专利名称：流体系统数字化的脉冲数字流传动、控制方法
技术领域：
本发明属于机械工程中的流体传动控制技术，主要涉及流体系统数字化的脉冲数字流传动、控制方法。
2、脉冲调制方式包括脉宽调制(PWM)、脉幅调制(PAM)、脉频调制(PFM)、脉数调制(PNM)、脉码调制(PCM)等在内的脉冲调制方式，它们的共同特点是输出与调制脉冲信号对应的模拟流体，实现平均流量的控制。
3、步进电机驱动方式用步进电机作为D/A转换器，由计算机所给出的数字量经电平转换、功率放大后，驱动步进电机带动机械转换装置，所构成的数字流量阀、数字方向流量阀、数字压力阀、步进马达和步进油缸等。
4、位置传感器方式采用特殊的结构和材料，通过活塞位置传感器得出活塞位置的数字信号，从而构成数字油缸。
综合以上几种流体动力系统与计算机结合的形式可知，这些方法，或者是借助于控制电信号的形式变化(D/A转换、脉冲调制)，或者是对流体元件结构进行特殊设计(位置传感器方式)，因此中间环节多，结构复杂，流体动力元件的动作和被控数字信号之间，对应关系不明晰，对于计算机的处理和控制也不方便。
本发明提出的技术方案是对流体系统中的工作流体进行离散量化，将流体系统中连续的模拟流动的流体转变为一系列的、可计数的、确定量的流体脉冲，且每一个流体脉冲的量都是一定且等量的，形成脉冲流，一连串的流体脉冲作用于流体动力元件， 同时一连串的流体脉冲伴随与其一一对应的电脉冲信号，电脉冲信号经计算机计数、运算、比较等处理后，控制流体开关阀的工作状态，进而控制流体动力元件的工作。
由电一流体脉冲发生器将流体系统中连续的模拟流转变为可计数的、一连串的脉冲流，同时发出相应的一连串电脉冲信号，这些电脉冲信号与流体脉冲一一对应。
本发明的技术方案在于把流体动力系统中的连续流体离散量化为一连串的脉冲流，每一个流体脉冲由相应的电子脉冲信号伴随，因此流体系统中的流体就由原来的连续模拟式流动变为可控的数字式流动。这里所谓的模拟式流动是指流体动力系统中管道里流动的流体流量是随着时间连续变化，而数字式流动则是指流体动力系统中管道里流动的流体流量是由可计数的、并且是可控的一连串流体脉冲组成。每一个流体脉冲即为对模拟式流动的流体进行离散的一个量化单位，每一个流体脉冲对流体动力元件所执行的动作即为对该流体动力元件的一个脉冲当量。
当需要控制某一流体动力元件工作时，由计算机给出开关阀的开启信号，工作流体经过电—流体脉冲发生器，将连续流动的模拟流体变为可计数的、一连串的流体脉冲，这些流体脉冲用来控制流体动力元件的动作。同时，电—流体脉冲发生器输出与流体脉冲一一对应的电脉冲信号，电脉冲信号就输入计算机，供计算机进行计数、比较、运算等处理。当流体动力元件的动作达到预定要求时，也即为其提供动力的流体其脉冲流量数值达到预定值时，计算机即给出控制信号，关闭开关阀，使电—流体脉冲发生器停止工作，使其输出的流体脉冲结束，则流体动力元件的动作也就停止。很显然，流体动力元件动作的量就等于计算机所要求的数字量，该流体动力元件也就成了数字流体元件。至于流体动力元件动作的速度，可以通过流体脉冲发生的频率来调节。以上为利用本发明方法控制一个流体动力元件时的工作概况。
利用本发明方法产生的脉冲数字流，可方便地控制各种流体动力元件，如泵、阀、马达、油缸等，使之成为数字流体元件，进而用这些数字流体元件构成完全的数字流体系统。
本发明所述的流体可为液体、气体。
将连续的模拟流体转变为可计数的一连串的脉冲流，并伴随脉冲流输出与其一一对应的电脉冲信号，可设计电—流体脉冲发生装置完成。其中，电—流体脉冲发生装置内部的活塞在工作流体的作用下动作。活塞的每次动作，对应输出一个流体脉冲，同时，由位置传感器检测活塞的位置变化，给出开关信号，并由信号处理电路处理后输出一个电脉冲信号，该信号送往计算机，由计算机进行计数、运算、比较等处理后，控制流体开关阀的工作状态，进而控制流体动力元件工作。
