帶彈簧和容腔補償的非對稱氣動伺服閥的製作方法

2023-06-05 16:14:46 2

專利名稱：帶彈簧和容腔補償的非對稱氣動伺服閥的製作方法
技術領域：
本發明屬於機械工程的機械零件與傳動裝置和流體控制技術領域，具體涉 及一種帶彈簧和容腔補償的非對稱氣動伺服閥。
背景技術：
氣動系統首先應用於電阻式電焊機設備，之後氣動電磁閥、氣動比例閥相 繼問世。但氣動伺服控制技術難度大，性能要求高。人們認識到氣動系統中同 一容腔內氣體排盡所需的時間為充填時間的兩倍以上。這種氣動控制系統的非 對稱現象，即同一容腔的排氣時間遠遠超過充填時間，導致氣動系統各容腔的 控制特性差異，尤其是下降時間與上升時間的快速響應相差甚遠，甚至導致系 統失控，難以實現高速氣動控制與節能。此外，由於氣體壓縮性和壓力響應慢 等種種原因，氣動伺服闊等元器件未能很好地產業化和普及。
目前氣動技術在汽車、飛機製造、火車車輛、工具機、自動化生產線、機器 人等方面得到了廣泛的應用。隨著宇航及國防軍工的發展， 一般工業用響應緩 慢的氣動控制飛躍到氣動伺服控制，具有一定響應性速度、較高精度以及較大 功率的伺服控制技術應運而生，並應用於產業過程的遠程控制等。
為了平衡氣動系統中上述排放時間與充填時間兩種不同的響應時間，基於 對稱氣動伺服閥的傳統的柔性補償對線性系統有一定效果，但是在諸如氣動伺 服閥開口面積飽和和位移飽和、伺服放大器對稱性、力矩馬達摩擦力和抗幹擾 力、噴嘴一擋板機構和滑閥閥芯行程飽和、壓力流量特性的非線性等情況下， 不能直接進行特性補償，且難於實現氣動系統的高速控制和高精度控制。這就 導致越來越需要一種新原理的硬體方法來解決上述問題，實現高速高精度的氣 動控制。

發明內容
本發明的主要目的在於提供一種帶彈簧和容腔補償的非對稱氣動伺服閥， 通過硬體措施來解決氣動系統的排放時間大大超過充填時間的問題，克服現有 氣動系統由於充填特性和排放特性而導致非對稱現象甚至失控的問題，實現氣 動系統的相對高速控制。
為達到上述目的、本發明的解決方案是
一種非對稱氣動伺服閥，包括上遊節流口和下遊節流口，所述上遊節流口 和下遊節流口的數量各自為一個或若干個，所述的上遊節流口和下遊節流口的 總面積呈非對稱的結構形式。
所述的氣動伺服閥內部的下遊節流口的控制面積為上遊節流口的控制面積 的1倍至3倍。即，根據工作壓力的大小，該比例可以是在1倍至3倍之間的 任意數值。
還包括特性補償結構。
所述特性補償結構是設置於主閥芯的兩端的一對弱彈簧。
所述特性補償結構是設置於二級控制閥的主閥芯和一級控制閥的噴嘴擋板 之間的一對對稱的幾何容腔。
所述下遊節流口和上遊節流口的控制窗口的形狀包括矩形、三角形、圓 形。當然，控制窗口採用不規則形狀、以及下遊節流口和上遊節流口的控制窗 口在形狀上不對應也是可以的。
所述上遊節流口和下遊節流口集成於同一個主閥芯和閥套的一體式結構。
本發明的非對稱氣動伺服閥，按照工作壓力等級來控制氣動伺服閥內部的 下遊節流口的控制面積和上遊節流口的控制面積的比例。在供氣絕對壓力為
