專利名稱：多功能步進式電液隨動伺服閥的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電液隨動系統(tǒng)中一類數(shù)字控制元件-多功能步進式電液隨動伺服閥。
電液隨動系統(tǒng)中應用的現(xiàn)有數(shù)字控制元件，多采用由步進電機驅動方向流量控制閥(采用轉閥或滑閥)而組成的數(shù)字式電液伺服閥。如中國發(fā)明專利“一種數(shù)字式伺服轉閥”(專利號86107688.5)和中國實用新型專利“一種簡易型數(shù)字式伺服閥”(專利號86208732.5)，均采用了由一只受指令信號脈沖控制的主電機和一只受系統(tǒng)反饋信號脈沖控制的反饋電機協(xié)調驅動方向流量控制閥的形式，實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制作用。這種數(shù)字式伺服閥在某些條件下使用尚有不足之處a)主電機及反饋電機均按開環(huán)控制方式工作，如不附加另外的反饋環(huán)節(jié)或其它校正環(huán)節(jié)，難以保證電液隨動系統(tǒng)的隨動性能;b)液壓執(zhí)行機構的反饋，要借助反饋電機的作用來實現(xiàn)，當控制系統(tǒng)斷電時這種反饋作用中斷，將使液壓系統(tǒng)失控;c)僅有一只由指令信號脈沖控制的主電機，不能直接實現(xiàn)備用控制作用。
本發(fā)明的目的是提供一類在不附加另外環(huán)節(jié)的情況下，能保證電液隨動系統(tǒng)的隨動性能、斷電后能確保液壓系統(tǒng)不發(fā)生失控故障、可以直接實現(xiàn)備用控制作用的多功能步進式電液隨動伺服閥(所說的電液隨動系統(tǒng)，是指輸入為電氣指令信號X、輸出為液壓放大執(zhí)行機構機械位移Y的電液位置伺服系統(tǒng))。
本發(fā)明分兩種形式多功能步進式電液隨動伺服轉閥和多功能步進式電液隨動伺服閥(其中的方向流量控制閥可用轉閥也可用滑閥)。
多功能步進式電液隨動伺服轉閥由步進電機、位——電變換器和轉閥組成，其中轉閥由閥芯、轉動閥套和閥體組成，閥芯由步進電機直接驅動或減速驅動，其特征在于位——電變換器與閥芯連接，把閥芯的角位移變?yōu)殡娦盘枺弧娮儞Q器可采用角位移變換器；轉動閥套上有接受由轉閥控制的液壓放大執(zhí)行機構的機械反饋信號的構件和構造，它可以是與轉動閥套同心的環(huán)形反饋鋼絲繩槽和恢復鋼絲繩槽，也可以是齒輪、齒條付；步進電機與轉閥之間設置有斷電后把閥芯及步進電機鎖定的斷電制動器。
多功能步進式電液隨動控制閥由步進電機、位——電變換器和方向流量控制閥組成，其特征在于在步進電機與方向流量控制閥之間設置有指令、反饋信號合成機構，它的輸出端與方向流量控制閥的閥芯直接(或間接)連接，它的兩個輸入端一個作為指令信號輸入端，由步進電機直接(或間接)驅動，另一個作為反饋信號輸入端，其上有接受由方向流量控制閥控制的液壓放大執(zhí)行機構的機械反饋信號的構件，該構件可以是外圓柱面上有與其轉軸同心的環(huán)形反饋鋼絲繩槽和恢復鋼絲繩槽的鋼絲輪，也可以是齒輪、齒條付；指令、反饋信號合成機構可以采用消間隙行星周轉輪系差動機構，也可以采用消間隙錐輪周轉輪系差動機構；位——電變換器與指令、反饋信號合成機構的指令信號輸入端連接，把指令信號輸入端的角位移變?yōu)殡娦盘?，?電變換器可以采用角位移變換器;