本发明涉及的方法与流体传动、控制领域现有的一切数字化方法不同，其创新之处在于它是从流体系统的工作介质本身入手，将系统中的工作流体进行离散和量化，把流体系统中的连续模拟式流动转变为一系列的、可计数的、确定量的流体脉冲。该脉冲流包含了数字信息、压力作用、流量信息三方面的内容。因此，在实现流体动力元件与流体动力系统数字化时，流体动力元件的动作要求和数字量之间的关系直观明晰，脉冲数字信号的处理对数字电路装置或计算机来说，又非常简单方便。特别是与现有流体动力系统和流体动力元件的兼容性方面，非常友好。也就是说，使用普通的模拟式工作流体，系统就以现在通常的模拟方式工作，而使用该脉冲数字流，系统就能以数字控制的方式工作。
附图
2为数字流体系统中具有多个流体动力元件时的框图。
附图3为数字流体系统中具有多个流体动力元件时的另一种构成框图。
附图4为电—流体脉冲发生器机械部分即流体脉冲发生器结构示意图。
附图5为附图4的K-K剖面图。
附图6为电—流体脉冲发生器中电脉冲发生器电路原理图。
附图7为电脉冲发生器中使用另一种位置传感器时的示意图。
图中，1、3、5、6、单向阀，2、活塞杆，4、8、活塞，7、液控换向阀，9、位置传感器。
当要求流体动力元件动作一定的量时，先把这个量输入计算机中，然后由计算机发出指令、开启开关阀，工作流体就推动电—流体脉冲发生器中的活塞往复运动，以输出一连串的流体脉冲。每个一个流体脉冲的量都是一定的，称之为一个量化单位。该量化单位的流体输入到流体动力元件中，使之产生一定量的动作，称之为一个脉冲当量。要求流体动力元件动作的量实际上就是要求动作多少个脉冲当量。电—流体脉冲发生器在发出流体脉冲的同时，也发出相应的电脉冲信号，该电脉冲信号送往计算机，供计算机进行计数、比较、运算等处理。一旦被控流体动力元件达到所要求动作的脉冲当量个数，则计算机就会发出指令，关闭开关阀，切断通往电—流体脉冲发生器的油路，则电—流体脉冲发生器就停止工作，不再输出流体脉冲，流体动力元件的动作也就等于计算机所要求的数字量大小，该流体动力元件也就成了数字流体元件，这就是控制一个流体动力元件时的工作概况。
如附图2所示，对采用本发明装置，去操纵多个流体动力元件，并由此而组成完全的数字流体系统时，其构成包括有能源供给部分、电—流体脉冲发生器、开关阀组、计算机和流体动力元件等。其中，开关阀组包含有对应流体动力元件数量N的N个开关阀构成。需要对某一个流体动力元件实行数字控制时，便开启相应的开关阀，由电—流体脉冲发生器进行控制，其过程与前面所述简单控制系统相同。由于N个流体动力元件都能得到数字控制，所以，整个系统便成为一个完全的数字流体系统。
如附图3所示，对采用本发明装置，去操纵多个流体动力元件，且同一时刻使其中的某二个流体动力元件工作，并由此而组成完全的数字流体系统时，其构成包括有能源供给部分、高速开关阀、电—流体脉冲发生器、高速开关阀组、计算机和流体动力元件等，两个能源部分通过两个高速开关阀供给两个电—流体脉冲发生器的工作流体，每个电—流体脉冲发生器输出的脉冲数字流又通过高速开关阀组里的开关阀输入相应的流体动力元件，对其实行数字控制，因为该系统实际上是由两个附图2所示的系统组合而成，故其操作过程与图2所示系统的相同，在任一时刻，可由二组流体动力元件中的某一个流体动力元件单独动作，也可由两组流体动力元件中的各一个流体动力元件同时动作。
如附图4所示，以液压传动为例，对流体脉冲的产生加以说明流体脉冲发生器中，包括有换向阀7(可为二位四通阀)，其两个出口分别接活塞缸两端的油口，以推动活塞依次向两个方向动作。同时，换向阀两个出口还分别通过一个单向阀与活塞杆两端部的油腔连通，推动活塞杆与活塞同时动作，活塞杆两个端部的油腔分别通过单向阀与驱动流体动力元件的油路连通。
