一種應用于單出桿液壓缸壓機的直驅式電液伺服系統的制作方法

本發明屬于液壓壓機以及升降設備領域，具體涉及一種應用于單出桿液壓缸壓機的直驅式電液伺服系統。

背景技術：

目前，單出桿液壓缸液壓回路中，通過節流閥或者泵的容積調節來實現執行機構速度與動力源輸出流量之間的匹配關系，能滿足基本實用要求。但是節流調速系統發熱量大，效率低，系統噪聲大，體積龐大；泵的容積調速系統結構復雜，對油液要求較高，電機空轉損耗大。雖然已有電機泵一體化技術、變頻容積調速技術、伺服電機泵技術解決傳統液壓動力源低效率、高能耗、高沖擊的問題。但由于單出桿液壓缸的兩腔容積差，難以實現閉式或半閉式的無閥回路，一般還是使用傳統的定量泵閥控回路或者變量泵泵控回路。伺服電機泵在注塑機上有成功應用，但是由于吸油壓力的限制，伺服電機無法做到雙向旋轉，回路中仍然需要配置節流閥、換向閥等控制閥，仍然存在節流損失和換向沖擊。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服現有技術中的不足，提供一種應用于單出桿液壓缸壓機的直驅式電液伺服系統，采用伺服電機驅動雙向定量泵的變轉速容積調速原理，通過壓力反饋、位置反饋閉環控制伺服電機轉速來改變雙向泵的輸出流量，以適應重力下拉式單出桿液壓油缸活塞桿在各種工況下的速度，使用半閉式的液壓回路，避免了使用節流調速和溢流調壓、保壓的大量能量損失；使用泵控的無閥回路，避免了換向沖擊。

本發明的目的是通過如下技術措施實現：一種應用于單出桿液壓缸壓機的直驅式電液伺服系統，它包括信息采集系統、控制器、伺服驅動器、伺服電機、雙向定量泵、液壓缸、油箱，其中，液壓缸為重力下拉式單出桿液壓缸；

所述信息采集系統包括有桿腔壓力傳感器、無桿腔壓力傳感器和活塞桿位移傳感器，所述有桿腔壓力傳感器連接至液壓缸的有桿腔，無桿腔壓力傳感器連接至液壓缸的無桿腔，所述活塞桿位移傳感器通過螺紋連接于液壓缸尾端；其中，有桿腔壓力傳感器用于采集連接至液壓缸的有桿腔的油路壓力值，無桿腔壓力傳感器用于采集連接至液壓缸無桿腔的油路壓力值。

所述控制器的信號輸入端分別與有桿腔壓力傳感器、無桿腔壓力傳感器、活塞桿位移傳感器連接；用于接收有桿腔壓力傳感器采集的壓力值信號、無桿腔壓力傳感器采集的壓力值信號、活塞桿位移傳感器采集的液壓缸活塞桿的位移信號，并產生伺服電機驅動指令信號。

所述伺服驅動器的信號輸入端與控制器的信號輸出端連接，其輸出端與伺服電機連接。

所述伺服電機與伺服驅動器的UVW輸出端連接；所述控制器向伺服驅動器輸出伺服電機驅動指令信號，所述伺服驅動器根據伺服電機驅動指令信號控制伺服電機的動作。

所述雙向定量泵的油口A與液壓缸的無桿腔連接，油口B經第一電磁閥控制的二通插裝閥與液壓缸的有桿腔連接。

所述油箱經吸油過濾器和液控單向閥與雙向定量泵的油口B連接，油箱經充液閥且并聯第一單向閥與液壓缸的無桿腔連接。

所述液壓缸的無桿腔通過充液閥連接油箱。

當活塞桿下行，且只有活塞桿自身重力和壓頭重力負載，油箱經單向閥和充液閥向油缸無桿腔補油；當活塞桿上行，無桿腔的多余油液經充液閥和回油過濾器回到油箱。

在上述技術方案中，所述油箱安裝在一個5至20米高的塔架或平臺上，增加了油箱到雙向泵油口B的壓力，能夠滿足其較高轉速下的自吸壓力。

在上述技術方案中，在系統流量較大的應用場合，液壓缸的有桿腔和無桿腔經起通斷作用的第二電磁閥連通，形成差動回路。在液壓缸無桿腔連接的充液閥關閉，雙向泵的油口B經液控單向閥和吸油過濾器從油箱吸油時，控制差動回路通斷的第二電磁閥開啟，有桿腔的油液回到無桿腔。

