一种超高精度压力控制装置的制作方法

本发明属于液压传动技术领域，特别涉及一种液压静压轴承的超高精度压力控制装置。

背景技术

伴随着工业化的进程，液压传动技术的应用领域正在不断地扩大，并且对液压技术的要求越来越高，液压静压支撑轴承是超精密机床的核心元件，液压系统供给压力的微小波动会直接影响机床的加工精度，需要至少将液压系统的供给压力波动控制在0.5kpa以内，该压力波动精度为供给压力的万分之五，经文献检索和市场调研并没有这种控制精度的技术方案和成熟产品。现有的液压压力控制技术主要有以下两种：

1、采用先导式溢流阀调节系统的压力。当采用先导式溢流阀调节系统压力时，先导式溢流阀调节的是系统总压力，它的调定压力必须大于执行元件的最大工作压力和管路上各种压力损失之和，所以无法精确调节系统的输出压力；再者，先导式溢流阀调定系统压力时，受系统流量脉动的影响较大，有时在调压时会形成压力超调现象。

2、采用变量泵调节系统的压力。首先，变量泵只能调节泵出口的压力，液压油在供给执行机构前，还要经过管路、液压阀、过滤器等元件，在通过这些元件时都存在压力损失，这些压力损失必定会对液压泵的调节精度造成影响；再者，相对来说，变量泵的价格也较高，增加了设备成本。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有液压技术压力控制精度的不足，提供一种系统压力在1000kpa内，控制精度小于0.5kpa的超高精度压力控制装置，其长时间的控制精度曲线如图1所示，达到了90%以上测试点优于0.5kpa的设计精度指标。

为实现上述目的，本发明所采用的技术手段是：本发明压力控制装置包括油箱、动力单元、压力调节单元以及检测与反馈单元，所述动力单元包括相互连接的液压泵和电动机，所述压力调节单元包括比例伺服阀、节流阀和先导式溢流阀，所述检测与反馈单元包括压力传感器和闭环控制器，所述单向阀的出油口、节流阀的进油口及先导式溢流阀的进油口相互连通，所述比例伺服阀的p口、节流阀的进油口、节流阀的出油口和压力传感器的检测端口相互连通，所述闭环控制器分别与压力传感器的信号输出端口、比例伺服阀连接，液压泵的吸油口、先导式溢流阀的出油口、节流阀的出油口、比例伺服阀的b口和t口同时与所述油箱连通，比例伺服阀的a口堵住。

进一步地，本发明还包括单向阀，所述单向阀的进油口与所述液压泵的出油口连通，所述单向阀的出油口同时与先导式溢流阀进油口、节流阀的进油口连通。。

进一步地，本发明还包括节流阀，所述节流阀的进油口同时与单向阀的出油口、先导式溢流阀的进油口连通，所述节流阀的出油口同时与比例伺服阀的p口、节流阀的进油口、压力传感器的检测端口和蓄能器连通。

进一步地，本发明还包括先导式溢流阀，所述先导式溢流阀进油口同时与单向阀出油口、节流阀进油口连通，所述先导式溢流阀出油口与油箱连通。

进一步地，本发明还包括先导式溢流阀、节流阀和单向阀，所述单向阀的进油口与所述液压泵的出油口连通，所述先导式溢流阀的进油口、单向阀出油口、节流阀进油口相互连通，所述节流阀出口与比例伺服阀的p口、节流阀的进油口和压力传感器的检测端口连通，所述先导式溢流阀的出油口与所述油箱连通。

进一步地，本发明还包括蓄能器，所述蓄能器同时与比例伺服阀的p口、节流阀的进油口、压力传感器的检测端口和节流阀的出油口连通。

进一步地，本发明还包括节流阀，所述节流阀进油口同时与比例伺服阀的p口、节流阀的出油口和压力传感器的检测端口连通，所述节流阀的出油口与油箱连通。

进一步地，本发明还包括比例伺服阀，所述比例伺服阀的p口同时与节流阀的进油口、节流阀的出油口、蓄能器和压力传感器的检测端口连通，所述比例伺服阀的b口和t口与油箱连通，所述比例伺服阀的a口堵死。。

