專利名稱：變比反饋式數(shù)字流體缸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于流體缸技術(shù)領(lǐng)域，特別是自反饋式數(shù)字化驅(qū)動(dòng)液壓缸的反饋控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
數(shù)字液壓缸技術(shù)充分體現(xiàn)了數(shù)字液壓技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，起源于上世紀(jì)六、七十年代，由于德國(guó)、日本以及中國(guó)等國(guó)家在這個(gè)領(lǐng)域的不斷研究和完善，使數(shù)字流體缸技術(shù)逐漸達(dá)到了實(shí)用階段。
現(xiàn)有實(shí)際應(yīng)用的數(shù)字缸由數(shù)控裝置、步進(jìn)電機(jī)和帶有控制閥的缸體組成，控制閥的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)缸體活塞運(yùn)動(dòng)的起、停和運(yùn)動(dòng)方向的控制。數(shù)字式液壓缸的基本工作原理是微機(jī)發(fā)出控制脈沖序列信號(hào)，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，開啟數(shù)字閥，從而驅(qū)動(dòng)液壓缸運(yùn)動(dòng)。在機(jī)械反饋式數(shù)字液壓缸中，活塞的運(yùn)動(dòng)通過與活塞螺紋連接的反饋桿反饋到控制閥，構(gòu)成了自動(dòng)調(diào)節(jié)的內(nèi)部位置閉環(huán)和速度閉環(huán)。液壓缸的位移與控制脈沖的總數(shù)成正比；液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度與控制脈沖的頻率成正比；對(duì)應(yīng)于數(shù)控裝置一個(gè)脈沖信號(hào)下活塞的行程被稱為脈沖當(dāng)量。在現(xiàn)有數(shù)字液壓缸技術(shù)中采用的是單一反饋桿控制，始終存在運(yùn)動(dòng)速度與定位精度的矛盾，由于其反饋采用的是直接連通的反饋桿，反饋信號(hào)采集處的反饋速度和反饋信號(hào)輸出點(diǎn)的速度比只有為1∶1這一種。即在數(shù)控信號(hào)頻率不變情況下，要獲得高速度，則需要增大脈沖當(dāng)量，最直接的方式就是加大活塞螺母與反饋絲桿的螺旋導(dǎo)程，活塞前進(jìn)速度得以提高，但這種方式降低了定位精度；同樣，為得到高的定位精度，需要減小脈沖當(dāng)量，如果將活塞螺母與反饋絲桿的螺旋導(dǎo)程減小，滿足了定位精度的要求，但同時(shí)也會(huì)使數(shù)字缸的工作速度降低。這種速度與精度的矛盾，在現(xiàn)有方案中，從結(jié)構(gòu)本身無法克服，極大地限制了數(shù)字液壓缸的推廣和使用?，F(xiàn)有的解決方法是采用復(fù)雜的控制系統(tǒng)，增大脈沖頻率，提高運(yùn)動(dòng)速度，從而間接補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的缺陷。由于受到步進(jìn)電機(jī)直接起動(dòng)頻率和液壓缸結(jié)構(gòu)的限制、造成了整個(gè)控制系統(tǒng)變得復(fù)雜、成本大幅度上升，很難同時(shí)做到高精度和高速度的統(tǒng)一，這個(gè)問題成為了制約現(xiàn)有數(shù)字液壓缸工業(yè)化應(yīng)用的瓶頸，使其難以獲得廣泛的推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用變比反饋機(jī)構(gòu)，將液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)的行程(速度)變量，轉(zhuǎn)化為不同大小的反饋?zhàn)兞?，進(jìn)而對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)速度、定位精度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)可變控制的流體缸。
本發(fā)明的構(gòu)思是將現(xiàn)有流體缸中連接活塞9和控制閥4的反饋桿7截分成兩段，即活塞端反饋桿7-1和閥芯端反饋桿7-2?；钊朔答仐U7-1和閥芯端反饋桿7-2兩者的相臨端，分別設(shè)變速裝置6和離合器13。變速裝置6把活塞9傳給活塞端反饋桿7-1的一種反饋速度變?yōu)槎喾N反饋速度。通過數(shù)控裝置1控制使離合器13中的某一選定離合端子12與對(duì)應(yīng)變速裝置6的速度輸出端子11接合，使離合器13可獲得所需的不同速度，通過離合器傳動(dòng)閥芯端反饋桿7-2，再由閥芯端反饋桿7-2另一端上的連接套5將反饋速度傳遞給控制閥閥芯14，從而使控制閥4獲得不同的負(fù)反饋?zhàn)兞?。由此?shí)現(xiàn)對(duì)活塞9運(yùn)動(dòng)速度、定位精度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)活塞的快速或慢速(精確)運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)1.