专利名称：用于非圆车削刀架的电液伺服驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及流体动力执行机构，尤其涉及一种用于非圆车削刀架 驱动的伺服驱动系统。
背景技术：
非圆车削加工方法包括早期的机械运动合成法、靠模仿形法和数 控加工方法。非圆车削的机械运动合成法是通过机构运动合成产生异 形外圆的车削运动轨迹，分为套车法、偏心法、周转轮系法等， 一种 机床只能加工同一类型的简单异形外圆零件；靠模仿形法利用精密靠 模控制车刀和工件的相对运动轨迹，形成零件表面轮廓，分为平面靠 模仿形法和立体靠模仿形法，可以实现复杂截面形状零件的加工，加 工效率高，但仿形机构多个环节的累积误差、靠模的精度误差与磨损 对加工精度影响较大；非圆数控车削加工采用快速刀架伺服机构fast tool servo， FTS，驱动刀具以与主轴转速相关联的频率沿工件径向做往 复进给运动，从而加工出工件的非圆截面轮廓，与靠模仿形法相比， 加工效率、加工精度更高，十分适合多品种、小批量产品的加工。
快速刀架伺服系统的相关机构，最早可以追溯到雕刻机上的电磁 驱动雕刻头，其振动频率可达3 — 10kHz。目前，FTS包括以下几种类 型电液伺服、压电效应、磁致伸縮、洛仑兹力、变磁阻正应力。电 液伺服驱动方式是通过伺服阀控制进出液压缸的压力油的流量与方 向，使油缸中的活塞作往复运动，从而带动刀架做直线进给运动。传统的电液伺服驱动器按伺服阀的控制方式，分为机械-液压式和电气-液压式两种类型，机械-液压式伺服刀架是通过靠模与机动伺服阀组成 的随动系统，电气-液压式伺服刀架通过靠模和传感器产生仿形电信 号，输入到电磁伺服阀或脉冲马达控制液压缸。按伺服阀的结构，传 统的电液伺服驱动又分为直线驱动和回转驱动两种类型，直线驱动型 通过伺服阀阀芯的往复运动控制液压缸往复运动；回转驱动型通过回
转型伺服阀阀芯往复摆动控制液压缸往复运动。电液伺服驱动天然具 有大行程的优势，并且刚性好、抗干扰能力强、能输出较大的力，但 采用传统的电液伺服方法，频响较低，严重制约了它的发展。其它类
型的FTS机构频响高，但行程较小，其中音圈直线电机洛仑兹力原理
驱动的FTS能实现毫米级的大行程。
发明内容
为了克服已有非圆车削刀架驱动的伺服驱动系统的不能同时满足 高频响和大行程的不足，本发明提供一种能够同时满足高频响和大行 程的用于非圆车削刀架的电液伺服驱动系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种用于非圆车削刀架驱动的电液伺服系统，包括定量泵、溢流 阀、蓄能器、调速阀、活塞缸、用于测量活塞杆行程的激光位移传感 器和用以根据反馈信号进行精确控制的伺服控制器，定量泵的吸油口 和油箱连通，定量泵的出油口分别与溢流阀的进油口、蓄能器的进油 口、调速阀的进油口连通；激光位移传感器安装在固定的机架上；所 述激光位移传感器连接所述伺服控制器，所述电液伺服系统还包括分 流阀块、伺服阀、n个2D激振阀和集流阀块，其中n为自然数，n《4，所述活塞缸为双出杆活塞缸；调速阀的出油口和分流阀块的进油口 P0 连通；分流阀块的回油口 TO 口与节流阀的进口连通；节流阀的出口 接油箱；分流阀块的第一出油口分别与伺服阀和2D激振阀的进油口 P 连通；分流阀块的第二油口油口分别与伺服阀和2D激振阀的回油口 T 连通；伺服阀和2D激振阀的第一出油口 A分别与集流阀块的进油口 连通；伺服阀和2D激振阀的第二出油口 B分别与集流阀块的回油口 连通；集流阀块的第一出油口 A0、第二出油口BO分别与活塞缸的工 作油口连通。