在步進電機與指令、反饋信號合成機構之間設置指令信號合成機構，它的輸出端與指令、反饋信號合成機構的指令信號輸入端連接，它的兩個輸入端一個由步進電機驅動，另一個由備用電機直接驅動或減速驅動;指令信號合成機構可以采用消間隙行星周轉輪系差動機構，也可以采用消間隙錐輪周轉輪系差動機構;
設置斷電后把步進電機鎖定的斷電制動器。
與已有技術相比，多功能步進式電液隨動伺服轉閥設置有位-電變換器和轉動閥套有接受由轉閥控制的液壓放大執(zhí)行機構的機械反饋信號的構件或構造，應用本發(fā)明可構成按(電-機隨動閉環(huán)控制)+(機-液隨動閉環(huán)控制)模式工作的電液隨動系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，電-機隨動和機-液隨動均為閉環(huán)控制，在不附加其他任何環(huán)節(jié)的情況下能保證隨動系統(tǒng)的隨動性能;機-液隨動系統(tǒng)完全由機械、液壓機構實現(xiàn)閉環(huán)控制，當系統(tǒng)斷電后，由斷電制動器把閥芯鎖定，從而保證液壓系統(tǒng)不發(fā)生失控故障。該多功能步進式電液隨動伺服轉閥的結構特別簡單。
與已有技術相比，多功能步進式電液隨動伺服閥具有位-電變換器和接受由方向流量控制閥控制的液壓放大執(zhí)行機構的機械反饋信號的構件，應用本發(fā)明可構成按(電-機隨動閉環(huán)控制)+(機-液隨動閉環(huán)控制)模式工作的電液隨動系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，電-機隨動和機-液隨動均為閉環(huán)控制，在不附加其他任何環(huán)節(jié)的情況下能保證隨動系統(tǒng)的隨動性能;機-液隨動系統(tǒng)完全由機械、液壓機構實現(xiàn)閉環(huán)控制，當系統(tǒng)斷電后，由斷電制動器把步進電機鎖定，從而保證液壓系統(tǒng)不發(fā)生失控故障;由于設置了備用電機和指令信號合成機構，可以直接實現(xiàn)備用控制作用，主控步進電機工作時，備用電機不起作用，防止了錯誤操作備用電機時造成不良影響，主控步進電機退出工作時，備用作用隨之投入，并且無任何擾動。


圖1是多功能步進式電液隨動伺服轉閥及其應用系統(tǒng)框圖;
圖2是圖1中轉閥的結構示意圖;
圖3是多功能步進式電液隨動伺服閥實施方案一及其應用系統(tǒng)框圖;
圖4是圖3中指令、反饋信號合成機構的示意圖;
圖5是圖3中方向流量控制閥的結構示意圖;
圖6是多功能步進式電液隨動伺服閥實施方案二及其應用系統(tǒng)框圖;
圖7是圖6中指令信號合成機構的示意圖。
圖1和圖2描述了多功能步進式電液隨動伺服轉閥及其應用系統(tǒng)的一個實施例。它由步進電機(2)、位-電變換器(3)、轉閥(4)和斷電制動器(6)組成(即圖1中虛線框內的部分);其中轉閥(4)由閥芯(7)、轉動閥套(8)和閥體(9)組成。
