专利名称：采用双作用式液压缸脉冲宽度调制控制的定位设备及方法
技术领域：
本发明总体涉及定位设备，尤其涉及用于负载选择定位和双向复位的设备。
背景技术：
装置设计中出现的无数的情况需要部件(负载)的控制定位和复位。利用致动器产生该部件的定位移动，该致动器的类型选择包括众多因素，例如设备的性质，将部件从一个位置转移到另一个位置并将其保持在需要位置所需的力的大小，以及用于致动器的可利用的动力源。当可以得到流体动力，一般是加压的液压流体或压缩空气时，选择的致动器为液压(气动)缸。
惯用的液压缸包括一个在缸内滑动安装的活塞，以将该液压缸分成一对腔，一个腔在活塞的一侧。该活塞通常被机械地连接到该部件上。如果液压缸是单作用式的，加压的流体通过液流阀选择性地只进入一个腔，而另一个腔通过液流阀连续地或选择性地通向较低的压力(一般是大气)。然后，活塞沿着该通气腔的方向被推进，其上连接的部件沿所需方向从静止位置被推动到致动后的位置。通常，当两个腔都通向大气时，该部件由复位弹簧将其回复到它的静止位置。
当部件需要双向定位时，采用一个双作用式液压缸作为致动器。这里，一般控制独立的三通液流阀将腔通向大气或将腔与加压的流体源相连通。当两个腔都与加压的流体源连通时，腔内的流体压力平衡且活塞的位置被固定以将部件强迫保持在所需要的位置。为了将部件沿两个方向之一移动到所需的新位置，两个腔中适宜的一个腔被通向大气直到该部件被推动到新的位置，接着该腔被重新连通到加压的流体源。
一种尤其适用于用来控制作为位置致动器的液压缸的液流阀是三通电磁阀。将液流阀电气致动到它的几个阀位的性能提供了控制一个部件定位和复位的通用性和精确度。此外，液流阀位置的电气控制有助于使用微处理器装置。
发明概述本发明的主要目的是提供一种用于控制负载的定位和双向复位的改进的设备及方法。
本发明的另一目的是提供一种具有上述特征的改进的定位设备及方法，它采用双作用式液压缸作为定位致动器。
本发明的又一目的是提供一种具有上述特征的改进的定位设备及方法，它提供了定位致动器的电子控制。
为达到这些和其它目的，本发明的定位设备包括一个流体致动器，该流体致动器包括一个液压缸及设置在液压缸内的活塞以确定第一和第二腔；第一液流阀，它的静止阀位将第一腔与流体压力源连通，它的致动后的阀位将第一腔连通大气；第二液流阀，它的静止阀位将第二腔连通大气，它的致动后的阀位将第二腔与流体压力源连通。通过将第一和第二液流阀周期地并同时地驱动到它们各自相应的致动后的位置，一个可操作地连接到第一和第二液流阀的组件对输入指令作出响应，由此在第一和第二腔内产生有差别的流体压力以产生活塞与致动器的相对移动。这个相对移动被联接而产生负载的定位移动。
本发明的目的同时通过提供一种定位方法而达到。该定位方法包括以下步骤将流体致动器连接到负载上，其中该致动器包括设置在液压缸内的活塞以确定第一和第二腔；设置一个第一液流阀，它的第一阀位将第一腔连通大气，它的第二阀位将第一腔连通到加压流体源；设置一个第二液流阀；它的第一阀位将第二腔连通到加压流体源，它的第二阀位将第二腔连通大气；以及交替地在第一时间周期将第一和第二流体阀同时改变到它们的第一阀位而在第二时间周期将其同时改变到它们的第二阀位。该定位方法还包括以下步骤使第一和第二时间周期相等以平衡第一和第二腔内的液压流体压力，例如以将负载保持在所需要的位置；相对于第二时间周期增大第一时间周期以使第一和第二腔内的液压流体压力失去平衡，因而使负载沿第一方向移动；相对于第二时间周期减小第一时间周期以使第一和第二腔内的液压流体压力失去平衡，例如以使负载沿第二方向移动。
本发明的其它特点、优点和目的在后继的说明中示出，且部分地从说明中显而易见或者通过本发明的实施而得知。本发明的目的和优点将由下述文字说明和附属的权利要求及附图
中具体指出的设备和方法而实现和得到。
可以理解，上述一般说明和下述详细说明都是示范性和解释性的，且意图提供如权利要求所述的本发明的进一步的解释说明。
附图是为了提供对本发明的进一步理解，它被包括在说明书中并构成说明书的一部分，用于例示本发明的优选实施例并且与说明一起解释本发明的原理。
附图简述唯一的附图是按照本发明的优选实施例构造的一个定位设备的示意图。