現(xiàn)有的反饋式流體缸，包括數(shù)控裝置1、缸體8。缸體8中設(shè)有控制閥4和活塞9，控制閥4中設(shè)有控制閥閥芯14，控制閥閥芯14與驅(qū)動(dòng)電機(jī)2通過旋轉(zhuǎn)滑套3連接；控制閥4和活塞9之間設(shè)有驅(qū)動(dòng)裝置和反饋裝置，反饋裝置中有一根可旋轉(zhuǎn)的反饋桿7?？刂崎y4一般是滑閥式換向閥，作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)的起、停和運(yùn)動(dòng)方向的控制?，F(xiàn)有的數(shù)字流體缸的活塞9中有固定螺母10和反饋桿7上的螺紋嚙合，反饋桿7另一端與控制閥閥芯14有螺旋副相連。這樣活塞的運(yùn)動(dòng)變量行程量反饋回控制閥，并通過控制閥實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)參數(shù)的控制，在流體缸內(nèi)部形成了負(fù)反饋控制系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞9運(yùn)動(dòng)速度的控制，需要對(duì)反饋?zhàn)兞窟M(jìn)行調(diào)控，在同一流體缸需要具有幾種不同反饋?zhàn)兞浚景l(fā)明的下述技術(shù)改進(jìn)能夠?qū)崿F(xiàn)選擇可控的多種反饋?zhàn)兞?，從而?shí)現(xiàn)活塞不同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
2.本發(fā)明將現(xiàn)有的反饋桿7分為活塞端反饋桿7-1和控制閥端反饋桿7-2，活塞端反饋桿7-1一端與活塞9以螺旋副方式連接，活塞端反饋桿7-1另一端設(shè)有變速裝置6；控制閥端反饋桿7-2一端與控制閥閥芯14以運(yùn)動(dòng)副方式連接，控制閥端反饋桿7-2另一端設(shè)有離合器13；離合器13設(shè)在能與變速裝置6接合的位置；數(shù)控裝置1控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)2的轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)控裝置1控制離合器13的不同離合端子12與變速裝置6接合或脫開。一般是根據(jù)活塞9的位移精確度的需要，數(shù)控裝置1在活塞9位移到設(shè)定位置時(shí)發(fā)出相應(yīng)的控制指命，驅(qū)動(dòng)不同的離合端子12與不同轉(zhuǎn)速的離合器13速度輸出端11接合或脫開，使控制閥4獲得速度不同的反饋信號(hào)，從而修正、調(diào)整控制閥4對(duì)活塞9輸出驅(qū)動(dòng)能量的大小，或開關(guān)驅(qū)動(dòng)能量。
控制閥端反饋桿7-2經(jīng)連接套5與控制閥閥芯14以運(yùn)動(dòng)副方式連接。這是控制閥端反饋桿7-2向控制閥4傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)變量的優(yōu)選方案。當(dāng)然也可用速度合成機(jī)構(gòu)來傳遞反饋?zhàn)兞俊?br> 變速裝置6設(shè)有一個(gè)或多個(gè)速度輸出端11，能將活塞9的一種速度狀態(tài)變?yōu)檩敵龆说牧硪环N或多種轉(zhuǎn)速，根據(jù)需要變速裝置6與活塞端反饋桿7-1的連接結(jié)構(gòu)有多種，速度輸出端11的轉(zhuǎn)速可以高于或者低于活塞端反饋桿7-1的轉(zhuǎn)速。離合器13設(shè)有一個(gè)或多個(gè)離合端子12，變速裝置6的每個(gè)速度輸出端11都配有一個(gè)能相接合的離合端子12。離合器13應(yīng)設(shè)計(jì)成在某一狀態(tài)時(shí)，多個(gè)離合端子12中只有一個(gè)離合端子12與多個(gè)速度輸出端11中的一個(gè)速度輸出端11接合，在不同的時(shí)段，可以是不同的離合端子12與不同的速度輸出端11接合。什么狀態(tài)、什么時(shí)間、哪一個(gè)離合端子12與速度輸出端11接合，由數(shù)控裝置1控制。數(shù)控裝置1根據(jù)預(yù)定程序，在活塞運(yùn)動(dòng)到適當(dāng)位置時(shí)發(fā)出相應(yīng)的指令。
為了使反饋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、反饋?zhàn)兞繙?zhǔn)確，將反饋桿7、速度輸出端11、離合端子12、連接套5設(shè)計(jì)在同一旋轉(zhuǎn)軸線。
變速裝置6是齒輪變速裝置、滾珠軸承變速裝置、摩擦輪變速裝置的某一種。只要能將一種輸入轉(zhuǎn)速變?yōu)榱硪环N或多種輸出轉(zhuǎn)速的裝置都可以作為本發(fā)明的變速裝置6。
本發(fā)明的控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)2是步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)的某一種。
本發(fā)明中連接套5與控制閥4之間的連接運(yùn)動(dòng)副包括螺旋副或凸輪副，即可用螺旋副，也可用凸輪副。