本實施例的特征是a)設置有與閥芯(7)連接的位-電變換器(3)。它把由步進電機(2)直接驅動或減速驅動的閥芯(7)的角位移變?yōu)殡娦盘?，以負反饋的方式反饋給控制步進電機(2)的步進電機驅動電路(1)，借以構成電-機〔輸入步進電機驅動電路(1)的“電”氣指令信號X-閥芯(7)的“機”械角位移〕隨動的控制閉環(huán)。b)轉動閥套(8)的外圓柱面上有用以接受機械驅動的與其同軸心的環(huán)形反饋鋼絲繩槽(16)和恢復鋼絲繩槽(18)。反饋鋼絲繩(19)的一端固定在轉動閥套(8)上并在反饋鋼絲繩槽(16)內纏繞，另一端由受轉閥(4)輸出的液壓信號控制的液壓放大執(zhí)行機構(5)的輸出部件拉動;恢復鋼絲繩(17)的一端固定在轉動閥套(8)上并在恢復鋼絲繩槽(18)內纏繞，另一端懸掛有重錘(26);恢復鋼絲繩(17)與反饋鋼絲繩(19)的繞向相反。重錘(26)把恢復鋼絲繩(17)及反饋鋼絲繩(19)拉緊，使轉動閥套(8)在閥體(9)內的角位移與液壓放大執(zhí)行機構(5)輸出的機械位移相對應，以實現(xiàn)負反饋。通過閥芯(7)和轉動閥套(8)對轉閥(4)輸出液壓信號的聯(lián)合控制作用，實現(xiàn)機-液〔閥芯(7)的“機”械角位移-“液”壓放大執(zhí)行機構(5)輸出的機械位移〕隨動的閉環(huán)控制。c)設置有斷電后把閥芯(7)鎖定于斷電瞬間所處狀態(tài)的斷電制動器(6)。以保證即使在系統(tǒng)斷電后，機-液隨動控制閉環(huán)不發(fā)生失控故障。
本實施例中的方向流量控制閥采用三通轉閥中的一種，其閥芯(7)作為指令構件，由步進電機(2)直接驅動或減速驅動;其轉動閥套(8)作為反饋構件，由反饋鋼絲繩(19)和恢復鋼絲繩(17)驅動。與本實施例密切相關的結構還有與回油相通的回油口(11)、回油槽(10)、轉動閥套(8)上的弧形條孔(24)、閥芯(7)上帶軸向延伸段的環(huán)形回油腔(23);與壓力油相通的壓力油口(15)、壓力油槽(14)、轉動閥套(8)上的壓力油孔(21)、閥芯(7)上帶軸向延伸段的壓力油腔(20);與液壓放大執(zhí)行機構(5)相通的控制油口(13)、控制油槽(12)、轉動閥套(8)上的控制閥口(22);閥體(9)內的凸肩把回油槽(10)、控制油槽(12)和壓力油槽(14)相互隔開;閥芯(7)上的凸肩把回油腔(23)與壓力油腔(20)隔開，并與控制閥口(22)形成正遮蓋;由閥芯(7)與轉動閥套(8)的相對角位移控制轉閥(4)輸出的液壓信號。
當系統(tǒng)處于靜止平衡狀態(tài)時，控制閥口(22)被閥芯(7)的中段凸肩完全遮蓋，閥口開度為零。當步進電機(2)在步進電機驅動電路(1)的作用下工作時，使閥芯(7)轉動，由于液壓放大執(zhí)行機構(5)的動作具有滯后，使轉動閥套(8)的轉動滯后，于是閥口由零逐漸開大，轉閥(4)輸出油壓信號，使液壓放大執(zhí)行機構(5)動作，產生位移輸出Y，該位移輸出同時通過反饋鋼絲繩(19)驅動轉動閥套(8)依閥芯(7)同向轉動，步進電機(2)在動作結束后處于通電停止的鎖定狀態(tài)，把閥芯(7)鎖住不動，轉動閥套(8)在液壓放大執(zhí)行機構(5)的機械負反饋的作用下使閥口逐漸關小，直至閥口開度為零時達到新的靜止平衡狀態(tài)。從而實現(xiàn)機-液隨動閉環(huán)控制的作用，即液壓放大執(zhí)行機構(5)隨閥芯(7)的動作而動作，隨閥芯(7)的停止而停止。
裝在閥芯(7)上、可在轉動閥套(8)上的弧形條孔(24)內擺動的銷釘(25)，用以限制閥體和閥套間的相對角位移，且只允許閥套(8)在閥體(9)內轉動，無軸向滑動。