0. lMPa至4. 0MPa或4MPa以上時，氣動伺服閥內部的下遊節流口的控制面積為 上遊節流口的控制面積的1倍至3倍。在供氣絕對壓力為0. lMPa至0. 7MPa時， 氣動伺服閥內部的下遊節流口的控制面積為上遊節流口的控制面積的1倍至2 倍；具體實施的結構上採取近似值，即下遊節流孔的面積為上遊節流孔面積的2 倍。在供氣絕對壓力為0. 7MPa至4MPa或超過4MPa時，氣動伺服閥內部的下遊 節流口的控制面積為上遊節流口的控制面積的2倍至3倍；具體實施的結構上 採取近似值，即下遊節流孔的面積為上遊節流孔面積的3倍。
關於特性補償結構，主閥芯和閥體之間安裝有對稱的一對弱彈簧，在主閥 芯和碰嘴擋板之間的幾何結構上，通過閥內部的主閥芯、噴嘴、擋板、固定節 流器和閥體等零部件裝配後，自然地形成封閉的兩個對稱控制容腔，通過一對 弱彈簧和兩個幾何容腔形成對主閥芯運動特性的綜合補償的結構。
具體的，本發明提出的帶彈簧和容腔補償的非對稱氣動伺服閥，包括力矩 馬達的電-力轉換部分、十字彈簧和銜鐵的力-位移轉換部分、噴嘴和擋板的一 級放大器部分、反饋彈簧杆和閥芯、閥套、 一對弱彈簧和一對幾何容器組成的 主閥部分。在主閥的下遊節流口採用與上遊節流口不對稱的節流面積的控制方 案，即按照不同的工作壓力等級，下遊節流口的控制面積為上遊節流口的控制 面積的1倍至3倍之間的任意數值，下遊節流口和上遊節流口分別採用非對稱
的控制方式。
進一步，所述的非對稱控制方式是下遊和上遊採用不對稱矩形節流窗口， 或者三角形節流窗口，或者圓形節流窗口的結構。
本發明在幾何結構上，具體而言，在相同閥位移的條件下，下遊節流口可 由多個矩形節流口構成，而上遊節流口則由一個矩形節流口構成。也可以按照 下遊節流口和上遊節流口都採用相同數量的節流口 ，下遊節流口的面積是上遊 節流口的面積的1倍至3倍之間的任意數值(例如，2倍或3倍)的結構方式實 施。
本發明相關的主閥芯的兩端分別採用對稱的一對圓柱弱彈簧和一對固定幾 何容腔進行主閥芯運動特性的綜合補償。沒有任何補償措施的一般普通氣動伺 服閥，在低壓時，由於閥兩腔的壓力較低，很容易產生低頻振蕩，導致閥的工 作不穩定。本發明採用一對弱的圓柱彈簧，對稱地安裝在主閥芯的兩側；同時，
在主閥芯的兩側和供氣口、噴嘴擋板之間設置對稱的兩個幾何補償容腔。通過 一對弱彈簧和一對幾何容腔形成綜合補償，從而改善氣動伺服閥主閥芯的振蕩， 實現閥芯運動的平穩控制。
由於採用了上述方案，氣動伺服閥採用一體式結構，實現上遊節流口面積 和下遊節流口面積的非對稱控制，即按照不同的工作壓力等級，該比例可以是
在1倍至3倍之間的任意數值；例如，下遊節流口面積為上遊節流口面積的2 倍或3倍，實現了同一容腔的排氣時間與充氣時間基本相同的高速控制。主閥
部分通過一對弱彈簧和一對幾何容腔的綜合補償方案改善了氣動伺服閥的低頻 振蕩特性。


圖1是本發明的一種實施例的主要部分的示意圖。
圖2是氣動容腔的充氣與排氣過程示意圖。
圖3是非對稱氣動伺服閥動態特性測試的示意圖。
圖4是本發明的一種實施例的部分示意圖。
圖5是本發明的一種實施例的部分示意圖。
圖中標號l為永久磁鐵，2為支持彈簧，3為控制線圈，4為噴嘴，5為第 一固定節流器，6為銜鐵，7為第二固定節流器，8為主閥圓柱閥芯，9為位移 檢測傳感器(應變片)，IO為第二補償反饋彈簧，ll為堵頭，12為第一補償反 饋彈簧，13為擋板、撥杆及反饋彈簧，14為第二補償容腔2， 15為第二固定節 流器，16為第一補償容腔，17為導磁體，18為供氣氣源，19為上遊節流孔Su， 20為第一連接管路，21為充氣容腔，22為放氣容腔，23為第二連接管路，24