上述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)反饋控制的過程如下1、數(shù)字流體缸的三種工作狀態(tài)(1)靜止?fàn)顟B(tài)如圖1、2，高壓流體由控制閥4的進(jìn)油口P通入控制閥，由于控制閥閥芯14上的軸肩的密封作用，流體未通入缸體8的油腔內(nèi)，這時(shí)活塞停止不動(dòng)。
(2)前進(jìn)狀態(tài)如圖3、圖4所示，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)2受數(shù)控裝置1的脈沖數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)，通過滑套3的鍵帶動(dòng)控制閥閥芯14轉(zhuǎn)動(dòng)，由于控制閥閥芯14端頭有運(yùn)動(dòng)副與連接套5連接，因而控制閥閥芯14在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)還產(chǎn)生遠(yuǎn)離步進(jìn)電機(jī)2方向的軸向移動(dòng)。高壓流體經(jīng)控制閥閥芯14移動(dòng)后所形成的軸肩與閥體孔道間的縫隙及缸體中的流道進(jìn)入缸體的無桿腔，有桿腔的流體經(jīng)流道從T口排出流體。流動(dòng)方向見圖3、圖4，從而無桿腔的高壓流體推動(dòng)活塞9向前運(yùn)動(dòng)。
(3)后退狀態(tài)如圖5，改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，使控制閥閥芯14向靠近步進(jìn)電機(jī)方向移動(dòng)，高壓流體經(jīng)控制閥閥芯14移動(dòng)后所形成的軸肩與閥體孔道間的縫隙及缸體中的流道進(jìn)入缸體的有桿腔，無桿腔的流體經(jīng)流道從T口排出流體。流動(dòng)方向見圖5，從而有桿腔的高壓流體推動(dòng)活塞9向后退回。
2、實(shí)現(xiàn)變比反饋的控制過程在活塞9前進(jìn)或后退時(shí)，其運(yùn)動(dòng)會(huì)通過反饋桿7-1和7-2反饋到控制閥4，其反饋過程是這樣的活塞9運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)其中的螺母10一起運(yùn)動(dòng)，由于螺母10與反饋桿7-1的螺旋作用，反饋桿7-1產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過變速裝置、離合器，從而帶動(dòng)連接套5轉(zhuǎn)動(dòng)，由于連接套5與控制閥閥芯14有運(yùn)動(dòng)副連接；從而有將控制閥閥芯14拉向原位的動(dòng)作，形成位置的負(fù)反饋。由于變速裝置6能按不同傳動(dòng)比輸出多種反饋速度，變速裝置6的每個(gè)輸出端11各有不同的轉(zhuǎn)速。數(shù)控裝置1控制離合器離合端子12與變速裝置輸出端11的接合情況如圖3、圖4，當(dāng)需要活塞作高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以通過數(shù)控裝置1的控制信號(hào)使離合端子12與變速裝置輸出端11中的大減速比端子接合，使得離合端子12獲得經(jīng)過變速裝置大減速后的低反饋速度。同樣當(dāng)需要活塞作低速精確運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以通過數(shù)控裝置1的控制信號(hào)使離合端子12與變速裝置輸出端11中的小減速比端子或者增速比端子接合，使得離合端子12獲得一個(gè)較高反饋速度。離合端子通過控制閥閥芯端反饋桿7-2，使連接套5可以按幾種不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，控制閥可以獲得不同的反饋?zhàn)兞?，?shí)際上就等同于流體缸有不同的幾根反饋桿，可以得到幾個(gè)不同的脈沖當(dāng)量，因此在活塞運(yùn)動(dòng)中可以方便地產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)或精確的慢速運(yùn)動(dòng)，很好地滿足了不同工作要求的需要。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明研制的數(shù)字液壓缸采用了變比反饋機(jī)構(gòu)和分段控制方法，可以由數(shù)控裝置統(tǒng)一控制。由于設(shè)計(jì)了變比反饋機(jī)構(gòu)，可以通過數(shù)控裝置1的控制信號(hào)使離合端子12與變速裝置輸出端11的不同速度比端子接合，使得離合端子12獲得經(jīng)過變速后的低反饋速度或者一個(gè)較高反饋速度。離合端子通過控制閥閥芯端反饋桿7-2，使連接套5可以按幾種不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，可以在控制閥和活塞之間實(shí)現(xiàn)可控制的不同反饋速比的反饋運(yùn)動(dòng)，活塞可以方便地產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)或精確的慢速運(yùn)動(dòng)。因此可以采用分段控制的方法，用同一流體缸同時(shí)達(dá)到高速運(yùn)動(dòng)和精確定位的目的。