2D电液数字高频阀的设计和实验研究.pdf

2 0 1 0年 4月 第 3 8卷 第7期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Ap r ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 7 ． 0 2 6 2 D电液数字高频阀的设计和实验研究 沈建云，裴翔，阮健 浙江工业大学机械 制造及 自动化教 育部重点实验 室，浙江杭州 3 1 0 0 3 2 摘要为取得具备较高频率的电液激振器，设计一种 2 D电液数字高频阀，并对其进行结构分析和实验性能的研究。 该 2 D阀利用无刷直流伺服电机和高速齿轮箱传动机构带动阀芯做旋转运动，以控制激振器的振动频率 ；利用步进电机和 凸轮机构控制阀芯的轴向运动 ，以控制激振器的振动幅值。该阀结构简单 ，抗污染能力强，能直接数字控制，且能获得较 高 的激振频率 。 关键词高频；2 D阀；直接数字控制 中圈分类号 T P 2 7 1 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 7 0 7 9 3 De s i g n a nd Ex pe r i me n t a l I nv e s t i g a t i o n O f 2D El e c t r o- hy d r a u l i c Nu me r i c a l Va l v e S HE N J i a n y u n．P E I Xi a n g．RU AN J i a n K e y L a b o r a t o r y o f Mi n i s t ry o f E d u c a t i o n o f Me c h a n i c a l Ma n u f a c t u r e a n d Au t o ma t i o n ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，Ha n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 3 2 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o g e t a e l e c t r o h y d r a u l i c v i b r a t o r wi t h a v e r y h i g h f r e q u e n c y ，a 2 D e l e c t r o h y d r a u l i c v alv e wa s d e s i g n e d ． S t r u c t u r e a n a l y s i s a n d s t u d y o n e x p e rime n t a l c a p a b i l i t y o f t h i s v alv e w e r e d o n e ． T h e f r e q u e n c y o f t h e e l e c t r o h y d r a u l i c v i b r a t o r w a s c o n t r o l l e d t h r o u g h c i r c u mv o l v e i n t h e r a d i a l wa y o f t h e v a l v e ’ S c o r e w h i c h w a s d ri v e n b y a n o b r u s h d i r e c t c u r r e n t s e r v o mo t o r a n d a h i g h s p e e d g e a r e ase ma c hi n e． Th e a mp l i t u d e o f t h e e l e c t r o． hy d r a u l i c v i br a t o r Was c o n t r o l l e d t h r o ug h mo v e o f t he v alv e ’c o r e wh i c h wa s d ri v e n b y a s t e p mo t o r a n d a c a m ma c h i n e ． Th i s v alv e h a s a s i mp l e c o n f i g u r a t i o n， a b e t t e r a b i l i t y t o r e s i s t t h e p o l l u t i o n ． I t c a n b e u s