當系統(tǒng)斷電后，閥芯(7)被斷電制動器(6)鎖定于斷電瞬間所處的位置不動，液壓放大執(zhí)行機構(5)因而處于相對應的狀態(tài)而不發(fā)生失控故障。
由于電-機隨動閉環(huán)控制的作用，使閥芯(7)的角位移始終與輸入給系統(tǒng)中步進電機驅動電路(1)的電氣指令信號X相對應，即使在系統(tǒng)剛通電、步進電機偶然失步等情況出現(xiàn)過后，也會迅速恢復這種對應關系。從根本上保證了電-液隨動系統(tǒng)的隨動性能和工作可靠性。
圖3-圖5描述了多功能步進式電液隨動伺服閥及其應用系統(tǒng)的第一個實施例。它用指令、反饋信號合成機構(27)和方向流量控制閥(28)代替多功能步進式電液隨動伺服轉閥中的轉閥(4)。指令、反饋信號合成機構(27)采用行星周轉輪系差動機構，方向流量控制閥(28)采用閥套(36)固定于閥體(9)內的三通轉閥。
采用行星周轉輪系差動機構作指令、反饋信號合成機構(27)，其中心齒輪(34)的軸(29)上套有可轉動的圓柱形鋼絲繩輪(30)，鋼絲繩輪(30)的外圓柱面上有與其轉軸同軸心的環(huán)形反饋鋼絲繩槽(16)和恢復鋼絲繩槽(18)，鋼絲繩輪(30)的右端面上固定有套裝著行星齒輪(33)的周轉軸(31)。軸(29)作為指令信號輸入端，由步進電機(2)直接驅動或減速驅動，并與位-電變換器(3)連接。鋼絲繩輪(30)作為反饋信號輸入端，由分別在反饋鋼絲繩槽(16)和恢復鋼絲繩槽(18)內按相反方向纏繞并將一端固定在鋼絲繩輪(30)上的反饋鋼絲繩(19)和恢復鋼絲繩(17)驅動;反饋鋼絲繩(19)的另一端由受方向流量控制閥(28)輸出的液壓信號控制的液壓放大執(zhí)行機構(5)的輸出部件拉動;恢復鋼絲繩(17)的另一端懸掛有重錘(26)，把恢復鋼絲繩(17)及反饋鋼絲繩(19)拉緊，使鋼絲繩輪(30)的角位移與液壓放大執(zhí)行機構(5)輸出的機械位移相對應。液壓放大執(zhí)行機構(5)輸出的機械位移信號，以負反饋形式，送至鋼絲繩輪。內齒輪(32)的軸(35)作為指令、反饋信號合成機構(27)的輸出端，與方向流量控制閥(28)的閥芯(7)連接。通過軸(29)和鋼絲繩輪(30)對軸(35)的聯(lián)合控制作用，實現(xiàn)由步進電機(2)送來的指令信號與由反饋鋼絲繩(19)送來的液壓放大執(zhí)行機構(5)的反饋信號的合成，再通過由軸(35)驅動的閥芯(7)對方向流量控制閥(28)輸出液壓信號的控制作用，去控制液壓放大執(zhí)行機構(5)，以構成機-液隨動的控制閉環(huán)。
與軸(29)連接的位-電變換器(3)，把由步進電機(2)驅動的軸(29)的角位移變?yōu)殡娦盘?，以負反饋的形式送給控制步進電機(2)的步進電機驅動電路(1)，以構成電-機隨動的控制閉環(huán)。
設置有斷電后把軸(29)鎖定于斷電瞬間所處狀態(tài)的斷電制動器(6)。以保證即使在系統(tǒng)斷電后，機-液隨動控制閉環(huán)不發(fā)生失控故障。
本實施例與多功能步進式電液隨動伺服轉閥的工作過程基本相同。下面僅簡述本實施例中機-液隨動閉環(huán)的控制過程。