為下遊節流孔Sd， 25為和大氣相連接的排氣口 ， 26為信號發生器和特性記錄儀， 27為動態應變儀，28為主閥芯位移傳感器，29為主閥，30為力矩馬達，31為 伺服放大器，32為氣源泵站，33為氣體減壓閥。
具體實施例方式
以下結合附圖所示實施例對本發明作進一步的說明。
圖1為本發明的一種實施例的主要部分的示意圖。如圖所示，由永久磁鐵1、 控制線圈3、導磁體17和銜鐵6構成力矩馬達，實現輸入電信號和力之間的轉 換。由支持彈簧2、銜鐵6和撥杆及反饋彈簧13實現力和位移的轉換。由噴嘴 4、擋板13、固定節流器5和固定節流器15以及主閥圓柱閥芯8之間的容腔構 成噴嘴擋板液壓放大器，推動主閥芯8移動，從而控制節流口的大小，實現流 量控制。由撥杆及反饋彈簧13實現主閥芯8的位移反饋至噴嘴處。主閥芯8的 滑閥閥芯位移由粘貼在懸臂撥杆13上的應變片進行檢測。由噴嘴4、擋板13、 固定節流器5、主閥圓柱閥芯8以及閥體等零件裝配後，自然地構成一個容腔 16。同樣，由噴嘴4、擋板13、固定節流器15、主閥圓柱閥芯8以及閥體等零 件裝配後，自然地構成一個容腔14。容腔15和容腔14組合在一起，在壓力和 流量變動時進行主閥閥芯8的特性補償。
當主閥芯8朝右打開，即主閥芯8位移為正時，閥的開口為上遊的一個節 流口；當主閥芯8朝左打開，即主閥芯8位移為負時，閥的開口由下遊的兩個 節流口組成。節流口的形狀為矩形窗口，也可以是三角形節流窗口，或者圓形 節流窗口的結構。上遊節流口和下遊節流口採用同一種節流窗口形式。通過上 述過程，在相同閥位移時，主閥下遊節流口面積為上遊節流口面積的2倍或3 倍。
第二補償反饋彈簧10和第一補償反饋彈簧12、第二補償容腔14和第一補 償容腔16構成由一對弱彈簧和一對幾何容腔組成的綜合補償，在低頻振動或者 負載流量壓力劇烈變化時，增加阻尼和動態反饋，提高主閥芯8的工作穩定性。 第一補償反饋彈簧和第二補償反饋彈簧10的剛度很小，根據主閥閥芯8的質量、 供氣壓力和幾何容腔的大小確定。
圖2所示為本發明實施時的一種分解說明的示意圖。如圖所示，上遊節流 孔(Su) 19和下遊節流孔(Sd) 24為同一氣動伺服閥內部控制的兩個節流孔。 當供氣氣源18的供給氣體經過連接管路20後，由氣動伺服閥內部控制的上遊 節流孔(Su) 19控制開口面積(Su)的大小，向充氣容腔21輸送氣體。充氣容 腔21的充填過程中，當充氣容腔21 (Pch)的壓力低於供氣氣源18的壓力(Ps) 時，上遊節流孔(Su) 19開啟，向充氣容腔21進行充氣；當充氣容腔21 (Pch)
的壓力達到供氣氣源18的壓力(PS)時，上遊節流孔(SU) 19關閉，完成充氣
容腔21的充氣。放氣容腔22的排放過程中，當放氣容腔22 (Pch)的壓力高於 和大氣相連接的排氣口25的壓力(Pe)時，下遊節流孔(Sd) 24開啟，向排氣 口 25進行排氣；當放氣容腔22 (Pch)的壓力下降至排氣口 25的大氣壓力(Pe) 時，下遊節流孔(Sd) 24關閉，完成排氣容腔21的排氣過程。
利用常規對稱氣動控制閥時，氣動閥內部控制的兩個節流孔面積相同，即 上遊節流孔(Su) 19的面積等於下遊節流孔(Sd)的面積，Su=Sd。當充氣容腔 21 (Pch)從大氣壓(Pe)充填至供氣氣源18的壓力(Ps)日寸，設所需的充氣 時間為tu;當排氣容腔22 (Pch)從壓力(Ps)排盡氣體至排氣容腔22的壓力 為大氣壓(Pe)時，設所需的排氣時間為td。同一容腔的排氣時間(td)為充 氣時間(tu)的數倍以上。
