本發(fā)明涉及流體傳動及控制領(lǐng)域的電液伺服閥，尤其涉及一種可并聯(lián)控制的高頻大流量數(shù)字伺服閥。

背景技術(shù)：

電液伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在航空航天、冶金、船舶和軍事重工等諸多領(lǐng)域，其核心元件是電液伺服閥。電液伺服閥的高頻響特點顯著提升了高端裝備（如大型復(fù)合材料壓機、摩擦焊機、高頻電液振動臺、電液伺服轉(zhuǎn)向器和空間模擬器等）的控制性能。傳統(tǒng)的電液伺服閥一般采用前置級驅(qū)動功率滑閥級，輸入信號為模擬信號，其模擬信號抗干擾能力差的特點制約了系統(tǒng)控制精度的進(jìn)一步提升。隨著數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，抗干擾能力迅速增強，計算機與總線直接參與控制成為可能，這為數(shù)字化伺服閥的發(fā)展提供了技術(shù)支撐；此外，高端裝備的迅猛發(fā)展，對伺服閥的大流量、高頻響、抗污染提出了苛刻的要求，同時也為發(fā)展大流量、高頻響、數(shù)字式、抗污染的伺服閥提供了廣闊的市場空間。

當(dāng)前電液伺服閥的設(shè)計，主要圍繞著實現(xiàn)數(shù)字化和大流量下的高頻響兩方面展開。（1）在數(shù)字化方面：通過伺服電機帶動滾珠絲杠和主閥芯實現(xiàn)閥芯的移動，將滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)殚y芯的軸向移動，通過伺服電機的數(shù)字控制實現(xiàn)伺服閥的數(shù)字化（如參考專利201110332448.X）；或者采用伺服螺旋裝置將閥的先導(dǎo)級與主級合并，以實現(xiàn)導(dǎo)控一體，閥芯旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生液壓驅(qū)動力推動自身移動，數(shù)字控制伺服電機帶動閥芯旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)數(shù)字化（如參考專利200910153014.6）；或者采用高速開關(guān)閥的先導(dǎo)級控制主級方式，通過控制高速開關(guān)閥的通斷時間實現(xiàn)主閥的伺服控制，即數(shù)字控制高速開關(guān)閥實現(xiàn)數(shù)字化（如參考專利WO2012112292A1）。（2）在大流量下的高頻響方面：采用超磁致伸縮材料制成電機械轉(zhuǎn)換器作為先導(dǎo)級，此電機械轉(zhuǎn)換器頻寬大，控制主級可實現(xiàn)大流量下的高頻響（如參考專利201310149224.4）；或者針對大流量插裝閥，用兩個伺服閥作為先導(dǎo)級進(jìn)行控制，以提高主級的動態(tài)響應(yīng)（如參考專利200810061616.4）。現(xiàn)有專利設(shè)計有助于實現(xiàn)大流量閥的數(shù)字化，同時提高其頻率響應(yīng)，但存在以下一些不足，主要表現(xiàn)為：

1）數(shù)字式伺服閥的頻響提升遇到瓶頸。在數(shù)字式伺服閥的設(shè)計中，一般采用伺服電機帶動閥芯旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對主閥的控制。為了提高控制的分辨率或精度，要求伺服電機每一脈沖對應(yīng)的轉(zhuǎn)角越小越好。然而隨著每一脈沖對應(yīng)的轉(zhuǎn)角變小，導(dǎo)致伺服電機轉(zhuǎn)動相同角度所需的步數(shù)增加，這降低了閥芯的響應(yīng)速度，限制了高精度情況下伺服閥頻響的進(jìn)一步提升。

2）先導(dǎo)級驅(qū)動主級的增益有待提高。伺服螺旋機構(gòu)的先導(dǎo)級與主級同為一體，增大閥芯直徑即可提升主閥的通流能力并提高驅(qū)動主級的增益，較適合于作為大流量數(shù)字閥的閥芯。目前該類伺服螺旋機構(gòu)中所采用的單邊增益控制方式（如參考專利200910153014.6），未能全面利用閥芯的可控面積，最大程度的提升先導(dǎo)級驅(qū)動主級的增益，以進(jìn)一步提升主閥芯動作的響應(yīng)速度。