當軸(29)由步進電機(2)驅動產生角位移時，通過軸(35)使閥芯(7)轉動，方向流量控制閥(28)輸出液壓信號，使液壓放大執(zhí)行機構(5)動作，產生位移輸出，同時經反饋鋼絲繩(19)驅動鋼絲繩輪(30)轉動，通過軸(35)使閥芯(7)向中間平衡位置恢復，達到靜態(tài)平衡時液壓放大執(zhí)行機構(5)輸出的機械位移與軸(29)的角位移相對應，實現(xiàn)機-液隨動的閉環(huán)控制。
圖6和圖7描述了多功能步進式電液隨動伺服閥及其應用系統(tǒng)的第二個實施例。它是在多功能步進式電液隨動伺服閥第一個實施例的基礎上增設指令信號合成機構(37)及由控制電路(39)控制的備用電機(38)而構成的。指令信號合成機構(37)采用行星周轉輪系差動機構，設置在步進電機(2)與指令、反饋信號合成機構(27)之間;其中心齒輪(47)的軸(39)上套有可轉動的、與軸(40)上的齒輪(41)相嚙合的齒輪(48)，在齒輪(48)的右端面上同軸心地裝有行星周轉輪系的內齒輪(42)，套有行星輪(44)的周轉軸(43)裝在轉臂(45)上，轉臂(45)安裝在與軸(39)同軸心線的輸出軸(46)上。軸(39)作為主控指令信號輸入端，由步進電機(2)驅動;軸(40)作為備用控制指令信號輸入端，由備用電機(38)直接驅動或減速驅動;軸(46)作為指令信號合成機構輸出端，驅動指令、反饋信號合成機構(27)的軸(29)。
由于位-電變換器(3)反映著指令信號合成機構(37)的輸出角位移，所以步進電機(2)工作時由步進電機驅動電路(1)、步進電機(2)、指令信號合成機構(37)和位-電變換器(3)構成的電-機隨動控制閉環(huán)將自動抵消備用電機(38)的作用，使備用電機(38)的動作不反映到指令信號合成機構(37)的輸出端;而當步進電機驅動電路(1)斷電時，步進電機(2)被斷電制動器(6)鎖定，備用電機(38)的動作即可傳遞到指令信號合成機構(37)的輸出端。即本發(fā)明的備用控制作用是在作為主控電機的步進電機(2)停止工作時隨之投入的，并且備用作用投入時對系統(tǒng)無任何擾動。備用電機可以采用任何類型的電動機。
位-電變換器采用普通的角位移變換器或數(shù)字式角位移傳感器。
為了保證電液隨動系統(tǒng)的控制精度，本發(fā)明中的所有傳動和減速機構，均采取消間隙措施，如指令、反饋信號合成機構(27)及指令信號合成機構(37)均采用消間隙行星周轉輪系差動機構等;同時應適當增加與液壓放大執(zhí)行機構(5)全行程相對應的步進電機(2)的步數(shù)。
當方向流量控制閥(28)采用滑閥時，需要在指令、反饋信號合成機構(27)與方向流量控制閥(28)之間設置轉動-直線運動變換機構，將指令、反饋信號合成機構(27)輸出的回轉運動變?yōu)轵寗踊y閥芯的往復直線運動，或采用輸出為直線運動的指令、反饋信號合成機構，如絲杠、螺母付形式的機構。
本發(fā)明中的方向流量控制閥可以設計成四通或五通閥的形式，并應按常規(guī)考慮密封和導引泄漏油的措施。閥體內的回油槽、壓力油槽和控制油槽也可開在閥套的外圓柱面上。
產生恢復力的重錘，也可用彈簧或小油缸等代替。
權利要求
1.一種多功能步式電液隨動伺服轉閥，由步進電機[1]、位--電變換器[3]和轉閥[4]組成，轉閥[4]由閥芯[7]、轉動閥套[8]和閥體[9]組成，閥芯[7]由步進電機[2]直接驅動或間接驅動，其特征在于位--電變換器[3]與閥芯[7]連接，把閥芯[7]的角位移變?yōu)殡娦盘?；轉動閥套[8]上有接受由轉閥[4]控制的液壓放大執(zhí)行機構的機械反饋信號的構件或構造。
