專利名稱：帶彈簧和容腔補償?shù)姆菍ΨQ氣動伺服閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機械工程的機械零件與傳動裝置和流體控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉 及一種帶彈簧和容腔補償?shù)姆菍ΨQ氣動伺服閥。
背景技術(shù)：
氣動系統(tǒng)首先應(yīng)用于電阻式電焊機設(shè)備，之后氣動電磁閥、氣動比例閥相 繼問世。但氣動伺服控制技術(shù)難度大，性能要求高。人們認(rèn)識到氣動系統(tǒng)中同 一容腔內(nèi)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(tǒng)的非 對稱現(xiàn)象，即同一容腔的排氣時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過充填時間，導(dǎo)致氣動系統(tǒng)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(yīng)相差甚遠(yuǎn)，甚至導(dǎo)致系 統(tǒng)失控，難以實現(xiàn)高速氣動控制與節(jié)能。此外，由于氣體壓縮性和壓力響應(yīng)慢 等種種原因，氣動伺服闊等元器件未能很好地產(chǎn)業(yè)化和普及。
目前氣動技術(shù)在汽車、飛機制造、火車車輛、機床、自動化生產(chǎn)線、機器 人等方面得到了廣泛的應(yīng)用。隨著宇航及國防軍工的發(fā)展， 一般工業(yè)用響應(yīng)緩 慢的氣動控制飛躍到氣動伺服控制，具有一定響應(yīng)性速度、較高精度以及較大 功率的伺服控制技術(shù)應(yīng)運而生，并應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)過程的遠(yuǎn)程控制等。
為了平衡氣動系統(tǒng)中上述排放時間與充填時間兩種不同的響應(yīng)時間，基于 對稱氣動伺服閥的傳統(tǒng)的柔性補償對線性系統(tǒng)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(dá)摩擦力和抗干擾 力、噴嘴一擋板機構(gòu)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，且難于實現(xiàn)氣動系統(tǒng)的高速控制和高精度控制。這就 導(dǎo)致越來越需要一種新原理的硬件方法來解決上述問題，實現(xiàn)高速高精度的氣 動控制。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種帶彈簧和容腔補償?shù)姆菍ΨQ氣動伺服閥， 通過硬件措施來解決氣動系統(tǒng)的排放時間大大超過充填時間的問題，克服現(xiàn)有 氣動系統(tǒng)由于充填特性和排放特性而導(dǎo)致非對稱現(xiàn)象甚至失控的問題，實現(xiàn)氣 動系統(tǒng)的相對高速控制。
為達(dá)到上述目的、本發(fā)明的解決方案是
一種非對稱氣動伺服閥，包括上游節(jié)流口和下游節(jié)流口，所述上游節(jié)流口 和下游節(jié)流口的數(shù)量各自為一個或若干個，所述的上游節(jié)流口和下游節(jié)流口的 總面積呈非對稱的結(jié)構(gòu)形式。
所述的氣動伺服閥內(nèi)部的下游節(jié)流口的控制面積為上游節(jié)流口的控制面積 的1倍至3倍。即，根據(jù)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(shù)值。
還包括特性補償結(jié)構(gòu)。
所述特性補償結(jié)構(gòu)是設(shè)置于主閥芯的兩端的一對弱彈簧。
所述特性補償結(jié)構(gòu)是設(shè)置于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。
所述下游節(jié)流口和上游節(jié)流口的控制窗口的形狀包括矩形、三角形、圓 形。當(dāng)然，控制窗口采用不規(guī)則形狀、以及下游節(jié)流口和上游節(jié)流口的控制窗 口在形狀上不對應(yīng)也是可以的。
所述上游節(jié)流口和下游節(jié)流口集成于同一個主閥芯和閥套的一體式結(jié)構(gòu)。
本發(fā)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(nèi)部的 下游節(jié)流口的控制面積和上游節(jié)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(nèi)部的下游節(jié)流口的控制面積為 上游節(jié)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(nèi)部的下游節(jié)流口的控制面積為上游節(jié)流口的控制面積的1倍至2 倍；具體實施的結(jié)構(gòu)上采取近似值，即下游節(jié)流孔的面積為上游節(jié)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(nèi)部的下游 節(jié)流口的控制面積為上游節(jié)流口的控制面積的2倍至3倍；具體實施的結(jié)構(gòu)上 采取近似值，即下游節(jié)流孔的面積為上游節(jié)流孔面積的3倍。