作为优选的一种方案所述n=4，所述分流阀块的五个第一出油 口 A1—A5分别与伺服阀和各2D激振阀7-10的进油口 P连通；分流 阀块的五个第二出油口 B1—B5分别与伺服阀和各2D激振阀7-10的 回油口 T连通；伺服阀和各2D激振阀7-10的第一出油口 A分别与集 流阀块的五个进油口 P1—P5连通；伺服阀和各2D激振阀7-10的第 二出油口 B分别与集流阀块的五个回油口 T1一T5连通。
或者是所述n-l，所述分流阀块的两个第一出油口 A1—A2分 别与伺服阀和2D激振阀的进油口 P连通；分流阀块的两个第二出油 口 Bl—B2分别与伺服阀和2D激振阀的回油口 T连通；伺服阀和2D 激振阀的第一出油口 A分别与集流阀块的两个进油口 P1—P2连通； 伺服阀和2D激振阀的第二出油口 B分别与集流阀块的两个回油口 Tl 一T2连通。
当然，n也可以为2或3，需要根据控制场合的需要来确定。 进一步，所述伺服控制器包括工控机和DSP控制器，所述伺服阀 和2D激振阀的伺服电机连接所述DSP控制器，所述激光位移传感器(14)连接所述DSP控制器，所述DSP控制器连接工控机。
本发明的技术构思为定量泵通过吸油口从油箱中吸油，定量泵
打出的压力油分别进入溢流阀和调速阀的进油口及蓄能器的入口，溢 流阀设定了系统压力，蓄能器用于减少定量泵出口的流量脉动，压力
油经调速阀后输出稳定流量进入分流阀的进油口 P0，通过分流阀后，
压力油分别进入伺服阀和各2D激振阀7 — 10的P 口。
参照图2、图3所示，2D激振阀的阀芯既能轴向运动又能连续转
动，2D激振阀阀芯的旋转是由伺服电机连续驱动的，而阀芯的轴向位
移则由另一伺服电机通过偏心机构控制，该电机按直动式数字阀的驱
动方式进行直接数字控制。当阀芯在转动过程中位于图2所示的位置
时，P 口和A 口沟通，B 口和T 口沟通，液压缸左腔进油，右腔回油，
液压缸向右运动；当阀芯旋转过一定角度如90°处于图3所示位置时，
P口和B口沟通，B口和T口沟通，液压缸右腔进油，左腔回油，液
压缸向左运动。可见，利用阀芯的连续旋转运动，使得沿阀芯台肩周
向均匀开设的沟槽相邻沟槽的圆心角为0与阀套上的窗口相配合的阀
口面积大小成周期性变化，并使相邻台肩上的沟槽相互错位错位角度
为份2，从而进出液压缸的两个容腔的流量以相位差为180。发生周期
性的变化，驱动液压缸的活塞做周期性往复运动。由于阀芯为细长结
构，转动惯量很小，又处于液压油的很好润滑状态中，因而很容易提
高阀芯的旋转速度获得高往复频率。激振器幅值的调节是通过阀芯轴
向位移变化，进而改变阀口面积梯度实现的。
当阀芯连续转动时，与液压缸左右两腔连通的2D阀开口面积呈近
似三角波的变化规律见图4，图中横坐标为r，其含义是阀芯转角与
阀芯相临沟槽夹角e o之比，纵坐标为两个通流阀口 Aw和A^之间的开口面积差与阀口最大开口面积AvImax之比，通流阀口 AvI与阀的工作
油口连通，通流阀口 Avu与阀的回油口连通，Xy为阀芯轴向位移，xv/mx
为阀芯最大轴向位移。调节2D阀阀芯的轴向位移，阀开口面积波形 也随之改变。2D阀的面积开口波形虽为近似的三角波，由于阀控液压 缸机构低通滤波特性，使得2D阀控制驱动器的输出波形与正弦波形 非常接近，尤其是幅值小时，波形失真度很小。见图5所示的实测无 外加阻力负载时，液压缸活塞的无量纲化输出波形，图5中，横坐标 为"，其含义是液压缸活塞运动相位与工件转角e之比，纵坐标为负 载与液压缸输出力之比，&为弹簧负载的压縮量，k为弹簧刚度，尸, 为液压缸工作压力，^液压缸活塞有效面积，曲线上点A、 E为谷点， 点B、 D为过零点，点C为峰值点。
