型克服传统液压系统的弊端（传统液压技术是开关阀技术、比例阀技术和伺服阀技术，这是一种模拟控制技术。它的精确控制是建立在闭环控制基础上的，它依靠各种传感器、伺服阀、伺服放大器、控制器等各种自动控制理论相结合完成。系统复杂、维护麻烦），实现机械手的智能化开辟了一种全新的思路。

本实用新型适合多参数多系统协同工作，比如大臂、小臂、底座、手腕、手爪的联动等动作，相比现有的各种液压或者机械传动控制系统，其突出的优势在于多系统协同和任意控制参数的随意变化，避免了现有技术需要进行复杂参数调整的致命缺陷。

本实用新型数字阀具有高分辨率运动控制精度，因舵机和阀门是用机械结构直连，传动效率高，所以可实现机械手的精确运动控制，且响应迅速。

本实用新型数字阀可实现无损失远程控制执行。可通过网络等远程进行系统的操控而不用担心指令信息的损失、滞后或者干扰。

本实用新型数字阀运动特性完全数字化、速度、行程与电脉冲有直接的对应关系，只要控制好电脉冲，这个自动化系统就简单实现控制要求。

本实用新型数字阀高抗干扰。控制脉冲直接作用于阀门，不需要中间的D/A转换，实现了真正意义上的数字控制，解决了模拟信号在传输过程中的抗干扰问题，使控制系统更加稳定。

本实用新型数字阀低电磁辐射。由于数字阀控制指令环节没有复杂的电子器件，因此对外产生的电磁泄漏很少。

本实用新型数字阀抗大加速度冲击振动动。由于数字阀器件不采用线性电磁铁作为作为控制核心，因此抗冲击和振动动能力大大提高。

本实用新型数字阀高抗污染。对液压油的过滤精度没有严格要求，甚至液压油收到污染，同样不会造成系统的精度降低，更不会造成严重的误动作甚至是事故。

本实用新型数字阀宽范围的工作介质。无论采用矿物油还是水基乳化液等，设置在极端环境下，无论是水或者是压力气体都可以让系统暂时工作（性能稍有降低），这是其他任何控制系统无法实现的。

本实用新型数字阀容易实现防爆。由于舵机供电为DC5V，最大堵转电流1.8A，正常工作电流400～500mA，控制部件容易实现防爆，因此实现防爆十分简单。

本实用新型数字阀快速实现自动和手动的转换控制。极端条件即使电气控制系统失效情况下，数字阀可以随时通过简单的方式实现人工控制，避免装备失控。

本实用新型数字阀可以实现单缸多段调速、多点定位、两缸或两缸以上及马达进行联动。

本实用新型数字阀用舵机作为信号输出，使阀门完全按照舵机的运动而运动，既不失步，又有推力（舵机的扭力根据阀门的需求选型，不浪费动力）。因此利用小功率的控制系统，就可以使大型机械手的数控化，节省了方向阀、调速阀、分流阀等液压件，降低了成本，简化了系统，缩小了体积，降低事故率。

本实用新型数字阀控制系统简单。一台微机或可编程逻辑控制器（PLC）就可以完成单、多缸或马达的多点、多速控制，也可完成单、多缸或马达的多点、多速控制，也可完成多缸或马达的同步、差补运动。操作简单、实用性好。

本实用新型数字阀液压系统高度简化，只需油泵、溢流阀组成的液压源就可接管使用，无需任何方向阀、流量阀、调速阀、单向阀、同步阀等繁杂液压元件，也省略了这些阀件的安装集成块，降低了使用成本和维修成本。

此外，需要说明的是，凡依本实用新型专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本实用新型专利的保护范围内。

本实用新型是利用研发的数字阀实现液压缸、液压马达的位置、方向、速度的控制，从而实现机械手四自由度的位置、速度的控制。

具体到机械手底座的回转运动控制，是控制器通过检测编码器信号，对液压马达进回油管路中安装的数字阀的流量进行控制来实现对机械手底座左转、右转的角度和速度的控制。

具体到机械手手臂的举升和下落运动控制，是控制器通过检测拉线传感器信号，对机械手手臂进回油管路中安装的数字阀的流量进行控制来实现对机械手手臂举升和下落的位置和速度的控制。