3）終端位置精確控制的適應(yīng)性有待加強。由于伺服閥在設(shè)計時兼顧了大流量和高頻響，流量增益大，難以在伺服系統(tǒng)終端位置上實現(xiàn)精確控制，由此制約了其在大型復(fù)合材料壓機、摩擦焊機等裝備中的應(yīng)用，限制了其高精度控制性能的提升，降低了該閥的工程適應(yīng)性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供一種可旋轉(zhuǎn)并聯(lián)控制的大流量高頻響數(shù)字閥，通過閥芯和閥套的并聯(lián)旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)大流量伺服閥的數(shù)字控制和高頻響，同時采用閥套的螺旋槽陣列結(jié)構(gòu)，形成多級增益以實現(xiàn)大流量、高頻響及終端位置的精確控制。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種可旋轉(zhuǎn)并聯(lián)控制的大流量高頻響數(shù)字閥，包括閥體、閥套、閥芯、左伺服電機、右伺服電機、左端蓋、右端蓋；閥套可旋轉(zhuǎn)的安裝在閥體內(nèi)，閥芯可旋轉(zhuǎn)的安裝在閥套內(nèi)。

左伺服電機通過左端蓋安裝在閥體上，左伺服電機輸出軸固定連接于閥套，右伺服電機通過右端蓋安裝在閥體上，閥芯連接于右伺服電機輸出軸。

閥體和閥套的左側(cè)通過軸承連接，固定套固定連接于閥套右側(cè)并置于閥體內(nèi)，閥體和固定套通過軸承連接。

閥體和閥套的左側(cè)用左圓錐滾子軸承連接，閥體和固定套之間用右圓錐滾子軸承連接。

閥芯上的左二閥芯軸段的左端面、閥套形成左控制容腔，左二閥芯軸段上開有左上閥芯孔和左下閥芯孔，左二閥芯軸段外的閥套內(nèi)側(cè)開有左螺旋槽，左螺旋槽與左控制容腔連通，左螺旋槽位于左上閥芯孔和左下閥芯孔之間；閥芯上的右二閥芯軸段的右端面、閥套形成右控制容腔，右二閥芯軸段上開有右上閥芯孔和右下閥芯孔，右二閥芯軸段外的閥套內(nèi)側(cè)開有右螺旋槽，右螺旋槽與右控制容腔連通，右螺旋槽位于右上閥芯孔和右下閥芯孔之間。

左端蓋和閥體之間設(shè)置有用于調(diào)節(jié)左圓錐滾子軸承預(yù)緊量的左軸承調(diào)整墊片，右端蓋和閥體之間設(shè)置有用于調(diào)節(jié)右圓錐滾子軸承預(yù)緊量的右軸承調(diào)節(jié)墊片。

左圓錐滾子軸承和右圓錐滾子軸承面對面安裝。

閥芯兩端設(shè)置用于對中的左蝶形彈簧和右蝶形彈簧。

閥芯兩端設(shè)置用于校準(zhǔn)零位的左閥芯調(diào)整墊片和右閥芯調(diào)整墊片。

左螺旋槽沿圓周方向均布1~5個，各螺旋槽螺旋升角不同，右螺旋槽沿圓周方向均布1~5個，各螺旋槽螺旋升角不同。

左上閥芯孔接高壓油，左下閥芯孔接低壓油，右上閥芯孔接高壓油，右下閥芯孔接低壓油。

螺旋槽的螺旋升角度數(shù)為10~80度。

本發(fā)明具備的有益效果是：

1）通過所設(shè)計的閥芯閥套并聯(lián)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，突破大流量數(shù)字閥頻響提升的瓶頸。閥芯和閥套的同步雙向旋轉(zhuǎn)控制，擺脫了傳統(tǒng)僅有閥芯旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的頻率極限，不僅保證了伺服閥的控制精度，相對于傳統(tǒng)數(shù)字閥其頻響有效提升。