流体脉冲发生器中设置换向机构，以使活塞往复动作，每次活塞动作均输出一个流体脉冲，作用于流体动力元件。流体脉冲发生器的换向机构为在活塞杆两侧开置环槽，环槽X通过油口a、b，环槽Y通过油口g、h与压力油入口和换向阀连通；环槽X通过油口c、d，环槽Y通过油口e、f与油箱和换向阀连通。流体脉冲发生器中，活塞4、8固定在活塞杆2上，活塞杆2两侧的细部兼作柱塞使用，在细部上又分别切有环槽X、Y。在图4所示位置，压力油P经油口a、环槽X、油口b作用在液控二位四通换向阀7左端，使换向阀换向处在左位，换向阀右端回油经油口f、环槽Y、油口e返回油箱。这时，压力油P经换向阀上油口A，分为两路一路经油口j作用在活塞4左端面上，另一路经单向阀1、油口i作用在活塞杆2左端面上，两者一起推动活塞4、8右移，活塞8右边的回油经油口m、油口B、换向阀7、油口O返回油箱；同时，活塞杆右端腔体中的油经油口n，单向阀5输出一个流体脉冲。因为增压作用，该流体脉冲的压力要高于供油压力P，故单向阀6和单向阀3都被关闭。在活塞杆右移的同时，a、b油口和e、f油口都被活塞杆切断，当活塞杆移到右端时，c、d油口经环槽X，g、h油口经环槽Y接通，此时压力油P经油口g、环槽Y、油口h作用在液控换向阀7的右端，换向阀左端回油经油口d、环槽X，油口c接通油箱，使换向阀换向后处在右位。此时，压力油P经换向阀上油口B，分为两路一路经油口m，作用在活塞8右端面上，一路经单向阀6，油口n作用在活塞杆2右端面上，两者一起推动活塞4、8左移，活塞4左边的回油经油口j、油口A、换向阀7、油口O返回油箱；同时，活塞杆2左端腔体中的油经油口i，单向阀3又输出一个流体脉冲。同样因为增压作用，故单向阀1、单向阀5都被关闭。在活塞杆左移的同时，g、h油口和c、d油口又都被活塞杆切断。当活塞移到左湍时，a、b油口经环槽X，g、h油口经环槽Y又接通，回到图4所示位置，开始新的一轮往复运动。这样就由该发生器输出一连串的等量脉冲流，控制各种流体元件，如泵、阀、缸、马达等，使之产生相应的步进运动。
以上流体脉冲的产生是采用活塞直线往复运动的形式，同理，也可以采用活塞回转往复运动的形式，产生流体脉冲。
在该装置活塞缸体的适当地方，布置位置传感器，如图5所示，该位置传感器可以是光电开关、磁电开关、接近开关、舌簧(干簧)开关等形式，现有用以检测位移的位置传感器形式较多，在此就不一一枚举。此处以光电开关为例，描述如下(参见图6)。
位置传感器包括两组光电开关，光电开关S1、S2(参见附图4)分别由红外发光二极管D和光敏三极管T组成，在图4所示位置时，S1的光路开启，其T1管受D1管作用而导通，a1处变低电平，经过施密特反相器H1消除光电脉冲边缘抖动，在b1处得到矩形波，然后，通过C1、R3的微分电路和施密特反相器H2，形成一个利用矩形波的上升沿获得等宽的负脉冲信号，再经过H3反相，在e1处得到一个正脉冲信号加到或门H7上，输出一个正脉冲信号。当活塞右移时，S1的光电开关由亮变暗，b1处的信号是矩形波的下降沿，C1、R3的微分电路和H2不予采用，故e1处信号没有变化。而S2的一组光电开关则由暗变亮，在b2处产生一个矩形波形的上升沿，同上所述经由H5、H6，在e2处得到一个正脉冲信号加到或门H7上，又输出一个正脉冲信号。当活塞反向移动时，S1和S2两组光电开关的变化次序，同以上所述相反。这样一来，当活塞右移，通过油口n输出一个流体脉冲时，就通过光电开关S2的作用，产生一个正脉冲信号；当活塞左移，通过油口i输出一个流体脉冲时，就通过光电开关S1的作用产生一个正脉冲信号。活塞往复运动就由H7处得到一连串的TTL电平的脉冲信号，这些电脉冲信号作为流体脉冲的计数信号，可供计算机或其它数字电路使用，使各种流体元件成为一个数字元件，进而构成完全的数字流体系统。