在上述技術方案中，從油箱到雙向定量泵的油口B的吸油管路上安裝有吸油過濾器，從液壓缸到油箱的回油管路上安裝有回油過濾器，吸油過濾器為粗過濾，回油過濾器為精過濾。

在上述技術方案中，雙向定量泵的油口A連接液壓缸的無桿腔的油路經第二單向閥和安全閥連接到油箱；油口B連接液壓缸的有桿腔的油路經過第三單向閥和安全閥連接到油箱。

在上述技術方案中，在液壓缸的活塞桿的行程中設置有四個位置可調的行程開關，行程開關的信號輸出端與控制器連接。

在上述技術方案中，伺服電機上設有編碼器，伺服驅動器的信號輸出端與伺服電機的編碼器連接。

與現有技術相比，本發明的有益效果在于：

采用變轉速容積調速原理，通過壓力反饋、位置反饋實現閉環控制伺服電機轉速，實現不同工況下泵的輸出流量與液壓缸活塞桿的速度匹配，減少系統的節流和溢流損失。活塞桿的速度可以無級調節，在系統啟動瞬間、活塞桿增速和減速瞬間，通過控制電機的加速度曲線可以最大程度降低系統的沖擊噪聲。通過伺服電機和雙向定量泵的正反轉實現油缸活塞桿的換向，避免使用換向閥而產生換向沖擊。將閉式回路應用于重力下拉式單出桿液壓缸，實現了不依靠補油泵和壓力油箱對液壓缸和泵進行補油，同時也減少了回油量，縮小了所需油箱的體積。在活塞桿自由下落階段，電機處在發電工況，通過電源回饋或者耗散電阻轉移該部分能量，避免了使用節流閥而使液壓系統發熱。在保壓和卸荷階段，通過壓力反饋控制，液壓泵幾乎可以停機，極大程度減小了系統的溢流損失。泵控無閥回路的應用，減少了控制閥的數量，降低了系統的故障率。經試驗和仿真計算表明，該系統相比于異步電機驅動單向定量泵的閥控節流溢流系統，效率提升80%左右，節能超過70%，沖擊噪聲降低60%-90%，可廣泛應用于煙片預壓打包機、注塑機、鍛造機、升降平臺等。

附圖說明

圖1是本發明應用于單出桿液壓缸壓機的直驅式電液伺服系統的原理框圖。

其中，1、第三單向閥；2、安全閥；3、雙向定量泵；4、第二單向閥；5、液控單向閥；6、伺服電機；7、第一電磁閥；8、有桿腔壓力傳感器；9、第二電磁閥；10、油箱；11、第一單向閥；12、充液閥；13、吸油過濾器；14、活塞桿位移傳感器；15、回油過濾器；16、無桿腔壓力傳感器；17、二通插裝閥；18、伺服驅動器；19、液壓缸；20、第一行程開關；21、控制器；22、信息采集系統；23、編碼器；24、第二行程開關；25、第三行程開關；26、第四行程開關。

具體實施方式

為了使本發明技術特點、特征、技術效果、設計目的更易于理解，下面結合圖例對本發明做進一步闡述。

如圖1所示，本發明實施例提供一種應用于單出桿液壓缸壓機的直驅式電液伺服系統，它包括：

信息采集系統22，所述信息采集系統22包括有桿腔壓力傳感器8、無桿腔壓力傳感器16和活塞桿位移傳感器14。其中，有桿腔壓力傳感器8用于采集連接至液壓缸19的有桿腔的油路壓力值，無桿腔壓力傳感器16用于采集連接至液壓缸19無桿腔的油路壓力值。