2）利用雙邊增益控制結(jié)構(gòu)，提高將閥芯旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向移動的響應(yīng)速度。通過在閥芯兩端均開有控制閥孔，使閥芯同一軸線方向上的兩控制閥孔分別接高低壓口且配合使用，從而使閥芯兩側(cè)敏感腔的壓力同時變化，由此提高了其動態(tài)響應(yīng)。

3）通過多級螺旋升角的伺服螺旋機構(gòu)，實現(xiàn)伺服閥的多級增益切換。在閥套內(nèi)側(cè)開有數(shù)個具有不同螺旋升角的螺旋槽，從而使閥芯旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向移動的增益不同，由此實現(xiàn)多級增益。該機構(gòu)可根據(jù)控制系統(tǒng)在控制過程中的大流量和高精度的不同要求，合理切換伺服閥的控制增益，既保證控制過程所需的大流量與高頻響，又保證終端位置控制的精度，使該閥具備了較強的工程適應(yīng)性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖2是表征閥套螺旋槽和閥芯孔的位置關(guān)系及閥芯孔結(jié)構(gòu)。

圖3是表征閥芯與閥套所形成閥口的液壓控制橋路。

圖4是表征伺服螺旋機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度與軸向位移關(guān)系。

圖5是表征二級變增益的閥套螺旋槽與閥芯孔位置關(guān)系。

圖6是表征三級變增益的閥套螺旋槽與閥芯孔位置關(guān)系。

圖中：1、閥體，2、閥套，2A、第一孔，2B、第二孔，2C、第一孔螺塞，2D、第二孔螺塞，2X、左螺旋槽，2Y、右螺旋槽，3、閥芯，3B、左一閥芯軸段，3C、右一閥芯軸段，3D、左控制容腔，3E、右控制容腔，3F、彈簧腔，3G、左二閥芯軸段，3H、右二閥芯軸段，3P1、左上閥芯孔，3T1、左下閥芯孔，3P2、右下閥芯孔，3T2、右上閥芯孔，4、固定套，5、右軸套，6、右圓錐滾子軸承，7、右軸承調(diào)節(jié)墊片，8、右端蓋，9、右伺服電機，9A、右伺服電機輸出軸，10、右閥芯調(diào)整墊片，11、右蝶形彈簧，12、閥芯密封圈陣列，13、閥套密封圈陣列，14、左軸套，15、左伺服電機，15A、左伺服電機輸出軸，16、左端蓋，17、左軸承調(diào)整墊片，18、左圓錐滾子軸承，19、左閥芯調(diào)整墊片，20左蝶形彈簧，21、閥芯螺塞。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，說明本發(fā)明的具體實施方式。

圖1示意性地表示了本發(fā)明實施方案的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖。

一種可旋轉(zhuǎn)并聯(lián)控制的大流量高頻響數(shù)字閥，包括閥體1、閥套2、閥芯3、左伺服電機15、右伺服電機9、左端蓋16、右端蓋8；閥套2可旋轉(zhuǎn)的安裝在閥體1內(nèi)，閥芯3可旋轉(zhuǎn)的安裝在閥套2內(nèi)。