当采用其它位置检测元件，比如干簧开关管，其传感器部分电路可表示如下(参见图7)，径向作用的环形磁铁安置在活塞4、8上(与缸壁不接触)，当磁铁移近干簧开关管J的位置时，J内接点吸合，当磁铁离开时，J内接点断开，从而在a1处产生一交替的矩形波信号，a1后面信号的处理，同光电开关的电路原理相同，现有信号处理电路类型很多，属于现有普遍技术，在此也就不一一枚举。
电—流体脉冲发生器中其机械部分即流体脉冲发生器的活塞在工作流体作用下动作，每次动作输出一个流体脉冲，即输出一个可计数的等量流体，活塞连续动作，由此输出一连串的流体脉冲。位置传感器检测到所对应活塞的位置变化，给出开关信号，由信号处理电路处理后，输出一个电脉冲信号，电脉冲信号送往计算机进行计数、比较、运算等处理，从而控制流体开关阀的工作状态，进而控制流体动力元件的工作状态。
权利要求
1.一种流体系统数字化的脉冲数字流传动、控制方法，本发明的特征是对流体系统中的工作流体进行离散量化，将流体系统中连续的模拟流动的流体转变为一系列的、可计数的、确定量的流体脉冲，且每一个流体脉冲的量都是一定且等量的，形成脉冲流；一连串的流体脉冲作用于流体动力元件，同时一连串的流体脉冲伴随与其一一对应的电脉冲信号，电脉冲信号经计算机计数、运算、比较等处理后，控制流体开关阀的工作状态，进而控制流体动力元件的工作。
2.根据权利要求1所述的流体系统数字化的脉冲数字流传动、控制方法，其特征是电—流体脉冲发生器将流体系统中连续的模拟流转变为可计数的、一连串的流体脉冲，同时发出电脉冲信号，这些电脉冲信号与流体脉冲一一对应。
3.根据权利要求1所述的流体系统数字化的脉冲数字流传动、控制方法，其特征是电—流体脉冲发生器中具有流体脉冲发生器和电脉冲发生器；流体脉冲发生器内部的活塞在工作流体作用下动作，其每次动作对应输出一个流体脉冲，电脉冲发生器中的位置传感器检测活塞的位置变化，给出开关信号，并由信号处理电路处理输出一个电脉冲信号，即对应于活塞的每次动作，也即每输出一个流体脉冲，相应产生一个电脉冲信号。
4.根据权利要求1或2或3所述的流体系统数字化的脉冲数字流传动、控制方法，其特征是流体脉冲发生器中设置有换向阀(7)，其两个出口分别接活塞缸两端的油口，推动活塞依次向两个方向动作；换向阀(7)的两个出口还分别通过一个单向阀与活塞杆两个端部的油腔连通，推动活塞杆与活塞同时动作，活塞杆两个端部的油腔分别通过单向阀与驱动流体动力元件的油路连通；流体脉冲发生器中设置换向机构，以使活塞往复动作。
5.根据权利要求4所述的流体系统数字化的脉冲数字流传动、控制方法，其特征是在活塞杆两侧上开置环槽，环槽X通过油口a、b，环槽Y通过油口g、h与压力油入口和换向阀(7)连通；环槽X通过油口c、d，环槽Y通过油口e、f与油箱和换向阀(7)连通。
全文摘要
本发明属于机械工程中的流体传动控制技术。涉及的流体系统数字化的脉冲数字流传动、控制方法对流体系统中的工作流体进行离散量化，将流体系统中连续的模拟流动的流体转变为一系列的、可计数的、确定量的流体脉冲，且每一个流体脉冲的量都是一定且等量的，形成脉冲流。一连串的流体脉冲作用于流体动力元件，同时一连串的流体脉冲伴随与其一一对应的电脉冲信号，电脉冲信号经计算机计数、运算、比较等处理后，控制流体开关阀的工作状态，进而控制流体动力元件的工作。
文档编号F16H61/38GK1448648SQ0211023
公开日2003年10月15日 申请日期2002年3月31日 优先权日2002年3月31日
发明者张志成 申请人:张志成