滑阀伺服、平面连杆机构反馈式电液步进缸 本发明涉及电液位置及速度伺服系统中的一种数字控制元件——滑阀伺服、平面连杆机构反馈式电液步进缸。
电液位置及速度伺服系统中应用的现有电液步进缸，由步进电机和液压力放大器组成。液压力放大器是一个直接位置反馈式液压伺服机构，按其结构可分为两种形式：第一种形式由控制阀、活塞缸和螺杆——反馈螺母组成，属滑阀伺服、螺杆——螺母反馈式；第二种形式由螺纹阀芯和活塞缸组成，其活塞上有控制油口，属螺纹伺服、活塞(亦可视为阀体)反馈式。瑞士SIG公司的LV系列电液步进缸、日本东京计器公司的电液步进缸以及北京钢铁设计研究总院研制的电液步进缸等，均属于第一种形式。联邦德国力士乐公司的电液步进缸和中国专利“步进式电液转换器”(专利号ZL92220614.7)等属于第二种形式。第一种形式因受步进电机启、制动频率及螺杆导程的限制，其启、制动速度较低，难以在要求快速启、制动的场合下使用；第二种形式则要求螺纹阀芯的加工精度高，制造成本较大。此外，现有电液步进缸的液压伺服机构的反馈系数为1(直接位置反馈)，受控制阀制造精度及静态耗油量指标要求的限制，难以得到更高的控制精度。
参考文献：
a.“液压工程手册” 雷天觉主编
机械工业出版社 1990年4月科技新书目：210-002
ISBN7-111-01724-2/TH.294第1308页至1311页；
b.“步进式电液转换器” 中国专利专利号ZL92220614.7
授权公告号 CN2150376Y
本发明的目的是提供一种启动制动速度较快或精度较高、加工容易、成本低廉的电液步进缸——滑阀伺服、平面连杆机构反馈式电液步进缸。
本发明由步进电机、伺服滑阀和液压缸组成，步进电机固定在液压缸的缸体上，液压缸由伺服滑阀控制，其特征是：设置有平面连杆机构，平面连杆机构与步进电机、液压缸的活塞及伺服滑阀的阀芯连接，把由步进电机输入的指令信号和由液压缸的活塞输入的反馈信号进行合成，并将合成后的信号传送给伺服滑阀的阀芯。
本发明中地平面连杆机构有两种构成型式：普通式和位似式。
普通式平面连杆机构由反馈连杆、摇杆、机架、中间连杆、信号合成连杆和输出连杆组成，反馈连杆与液压缸的活塞、摇杆的一端及中间连杆的一端连接；摇杆的另一端与机架联接；机架固定在液压缸的缸体上；中间连杆的另一端、输出连杆的一端及步进电机与信号合成连杆联接；输出连杆的另一端与伺服滑阀的阀芯联接。
普通式平面连杆机构与步进电机的联接方式可以是螺杆螺母副，也可以是凸轮滚子副。一般情况下采用螺杆螺母副(滑动型或滚动型)，螺杆固连在步进电机的轴上，螺母绞接在该平面连杆机构的信号合成连杆上；特殊情况下，如为获得特定曲线的输入输出特性时，采用凸轮滚子副，凸轮固联在步进电机的轴上，滚子空套在该平面连杆机构的信号合成连杆的相应轴上。
采用普通式平面连杆机构时，本发明的信号传递途径是：
指令信号：步进脉冲→步进电机转动并带动螺杆(或凸轮)转动→螺母(或滚子)产生位移→信号合成连杆以它与中间连杆的回转副中心为支点摇动，并带动输出连杆产生位移→伺服滑阀阀芯移动，控制液压缸的活塞产生位移。
反馈信号：液压缸活塞位移→反馈连杆、摇杆组件以其与机架的回转副中心为支点摇动→中间连杆产生位移→信号合成连杆以它与螺母绞接处(或滚子轴)为支点摇动，并带动输出连杆产生位移→伺服滑阀阀芯在恢复方向上移动。