通過本發明的非對稱氣動伺服閥，和常規的對稱氣動控制閥不同之處在於， 非對稱氣動伺服闊內部控制的兩個節流孔面積呈非對稱關係，即下遊節流孔 (Sd)的面積為上遊節流孔(Su) 19的面積的比例可以是在1倍至3倍之間的 任意數值；例如，2倍或3倍，Sd=2Su或Sd=3Su。當充氣容腔21 (Pch)從大 氣壓(Pe)充填至供氣氣源18的壓力(Ps)時，所需的充氣時間為tu;當排氣 容腔22 (Pch)從壓力(Ps)排盡氣體至排氣容腔22的壓力為大氣壓力(Pe) 時，所需的排氣時間為td。同一容腔的排氣時間(td)和充氣時間(tu)基本 相同。
例如，對於體積為5cm3的容腔，當採用常規的對稱氣動控制閥，其主閥芯 的直徑8mm，上遊最大節流孔面積和下遊最大節流孔面積均為10mm2時，容器供 氣絕對壓力為0. lMPa至4. OMPa時，放氣時間為充氣時間的1倍至2. 8倍。也 就是說，採用常規的對稱氣動控制閥，容腔供氣絕對壓力為0. lMPa時，充氣時 間和放氣時間相同；容腔供氣絕對壓力為0. 5MPa時，放氣時間為充氣時間的1. 8 倍；容腔供氣絕對壓力為4MPa時，放氣時間為充氣時間的2. 8倍。採用非對稱 氣動伺服閥後，容腔的放氣時間和充氣時間基本相同。
圖3所示，測試非對稱氣動伺服閥的動態頻率相應特性時，通過內藏晶片 的信號發生器兼特性記錄儀26輸出動態頻率信號，經過伺服放大器31進行信 號放大後，輸出至氣動伺服閥的力矩馬達30，力矩馬達30進行電-力的轉換， 推動氣動伺服閥29內部的一級控制閥部分的噴嘴擋板運動，由一級部分推動二 級主閥芯的運動，同時反饋彈簧杆進行主閥芯位移反饋。內藏於氣動伺服閥29 結構內部的主閥芯位移傳感器28檢測出主閥芯位移信號，該位移信號經過動態 應變儀27處理後，由信號發生器兼特性記錄儀26進行記錄和並和輸入信號進 行比較分析。信號發生器兼特性記錄儀26將給伺服放大器31的輸入信號和主
閥芯位移傳感器28的輸出位移信號進行比較分析，自動檢測出氣動伺服閥的頻 率響應和階躍響應特性。
圖4所示為本發明實施時的一種分解說明的示意圖。非對稱氣動伺服閥的 實施過程中，例如下遊節流孔的控制面積為上遊節流孔的控制面積的2倍，可
以通過圖4所示的方案實施。當閥芯位移x為正時，氣體經過流入節流口向負 載口供氣；當閥芯位移x為負時，氣體經過負載口向出節流口排氣。在流入節 流口只有一處，而流出節流口有兩處；在相同的節流口形狀和相同的閥位移時， 流出節流口的控制面積為流入節流口的控制面積的2倍。在一般的供氣絕對壓 力等級在0. lMPa至0. 7MPa範圍的場合下，非對稱氣動伺服閥內部控制的兩個 節流孔面積比為1.8倍，具體實施的結構上採取近似值，即下遊節流孔的面積 為上遊節流孔面積的兩倍，從而放氣時間和充氣時間基本相同。在釆用比例為1 倍時，即是常規對稱氣動控制閥(氣動閥內部控制的兩個節流孔面積相同，即 上遊節流孔(Su) 19的面積等於下遊節流孔(Sd)的面積)，放氣時間為充氣時 間的兩倍以上。