e d f o r d i r e c t i o n a l n u me ri c a l c o n t r o l a n d a h i g h e r f r e q u e n c y c a n b e g o t ． Ke y wo r d sHi g h f r e q u e n c y；2 D s e r v o v alv e ； Di r e c t i o n a l n u me ri c a l c o n t r o l 振动 台作 为振 动试验 的重要设备 ，其性 能好 坏 、技术水平的高低直接影响到各个工业领域技术 的进步和发展 ，同时也 是衡 量 一个 国 家工业 技 术 发 展水平的重要标志，在 国民经济发展中占有相当重 要 的地 位 。随着 现代 工业 ，尤其 航 空航 天等 高 科技 领域 的不 断发展 ，对振动 台的工 作频 率 范 围及输 出 推力的要求也越来越高 ，提高工作频率范围及增大 输 出推力 始终 贯 穿 着振 动 台技 术发 展 的整 个 历 程 。 传统 的阀控 制 缸 或 马达 构 成 电 阀液 激 振 器 的 方 案 ， 在很大程度上受到伺服阀频响特性的限制，其激振 频率难 以提 高至一较 高 的水平 ，为此作 者 提 出 了一 种高频激 振 器 ，其 核 心 为一 2 D阀 ，并 对 其 结 构 和 特性 作 了相关 的分析 和研究 。 1 2 D电液数字高频阀的设计 1 ． 1 结构 设计 如图 1所示，2 D阀主要 由阀体 、阀套、阀芯 、 传动齿轮、电机 、滑块等几个部分组成。其阀芯具有 同时实现径 向旋转 和轴 向平 移这两个 特性 。具体 分析 其实 现过程如 下 l 一无刷直流伺 服 电机2 一步进 电机3 一齿 轮 4 一齿轮5 一齿轮6 一阀芯7 一阀套8 一阀芯 台肩9 一阀套台肩沟漕 l 0 一滑块1 1 一拨杆 1 2 一 限位杆 图 1 2 D电液数字高频阀结构图 如图 1 ，无刷直流伺服电机 1由S T D 0 8 4 0无刷驱 收稿 日期 2 0 0 9 0 4 0 2 作者简介沈建云 1 9 8 2 一 ，男，硕士研究生，主要研究方向为流体传动。电话1 3 7 5 8 2 2 6 3 4 0 ，Em a i l s h e n j i a n y u n z j 1 6 3． e o m。 8 0 机床与液压 第 3 8卷 动器驱动并控制转速 ，电机 1 通过齿轮 3 、4 、5等组 成的具有一定传动比的传动机构带动阀芯做径向旋转 运动 。电机轴与齿轮轴 、齿轮轴与阀芯主轴都专 门设 计了联轴器以完成力和转速的传递。由于电机转速很 高 ，因此需对齿轮传动机构做 润滑处 理。 如 图 2 所示 ，为实现在 阀芯旋转 的同时能使阀芯 产生轴 向位移 ，特设计 了一个 阀芯 滑动机 构。其 中， 滑块 4与传动轴 5之 间为螺纹 固定连接 ；传动轴 5与 联接环 7之间也 为螺纹 固定连接 ，并将轴承外圈定位 在两者之 间 ，以实现三者运动的同步 ；轴承 内圈用螺 母 固定在 阀芯主轴上 ，以实现轴承内圈与阀芯主轴 同 步旋转 ，而不带动轴承外圈旋转；步进电机 2的轴旋 转使得与其相连拨杆 3转动 ，驱动 由拨 杆 3和滑块 4 组成 的凸轮机构产生偏心运动 ，从 而带动与 阀芯相连 的滑动机构左右运动 ；电机 2由外接 电路控制器控制 其旋转 的角度 ，进而精确控制了阀芯的轴 向位移 ，并 由限位杆 1 限制 电机轴旋转 角度 的范 围。 图 2 2 D阀 阀芯滑动机构 1 ． 2高频阀的工作原理 图3 高频阀工作原理图 如图3所示，2 D阀阀芯有 4个台肩，其 中 1号 和 3号 、2号和 4号 台肩 的结构分 别相 同，每个 台肩 周向均匀开设沟槽 数量为 z ，相邻沟槽之间的圆 心角为 4 ，单个沟槽 对应 的圆心 角为 0 2 - r r 1 同时相邻台肩之间的沟槽 位置相差 2 。 2 D阀的阀芯 由无刷 直流伺 服 电机 驱动旋 转 ，以 实现阀芯沟槽与阀套窗口相配合的阀口面积大小成周 期性变化 。当阀芯在转动过程 中位于图 3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。此时 2号和 4号 台肩沟槽与阀套窗 口沟通 ，1 号 和 3号 台肩沟槽 与 阀 套窗 口未沟通。此过程 中，液压缸左腔体积 由 0增大 到左 、右腔体 积相等 ，再增大到最大值 ，此时右腔体 积为 0 。当 2号和 4号阀芯 台肩 沟槽 与 阀套窗 口沟通 面积最大时 ，取剖面图 ，得 图 4 所示 。 