用于非圆车削刀架的电液伺服驱动装置的制作方法

文档序号:3236773
专利名称:用于非圆车削刀架的电液伺服驱动装置的制作方法
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 的伺服驱动装置。
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。
快速刀架伺服装置的相关机构,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200920115534.3 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
为了克服己有非圆车削刀架驱动的伺服驱动装置的不能同时满足 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装置。
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的电液伺服驱动装置,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,所述电液伺服装置还包括分 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 Tl—T5连通。
或者是所述11=1,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 流阔设定了系统压力,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6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6/2,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0 。之比,纵坐标为两个通流阀口 A"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 Avn与阀的回油口连通,A为阀芯轴向位移,xVOTax 为阀芯最大轴向位移。调节2D阔阀芯的轴向位移,阔开口面积波形 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,力为弹簧负载的压縮量,k为弹簧刚度,A 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,
F(0二 A0+A] cos(60+A2cos(2(9)+.. .+B1 sin(e)+B2sin(260+...。
略去3倍频项,刀具运动轨迹可用函数
F'(6>)=AO+Al cos(<9)+A2cos(2^)+B 1 sin(60+B2sin(2(9)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,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B0
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TO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装置的示意图。
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9(T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。
以下结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1 , 一种用于非圆车削刀架的电液伺服驱动装置,包括定
量泵l、溢流阀2、蓄能器3、调速陶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,所述电液伺服装置还包括分流阀块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ll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 PI—P5连通;伺服阀6和各2D激振阀740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和调速阀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 一10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0的函 数/^),按三角级数展开后,
f((9)=A0+Alcos(^)+A2cos(260+.. .+Blsin,B2sin(2e)+...。
略去3倍频项,刀具运动轨迹可用函数
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阀11的P1—P5 口,经集流阔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,经分流阀块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l: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6pm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 机床主轴转动相位卯。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)。
权利要求1、一种用于非圆车削刀架的电液伺服驱动装置,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装置还包括分流阀块(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的电液伺服驱动装置,其特 征在于所述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 (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 一P5)连通;伺服阀(6)和各2D激振阀(7-10)的第二出油口 (B) 分别与集流阔块(11)的五个回油口 (T1—T5)连通。
3、 如权利要求1所述的用于非圆车削刀架的电液伺服驱动装置,其特 征在于所述n-l,所述分流阀块(5)的两个第一出油口 (A1—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 服阀(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—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的电液伺服驱动装 置,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。
专利摘要一种用于非圆车削刀架驱动的电液伺服装置,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。本实用新型能够同时满足高频响和大行程。
文档编号B23B21/00GK201423449SQ20092011553
公开日2010年3月17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
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