2.按權利要求1所述的多功能步進式電液隨動伺服轉閥，其特征在于位-電變換器〔3〕采用角位移變換器。
3.按權利要求1所述的多功能步進式電液隨動伺服轉閥，其特征在于轉動閥套〔8〕的外圓柱面上有與其同軸心的環(huán)形反饋鋼絲繩槽〔16〕和恢復鋼絲繩槽〔18〕。
4.按權利要求1、2、3所述的多功能步進式電液隨動伺服轉閥，其特征在于設置有斷電后把閥芯〔7〕鎖定的斷電制動器〔6〕。
5.一種多功能步進式電液隨動伺服閥，由步進電機〔2〕、位-電變換器〔3〕、方向流量控制閥〔28〕組成，其特征在于在步進電機〔2〕與方向流量控制閥〔28〕之間設置有指令、反饋信號合成機構〔27〕，指令、反饋信號合成機構〔27〕的輸出端與方向流量控制閥〔28〕的閥芯〔7〕直接〔或間接〕連接;指令、反饋信號合成機構〔27〕的兩個輸入端一個作為指令信號輸入端，由步進電機〔2〕直接〔或間接〕驅動，另一個作為反饋信號輸入端，其上有接受由方向流量位-電變換器〔3〕與指令、反饋信號合成機構〔27〕的指令信號輸入端連接，將其機械位移變?yōu)殡娦盘枴?br> 6.按權利要求5所述的多功能步進式電液隨動伺服閥，其特征在于在步進電機〔2〕與指令、反饋信號合成機構〔27〕之間設置指令信號合成機構〔37〕，指令信號合成機構〔37〕的輸出端與指令、反饋信號合成機構〔27〕的指令信號輸入端連接，指令信號合成機構〔37〕的兩個輸入端一個由步進電機〔2〕驅動，另一個由備用電機〔38〕直接驅動或減速驅動。
7.按權利要求6所述的多功能步進式電液隨動伺服閥，其特征在于指令信號合成機構〔37〕采用消間隙周轉輪系差動機構。
8.按權利要求5、6所述的多功能步進式電液隨動伺服閥，其特征在于位-電變換器〔3〕采用角位移變換器。
9.按權利要求5、6所述的多功能步進式電液隨動伺服閥，其特征在于指令、反饋信號合成機構〔27〕采用消間隙行星周轉輪系差動機構，它的中心齒輪〔34〕的軸〔29〕上套有可轉動的圓柱形鋼絲繩輪〔30〕，鋼絲繩輪〔30〕的外圓柱面上有與其轉軸同心的環(huán)形反饋鋼絲繩槽〔16〕和恢復鋼絲繩槽〔18〕，鋼絲繩輪〔30〕的一個端面上固定有套裝行星齒輪〔33〕的周轉軸〔31〕。
10.按權利要求5、6所述的多功能步進式電液隨動伺服閥，其特征在于指令、反饋信號合成機構〔27〕采用消間隙錐輪周轉輪系差動機構。
11.按權利要求5、6所述的多功能步進式電液隨動伺服閥，其特征在于設置斷電后把步進電機〔2〕鎖定的斷電制動器〔6〕。
全文摘要
一類多功能步進式電液隨動伺服閥，由步進電機、位-電變換器、方向流量控制閥、斷電制動器等組成。應用本發(fā)明的電液隨動系統(tǒng)按(電-機隨動)+(機-液隨動)的模式工作，具有穩(wěn)定性和隨動性能好、斷電后不發(fā)生失控、備用控制投入簡便無擾動等優(yōu)點。本發(fā)明適用于電液位置伺服系統(tǒng)，特別在水輪機電液調速器等長期連續(xù)工作的重要設備中應用，對于提高設備的工作可靠性和技術指標、簡化其整體結構等具有顯著作用。
文檔編號F15B13/02GK1069553SQ9210271
公開日1993年3月3日 申請日期1992年4月12日 優(yōu)先權日1992年4月12日
發(fā)明者雷踐仁, 王志玉 申請人:雷踐仁, 王志玉