左伺服電機15通過左端蓋16安裝在閥體1上，左伺服電機輸出軸15A固定連接于閥套2，右伺服電機9通過右端蓋8安裝在閥體1上，閥芯3連接于右伺服電機輸出軸9A。

閥體1和閥套2的左側(cè)通過軸承連接，固定套4固定連接于閥套2右側(cè)并置于閥體1內(nèi)，閥體1和固定套4通過軸承連接。

閥體1和閥套2的左側(cè)用左圓錐滾子軸承18連接，閥體1和固定套4之間用右圓錐滾子軸承6連接。

閥芯3上的左二閥芯軸段3G的左端面、閥套2形成左控制容腔3D，左二閥芯軸段3G上開有左上閥芯孔3P1和左下閥芯孔3T1，左二閥芯軸段3G外的閥套2內(nèi)側(cè)開有左螺旋槽2X，左螺旋槽2X與左控制容腔3D連通，左螺旋槽2X位于左上閥芯孔3P1和左下閥芯孔3T1之間；閥芯3上的右二閥芯軸段3H的右端面、閥套2形成右控制容腔3E，右二閥芯軸段3H上開有右上閥芯孔3T2和右下閥芯孔3P2，右二閥芯軸段3H外的閥套2內(nèi)側(cè)開有右螺旋槽2Y，右螺旋槽2Y與右控制容腔3E連通，右螺旋槽2Y位于右上閥芯孔3T2和右下閥芯孔3P2之間。

左端蓋16和閥體1之間設(shè)置有用于調(diào)節(jié)左圓錐滾子軸承18預(yù)緊量的左軸承調(diào)整墊片17，右端蓋8和閥體1之間設(shè)置有用于調(diào)節(jié)右圓錐滾子軸承6預(yù)緊量的右軸承調(diào)節(jié)墊片7。

左圓錐滾子軸承18和右圓錐滾子軸承6面對面安裝。

閥芯3兩端設(shè)置用于對中的左蝶形彈簧20和右蝶形彈簧11，并使左蝶形彈簧20和右蝶形彈簧11均處于壓縮狀態(tài)，實現(xiàn)初始位置時閥芯3與閥套2處于中間配合位置，即閥芯3處于中位。

彈簧腔3F的壓力通過閥套2上的第一孔2A和第二孔2B連通回油口T1將壓力卸載。

閥芯3兩端設(shè)置用于校準(zhǔn)零位的左閥芯調(diào)整墊片19和右閥芯調(diào)整墊片10。當(dāng)伺服閥設(shè)計為零開口閥時，由于左蝶形彈簧20和右蝶形彈簧11實現(xiàn)閥芯3的對中，并不能確保閥口處于零開口位置，可通過配合的調(diào)節(jié)左閥芯調(diào)整墊片19和右閥芯調(diào)整墊片10的厚度來達(dá)到閥口處于零開口位置，從而校準(zhǔn)零位。

左螺旋槽2X沿圓周方向均布1~5個，各螺旋槽螺旋升角不同，右螺旋槽2Y沿圓周方向均布1~5個，各螺旋槽螺旋升角不同。

左上閥芯孔3P1接高壓油，左下閥芯孔3T1接低壓油，右上閥芯孔3T2接高壓油，右下閥芯孔3P2接低壓油。

螺旋槽的螺旋升角度數(shù)為10~80度。

閥芯螺塞21固定連接于左一閥芯軸段3B內(nèi)。

圖2是表征閥套螺旋槽和閥芯孔的位置關(guān)系及閥芯孔結(jié)構(gòu)。采用伺服螺旋機構(gòu)，實現(xiàn)將閥芯3的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為軸向移動。閥套2與左二閥芯軸段3G相配合的位置開有左螺旋槽2X，左螺旋槽2X與左控制容腔3D相通，閥套2與右二閥芯軸段3H相配合的位置開有右螺旋槽2Y，右螺旋槽2Y與右控制容腔3E相通。左二閥芯軸段3G開有左上閥芯孔3P1和左下閥芯孔3T1，右二閥芯軸段3H開有右上閥芯孔3T2和右下閥芯孔3P2。在同一軸線方向上的兩孔即左上閥芯孔3P1和右上閥芯孔3T2所接油口不同，左下閥芯孔3T1和右下閥芯孔3P2所接油口也不同，以使左控制容腔3D和右控制容腔3E的壓力大小變化趨勢相反，從而提高控制增益。圖2中左上閥芯孔3P1和右下閥芯孔3P2接高壓油口P，左下閥芯孔3T1和右上閥芯孔3T2分別接回油口T1和T2。