进一步地，本发明还包括比例伺服阀、节流阀和蓄能器，所述比例伺服阀的p口、节流阀的进油口、蓄能器相互连通，所述节流阀的出油口与油箱连通，所述比例伺服阀的b口和t口与油箱连通，所述比例伺服阀的a口堵死。

与现有液压压力控制技术相比，本发明的有益效果是：

1、螺杆泵具有流量连续的特点，伺服电动机具有转速波动小的特点，让它们组合在一起，尽量消除其他液压泵因为流量不连续带入的压力波动和一般电动机速度脉动引起的液压泵输出压力的波动；

2、在小流量液压系统压力控制中，选用先导式溢流阀调压（一般采用直动式先导式溢流阀调压），利用先导式溢流阀的频响低的特性，同时在液压泵的出口安装节流阀，利用节流口动态阻尼的作用，在小流量液压系统压力控制中，通过先导式溢流阀和节流阀的组合，消除液压泵出口压力的高频脉动部分，再结合上述有益效果1，使其只存在长期的压力漂移（低频脉动）；

3、比例伺服阀、压力传感器、闭环控制器组成压力闭环控制系统，消除液压系统输出压力的低频脉动，同时将比例伺服阀与节流阀并联，通过调节节流阀开口大小来调整比例伺服阀的静态工作点，使其工作在线性区间，这样即使输出压力有长期漂移，比例伺服阀还是工作在其线性区域，保证压力闭环控制系统完全能消除输出压力长期波动；

4、如果只有有益效果1和2，那么液压系统输出压力会有长期波动，通过实际实施，长期波动大概在150kpa左右，如果只有有益效果3，那么液压系统输出压力的高频脉动无法消除，通过实际实施，高频脉动大概在2.5kpa，只有同时采用有益效果1、2和3，才能保证输出压力波动小于0.5kpa；

综上，本发明采用以上措施后的有益效果是：明显地改善了现有液压技术控制压力精度不到的缺点，实现了系统压力控制精度小于0.5kpa的超高精度控制要求。

附图说明

图1是输出压力测试曲线图；

图2是本发明的液压原理图。

图中：1、油箱，2、伺服电机，3、螺杆泵，4、单向阀，5、节流阀，6、球阀，7、皮囊式蓄能器，8、压力传感器，9、先导式溢流阀，10、节流阀，11、比例伺服阀，12、闭环控制器。

具体实施方式

以下结合图2对本发明做进一步的介绍。

如图2所示，本发明压力控制装置包括油箱、动力单元、压力调节单元以及检测与反馈单元，动力单元包括相互连接的螺杆泵3和伺服电机2；压力调节单元包括比例伺服阀11和节流阀10；检测与反馈单元包括压力传感器8和闭环控制器12。单向阀4的出油口、节流阀5的进油口、先导式溢流阀9的进油口相互连通。比例伺服阀11的p口、节流阀10的进油口、节流阀5的出油口和压力传感器8的检测端口相互连通。闭环控制器12分别与压力传感器8的信号输出端口、比例伺服阀11连接。螺杆泵3的吸油口、节流阀10的出油口、伺服比例阀11的b口和t口、先导式溢流阀的出油口同时与油箱1连通，伺服比例阀11的a口堵住。

作为优选实施方式，本发明还可在螺杆泵3的出油口处连接一个单向阀4（如图2所示），用来防止压力油倒流，对螺杆泵3造成损伤。

本发明可将皮囊式蓄能器7通过球阀6同时与比例伺服阀11的p口、节流阀10的进油口、压力传感器8的检测端口和节流阀5的出油口连通，皮囊式蓄能器7在压力调节过程中有储能和吸收压力脉动的辅助调压作用。

在制造本发明装置时，可将压力传感器8、先导式溢流阀9、节流阀5、节流阀10和比例伺服阀11集成在一个液压阀块上，使得本发明装置整体结构紧凑。

在本发明中，动力单元中的电动机可选用伺服电机2，液压泵可选用螺杆泵3。伺服电机2和螺杆泵3作为液压系统的动力源，分别解决了电动机转速波动与液压泵排量脉动引起的泵源压力高频脉动的问题，所以动力单元可向系统提供稳定的流量。