位似式平面连杆机由反馈连杆、摇杆、机架、信号合成连杆和辅助连杆组成，反馈连杆与液压缸的活塞联接；信号合成连杆与步进电机及伺服滑阀的阀芯联接；机架固定在液压缸的缸体上；反馈连杆、摇杆、机架、信号合成连杆和辅助连杆以机架的回转副为相似中心按缩放尺的几何位似关系联接，把液压缸活塞的直线位移成比例地变换为信号合成连杆与步进电机及伺服滑阀阀芯联接回转副的直线位移。
位似式平面连杆机构与步进电机及伺服滑阀的阀芯采用螺杆螺母副(滑动型或滚动型)联接；螺杆经齿轮或轴向可移式联轴器与步进电机的轴联接，并与伺服滑阀的阀芯固联成共轴线的整体；螺母绞接在该平面连杆机构的信号合成连杆上。
采用位似式平面连杆机构时，本发明的信号传递途径是：
指令信号：步进脉冲→步进电机转动并带动螺杆转动→由于螺母未动，致使螺杆产生轴向移动并带动伺服滑阀的阀芯移动，控制液压缸的活塞产生位移。
反馈信号：液压缸活塞位移→通过位似式平面连杆机构使螺母产生对应移动→由于步进电机及螺杆未转动，致使螺杆产生并带动伺服滑阀的阀芯在恢复方向上移动。
本发明中的伺服滑阀一般采用三通结构，特殊情况下，如为提高电液步进缸的输出力，则可采用四通或五通结构。
本发明中的液压缸一般采用双活塞杆差动液压缸，特殊情况下，也可采用现有其他类型的液压缸：如为提高输出力采用双活塞杆双作用缸；为减小轴向尺寸采用单活塞杆双作用缸；为简化油路结构采用单作用缸等等。
与现有电液步进缸采用直接位置反馈(反馈系数为1)的伺服方式相比，本发明采用平面连杆机构来实现指令信号和反馈信号的传递，其传动比不必限定为1，当液压缸活塞至伺服滑阀阀芯的传动比(反馈系数)大于1时，可以获得较高的控制精度；当液压缸活塞的行程与对应的指令信号输入点(即平面连杆机构与步进电机相联的回转副)所需的位移之比大于1时，则可以用较小的指令信号输入点的位移控制较大位移输出的液压缸，从而获得较现有第一种形式的电液步进缸为高的启动制动速度。本发明中的所有组成部件均易于加工，故比现有第二种形式的电液步进缸造价低。此外，本发明还可以实现所需曲线关系的输入输出特性，可以制成在某些场合下专用的产品，以期简化整个控制系统的结构。
一般情况下，本发明中的平面连杆机构采用普通式；当对输入输出特性的线性度要求严格时，则采用位似式。本发明中的所有回转副应采取消间隙措施。
图1是本发明的原理框图；
图2是采用普通式平面连杆机构时本发明的结构简图；
图3是采用位似式平面连杆机构时本发明的结构简图。
图1示出了本发明的原理方框，它由步进电机[1]、液压缸[3]和伺服滑阀[4]组成，液压缸[3]由伺服滑阀[4]控制，其特征是：设置有平面连杆机构[2]；平面连杆机构[2]与步进电机[1]、液压缸[3]的活塞及伺服滑阀[4]的阀芯联接，把由步进电机[1]输入的指令信号与由液压缸[3]的活塞输入的反馈信号进行合成，并将合成后的信号传递给伺服滑阀[4]的阀芯。
在图1中，X表示驱动步进电机[1]的电脉冲，Y表示液压缸输出的机械位移，P和O分别表示液压的输入和回流端；指令信号箭头上方的“+”号和反馈信号箭头上方的“-”号表示该两信号的极性相反。
由图1可见，本发明是将现有电液步进缸中的直接位置反馈式液压伺服机构更换为间接位置反馈式液压伺服机构而实现的。
实施例：