閥芯3旋轉(zhuǎn)變?yōu)槠漭S向移動的具體工作過程：當(dāng)閥芯3按照圖2中C-C視圖的F方向旋轉(zhuǎn)，即閥芯3順時針旋轉(zhuǎn)，左下閥芯孔3T1與左螺旋槽2X相通，將左控制容腔3D的壓力油通過左下閥芯孔3T1和左螺旋槽2X引入回油口T1；右下閥芯孔3P2與右螺旋槽2Y相通，將P口的高壓油通過右下閥芯孔3P2和右螺旋槽2Y引入右控制容腔3E。此時，左控制容腔3D壓力降低，右控制容腔3E的壓力升高，液壓作用力驅(qū)動閥芯3向左移動，直至左下閥芯孔3T1與右下閥芯孔3P2均與相應(yīng)螺旋槽的油路斷開，閥芯3停止繼續(xù)移動。閥芯3逆時針旋轉(zhuǎn)亦然。隨著閥芯3的軸向移動，閥芯3與閥套2形成的四邊滑閥主油路打開，使主油路進(jìn)入工作狀態(tài)。

結(jié)合圖1和圖2，本發(fā)明工作原理如下：閥芯3與閥套2所形成的伺服螺旋機構(gòu)，通過閥芯3的旋轉(zhuǎn)控制閥芯3兩側(cè)的左控制容腔3D和右控制容腔3E的壓力，實現(xiàn)閥芯3的軸向移動，即實現(xiàn)導(dǎo)控一體。當(dāng)閥芯3旋轉(zhuǎn)后，相應(yīng)的油口接通，使左控制容腔3D和右控制容腔3E壓力發(fā)生相應(yīng)變化，從而推動閥芯3發(fā)生軸向移動，直至閥套2上的螺旋槽與閥芯孔的油路斷開，最終實現(xiàn)閥芯3的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向移動。閥芯3和閥套2配合形成四邊滑閥結(jié)構(gòu)，通過增大閥芯3直徑，增大主油路的面積梯度，從而使閥具備大流量通流能力。盡可能縮小左控制容腔3D和右控制容腔3E的體積，可有效提高主閥芯的液壓固有頻率。右伺服電機9采用數(shù)字方式控制使閥芯3旋轉(zhuǎn)，左伺服電機15采用數(shù)字方式來控制使閥套2旋轉(zhuǎn)，結(jié)合閥芯3和閥套2的雙向旋轉(zhuǎn)控制。例如當(dāng)閥芯3順時針旋轉(zhuǎn)時，閥套2逆時針旋轉(zhuǎn)，相對于僅有閥芯3旋轉(zhuǎn)的情況，閥芯3和閥套2的雙向旋轉(zhuǎn)使閥芯3上的閥孔與螺旋槽的開口增大，則閥芯3轉(zhuǎn)動變?yōu)檩S向移動的響應(yīng)速度增大，在不降低控制精度的前提下，可進(jìn)一步提高該閥的頻率響應(yīng)和動態(tài)特性。

右伺服電機輸出軸9A與右一閥芯軸段3C采用花鍵或平鍵等方式連接，在右伺服電機9帶動閥芯3旋轉(zhuǎn)的過程中，閥芯3也可實現(xiàn)軸向移動；左伺服電機輸出軸15A與閥套軸段2E固定連接，閥套2在左伺服電機15的帶動下僅能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。

右圓錐滾子軸承6和左圓錐滾子軸承18采用面對面安裝，能承受較大的軸向載荷，通過改變右軸承調(diào)節(jié)墊片7的厚度或右軸套5的長度，實現(xiàn)右圓錐滾子軸承6的預(yù)緊和定位；通過改變左軸承調(diào)整墊片17或左軸套14的長度，實現(xiàn)左圓錐滾子軸承18的預(yù)緊和定位。

采用右蝶形彈簧11和左蝶形彈簧20實現(xiàn)閥芯3的對中，調(diào)節(jié)右閥芯調(diào)整墊片10和左閥芯調(diào)整墊片19可校準(zhǔn)初始零位。

先導(dǎo)控制閥口由閥套2的上的螺旋槽與閥芯3的圓孔形成，這種結(jié)構(gòu)對油液的要求低，與普通閥件相當(dāng)，因此有效提升了伺服閥的抗污染能力。