例如需要活塞運(yùn)動(dòng)302.44mm，我們?cè)跀?shù)控裝置1中預(yù)設(shè)了相應(yīng)程序，自動(dòng)進(jìn)行分段，如分為300mm和2.44mm兩段，在開始階段利用變速裝置和離合器接合的大變速比狀態(tài)反饋，高速運(yùn)動(dòng)300mm，完成高速運(yùn)動(dòng)后，數(shù)控裝置1根據(jù)預(yù)定程序，在活塞運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置時(shí)發(fā)出指令，變速裝置和離合器自動(dòng)切換到小變速比反饋狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)精確慢速運(yùn)動(dòng)2.44mm，從而確保最終行程為300mm+2.44mm。這樣的控制方法和結(jié)構(gòu)使數(shù)字流體缸在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和使用條件等方面都產(chǎn)生了巨大的改進(jìn)1)在一定的脈沖頻率和電機(jī)步距角不變的情況下，活塞行程的定位精度取決于脈沖當(dāng)量，由反饋桿7的螺旋導(dǎo)程決定；同一導(dǎo)程難以同時(shí)滿足高速度運(yùn)動(dòng)與精確定位的需要，而采用變比反饋等于有多種導(dǎo)程反饋桿7，可以很好地克服高速度運(yùn)動(dòng)與精確定位的矛盾。
2)由于采用了本機(jī)械機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了活塞9即快速運(yùn)動(dòng)又可精度定位的統(tǒng)一，可以根據(jù)使用要求設(shè)計(jì)流體缸的機(jī)械機(jī)構(gòu)，使得缸體工作準(zhǔn)確、可靠，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)略，操作方便。
3)由于可以在數(shù)控裝置1脈沖頻率不高的一般情況下，活塞9能獲得工業(yè)要求的快速運(yùn)動(dòng)又可精度定位。從而控制系統(tǒng)不再需要細(xì)分驅(qū)動(dòng)器和智能控制模塊，數(shù)字式流體缸制造成本降1/3～1/5。
4)在數(shù)控裝置1同樣脈沖當(dāng)量的情況下，由于反饋速度提高，使得控制閥4工作平衡時(shí)的閥口開度加大，對(duì)油液過濾精度的要求降低，液壓系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，運(yùn)行費(fèi)用大大降低。
5)由于受步進(jìn)電機(jī)2啟動(dòng)頻率的限制，如在滿足0.01mm的定位精度時(shí)，現(xiàn)有數(shù)字流體缸的活塞9全程只能達(dá)到30mm/s的一個(gè)運(yùn)動(dòng)速度。采用本發(fā)明變比反饋機(jī)構(gòu)后，活塞9的快速階段和慢速階段的平均運(yùn)動(dòng)速度可以容易地達(dá)到200mm/s以上，并且定位精度保證在0.01mm的等級(jí)。同時(shí)由于不需要特別大導(dǎo)程的絲桿，流體缸所需絲桿的加工變得比較容易。
6)提升定位精度。如按照滿足0.01mm的定位精度設(shè)計(jì)流體缸，在變速裝置采用增速設(shè)計(jì)后，可以減小流體缸的脈沖當(dāng)量。采用本發(fā)明的數(shù)字流體缸可以在不需要很小步距角的步進(jìn)電機(jī)和小導(dǎo)程的精密絲桿的情況下，可以將活塞9的定位精度由0.01mm提升至0.002mm的等級(jí)，實(shí)現(xiàn)高定位精度。
總起來，本發(fā)明的變比反饋式數(shù)字式流體缸可以滿足1m以上大行程，同時(shí)活塞速度在10～500mm/s范圍可調(diào)的技術(shù)要求。


圖1是本發(fā)明的基本原理圖；圖2是本發(fā)明活塞處于靜止?fàn)顟B(tài)的示意圖；圖3是本發(fā)明活塞處于快速前進(jìn)狀態(tài)的示意4本發(fā)明活塞處于精確前進(jìn)狀態(tài)的示意圖；圖5是本發(fā)明活塞處于后退狀態(tài)的示意圖；圖中1是數(shù)控裝置、2是控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)、3是旋轉(zhuǎn)滑套、4是控制閥、5是連接套、6是變速裝置、7是反饋桿、7-1是活塞端反饋桿、7-2是閥芯端反饋桿、8是缸體、9是活塞、10是固定螺母、11是變速裝置輸出端、12是離合端子、13是離合器、14是控制閥閥芯。
具體實(shí)施例實(shí)施例1本發(fā)明變比反饋式數(shù)字流體缸，包括現(xiàn)有數(shù)控流體缸也具有的部件及其結(jié)構(gòu)是數(shù)控裝置1、控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)2、缸體8，以及缸體8中的活塞9、控制閥4和反饋桿7，控制閥閥芯14與控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)2以旋轉(zhuǎn)滑套3方式連接，控制閥4是滑閥式換向閥?？刂崎y4的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)起停和運(yùn)動(dòng)方向改變控制。