a l 号 、3 号 周 套 面 口 与 罔 芯 b 2 号 、 4 号 网 套 冒 口 与 网 台肩沟 槽沟 通截 面 图 芯 台肩 沟槽 沟通 截面 图 图 4 阀套窗 口与阀芯台肩 沟槽沟通示意 图 由于相邻 台肩之 间的沟槽 位 置相 差 2 ，当阀芯 从 图 3位置转 过一定 角度 2 时 ，P口和 B口沟通 ，A 口和 T口沟通 ，液压缸右腔进油 ，左腔 回油 ，液 压缸 向左运动 。 ’ 此 时 l 号 和 3号 台肩沟 槽 与 阀套 窗 口沟 通 ， 2号和 4号台肩沟槽 与阀套 窗 口未沟通 。此过程 中 ，液压缸右腔体积变化 为由 0增大到左 、右腔体积 相等 ，再增大到最大值 ，此 时左腔体积 为 0 。当 l 号 和 3号 阀芯台肩沟槽 与阀套窗 口沟通面积最大时 ，取 剖 面图 ，得 图 5 所示 。 a l 号 、3 号 阀套 窗 口与 阀芯 b 2 号 、4 号 阀套 面 口与 阗 。。 台肩 沟槽 沟通 截面 图 芯 台肩 沟槽 沟通 截面 图 图 5 阀套 窗 口与阀芯 台肩沟槽沟通示意 图 综合上述两个过程可得阀芯在不停作径向旋转的 过程中实现了使进出液压缸两个容腔的流量大小及方 向发生周期性变化 ，从而使得液压缸作周期性 的往复 运动 。 步进 电机 2通过偏 心机构 驱动 阀芯作轴 向运动 ， 使 阀套窗 口与阀芯台肩 沟槽沟通面积从 0 阀 口完全 关 闭到最 大连续 变化 ，从 而改 变周 期性 变化 阀 口 面积 的大小 ，进 而改变液压缸 的振动幅值。 设阀芯的旋 转速度 为 n r ／ m i n ，阀芯 每转 一 圈 其 阀芯的沟槽 与 阀套窗 口之 间 的沟通 次数 为 m 当 第7期 沈建云 等 2 D电液数字高频阀的设计和实验研究 8 1 阀芯沟槽 与阀套窗 口的配合关 系为全开 口型时 ，如 图 4所示 ，其每转一 圈的沟通次数 ／7 1, 即为阀芯 的沟槽 数 z ，则 可得 电液激振器 的工作频率为 7” ， I - I z 2 UU 1 ． 3 阀芯 台肩沟槽及阀套窗 口分析 设 阀芯 台肩沟槽与 阀套窗 口成匹配关系 ，阀芯台 肩半径 为 R，阀芯 以角速度 ∞旋转时 ，阀套窗 口与阀 芯沟槽 的油液流通宽度变化情况如 图 6所示 ，阀套 窗 口与阀芯沟槽轴 向的形状为矩形 ，则 A Z x Y 3 式 中 为阀 芯沟 槽 的 油液 导通 面 积 ，单 位 为 m ； 为阀芯轴向面积梯度，单位为 1 2 tl ；Y 为阀套窗 口 与 阀芯沟槽的导通宽度 ，单 位为 m。 l c J b { d ， 图6 阀套窗口与阀芯台肩沟槽沟通结构图 分析阀芯台肩沟槽数 z分 别为 2 、4 、6 、8情况 下 如图 6 2 R s 1‘n 导 又O- 则Y 2 R s i 4 “ r z r 4 结合公式 3 得 A Y 2 R x Z s i n 5 ‘‘， ． 由于阀套窗口所对应的圆心角 0 都比较小，则可 近似处理 ． 叮 r “ 则 A Z x 6 由公式 2 和 6 可得出阀芯台肩沟槽数 z 的变化不影响阀芯沟槽 的油液 导通 面积 A ，， 的面 积梯 度 ，导通 面积大小 只与 阀芯 轴 向面积 梯度 和 阀芯 旋转的角度 有关，而激振频率随着 z的增加不断 被提 高。 2实验 研究 为了获得 2 D电液激振 器 的实 际振动波形 ，建立 了实验装置 及测试 系统对其进行 实验研 究 ，实 验系统 照片如图 7 。2 D电液 激振 阀 阀芯 的旋转 及 轴 向位移 由其控制器独立进行控制 ，控制 电机的转速可改变 阀 芯的旋转速度 ，从而改变激振频率。 Z 蘸 图7 实验装置照片 时 间／ ms a 1 6 0 Hz 峰． 峰值 对 应 电压l 7 1 ． 6 mV 杂 骧 燕 置 杂 菸 时 间／ ms b 3 2 0 Hz 峰． 峰值 对应 电压1 1 4 ． 6 mV U 4 6 1o I Z 时间／ ms c 6 4 0 H z 峰- 峰值对 应 电压8 0 ． 7 mV 图 8 载荷输 出波形 图 综合 实验情 况分 析得 到 2 D阀控 激振 器 的负载 以弹性力为主时，阀芯旋转阀口面积变化近似为上升 与 下降速率相等 的三角 波形 。在低频 范围 ，由于活塞 运动过程 中受到 弹性负载方 向变化 的影 响 ，激振波形 表现出上升与下降过程斜率的不一致性。在高频率范 围，2 D电液激振器所受到的力主要为液压系统的谐 振力 。当激振器输入的频率信号接近或者达到液压系 统谐振频率时，系统输出的激振力主要表现为液压系 统 的共振 。此时 ，输出激振波形 出现波形谐振现象。 3结 论 由实验得知该 2 D高频阀具有如下特点 1 激振频率高，已达到 6 4 0 H z ，波形基本正 常。 下转第 1 1 9页 第 7 期 常欢 等基于阻抗模型的人机合作搬运系统建模与仿真 1 1 9 关节角速度和关 节角度 。 