關(guān)于特性補償結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)上，通過閥內(nèi)部的主閥芯、噴嘴、擋板、固定節(jié) 流器和閥體等零部件裝配后，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?shù)慕Y(jié)構(gòu)。
具體的，本發(fā)明提出的帶彈簧和容腔補償?shù)姆菍ΨQ氣動伺服閥，包括力矩 馬達(dá)的電-力轉(zhuǎn)換部分、十字彈簧和銜鐵的力-位移轉(zhuǎn)換部分、噴嘴和擋板的一 級放大器部分、反饋彈簧桿和閥芯、閥套、 一對弱彈簧和一對幾何容器組成的 主閥部分。在主閥的下游節(jié)流口采用與上游節(jié)流口不對稱的節(jié)流面積的控制方 案，即按照不同的工作壓力等級，下游節(jié)流口的控制面積為上游節(jié)流口的控制 面積的1倍至3倍之間的任意數(shù)值，下游節(jié)流口和上游節(jié)流口分別采用非對稱
的控制方式。
進一步，所述的非對稱控制方式是下游和上游采用不對稱矩形節(jié)流窗口， 或者三角形節(jié)流窗口，或者圓形節(jié)流窗口的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明在幾何結(jié)構(gòu)上，具體而言，在相同閥位移的條件下，下游節(jié)流口可 由多個矩形節(jié)流口構(gòu)成，而上游節(jié)流口則由一個矩形節(jié)流口構(gòu)成。也可以按照 下游節(jié)流口和上游節(jié)流口都采用相同數(shù)量的節(jié)流口 ，下游節(jié)流口的面積是上游 節(jié)流口的面積的1倍至3倍之間的任意數(shù)值(例如，2倍或3倍)的結(jié)構(gòu)方式實 施。
本發(fā)明相關(guān)的主閥芯的兩端分別采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，由于閥兩腔的壓力較低，很容易產(chǎn)生低頻振蕩，導(dǎo)致閥的工 作不穩(wěn)定。本發(fā)明采用一對弱的圓柱彈簧，對稱地安裝在主閥芯的兩側(cè)；同時，
在主閥芯的兩側(cè)和供氣口、噴嘴擋板之間設(shè)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(xiàn)閥芯運動的平穩(wěn)控制。
由于采用了上述方案，氣動伺服閥采用一體式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)上游節(jié)流口面積 和下游節(jié)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(shù)值；例如，下游節(jié)流口面積為上游節(jié)流口面積的2 倍或3倍，實現(xiàn)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(fā)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(tài)特性測試的示意圖。
圖4是本發(fā)明的一種實施例的部分示意圖。
圖5是本發(fā)明的一種實施例的部分示意圖。
圖中標(biāo)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(jié)流器，6為銜鐵，7為第二固定節(jié)流器，8為主閥圓柱閥芯，9為位移 檢測傳感器(應(yīng)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、撥桿及反饋彈簧，14為第二補償容腔2， 15為第二固定節(jié) 流器，16為第一補償容腔，17為導(dǎo)磁體，18為供氣氣源，19為上游節(jié)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
為下游節(jié)流孔Sd， 25為和大氣相連接的排氣口 ， 26為信號發(fā)生器和特性記錄儀， 27為動態(tài)應(yīng)變儀，28為主閥芯位移傳感器，29為主閥，30為力矩馬達(dá)，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(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
圖1為本發(fā)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(dǎo)磁體17和銜鐵6構(gòu)成力矩馬達(dá)，實現(xiàn)輸入電信號和力之間的轉(zhuǎn) 換。由支持彈簧2、銜鐵6和撥桿及反饋彈簧13實現(xiàn)力和位移的轉(zhuǎn)換。由噴嘴 4、擋板13、固定節(jié)流器5和固定節(jié)流器15以及主閥圓柱閥芯8之間的容腔構(gòu) 成噴嘴擋板液壓放大器，推動主閥芯8移動，從而控制節(jié)流口的大小，實現(xiàn)流 量控制。由撥桿及反饋彈簧13實現(xiàn)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桿13上的應(yīng)變片進行檢測。由噴嘴4、擋板13、 固定節(jié)流器5、主閥圓柱閥芯8以及閥體等零件裝配后，自然地構(gòu)成一個容腔 16。同樣，由噴嘴4、擋板13、固定節(jié)流器15、主閥圓柱閥芯8以及閥體等零 件裝配后，自然地構(gòu)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(dāng)主閥芯8朝右打開，即主閥芯8位移為正時，閥的開口為上游的一個節(jié) 流口；當(dāng)主閥芯8朝左打開，即主閥芯8位移為負(fù)時，閥的開口由下游的兩個 節(jié)流口組成。