压力调节单元中的节流阀可选用各种安装形式的节流阀10，比例伺服阀也可选用伺服阀11。伺服阀11的频响比一般的比例伺服阀高，可以根据系统的精度要求来决定。

在检测与反馈单元中，根据控制理论可知，选用的压力传感器8的精度比控制精度至少高出五倍以上，并且响应要足够快，以便更加精确地检测出控制压力的变化，并迅速地反馈给闭环控制器12。闭环控制器12的主频高，运算速度快。

蓄能器7优选为皮囊式蓄能器，用于辅助比例伺服阀11、节流阀5、节流阀10和先导式溢流阀共同调节系统的压力。

将本发明压力控制装置用于控制液压系统的压力时，根据比例伺服阀11的控制特性，将控制比例伺服阀11的电信号调整为只使其工作在一侧线性区。根据螺杆泵3供应给系统的流量，手动调节通过节流阀10的流量，使伺服比例阀11工作在一侧线性区的中间位置。调节先导式溢流阀9的压力值，考虑节流阀5和管路的压力损失，使其高于系统的输出压力。

在球阀6打开的工作状态下，从节流阀5的出口，加上蓄能器7的液压油腔室，到伺服比例阀11的p口和节流阀10与先导式溢流阀9的入口以及负载的进油腔组成了一个压力容腔，通过改变压力容腔内液压油的流量，便可以改变容腔的输出压力。

当压力容腔的压力由于负载流量变化造成压力低频波动时，压力传感器8将检测到压力的变化，并将压力信号转换为相应的电信号迅速、精确地反馈给闭环控制器12，闭环控制器12得到压力传感器8的反馈信号后，与输入给闭环控制器12的设定压力信号相比较，得到偏差信号，闭环控制器12对偏差信号进行pid运算后，转化成对比例伺服阀11的指令信号，比例伺服阀11根据运算后的指令信号来控制伺服比例发12的开口大小，从而改变通过比例伺服阀11的流量，直到压力容腔输出压力与闭环控制器12的设定压力相等。在压力容腔的输出压力变化的过程中，皮囊式蓄能器7发挥着辅助压力调节的作用，当压力容腔内的压力增加时，蓄能器7储存能量；当压力容腔内的压力减小时，蓄能器7释放能量，起到抑制压力波动的作用。单向阀4的出油口、先导式溢流阀9的进油口以及节流阀5的进油口组成压力容腔，当伺服电机2有速度波动时，会带入该容腔室高频波动，由于先导式溢流阀具有低通滤波的作用和节流阀5具有动态阻尼的作用，抑制了压力容腔的高频波动，屏蔽了通过节流阀5输入到下一个压力容腔压力的高频波动。

以下以具体实例进一步说明本发明的技术效果。

超高精度磨床静压支撑轴承要求液压支撑系统压力为500kpa，压力波动≤±0.25kpa，所需流量为1l/min。为此，调定伺服电机2的转速为1450r/min，则按此转速选定螺杆泵3的规格，动力单元向系统输送的流量为5.2l/min，先导式溢流阀9选用10通径先导式溢流阀，由先导式溢流阀9调定系统压力1000kpa，这样通过节流阀5的压力损失为500kpa，通过调节节流阀5，使其通过流量为3l/min，设备所需流量为1l/min，所以需要通过节流阀10和比例伺服阀11流回油箱1的流量为2l/min。为使比例伺服阀11工作在左位（p→b，a→t），给其输入的指令信号为4ma-12ma。为使比例伺服阀11工作在线性中间位置，按公式，其中，qnom=2l/min为压差3.5mpa时的流量，δpx=0.5mpa为系统实际压差，此时通过比例伺服阀11的实际流量qx≈0.76l/min，所以，调节通过式流阀10流回油箱1的流量为1.24l/min。按此实施方案，最后输出给静压支撑轴承的实测压力曲线如图1所示。