本實(shí)施例控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)2用步進(jìn)動(dòng)電機(jī)。本實(shí)施例數(shù)字流體缸中的反饋機(jī)構(gòu)是本發(fā)明的反饋桿由兩段組成，其中在相鄰活塞9的一段上是活塞端反饋桿7-1，活塞端反饋桿7-1一端有螺紋，與活塞9上固定的螺母10保持螺旋副方式連接，另一端固定連接著一個(gè)有A、B、C三個(gè)速度輸出端子11的滾珠軸承變速裝置，其中，A端子與活塞端反饋桿7-1直接接通，A端子轉(zhuǎn)速與活塞端反饋桿轉(zhuǎn)速的速比為1∶1?；钊?的任何一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度，在滾珠軸承變速裝置速度輸出端都可有A、B、C三個(gè)速度輸出端子11的三種不同的轉(zhuǎn)動(dòng)速度輸出，這三種轉(zhuǎn)動(dòng)速度之間的比值可以根據(jù)需要，通過設(shè)計(jì)不同滾珠軸承變速裝置的方式確定。一般在活塞9的往復(fù)運(yùn)動(dòng)定位精度為0.01mm的情況下，滾珠軸承變速裝置的三種轉(zhuǎn)速的速度之比可以是A∶B∶C＝9∶3∶1。
前述將現(xiàn)有數(shù)控流體缸的另一段反饋桿是相鄰控制閥4的控制閥閥芯端反饋桿7-2，控制閥閥芯端反饋桿7-2一端與控制閥4以螺旋副保持連接，另一端固定連接有電磁離合器13。電磁離合器13有能與齒輪變速裝置A、B、C三個(gè)速度輸出端子11接合的X、Y、Z三個(gè)離合端子12，其中離合端子12分別由相應(yīng)的電磁鐵控制其接合或脫開動(dòng)作。每個(gè)電磁鐵都與數(shù)控裝置1相連，受數(shù)控裝置1的控制，這樣三個(gè)離合端子X、Y、Z在不同的時(shí)間，可以分別與A、B、C三個(gè)滾珠軸承變速裝置的速度輸出端子接合，即A→X、或B→Y、或C→Z三種組合方式。因此三個(gè)離合端子所得到的轉(zhuǎn)速的比值也為X∶Y∶Z＝9∶3∶1，其中X端子的轉(zhuǎn)速與活塞端反饋桿7-1的轉(zhuǎn)速相等。如果活塞端反饋桿7-1的轉(zhuǎn)速是900轉(zhuǎn)/分，則X端子輸出的轉(zhuǎn)速是900轉(zhuǎn)/分，Y端子的轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分，Z端子為100轉(zhuǎn)/分。離合端子通過控制閥閥芯端反饋桿7-2，使連接套5也可以在不同時(shí)間按三種不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在不同時(shí)間控制閥能得到三種不同反饋控制速度，實(shí)質(zhì)上是不同時(shí)間可獲得三個(gè)不同的脈沖當(dāng)量，A→X、B→Y、C→Z三種組合方式所得的脈沖當(dāng)量之比為1∶3∶9，活塞可以得到三種不同速度比值為1∶3∶9的運(yùn)動(dòng)速度。
離合器13設(shè)在能與變速裝置6接合的位置。
本實(shí)施例數(shù)控裝置1控制活塞9運(yùn)動(dòng)的過程是譬如要求活塞9伸出缸體141.85毫米。首先，通過設(shè)計(jì)確保活塞的運(yùn)動(dòng)定位精度為高于0.01mm，其次，數(shù)控裝置1自動(dòng)對(duì)整個(gè)行程進(jìn)行分段，如分為140mm和1.85mm兩段，在開始階段利用變速裝置和離合器接合的大變速比狀態(tài)反饋，高速運(yùn)動(dòng)140mm，完成高速運(yùn)動(dòng)后，變速裝置和離合器自動(dòng)切換到小變速比反饋狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)精確慢速運(yùn)動(dòng)1.85mm，從而確保最終行程為140mm+1.85＝141.85mm，如可以通過數(shù)控裝置1的控制信號(hào)，使離合端子12中的X端子與變速裝置輸出端11的A端接合，或者離合端子12中的Z端子與變速裝置輸出端11的C端接合。在脈沖當(dāng)量＝0.01mm，數(shù)控裝置的控制脈沖頻率＝3000/s時(shí)，數(shù)控裝置1的控制信號(hào)首先使得，處于離合端子12中的Z端子與變速裝置輸出端11的C端接合，反饋信號(hào)按9∶1減速傳動(dòng)傳遞，則活塞運(yùn)動(dòng)的脈沖當(dāng)量較大，活塞實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)，活塞前進(jìn)速度為270mm/s；高速運(yùn)動(dòng)完成了140mm的行程后，數(shù)控裝置1按程序，發(fā)出新的控制信號(hào)，使得處于離合端子12中的X端子與變速裝置輸出端11的A端接合，反饋信號(hào)按1∶1傳遞，則活塞運(yùn)動(dòng)的脈沖當(dāng)量較小，活塞實(shí)現(xiàn)慢速精確運(yùn)動(dòng)，前進(jìn)速度為30mm/s， 全程的平均速度為266mm/s。既保證了行程的定位精度，又滿足了高速運(yùn)動(dòng)的需要。
實(shí)施例2如實(shí)施例1，其區(qū)別僅在于變速裝置速度輸出端11和離合器13的離合端子12數(shù)量和相對(duì)比例不同。三個(gè)速度輸出端11的滾珠軸承變速裝置換為五個(gè)速度輸出端11的齒輪變速裝置，即A、B、C、D、E五個(gè)速度輸出端子11，其中，A端子與活塞端反饋桿7-1直接接通，A端子轉(zhuǎn)速與活塞端反饋桿轉(zhuǎn)速的速度比為1∶1。電磁離合器13也有分別可與這五個(gè)速度輸出端子11相接合的U、W、X、Y、Z五個(gè)離合端子12。