節(jié)流口的形狀為矩形窗口，也可以是三角形節(jié)流窗口，或者圓形 節(jié)流窗口的結(jié)構(gòu)。上游節(jié)流口和下游節(jié)流口采用同一種節(jié)流窗口形式。通過上 述過程，在相同閥位移時，主閥下游節(jié)流口面積為上游節(jié)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(gòu)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(fù)載流量壓力劇烈變化時，增加阻尼和動態(tài)反饋，提高主閥芯8的工作穩(wěn)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(jù)主閥閥芯8的質(zhì)量、 供氣壓力和幾何容腔的大小確定。
圖2所示為本發(fā)明實施時的一種分解說明的示意圖。如圖所示，上游節(jié)流 孔(Su) 19和下游節(jié)流孔(Sd) 24為同一氣動伺服閥內(nèi)部控制的兩個節(jié)流孔。 當(dāng)供氣氣源18的供給氣體經(jīng)過連接管路20后，由氣動伺服閥內(nèi)部控制的上游 節(jié)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(dāng)充氣容腔21 (Pch)的壓力低于供氣氣源18的壓力(Ps) 時，上游節(jié)流孔(Su) 19開啟，向充氣容腔21進行充氣；當(dāng)充氣容腔21 (Pch)
的壓力達(dá)到供氣氣源18的壓力(PS)時，上游節(jié)流孔(SU) 19關(guān)閉，完成充氣
容腔21的充氣。放氣容腔22的排放過程中，當(dāng)放氣容腔22 (Pch)的壓力高于 和大氣相連接的排氣口25的壓力(Pe)時，下游節(jié)流孔(Sd) 24開啟，向排氣 口 25進行排氣；當(dāng)放氣容腔22 (Pch)的壓力下降至排氣口 25的大氣壓力(Pe) 時，下游節(jié)流孔(Sd) 24關(guān)閉，完成排氣容腔21的排氣過程。
利用常規(guī)對稱氣動控制閥時，氣動閥內(nèi)部控制的兩個節(jié)流孔面積相同，即 上游節(jié)流孔(Su) 19的面積等于下游節(jié)流孔(Sd)的面積，Su=Sd。當(dāng)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(shè)所需的充氣 時間為tu;當(dāng)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(shè)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(shù)倍以上。
通過本發(fā)明的非對稱氣動伺服閥，和常規(guī)的對稱氣動控制閥不同之處在于， 非對稱氣動伺服闊內(nèi)部控制的兩個節(jié)流孔面積呈非對稱關(guān)系，即下游節(jié)流孔 (Sd)的面積為上游節(jié)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(shù)值；例如，2倍或3倍，Sd=2Su或Sd=3Su。當(dāng)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(dāng)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，對于體積為5cm3的容腔，當(dāng)采用常規(guī)的對稱氣動控制閥，其主閥芯 的直徑8mm，上游最大節(jié)流孔面積和下游最大節(jié)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，采用常規(guī)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。采用非對稱 氣動伺服閥后，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(tài)頻率相應(yīng)特性時，通過內(nèi)藏芯片 的信號發(fā)生器兼特性記錄儀26輸出動態(tài)頻率信號，經(jīng)過伺服放大器31進行信 號放大后，輸出至氣動伺服閥的力矩馬達(dá)30，力矩馬達(dá)30進行電-力的轉(zhuǎn)換， 推動氣動伺服閥29內(nèi)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，同時反饋彈簧桿進行主閥芯位移反饋。內(nèi)藏于氣動伺服閥29 結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jīng)過動態(tài) 應(yīng)變儀27處理后，由信號發(fā)生器兼特性記錄儀26進行記錄和并和輸入信號進 行比較分析。信號發(fā)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(yīng)和階躍響應(yīng)特性。
圖4所示為本發(fā)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，例如下游節(jié)流孔的控制面積為上游節(jié)流孔的控制面積的2倍，可