在非圆车削场合，刀具的运动轨迹即工件轮廓曲线是工件转角6 的函数/(0，按三角级数展开后，
,=AO+Alcos,A2cos(20+.. .+Blsin(/9)+B2sin(2/9)+...。
略去3倍频项，刀具运动轨迹可用函数
F'(0 二 AO+A1 cos(/9)+A2cos(26)+B 1 sin(《)+B2sin(20近似F(0 。 这里，伺服阀经DSP控制输出直流分量，2D激振阀7 — 10与其 相同由DSP分别控制幅值、相位和频率输出相应的流量分量。2D激 振阔的阀芯既能轴向运动又能连续转动，阀芯的旋转是由伺服电机 M2M4或M6或M8连续驱动的，而阀芯的轴向位移则由伺服电机 M1M3或M5或M7通过偏心机构控制，该电机按直动式数字阀的驱 动方式进行直接数字控制。2D激振阀7-10分别输出倍频流量波相位 滞后90°、 2倍频流量波相位滞后90°、倍频流量波和2倍频流量波，
8各流量分别进入集流阀11的P1—P5 口，经集流阀汇合后从其AO 口 输出到液压缸的一个工作油口，液压缸的另一工作油口与集流阀的BO 口连通，这样，不同幅值、相位和频率的流量波叠加后控制液压缸的 活塞实现所需的运动轨迹。激光位移传感器测得的位移信号反馈到 DSP，经信号分解后得到的幅值、相位与零偏用于对各控制阀进行半 闭环控制。
系统回油路上，伺服阀和各2D激振阀7 — 10的T 口分别连接分 流阀块的油口B1—B5，经分流阀块的油口 T0进入节流阀，节流阀所 产生的背压使系统工作更加稳定，最后，油液回到油箱。
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是
1) 采用2D激振阀控制液压缸，实现了液压缸活塞的高频往复运
动；
2) 多个2D激振阀与伺服阀并联控制液压缸，实现了液压缸活塞的 复杂运动波形。
3) 本发明能够同时实现非圆车削刀架的超大行程和高频响。
图1是用于非圆车削刀架的电液伺服驱动系统的示意图。
图2是2D激振阀的阀芯在转动过程过程某一角度的示意图。
图3是2D激振阀的阀芯旋转过90。后的示意图。
图4是2D激振阀的2D阀开口面积呈近似三角波的变化规律示意图。
图5是无外加阻力负载时，液压缸活塞的无量纲化输出波形的示 意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图l ， 一种用于非圆车削刀架驱动的电液伺服系统，包括定
量泵l、溢流阀2、蓄能器3、调速阀4、活塞缸12、用于测量活塞杆 行程的激光位移传感器14和用以根据反馈信号进行精确控制的伺服 控制器，定量泵1的吸油口和油箱连通，定量泵1的出油口分别与溢 流阀2的进油口、蓄能器3的进油口、调速阀4的进油口连通；激光 位移传感器14安装在固定的机架上；所述激光位移传感器14连接所 述伺服控制器，所述电液伺服系统还包括分流阀块5、伺服阀6、 n个 2D激振阀和集流阀块11，其中n为自然数，n《4，所述活塞缸12为 双出杆活塞缸；调速阀4的出油口和分流阀块5的进油口 P0连通； 分流阀块5的回油口 T0 口与节流阀13的进口连通；节流阀13的出 口接油箱；分流阀块5的第一出油口分别与伺服阀6和2D激振阀的 进油口 P连通；分流阀块5的第二油口油口分别与伺服阀6和2D激 振阔的回油口 T连通；伺服阀6和2D激振阀的第一出油口 A分别与 集流阀块11的进油口连通；伺服阀6和2D激振阀的第二出油口 B分 别与集流阀块11的回油口连通；集流阀块11的第一出油口 A0、第二 出油口 B0分别与活塞缸12的工作油口连通。