控制閥端反饋桿7-2經(jīng)連接套5與控制閥4以螺旋副方式連接。
齒輪變速裝置A、B、C、D、E五個(gè)速度輸出端子11的輸出速度通過設(shè)計(jì)不同變速裝置結(jié)構(gòu)形式和尺寸，進(jìn)行調(diào)整。如在活塞9的往復(fù)運(yùn)動(dòng)定位精度為0.01mm的情況下，變速裝置A、B、C、D、E五個(gè)速度輸出端子11的輸出速度值之比可以是16∶8∶4∶2∶1。
同實(shí)施例1一樣，數(shù)控流體缸的另一段反饋桿是相鄰控制閥4的控制閥閥芯端反饋桿7-2，控制閥閥芯端反饋桿7-2一端與控制閥4以螺旋副保持連接?？刂崎y端反饋桿7-2的另一端固定連接有電磁離合器13，電磁離合器13有能與齒輪變速裝置五個(gè)速度輸出端11接合的U、W、X、Y、Z共5個(gè)離合端子12，離合端子12分別由相應(yīng)的電磁鐵控制其接合或脫開動(dòng)作。每個(gè)電磁鐵都與數(shù)控裝置1相連，受數(shù)控裝置1的控制，這樣U、W、X、Y、Z五個(gè)離合端子12在不同的時(shí)間，可以分別與A、B、C、D、E五個(gè)速度輸出端子11接合，即A→U、或B→W、或C→X、或D→Y、或E→Z五種組合方式。因此五個(gè)離合端子所得到的轉(zhuǎn)速的比值也為16∶8∶4∶2∶1，其中U端子的轉(zhuǎn)速與活塞端反饋桿7-1的轉(zhuǎn)速相等。如果活塞端反饋桿7-1的轉(zhuǎn)速是800轉(zhuǎn)/分，則U端子輸出的轉(zhuǎn)速是800轉(zhuǎn)/分，W端子的轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分，X端子為200轉(zhuǎn)/分，Y端子的轉(zhuǎn)速為100轉(zhuǎn)/分，Z端子為50轉(zhuǎn)/分。離合端子通過控制閥閥芯端反饋桿7-2，使連接套5也可以在不同時(shí)間按5種不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在不同時(shí)間控制閥能得到5種不同反饋控制速度，實(shí)質(zhì)上是不同時(shí)間可獲得5個(gè)不同的脈沖當(dāng)量，A→U、B→W、C→X、D→Y、、E→Z共5種組合方式所得的脈沖當(dāng)量之比為1∶2∶4∶8∶16，活塞可以得到5種不同速度比值為1∶2∶4∶8∶16的運(yùn)動(dòng)速度。
另外，反饋桿7、速度輸出端11、離合端子12、連接套5和控制閥4具有同一旋轉(zhuǎn)軸線。
本實(shí)施例數(shù)控裝置1控制活塞9運(yùn)動(dòng)的過程是譬如要求活塞9伸出缸體分別按大約為120mm/s和240mm/s兩種不同的速度運(yùn)動(dòng)152.43mm和533.78mm，完成兩個(gè)行程的工作。首先，通過設(shè)計(jì)確保活塞的運(yùn)動(dòng)定位精度為高于0.01mm，其次，數(shù)控裝置1自動(dòng)對(duì)整個(gè)行程進(jìn)行分段，如把152.43mm分為151mm和1.43mm兩段；把533.78mm也分為531mm和2.78mm兩段。
在第一行程的開始階段，數(shù)控裝置1的控制信號(hào)首先使得，變速裝置和離合器大變速比狀態(tài)反饋狀態(tài)接合，如可以通過數(shù)控裝置1的控制信號(hào)，使離合端子12中的X端子與變速裝置輸出端11的C端接合，反饋信號(hào)按4∶1減速傳動(dòng)傳遞，則活塞運(yùn)動(dòng)的脈沖當(dāng)量較大，活塞實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)，在脈沖當(dāng)量＝0.01mm，數(shù)控裝置的控制脈沖頻率＝3000/s時(shí)，活塞前進(jìn)速度為120mm/s；高速運(yùn)動(dòng)151mm，完成高速運(yùn)動(dòng)后，數(shù)控裝置1按程序，發(fā)出新的控制信號(hào)，變速裝置和離合器自動(dòng)切換到小變速比反饋狀態(tài)，使得處于離合端子12中的X端子與變速裝置輸出端11的A端接合，反饋信號(hào)按1∶1傳遞，則活塞運(yùn)動(dòng)的脈沖當(dāng)量較小，活塞實(shí)現(xiàn)慢速精確運(yùn)動(dòng)，前進(jìn)速度為30mm/s，實(shí)現(xiàn)精確慢速運(yùn)動(dòng)1.43mm，從而確保最終行程為151mm+1.43＝152.43mm，而全程的平均速度為119.95mm/s。
接下來，在第二行程的開始階段，數(shù)控裝置1的控制信號(hào)可首先使離合端子12中的Y端子與變速裝置輸出端11的D端接合，反饋信號(hào)按8∶1傳遞減速傳動(dòng)，則活塞運(yùn)動(dòng)的脈沖當(dāng)量較大，活塞實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)，在脈沖當(dāng)量＝0.01mm，數(shù)控裝置的控制脈沖頻率＝3000/s時(shí)，活塞前進(jìn)速度為240mm/s；高速運(yùn)動(dòng)531mm，完成高速運(yùn)動(dòng)后，數(shù)控裝置1按程序，發(fā)出新的控制信號(hào)，變速裝置和離合器自動(dòng)切換到小變速比反饋狀態(tài)，使得處于離合端子12中的X端子與變速裝置輸出端11的A端接合，反饋信號(hào)按1∶1傳遞，則活塞運(yùn)動(dòng)的脈沖當(dāng)量較小，活塞實(shí)現(xiàn)慢速精確運(yùn)動(dòng)，前進(jìn)速度為30mm/s，實(shí)現(xiàn)精確慢速運(yùn)動(dòng)2.78mm，從而確保最終行程為531mm+2.78＝533.78mm，，而全程的平均速度為238.9mm/s。