控制器21，所述控制器21的信號輸入端分別與有桿腔壓力傳感器8、無桿腔壓力傳感器16、活塞桿位移傳感器14、行程開關連接，用于接收有桿腔壓力傳感器8采集的壓力值信號、無桿腔壓力傳感器采集16的壓力值信號、活塞桿位移傳感器14采集的液壓缸活塞桿的位移信號和行程開關采集的活塞桿位置信號，并產生伺服電機驅動指令信號。

伺服驅動器18，所述伺服驅動器18的信號輸入端與控制器21的信號輸出端連接，其輸出端與伺服電機6的編碼器23連接。

伺服電機6，所述伺服電機6與伺服驅動器18的UVW輸出端連接。控制器21向伺服驅動器18輸出伺服電機驅動指令信號，伺服驅動器18根據伺服電機驅動指令信號控制伺服電機6的動作。

雙向定量泵3，所述雙向定量泵3的油口A與液壓缸19的無桿腔連接，油口B經第一電磁閥7控制的二通插裝閥17與液壓缸19的有桿腔連接；油箱10經吸油過濾器13和液控單向閥5與雙向定量泵3的油口B連接，經充液閥12且并聯第一單向閥11與液壓缸19的無桿腔連接。

液壓缸19，所述液壓缸19為重力下拉式單出桿液壓缸，所述液壓缸19無桿腔通過充液閥12連接油箱10，當活塞桿下行，且只有活塞桿自身重力和壓頭重力負載，油箱10經第一單向閥11和充液閥12向液壓缸19無桿腔補油。當活塞桿上行，無桿腔的多余油液經充液閥12和回油過濾器15回到油箱。

油箱10，所述油箱10安裝在一個5至20米高的塔架或平臺上，增加了油箱10到雙向定量泵3油口B的壓力，能夠滿足其較高轉速下的自吸壓力。

為了使系統適應流量較大的應用場合，液壓缸19的有桿腔和無桿腔經起通斷作用的第二電磁閥9連通，形成差動回路。在液壓缸的無桿腔連接的充液閥12關閉，雙向定量泵3的油口B經液控單向閥5和吸油過濾器13從油箱10吸油時，控制差動回路通斷的第二電磁閥9得電，第一電磁閥7失電，有桿腔的油液回到無桿腔。

為了不依靠補油泵或者壓力油箱彌補單出桿液壓缸的兩腔容積差，采用更為簡單的自吸油補油技術，將油箱10安裝在5至20米高的塔架或平臺上，分兩路對系統進行補油：一路為油箱10經第一單向閥11和充液閥12到液壓缸19的無桿腔；另一路為油箱10經吸油過濾器13和液控單向閥5到雙向定量泵3的油口B。

為了對油液中的雜質進行過濾處理，從油箱10到雙向定量泵3油口B的吸油管路上安裝有吸油過濾器13，從液壓缸19到油箱10的回油管路上安裝有回油過濾器15。為減小吸油壓力損失，吸油過濾器13為粗過濾；為保證系統的過濾精度，回油過濾器15為精過濾。液壓缸19無桿腔吸油時回油過濾器15中的止回閥關閉，第一單向閥11開啟；液壓缸19無桿腔回油時，回油過濾器15中的止回閥開啟，第一單向閥11關閉，一部分油液經過雙向定量泵3回到有桿腔，一部分經回油過濾器15回到油箱。

為了防止系統在某些突發情況下過高的壓力峰值對油路中元器件和接頭產生損害，雙向定量泵3油口A連接液壓缸19無桿腔的油路經第二單向閥4和安全閥2連接到油箱10；油口B連接液壓缸19有桿腔的油路經過第三單向閥1和安全閥2連接到油箱10。