优选实施例详述本发明的定位设备，总体用10示出，它包括流体致动器12；一对三通电磁阀14和16，该阀将致动器的流体腔连通到加压流体的共用源18或将流体腔连通到大气20；以及一个电子组件22，该电子组件被连接以对位置指令信号作出响应而实现可控制地激励电磁阀，以便对连接到流体致动器12的负载24进行可选择的定位。加压流体源18可以包括压缩空气或例如在油池泵的压力调节输出口处产生的加压液压流体。如果利用液压流体作为动力源，液流阀将致动器腔连通到油池。
致动器12包括一个液压缸26，其内有一滑动安装的活塞以确定一对对置的腔30和32。活塞28被安装成通过对置的活塞杆而在液压缸26内能往复移动，该对置的活塞杆延伸通过液压缸端壁的密封开孔。一个活塞杆的外端被连接到负载24，如示意图在36示出。活塞28的位置可以是固定的，在这种情况下液压缸26被机械地连接到负载上。
三通电磁阀14包括由一阀槽(未示出)所确定的一对阀位38和40，该阀槽由杆42连接到柱塞44。作用在柱塞上的弹簧46使阀槽沿箭头47的方向偏移到一个位置，该位置确定阀位38作为电磁阀14的静止阀位。三通电磁阀16最好与电磁阀14相同，因而它包括由一阀槽(未示出)作确定的一对阀位48和50，该阀槽由杆54连接到柱塞52。作用在柱塞52上的弹簧56使阀槽沿箭头57的方向偏移到一个位置，该位置确定阀位50作为电磁阀16的静止阀位。
通入致动器腔30的孔口58通过流体通路60被连接到电磁阀14的孔口62，而通入致动器腔32的孔口64通过流体通路66被连接到电磁阀16的孔口68。电磁阀14的孔口70和电磁阀16的孔口72通过流体通路76和78被并联联接到加压流体源18。完成设备10的流体回路后，电磁阀14的孔口80和电磁阀16的孔口82通过流体通路84和86被并联联接到大气20。
围绕在电磁阀14的柱塞44上的电磁线圈88，在一端接地而在它的另一端通过导线90联接到电子组件22。围绕在电磁阀16的柱塞52上的电磁线圈92，在一端接地而在它的另一端通过导线94与电磁线圈88并联联接到电子组件22。该电子组件以已知方式构造，对导线96接收到的位置指令信号作出响应，以实现脉冲宽度调制(PWM)。该脉冲电流98被并联地施加在电磁阀14的电磁线圈88和电磁阀16的电磁线圈92上。脉冲电流98的脉冲速率可以是例如每秒钟16个脉冲。最后，位于流体管路76、78、84和86上的节流孔100调整通过这些管路的流体的流速，并因此平衡系统变量且防止致动器腔30和32内的流体压力的突然变化。
如附图所示，当电磁阀14和16在脉冲电流98的脉冲间隔中取它们各自的静止位置38和50时，致动器腔30连通大气而致动器腔32与加压的流体源18成流体连通。在这些情况下，致动器腔32内的液压流体压力超过致动器腔30内的液压流体压力。腔32的容积增大，而腔30的容积缩小，于是活塞28向左推进，负载24也向左移动。
另一方面，在脉冲流98的每个脉冲宽度中，电磁阀14和16分别取它们各自的致动后的位置40和48，使得致动器腔30与加压的流体源18成流体连通而致动器腔32连通大气。此时，致动器腔30内的流体压力超过致动器腔32内的流体压力。致动器腔30的容积增大，而致动器腔32的容积缩小，于是活塞28向右推进，负载24也向右移动。
当由导线96上的指令信号设置的脉冲的频宽比为50％(脉冲宽度等于脉冲间隔)时，可知致动器腔30和32内的平均有效压力相等、即平衡，活塞28基本维持静止以将负载24保持在所需要的位置。由于致动器腔在脉冲电流98的脉冲速率下交替地加压与连通大气引起活塞的轻微的高频振动，这有利地消除了静止摩擦力的不利影响及设备10在操作中的迟滞。
当脉冲的频宽比被减小至小于50％时，致动器腔32内的平均有效压力超过致动器腔30内的平均有效压力，于是负载24向左移动。可以理解，相对于小于50％的脉冲频宽比的减小，负载向左移动的速度是成比例地增大的。因此，当脉冲电流中断时，该负载以最大的速度向左移动。利用这个特点有利于在某些应用中，在意外的电子控制故障时将负载以最大速度移动到失效保护位置。当将负载24向左移动到所需要的新位置时，指令信号将脉冲频宽比回复到50％，由此将负载保持在该新位置。
相反地，当脉冲的频宽比被升高至大于50％时，致动器腔30内的平均有效流体压力超过致动器腔32内的平均有效流体压力，于是该负载以一速度向右移动，相应于增大的频宽比与50％的频宽比之间的差别该速度是成比例的。向右移动的最大速度是在100％的频宽比下得到的，即电磁线圈88和92由直流激励。当该负载达到所需要的新的右侧的位置时，所述频宽比回复到50％以将该负载保持在这个新位置。