图2示出了本发明的第一个实施例的结构简图，即采用普通式平面连杆机构时本发明的结构简图。图中，[1]为步进电机，[5]为液压缸的缸体，[6]为液压缸的活塞，[13]为伺服滑阀的阀芯，[14]为螺母，[15]为螺杆，[16]为消间隙弹簧，[17]为弹簧盖，步进电机[1]固定在液压缸[3]的缸体[5]的上端，其特征是：设置有平面连杆机构，该平面连杆机构由反馈连杆[9]、摇杆[8]、机架[7]、中间连杆[10]、输出连杆[12]和信号合成连杆[11]组成，反馈连杆[9]的左端与活塞6绞接，右端与摇杆[8]的上端绞接，中段某处与中间连杆[10]的下端绞接；摇杆[8]的下端与机架[7]绞接；机架[7]固定在缸体[5]上；中间连杆[10]的上端与信号合成连杆[11]的右端绞接；信号合成连杆[11]的左端与输出连杆[12]的上端绞接；输出连杆[12]的下端与伺服滑阀的阀芯[13]绞接；步进电机[1]与信号合成连杆[11]通过螺杆[15]和螺母[14]联接，螺杆[15]固联在步进电机[1]的轴上，螺母[14]绞接在信号合成连杆[11]的中部。
在该实施例中，伺服滑阀采用三通式，液压缸采用双活塞杆差动式；弹簧盖[17]把弹簧[16]压紧，使阀芯[13]受到一向下的作用力，以消除连杆机构的传动间隙。
该实施例的工作过程如下：
当伺服滑阀阀芯[13]的下台肩把控制窗口A关闭时，液压缸活塞[6]静止不动，此时若步进电机[1]未动，伺服滑阀则保持在关闭状态，从而使电液步进缸处于静止状态。
当步进脉冲使步进电机[1]正转时，螺杆[15]随之正转，螺母[14]下移，带动信号合成连杆[11]以它与中间连杆[10]的回转副中心为支点，朝逆时针方向摆动，信号合成连杆[11]的左端下移，并通过输出连杆[12]带动伺服滑阀阀芯[13]下移，将控制窗口A的上沿开启，压力油即由P口经伺服阀的压力腔和窗口A进入液压缸的上腔；由于液压缸的上腔面积比下腔面积大，活塞[6]将受到向下合力的作用而向下移动，并带动反馈连杆[9]逆时针摆动，反馈连杆[9]带动中间连杆[10]向下移动，使信号合成连杆[11]以它与螺母[14]的回转副中心为支点顺时针摆动，并通过输出连杆[12]使阀芯[13]向上恢复，从而使控制窗口A的开启量减小。若步进机[1]在正转一定角度后停止，则液压缸活塞[6]在向下移动对应位移后使控制窗口A关闭，从而使电液步进缸的活塞[6]在新的位置上稳定不动。
当步进脉冲使步进电机[1]反转时本实施例的工作过程与使步进电机[1]正转时的工作过程相似，下面简述之：
步进电机[1]反转→阀芯[13]向上移动，窗口A的下沿开启，液压缸上控的油经窗口A、伺服滑阀的排油控和排油口O排出，活塞[6]在液压缸下腔的压力油作用下向上移动→阀芯[13]向下恢复，使窗口A的开启量减小。若步进电机[1]在反转一定角度后停止，则液压缸活塞[6]在向上移动对应位移后使窗口A关闭，从而使电液步进缸的活塞[6]在新的位置上稳定不动。
在本实施例的行程范围内，若步进电机[1]以一定转速旋转，则液压缸活塞[6]以对应的速度作直线移动。故本实施例与现有电液步进缸一样具备位置伺服和速度伺服功能。
在本实施例中，借助平面连杆机构对传递位移的变换作用，使螺母[14]能以较小的位移对应活塞[6]的较大位移，从而获得较高的启动、制动速度。同样，借助平面连杆机构对传递位移的变换作用，能使活塞[6]反馈至阀芯[13]的位移传动比大于1，从而获得较高的控制精度。