所述n-4，所述分流阀块5的五个第一出油口 A1—A5分别与伺 服阀6和各2D激振阀7-10的进油口 P连通；分流阀块5的五个第二 出油口 Bl —B5分别与伺服阀6和各2D激振阀7-10的回油口 T连通； 伺服阀6和各2D激振阀7-10的第一出油口 A分别与集流阀块11的 五个进油口 P1—P5连通；伺服阀6和各2D激振阀7-10的第二出油口 B分别与集流阀块11的五个回油口 T1一T5连通。
当然，n也可以为l、 2、 3，需要根据控制场合的需要来确定。 所述伺服控制器包括工控机和DSP控制器，所述伺服阀6和2D 激振阀7的伺服电机连接所述DSP控制器，所述激光位移传感器14 连接所述DSP控制器，所述DSP控制器连接工控机。
本实施例的工作过程如下定量泵1通过吸油口从油箱中吸油， 定量泵1打出的压力油分别进入溢流阀2和调速阔3的进油口及蓄能 器4的入口，溢流阀2设定了系统压力，蓄能器4用于减少定量泵1 出口的流量脉动，压力油经调速阀后输出稳定流量进入分流阀5的进 油口P0，通过分流阀5后，压力油分别进入服阀6和各2D激振阀7 _10的P 口。
非圆车削时，刀具的运动轨迹即工件轮廓曲线是工件转角6的函 数/(0，按三角级数展开后，
F(<9)=AO+A1 cos,A2cos(2(9)+... +B1 sin,B2sin(26)+...。
略去3倍频项，刀具运动轨迹可用函数
F'(6>) 二 AO+Al cos(0+A2cos(20)+B 1 sin(e)+B2sin(20近似。 这里，伺服阀6经DSP控制输出直流分量，2D激振阀7—10与 其相同由DSP分别控制幅值、相位和频率输出相应的流量分量。2D 激振阀的阀芯既能轴向运动又能连续转动，阀芯的旋转是由伺服电机 M2M4或M6或M8连续驱动的，而阀芯的轴向位移则由伺服电机 M1M3或M5或M7通过偏心机构控制，该电机按直动式数字阀的驱 动方式进行直接数字控制。2D激振阀7_10分别输出倍频流量波相位 滞后90°、 2倍频流量波相位滞后90。、倍频流量波和2倍频流量波，各流量分别进入集流阔11的P1—P5 口，经集流阀11汇合后从其AO 口输出到液压缸的一个工作油口，液压缸12的另一工作油口与集流阀 ll的BO口连通，这样，不同幅值、相位和频率的流量波叠加后控制 液压缸12的活塞实现所需的运动轨迹。激光位移传感器14测得的位 移信号反馈到DSP，经信号分解后得到的幅值、相位与零偏用于对各 控制阀进行半闭环控制。
系统回油路上，伺服阀6和各2D激振阀7—10的T 口分别连接 分流阀块5的油口 B1—B5，经分流阔块5的油口 T0进入节流阀13， 节流阀所产生的背压使系统工作更加稳定，最后，油液回到油箱。
实施例1:车削长轴103mm，短轴100mm的标准椭圆截面工件时， 刀具运动轨迹可用函数F'(e)二101.51+1.5cos(2e)近似，理论误差是幅 值小于6|im的4倍工件转角频率的近似正弦波。
因此，直流分量的幅值设定为1.51mm， 2倍频流量分量相位滞后 机床主轴转动相位90。的幅值为设定1.5mm。这样，伺服阀6的直流 偏置量目标为1.51mm和2D激振阀8的振幅目标为1.5mm，其阀芯 由伺服电机M4控制连续转动，其相位滞后机床主轴转动相位90°， 激光位移传感器14测得的位移信号反馈到DSP，经信号分解后得到 的幅值、相位与零偏分别对伺服阀6、伺服电机M3和M4进行独立闭 环控制。两阀控制的流量合成的流量波驱动液压缸12往复运动，并实 现运动轨迹F'(e)。
1权利要求