以通過圖4所示的方案實施。當(dāng)閥芯位移x為正時，氣體經(jīng)過流入節(jié)流口向負(fù) 載口供氣；當(dāng)閥芯位移x為負(fù)時，氣體經(jīng)過負(fù)載口向出節(jié)流口排氣。在流入節(jié) 流口只有一處，而流出節(jié)流口有兩處；在相同的節(jié)流口形狀和相同的閥位移時， 流出節(jié)流口的控制面積為流入節(jié)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范圍的場合下，非對稱氣動伺服閥內(nèi)部控制的兩個 節(jié)流孔面積比為1.8倍，具體實施的結(jié)構(gòu)上采取近似值，即下游節(jié)流孔的面積 為上游節(jié)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(guī)對稱氣動控制閥(氣動閥內(nèi)部控制的兩個節(jié)流孔面積相同，即 上游節(jié)流孔(Su) 19的面積等于下游節(jié)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(fā)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，例如下游節(jié)流孔的控制面積為上游節(jié)流孔的控制面積的3倍，可 以通過圖5所示的方案實施。當(dāng)閥芯位移x為正時，氣體經(jīng)過流入節(jié)流口向負(fù) 載口供氣；當(dāng)閥芯位移x為負(fù)時，氣體經(jīng)過負(fù)載口向出節(jié)流口排氣。在流入節(jié) 流口只有一處，而流出節(jié)流口有三處；在相同的節(jié)流口形狀和相同的閥位移時， 流出節(jié)流口的控制面積為流入節(jié)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(nèi)部控制的兩 個節(jié)流孔面積比為2.8倍，具體實施的結(jié)構(gòu)上采取近似值，即下游節(jié)流孔的面 積為上游節(jié)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于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用 本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改， 并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此， 本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明 做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.非對稱氣動伺服閥，包括上游節(jié)流口和下游節(jié)流口，其特征在于所述上游節(jié)流口和下游節(jié)流口的數(shù)量各自為一個或若干個，所述的上游節(jié)流口和下游節(jié)流口的總面積呈非對稱的結(jié)構(gòu)形式。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱氣動伺服閥，其特征在于所述的氣動 伺服閥內(nèi)部的下游節(jié)流口的控制面積為上游節(jié)流口的控制面積的1倍至3倍。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱氣動伺服閥，其特征在于還包括特性 補償結(jié)構(gòu)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的非對稱氣動伺服閥，其特征在于所述特性補 償結(jié)構(gòu)是設(shè)置于主閥芯的兩端的一對弱彈簧。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的非對稱氣動伺服閥，其特征在于所述特性補 償結(jié)構(gòu)是設(shè)置于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(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱氣動伺服閥，其特征在于所述下游節(jié) 流口和上游節(jié)流口的控制窗口的形狀包括矩形、三角形、圓形。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一所述的非對稱氣動伺服閥，其特征在于 所述上游節(jié)流口和下游節(jié)流口是集成于同一個主閥芯和閥套的一體式結(jié)構(gòu)。
全文摘要
帶彈簧和容腔補償?shù)姆菍ΨQ氣動伺服閥，上游節(jié)流口和下游節(jié)流口的面積呈非對稱的結(jié)構(gòu)形式；下游節(jié)流口的控制面積和上游節(jié)流口的控制面積的比例，根據(jù)工作壓力的大小可以是1倍至3倍之間的任意數(shù)值。主閥芯的兩端分別采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(nèi)部的主閥芯、噴嘴、擋板、固定節(jié)流器和閥體等零部件裝配后，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(fā)明采用一體式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了上游和下游節(jié)流口面積的非對稱控制，實現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2007年8月24日
發(fā)明者訚耀保 申請人:同濟大學(xué)