图3示出了本发明的第二个实施例的结构简图，即采用位似式平面连杆机构时本发明的结构简图。图中[19]为齿轮副，步进电机固定在液压缸缸体[5]的上端。其特征是：设置有平面连杆机构，该平面连杆机构由反馈连杆[9]、摇杆[8]、机架[7]、信号合成连杆[11]和辅助连杆[18]组成，反馈连杆[9]与液压缸的活塞[6]绞接；信号合成连杆[11]与步进电机[1]及伺服滑阀阀芯[13]联接；机架[7]固定在液压缸的缸体[5]上；反馈连杆[9]、摇杆[8]、机架[7]、信号合成连杆[11]和辅助连杆[18]以机架[7]的回转副为相似中心按缩放尺的几何位似关系绞接，把液压缸活塞[6]的直线位移成比例地变换为信号合成连杆[11]与步进电机[1]及伺服滑阀阀芯[13]联接回转副的直线位移；信号合成连杆[11]与步进电机[1]及伺服滑阀阀芯[13]采用螺杆[15]、螺母[14]及齿轮副[19]联接；螺杆[15]经齿轮副[19]与步进电机[1]的轴联接，并与伺服滑阀阀芯[13]固联成共轴线的整体；螺母[14]绞接在信号合成连杆[11]上。
该实施例的伺服滑阀采用三通式，液压缸采用双活塞杆差动式。弹簧盖[17]把弹簧[16]压紧，使阀芯[13]受到一向下的作用力，以消除连杆机构的传动间隙。
该实施例的工作过程如下：
当伺服滑阀阀芯[13]的上台肩把控制窗口A关闭时，液压缸活塞[6]静止不动，此时若步进电机[1]未动，伺服滑阀则保持在关闭状态，从而使电液步进缸处于静止状态。
当步进脉冲使步进电机[1]顺时针方向转动时，通过齿轮副[19]的啮合作用，使螺杆[15]逆时针转动；设螺杆[15]的螺纹为右旋，由于螺母[14]未动，故螺杆[15]在逆时针转动的同时向上移动；与螺杆[15]联成一体的阀芯[13]亦随之转动和上移，将控制窗口A的下沿开启，压力油即由P口经伺服滑阀的压力腔和窗口A进入液压缸的上腔；由于液压缸的上腔面积比下腔面积大，活塞[6]将受到合力向下的作用而向下移动，并通过位似式平面连杆机构将螺母[14]成比例地向下移动；螺母[14]带动螺杆[15]及阀芯[13]向下恢复，使窗口A的开启量减小。若步进电机在顺时针方向转动一定角度后停止，则液压缸活塞[6]在向下移动对应位移后使窗口A关闭，从而使电液步进缸的活塞[6]在新的位置上稳定不动。
当步进脉冲使步进电机[1]逆时针转动时本实施例的工作过程与使步进电机[1]顺时针转动时的工作过程相似，下面简述之：
步进电机[1]逆时针转动→阀芯[13]向下移动，窗口A的上沿开启，液压缸上控的油经窗口A、伺服滑阀的排油腔和排油口O排出，活塞[6]在液压缸下腔的压力油作用下向上移动→阀芯[13]向上恢复，使窗口A的开启量减小。若步进电机[1]在逆时针方向转动一定角度后停止，则液压缸活塞[6]向上移动对应位移后使窗口A关闭，从而使电液步进缸的活塞[6]在新的位置上稳定不动。
在本实施例的行程范围内，若步进电机[1]以一定转速旋转，则液压缸活塞[6]以对应的速度作直线运动。故本实施例也与现有电液步进缸一样具备位置伺服和速度伺服功能。
在本实施例中，借助位似式平面连杆机构对传递位移的成比例变换作用，不仅可使螺母[14]能以较小的位移对应活塞[6]的较大位移，从而获得较高的启动制动速度，而且能保证该两位移的对应关系成比例，从而保证本发明可具备与现有电液步进缸一样的线性特性。
可以采取适当的措施提高本实施例的控制精度。例如，可以将其位似式平面连杆机构中两个位似点的联接对调，使伺服机构的反馈系数大于1；也可以增加一连杆机构，将螺杆[15]的位移放大后再带动阀芯[13]等等。
由以上两个实施例可以看出，其组成部件均系易加工件，故本发明制造容易，成本低廉。