1、一种用于非圆车削刀架驱动的电液伺服系统，包括定量泵(1)、溢流阀(2)、蓄能器(3)、调速阀(4)、活塞缸(12)、用于测量活塞杆行程的激光位移传感器(14)和用以根据反馈信号进行精确控制的伺服控制器，定量泵(1)的吸油口和油箱连通，定量泵(1)的出油口分别与溢流阀(2)的进油口、蓄能器(3)的进油口、调速阀(4)的进油口连通；激光位移传感器(14)安装在固定的机架上；所述激光位移传感器(14)连接所述伺服控制器，其特征在于所述电液伺服系统还包括分流阀块(5)、伺服阀(6)、n个2D激振阀和集流阀块(11)，其中n为自然数，n≤4，所述活塞缸(12)为双出杆活塞缸；调速阀(4)的出油口和分流阀块(5)的进油口(P0)连通；分流阀块(5)的回油口(T0)口与节流阀(13)的进口连通；节流阀(13)的出口接油箱；分流阀块(5)的第一出油口分别与伺服阀(6)和2D激振阀的进油口(P)连通；分流阀块(5)的第二油口油口分别与伺服阀(6)和2D激振阀的回油口(T)连通；伺服阀(6)和2D激振阀的第一出油口(A)分别与集流阀块(11)的进油口连通；伺服阀(6)和2D激振阀的第二出油口(B)分别与集流阀块(11)的回油口连通；集流阀块(11)的第一出油口(A0)、第二出油口(B0)分别与活塞缸(12)的工作油口连通。
2、 如权利要求1所述的用于非圆车削刀架驱动的电液伺服系统，其特 征在于所述11=4，所述分流阀块(5)的五个第一出油口 (A1—A5) 分别与伺服阔(6)和各2D激振阀(7-10)的进油口 (P)连通；分 流阀块(5)的五个第二出油口 (B1—B5)分别与伺服阀(6)和各2D激振阀(7-10)的回油口 (T)连通；伺服阀(6)和各2D激振阀 (7-10)的第一出油口 (A)分别与集流阀块(11)的五个进油口 (Pl —P5)连通；伺服阀(6)和各2D激振阀(7-10)的第二出油口 (B) 分别与集流阀块(11)的五个回油口 (T1一T5)连通。
3、 如权利要求1所述的用于非圆车削刀架驱动的电液伺服系统，其特 征在于所述n-l，所述分流阀块(5)的两个第一出油口 (Al-A2) 分别与伺服阀(6)和2D激振阀(7)的进油口 (P)连通；分流阀块(5)的两个第二出油口 (B1—B2)分别与伺服阀(6)和2D激振阀 (7)的回油口 (T)连通；伺服阀(6)和2D激振阀(7)的第一出 油口 (A)分别与集流阀块(11)的两个进油口 (P1—P2)连通；伺 服阔(6)和2D激振阀(7)的第二出油口 (B)分别与集流阀块(11) 的两个回油口 (T1一T2)连通。
4、 如权利要求l一3之一所述的用于非圆车削刀架驱动的电液伺服系 统，其特征在于所述伺服控制器包括工控机和DSP控制器，所述伺 服阀(6)和2D激振阀(7)的伺服电机连接所述DSP控制器，所述 激光位移传感器(14)连接所述DSP控制器，所述DSP控制器连接工控机。
全文摘要
一种用于非圆车削刀架驱动的电液伺服系统，包括定量泵、溢流阀、蓄能器、调速阀、活塞缸、激光位移传感器和伺服控制器，还包括分流阀块、伺服阀、n个2D激振阀和集流阀块，其中n为自然数，n≤4，活塞缸为双出杆活塞缸；调速阀的出油口和分流阀块的进油口P0连通；分流阀块的第一出油口分别与伺服阀和2D激振阀的进油口P连通；分流阀块的第二油口油口分别与伺服阀和2D激振阀的回油口T连通；伺服阀和2D激振阀的第一出油口A分别与集流阀块的进油口连通；伺服阀和2D激振阀的第二出油口B分别与集流阀块的回油口连通；集流阀块的第一出油口A0、第二出油口B0分别与活塞缸的工作油口连通。本发明能够同时满足高频响和大行程。
文档编号B23B21/00GK101502884SQ200910096660
公开日2009年8月12日 申请日期2009年3月13日 优先权日2009年3月13日
发明者翔 裴, 彤 邢, 健 阮 申请人:浙江工业大学