圖3是表征閥芯與閥套所形成閥口的液壓控制橋路。由于閥芯3上的左二閥芯軸段3G和右二閥芯軸段3H上都開有閥孔，在同一軸線方向上的兩孔所接油口不同，且與閥套2上的螺旋槽相配合，這使得在閥芯3兩端的左控制容腔3D和右控制容腔3E形成兩個液壓半橋。圖3中所示實心箭頭表示該位置液阻變大，空心箭頭表示該位置液阻變小，此時圖3中的狀態(tài)表示左控制容腔3D的控制壓力增大，右控制容腔3E的控制壓力減小。因此，閥芯3兩端的控制容腔壓力大小呈相反趨勢變化，壓力變化的響應(yīng)速度比單一控制容腔模式快，由此進(jìn)一步提高了將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為軸向運動的響應(yīng)速度。

圖4表征伺服螺旋機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度與軸向位移關(guān)系。圖4中M1表示閥芯3相對閥套2旋轉(zhuǎn)，在閥芯3圓周方向，閥芯孔偏移螺旋槽距離y的示意圖；M2表示在M1所示狀態(tài)基礎(chǔ)上，閥芯3軸向移動距離x，使閥芯孔與螺旋槽的油路切斷；M3表示M1和M2的合成示意圖。

閥套2和閥芯3均可旋轉(zhuǎn)，設(shè)閥套2旋轉(zhuǎn)角度為δ₂，閥芯3反向旋轉(zhuǎn)角度為δ₁，則圓周方向螺旋槽和閥孔相對轉(zhuǎn)動的距離y=（δ₁+δ₂）R，其中R為閥芯半徑，由于閥套2和閥芯3相對旋轉(zhuǎn)后，在液壓橋路作用下，閥芯3將產(chǎn)生軸向移動距離x，且x=y/tanθ，其中θ為螺旋升角。故螺旋升角越大，在閥芯3相同轉(zhuǎn)角下，閥芯3的軸向移動距離x越小，即伺服螺旋機構(gòu)的分辨率將獲得進(jìn)一步提升，更有利于高精確控制。

圖5是表征二級變增益的閥套螺旋槽與閥芯孔位置關(guān)系。閥套2內(nèi)側(cè)均勻的開有兩條不同螺旋升角的螺旋槽L1和L2，二者相隔180度。將閥套2與閥芯3配合表面的螺旋槽和閥孔所在的圓柱面展平顯示，在相同閥芯轉(zhuǎn)角情況下，螺旋升角越大其軸向位移越小，即其分辨率越高。因此針對不同工況，將閥套旋轉(zhuǎn)180°使不同的螺旋槽參與工作，可得到不同的分辨率即不同的增益。在執(zhí)行器運動過程中需大流量控制、終端位置需高精度控制的諸多工程應(yīng)用中，可通過上述結(jié)構(gòu)，在控制過程中使較小的螺旋升角參與工作，實現(xiàn)大流量控制，接近終端時，使較大的螺旋升角參與工作，進(jìn)一步提升伺服閥的控制精度。這種二級變增益的方式，在大流量情況下進(jìn)一步了提高閥的高精度伺服控制的適應(yīng)性。

圖6是表征三級變增益的閥套螺旋槽與閥芯孔位置關(guān)系。根據(jù)被控執(zhí)行器控制速度與控制精度的不同要求，可進(jìn)一步在閥套內(nèi)側(cè)均勻的開有三條以上的n級螺旋槽，設(shè)置n級螺旋槽的螺旋升角不同，每旋轉(zhuǎn)360/n度，即可使不同螺旋升角的螺旋槽參與工作，根據(jù)控制速度與精度的要求選擇合適的螺旋槽參與工作，這將大幅提高閥的適應(yīng)性。在常見大通徑閥芯結(jié)構(gòu)下，螺旋槽過多將增大加工難度且降低強度，因此閥套內(nèi)側(cè)所開螺旋槽不超過5級。