可以理解，本发明有许多应用，因为负载24可以是任何部件，该部件必须在一个位置范围内以适宜的速度被移动以控制一件设备的操作。例如，可以利用本发明的设备作为在无级变速的液压传动装置中的比例控制器，例如在1995年1月30日申请的序号为08/380,269的本人的美国申请中公开的；该申请的公开内容在此引入作为参考。
可以理解，本领域的技术人员可以对本发明的设备及方法进行各种改型和变化而并不偏离本发明的精神。因此，这意味着本发明要覆盖其改型和变化，只要这些改型和变化落在所附属的权利要求及其等同物的精神和范围内。
权利要求
1.一种定位设备，包括一个流体致动器，该流体致动器包括一个液压缸和设置在该液压缸内以确定第一腔和第二腔的一个活塞；第一液流阀，它的静止阀位将第一腔与流体压力源连通，它的致动后的阀位将第一腔连通大气；第二液流阀，它的静止阀位将第二腔连通大气，它的致动后的阀位将第二腔与流体压力源连通；一个组件，它被联接到第一和第二液流阀，且对输入指令作出响应，周期地并同时地将第一和第二液流阀驱动到它们各自的致动后的位置，由此在第一和第二腔内产生有差别的流体压力以产生活塞与液压缸的相对运动；以及用于将相对运动转换成负载定位移动的设备。
2.根据权利要求1所述的定位设备，其特征在于，该所述组件利用电脉冲流驱动第一和第二液流阀，以便在每个脉冲宽度将液流阀移动到它们各自的致动后的阀位，在脉冲之间的每个间隔期间，第一和第二液流阀被偏移到它们各自的静止阀位。
3.根据权利要求2所述的定位设备，其特征在于，所述组件调制脉冲流的脉冲宽度以控制负载定位移动的速率和方向。
4.根据权利要求3所述的定位设备，其特征在于，所述第一和第二液流阀是电磁阀，所述脉冲流是脉冲电流。
5.根据权利要求4所述的定位设备，其特征在于，该活塞被连接到负载上。
6.根据权利要求2所述的定位设备，其特征在于，它还包括液流节流阀，该液流节流阀处于将第一和第二腔与流体压力源连通的流体管路以及将第一和第二腔连通大气的流体管路内。
7.一种使负载定位的方法，它包括以下步骤将流体致动器连接到负载上，该致动器包括设置在液压缸内以确定第一和第二腔的活塞；设置一个加压流体源；设置一个第一液流阀，它的第一阀位将第一腔连通大气，它的第二阀位将第一腔连通到加压的流体源；设置一个第二流体阀，它的第一阀位将第二腔连通到加压的流体源，它的第二阀位将第二腔连通大气；交替地在第一时间周期将第一和第二液流阀同时改变到它们的第一阀位而在第二时间周期将其同时改变到它们的第二阀位；使第一和第二时间周期相等以平衡第一和第二腔内的流体压力，由此将负载保持在所需要的位置；相对于第二时间周期增大第一时间周期以使第一和第二腔内的流体压力失去平衡，由此使负载沿第一方向移动；以及相对于第二时间周期减小第一时间周期以使第一和第二腔内的流体压力失去平衡，由此使负载沿第二方向移动。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一和第二阀是通常偏置于其第二阀位的第一和第二电磁阀；并且该移动步骤由并联的第一和第二电磁阀利用脉冲流实现的，在每个脉冲宽度将第一和第二电磁阀同时移动到它们各自的第一阀位，而在脉冲之间的每个间隔期间，将该第一和第二电磁阀同时返回到它们的第二阀位；脉冲宽度决定第一时间周期，而脉冲间隔决定第二时间周期。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述相等、增大和减小的步骤是由调制脉冲流的可选择的脉冲宽度实现的。
全文摘要
一种双作用式液压缸，由一对三通电磁阀控制，该三通电磁阀分别与液压缸的两端成流体联接，并且由脉冲宽度调制(PWM)的连续的脉冲流并联激励，以在该液压缸端部产生平均的有效流体压力平衡以将所连接的负载保持在所需要的位置，以及使该液压缸端部的平均的有效液体压力失去平衡而产生负载沿两个方向之一向一个所需要的新位置的变速移动，所有这一切是由脉冲的频宽比决定的。
文档编号F15B9/09GK1150835SQ96190351
公开日1997年5月28日 申请日期1996年2月7日 优先权日1995年4月17日
发明者R·F·拉金 申请人:洛克希德马丁公司