圖5所示為本發明實施時的一種分解說明的示意圖。非對稱氣動伺服閥的 實施過程中，例如下遊節流孔的控制面積為上遊節流孔的控制面積的3倍，可 以通過圖5所示的方案實施。當閥芯位移x為正時，氣體經過流入節流口向負 載口供氣；當閥芯位移x為負時，氣體經過負載口向出節流口排氣。在流入節 流口只有一處，而流出節流口有三處；在相同的節流口形狀和相同的閥位移時， 流出節流口的控制面積為流入節流口的控制面積的3倍。在較高的供氣絕對壓 力等級在0. 7至4MPa或4MPa以上的場合下，非對稱氣動伺服閥內部控制的兩 個節流孔面積比為2.8倍，具體實施的結構上採取近似值，即下遊節流孔的面 積為上遊節流孔面積的3倍，從而放氣時間和充氣時間基本相同。
上述的對實施例的描述是為便於該技術領域的普通技術人員能理解和應用 本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改， 並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此， 本發明不限於這裡的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，對於本發明 做出的改進和修改都應該在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.非對稱氣動伺服閥，包括上遊節流口和下遊節流口，其特徵在於所述上遊節流口和下遊節流口的數量各自為一個或若干個，所述的上遊節流口和下遊節流口的總面積呈非對稱的結構形式。
2、 根據權利要求1所述的非對稱氣動伺服閥，其特徵在於所述的氣動 伺服閥內部的下遊節流口的控制面積為上遊節流口的控制面積的1倍至3倍。
3、 根據權利要求1所述的非對稱氣動伺服閥，其特徵在於還包括特性 補償結構。
4、 根據權利要求3所述的非對稱氣動伺服閥，其特徵在於所述特性補 償結構是設置於主閥芯的兩端的一對弱彈簧。
5、 根據權利要求3所述的非對稱氣動伺服閥，其特徵在於所述特性補 償結構是設置於二級控制閥的主閥芯和一級控制閥的噴嘴擋板之間的一對對稱 的幾何容腔。
6、 根據權利要求1所述的非對稱氣動伺服閥，其特徵在於所述下遊節 流口和上遊節流口的控制窗口的形狀包括矩形、三角形、圓形。
7、 根據權利要求1至6中任一所述的非對稱氣動伺服閥，其特徵在於 所述上遊節流口和下遊節流口是集成於同一個主閥芯和閥套的一體式結構。
全文摘要
帶彈簧和容腔補償的非對稱氣動伺服閥，上遊節流口和下遊節流口的面積呈非對稱的結構形式；下遊節流口的控制面積和上遊節流口的控制面積的比例，根據工作壓力的大小可以是1倍至3倍之間的任意數值。主閥芯的兩端分別採用一對弱彈簧進行特性補償；二級控制閥的主閥芯和一級控制閥的噴嘴擋板之間，通過閥內部的主閥芯、噴嘴、擋板、固定節流器和閥體等零部件裝配後，自然地形成一對容腔，通過這一對對稱的幾何容腔進行特性補償。本發明採用一體式結構，實現了上遊和下遊節流口面積的非對稱控制，實現了同一容腔的排氣時間與充氣時間基本相同的高速控制，主閥部分通過一對弱彈簧和幾何容腔的綜合補償改善了氣動伺服閥的低頻振蕩特性。
文檔編號F15B11/00GK101372990SQ200710045230
公開日2009年2月25日 申請日期2007年8月24日 優先權日2007年8月24日
發明者誾耀保 申請人:同濟大學