為了在停機或者待機狀態下，將液壓缸19的活塞桿和壓頭懸掛在上位，在有桿腔到雙向定量泵3油口B的油路上連接有第一電磁閥7控制的二通插裝閥17。

為了保證活塞桿在運動過程中具有一致性的加速段、減速段、快速運行段和慢速運行段，在液壓缸19的活塞桿的行程中依次設置有四個位置可調的行程開關20、24、25和26。行程開關的信號輸出端與控制器21連接，以便控制器21根據活塞桿的位置發出不同的伺服電機轉速控制指令。

伺服電機6上設有編碼器23，編碼器23具有接收伺服驅動器18發送來的轉速控制指令和反饋伺服電機當前轉速信號的功能。

本發明的工作原理如下：

系統的初始狀態為：伺服電機6轉速為0，第一電磁閥7失電，二通插裝閥17處在關閉狀態，第二電磁閥9失電，差動回路斷開，液壓缸活塞桿處在收縮狀態，壓頭懸掛在上位。

系統開始工作時，第一電磁閥7得電，二通插裝閥17開啟。為了避免啟動沖擊，伺服電機6以一定的加速度啟動，液壓缸19的有桿腔油液經由雙向定量泵3回到無桿腔。由于兩腔容積差，無桿腔形成負壓，充液閥12和第一單向閥11開啟，油箱10向無桿腔補油。該階段活塞桿和壓頭自由下落，通過伺服電機6的轉速控制其下行速度。

當壓頭接觸到被壓縮物，被壓縮物對壓頭的反向作用力逐漸增大，液壓缸19有桿腔的壓力逐漸減小，直到液控單向閥5開啟，油箱與雙向定量泵3油口B連通；液壓缸19無桿腔的壓力逐漸增大，直到充液閥12關閉。雙向定量泵3經液控單向閥5和吸油過濾器13從油箱吸油。第二電磁閥9得電，第一電磁閥7失電，差動回路連通。有桿腔壓力隨著被壓縮物的體積減小逐漸增大，系統進入慢壓階段。特別的，在系統流量不是很大的應用場合，可以取消第二電磁閥9控制的差動回路，且在該階段保持第一電磁閥7得電。

在慢壓階段，信息采集系統實時獲取液壓缸19的兩腔壓力，控制器21根據液壓缸19的無桿腔壓力值輸出伺服電機轉速控制信號，形成壓力反饋閉環控制。當壓頭下壓到第三行程開關25所處的位置，控制器21開始對伺服電機6進行減速，直至壓頭到達第四行程開關26所在位置，電機停止轉動，形成位置反饋閉環控制。

壓頭下行到第四行程開關26所在位置時，伺服電機6停止轉動，由于泵、油缸等的泄漏，無桿腔壓力逐漸減小，壓頭位置出現緩慢反彈。根據信息采集系統22，控制器21輸出伺服電機轉速控制信號，使系統壓力和壓頭位置重新回到既定水平，伺服電機再次停機。通過上述動作的循環，可以實現系統的無溢流保壓。

保壓結束后，第二電磁閥9失電，第一電磁閥7得電，伺服電機6反轉，液壓缸19有桿腔壓力通過控制油路將充液閥12開啟；無桿腔一部分液壓油經充液閥12和回油過濾器15回到油箱10，一部分液壓油經雙向定量泵3和二通插裝閥17回到有桿腔。在壓頭上行到第三行程開關25所處位置前，活塞桿和壓頭慢速上行；在壓頭上行到第三行程開關25所處位置后，活塞桿和壓頭快速上行；在壓頭上行到第二行程開關24所處位置后，活塞桿和壓頭減速慢行；在壓頭上行到第一行程開關20所處位置時，第一電磁閥7失電，伺服電機6停止轉動，系統回到初始狀態。

以上所述的具體實施實例，僅為本發明的較佳實施方式之一。除此之外，本發明還可以有其他實現方式。需要說明的是，凡在本發明的精神和原則之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。