整個(gè)行程保證了行程的定位精度，又滿足了高速運(yùn)動(dòng)的需要。
實(shí)施例3如實(shí)施例1，但三個(gè)速度輸出端11的滾珠軸承變速裝置換為有A、B二個(gè)速度輸出端11的摩擦輪變速裝置，其中，A端子與活塞端反饋桿7-1直接接通，速度比為1∶1?；钊?的任何一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度，在摩擦輪變速裝置速度輸出端11都可有2種不同的轉(zhuǎn)動(dòng)速度輸出，這2種轉(zhuǎn)動(dòng)速度之間的比值可以根據(jù)需要，通過設(shè)計(jì)不同摩擦輪變速裝置的確定。如在活塞9的往復(fù)運(yùn)動(dòng)定位精度為0.01mm的情況下，摩擦輪變速裝置的2種轉(zhuǎn)速的速度比可以是1∶4。如果A端子輸出的轉(zhuǎn)速是100轉(zhuǎn)/分，則B端子的轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分。
電磁離合器13也有X、Y 2個(gè)與速度輸出端11相接合的離合端子12，離合端子12分別由相應(yīng)的電磁鐵控制其接合或脫開動(dòng)作。每個(gè)電磁鐵都與數(shù)控裝置1相連，受數(shù)控裝置1的控制，這樣X、Y2個(gè)離合端子在不同的時(shí)間，可以分別與A、B二個(gè)齒輪變速裝置的速度輸出端子接合，即A→X、或B→Y二種組合方式。因此2個(gè)離合端子所得到的轉(zhuǎn)速的比值也為1∶4，其中X端子的轉(zhuǎn)速與活塞端反饋桿7-1的轉(zhuǎn)速相等。如果活塞端反饋桿7-1的轉(zhuǎn)速是100轉(zhuǎn)/分，則X端子輸出的轉(zhuǎn)速是100轉(zhuǎn)/分，Y端子的轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分。離合端子通過閥芯端反饋桿7-2，使連接套5也可以在不同時(shí)間按2種不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在不同時(shí)間控制閥能得到2種不同反饋控制速度，實(shí)質(zhì)上是不同時(shí)間可獲得2個(gè)不同的脈沖當(dāng)量，A→X、B→Y2種組合方式所得的脈沖當(dāng)量之比為4∶1，活塞可以得到2種不同定位精度的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)定位精度的數(shù)值比為4∶1，可以用此方法來提升數(shù)字流體缸的定位精度。
離合器13設(shè)在能與變速裝置6接合的位置。
控制閥端反饋桿7-2經(jīng)連接套5與控制閥4以凸輪副方式連接。
本實(shí)施例控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)2用伺服電機(jī)。
本實(shí)施例數(shù)控裝置1控制活塞9運(yùn)動(dòng)的過程是譬如要求活塞9伸出缸體的行程為141.85mm和150.025mm。運(yùn)動(dòng)速度不作要求。
首先，通過設(shè)計(jì)確保活塞的運(yùn)動(dòng)定位精度為0.01mm。
如果不采用本發(fā)明，只用定位精度＝0.01mm的數(shù)字流體缸，是無法滿足第二個(gè)行程的定位精度的要求的?，F(xiàn)在可以通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)用定位精度0.01mm的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)0.025mm的定位精度。
其次，數(shù)控裝置1自動(dòng)對(duì)整個(gè)行程進(jìn)行分段，分為141.85mm段和后續(xù)的150.025-141.85＝8.175mm段，在開始階段通過數(shù)控裝置1的控制信號(hào)，使離合端子12中的X端子與變速裝置輸出端11的A端接合，反饋信號(hào)按1∶1傳遞，在脈沖當(dāng)量＝0.01mm，數(shù)控裝置的控制脈沖頻率＝3000/s時(shí)，活塞按精度為0.01mm，速度為30mm/s運(yùn)動(dòng)141.85mm，達(dá)到指定位置。
接下來，數(shù)控裝置1按程序，發(fā)出新的控制信號(hào)，處于離合端子12中的Y端子與變速裝置輸出端11的B端接合，反饋信號(hào)按1∶4增速傳動(dòng)傳遞，則活塞運(yùn)動(dòng)的脈沖當(dāng)量變小，活塞可以實(shí)現(xiàn)更高的定位精度。這時(shí)的脈沖當(dāng)量為0.01/4＝0.025mm，只需數(shù)控裝置發(fā)出327個(gè)脈沖信號(hào)，活塞就可前進(jìn)0.025×327＝8.175mm的行程。由此可以達(dá)到用低精度流體缸實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)要求的目的。