具体到机械手手爪的夹持和松开运动控制，是控制器通过检测压力传感器信号，对机械手手爪进回油管路中安装的数字阀的流量进行控制来实现对机械手手爪夹持和松开的位置和速度的控制。

数字阀采用小功率舵机带动，舵机直接用数字量控制，其转角与输入的数字式信号脉冲数（主要是调节输入信号的脉宽来控制阀的开与关及开、关的时间长度，从而达到控制液流的方向、流量和压力的目的。）成正比，其转速随输入的脉冲频率的不同而变化，因此利用小功率舵机的控制系统，就可解决液压控制系统复杂、液压元件成本高、对液压油洁净度要求高、系统响应速度低、控制精度低不能满足机器人高精度、高响应要求的问题；缩小了体积；降低事故率；实现机械手的控制要求。

舵机的选型根据阀门的情况而定，相应配套的转接头和安装架等根据实际设计。选择舵机时根据负载力矩、转速、工作电压等要求选用。舵机输出转矩要足够大，舵机能够提供足够的转矩，当负载在一定范围内变化时，舵机可以准确无误的工作，甚至还要具有一定的过载承受能力；舵机要有足够的转速，可以快速、准确地执行控制指令；舵机的频响带宽足够宽，满足控制系统对舵机快速响应的要求；舵机的体积要能合适地安装在机械手有限的空间内。

在指令输入脉冲作用下舵机的转动通过转接连接套件作用于阀门阀芯，使之转动。阀门阀芯的开度与检测信号相对应，输入连续脉冲，则舵机连续旋转，阀门阀芯便随着打开；若输入负脉冲时舵机反转，则阀门阀芯便随着关闭。

本实用新型中数字阀是一种脉冲宽度控制开度的阀，调节脉冲宽度实现开度、旋转角度的变化，控制过程为根据行程变化改变脉冲宽度，另外，增加动作和行程变化前馈控制，实现工艺应用控制效果，速度、位置精确控制。与比例阀、伺服阀相此，此类阀结构简单、工艺性好、重复性好、工作稳定可靠，由于它将电控数字技术和液压技术紧密结合，因而有着广阔的应用前景。

上面结合附图对本实用新型的实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种用于机械手的数字阀组件，其特征在于，包括数字阀（1），所述数字阀（1）串联设置在液压执行部（2）的进油管和回油管上，通过所述数字阀（1）调节液压执行部（2）进油管和回油管的液压油流速和流量，实现对液压执行部（2）速度和位置的控制；

所述数字阀（1）包括数字阀本体（11）、主控制器（12）、传感器（13）和舵机主机（14），所述传感器（13）设置在数字阀本体（11）或液压执行部（2）的机座上，用于反馈数字阀本体（11）的开度，所述舵机主机（14）与数字阀本体（11）的动作部连接，用于驱动数字阀本体（11）的动作部，调节开度大小，所述主控制器（12）与传感器（13）和舵机主机（14）之间电连接，通过传感器（13）反馈的信号控制舵机主机（14）驱动数字阀本体（11）的动作部动作。

2.根据权利要求1所述的一种用于机械手的数字阀组件，其特征在于，所述舵机主机（14）包括舵机控制器和舵机执行器，所述舵机控制器与主控制器（12）之间电连接，所述舵机主机（14）通过连接件与数字阀本体（11）的动作部连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于机械手的数字阀组件，其特征在于，所述舵机主机（14）直接用数字量控制，其转角与输入的数字式信号脉冲数成正比，其转速随输入的脉冲频率的不同而变化。

4.根据权利要求2所述的一种用于机械手的数字阀组件，其特征在于，所述主控制器（12）传递给舵机控制器的信号包括前馈控制信号和模糊控制信号，所述前馈控制信号为预设控制信号，控制数字阀本体（11）的动作部在传感器（13）反馈前动作，所述模糊控制信号为传感器（13）的反馈信号。

5.根据权利要求4所述的一种用于机械手的数字阀组件，其特征在于，所述数字阀（1）单个设置，或多个并排组合设置。

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