權(quán)利要求
1.變比反饋式數(shù)字流體缸，包括數(shù)控裝置(1)、缸體(8)，缸體(8)中設(shè)有控制閥(4)和活塞(9)，控制閥(4)中設(shè)有控制閥閥芯(14)，控制閥閥芯(14)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)(2)通過旋轉(zhuǎn)滑套(3)連接；控制閥(4)和活塞(9)之間設(shè)有驅(qū)動(dòng)裝置和反饋裝置，反饋裝置中有一根可旋轉(zhuǎn)的反饋桿(7)，其特征在于反饋桿(7)分為活塞端反饋桿(7-1)和控制閥端反饋桿(7-2)，活塞端反饋桿(7-1)一端與活塞(9)通過固定螺母(10)，以螺旋副方式連接，活塞端反饋桿(7-1)另一端設(shè)有變速裝置(6)；控制閥端反饋桿(7-2)一端與控制閥閥芯(14)以運(yùn)動(dòng)副方式連接，控制閥端反饋桿(7-2)另一端設(shè)有離合器(13)；離合器(13)設(shè)在能與變速裝置(6)接合的位置；數(shù)控裝置(1)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)(2)的轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)控裝置(1)控制離合器(13)的不同離合端子(12)與變速裝置(6)接合或脫開。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變比反饋式數(shù)字流體缸，其特征在于控制閥端反饋桿(7-2)相連的連接套(5)與控制閥閥芯(14)以運(yùn)動(dòng)副方式連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變比反饋式數(shù)字流體缸，其特征在于變速裝置(6)設(shè)有一個(gè)或多個(gè)速度輸出端(11)，能輸出一種或多種轉(zhuǎn)速；離合器(13)設(shè)有一個(gè)或多個(gè)離合端子(12)，變速裝置(6)的每個(gè)速度輸出端(11)都配有一個(gè)能相接合的離合端子(12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的變比反饋式數(shù)字流體缸，其特征在于數(shù)控裝置(1)控制不同離合端子(12)與變速裝置(6)的不同速度輸出端(11)接合或脫開，使離合器(13)獲得不同的轉(zhuǎn)速，從而控制閥端反饋桿(7-2)獲得不同的反饋轉(zhuǎn)速。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變比反饋式數(shù)字流體缸，其特征在于反饋桿(7)、速度輸出端(11)、離合端子(12)、連接套(5)具有同一旋轉(zhuǎn)軸線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變比反饋式數(shù)字流體缸，其特征在于變速裝置(6)是齒輪變速裝置、滾珠軸承變速裝置、摩擦輪變速裝置的某一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變比反饋式數(shù)字流體缸，其特征在于控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)(2)是步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)的某一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變比反饋式數(shù)字流體缸，其特征在于連接套(5)與控制閥閥芯(14)之間的連接運(yùn)動(dòng)副是螺旋副或凸輪副中的一種。
全文摘要
本發(fā)明變比反饋式數(shù)字流體缸屬于流體缸技術(shù)領(lǐng)域，特別是自反饋式數(shù)字化驅(qū)動(dòng)液壓缸的反饋控制技術(shù)領(lǐng)域。為了使流體缸的活塞能高速運(yùn)動(dòng)又精確定位，把流體缸中的反饋桿7分為活塞端反饋桿7－1和控制閥端反饋桿7－2，活塞端反饋桿7－1一端設(shè)有變速裝置6；控制閥端反饋桿7－2一端設(shè)有離合器13；離合器13設(shè)在能與變速裝置6接合的位置；數(shù)控裝置1控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)2的轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)控裝置1控制離合器13的不同離合端子12與變速裝置6接合或脫開。數(shù)控裝置1把活塞行程分為長(zhǎng)距離高速運(yùn)動(dòng)段和微距離慢速精確運(yùn)動(dòng)段，在不同的運(yùn)動(dòng)段啟動(dòng)不同的離合端子12，使控制閥閥芯14獲得不同的反饋?zhàn)兞?，控制活塞不同運(yùn)動(dòng)速度和定位精度。
文檔編號(hào)F15B15/20GK1971069SQ20061002213
公開日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月27日
發(fā)明者洪明, 宋鳴 申請(qǐng)人:成都電子機(jī)械高等專科學(xué)校, 洪明, 宋鳴