模型如图 6所示 。 关节位置速度求解 子系统 的 差很小 。 5人机合作搬运 系统的建模 人给出的力信息经过阻抗模型的计算可得出机器 人手部空问的期 望位 置 、期望 速度 和期 望加速度 ，经 运算可得到关节 处 的期 望角度 、角速度 和角 加速度 。 得 到关节处期望 的角度 、角速度 和角加速度后可 由上 节讨论 的机器人位置控 制的方法对机 器人进行位置控 制。整个 系统 的仿真框 图如 图 7所示 。 口 ’ g G 图7 人机合作系统仿真框图 6仿 真实例 用两个人合作实验 中得出的阻抗模型模拟从动者 特性 。两 自由度机器人 的数据 取 P U M A 5 6 0机 器人 的 连杆 2和 3的数据 ml1 5 ． 91 k g，m21 1 ． 3 6 控 制 参 数 取 矗 。 3 0 0 0 ， n 23 0 0 0， 后 l2 3 0，尼v 2 2 3 0 。令机器人 的初始位置 要 为 P o 0 ． 3 ， 0 ． 0 5 。物 体 的 重 力 为 5 0 N 。 根 据 文 献 [ 2 ]和 [ 3 ]人机合作搬运 物体中实 际测 出 的力信号 ， 给出仿 真 中 人施 加 的力 信 息如 图 8所示 。 k g ， n l。 20 ． 4 3 2 m， 图8 人施加的力信息 经仿真得到机 器人 手部 轴 方 向和 y轴 方 向的 期望轨迹和 实际 轨迹 以及 机 器人 手部 轴方 向和 y 轴方 向的位置跟踪误 差分别如图 9和图 1 0所示 。 昌 删 0 0 0 目 0 0 嗤 0 图9 机器人手部的期望轨 图 l 0 机器人手部位 迹和实际跟踪轨迹 置跟踪误差 机器人各关节的期望轨迹和实际轨迹 以及各关节 位置跟踪误差分别如 图 1 1和图 1 2所示 。 由仿真曲线可得，经过阻抗模型计算得到的期望 轨迹较平稳 ，可知机器人 和人 可以平稳 的搬 动物体 ， 机器人手部 和各个关 节均 能较好 地跟踪期 望轨迹 ，误 时 间， s 图1 1 机器人关节期望 角度和实际角度 j {}lj 娅 _关节l 的轨迹 跟踪误 砉 ⋯⋯。关 节2 的轨迹 跟踪误 图 l 2 机器人关节位 置跟踪误差 7结 论 在预先未对 机器人 进行轨迹规划的情况下 ，通过 阻抗控制将人给出的力信息转换为机器人位置控制信 息 ，可以较好地完成人与机器人合作沿直线搬运物体 的工作 。 参考文献 【 1 】S a e e d B N i k u ， 孙富春． 机器人学导论[ M] ． 北京 电子工 业 出版社 ， 2 0 0 4 1 0 71 3 0 ． 【 2 】 I k e u r a R y u n ， M o n d e n H i r o s h i ． C o o p e r a t i v e M o t i o n C o n t r o l o f a R o r o t a n d a H u m a n[ C] ／ ／ 3 r d I E E E I n t e r n a t i o n a l W o r k s h o p o n Ro b o t - Hu man C o mmu n i c a t i o n ． T o k y o， 1 9 9 4 11 2 一l 1 7． 【 3 】 l k e u r a R y o j u n ， I n o o k a H i k a r u ． V a r i a b l e I m p e d a n c e C o n t r o l o f a R o b o t f o r C o o p e r a t i o n w i t h a H u ma n [ C] ／ ／ I E E E I n t e r - n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Ro bo t i c s a n d Au t o ma t i o n ．S e n d a i ， 1 9 9 5． 5 30 9 731 02． 【 4 】孙洁， 王勇． 机器人毛刺修理作业的阻抗控制研究[ D] ． 济南 山东大学 ， 2 0 0 6 2 7 4 0 ． 【 5 】霍伟． 机器人动力学与控制[ M] ． 北京 高等教育出版 社 ， 2 0 0 5 1 3 71 4 0 ． 【 6 】熊有伦． 机器人技术基础[ M] ． 武汉 华中科技大学出版 社 ， 2 0 0 4 6 1 1 0 6 ． 上接第 8 l页 2 结 构 简单 、紧凑 ，抗 污 染能 力强 ，且换 向 可靠 。 3 阀芯旋转运动控制振动频率和轴 向平移运 动控制振动幅值 ，且两者运动相互独立 ，巧妙实现 J 两级阀的功能 。 参考文献 【 1 】张巧寿． 振动试验系统现状与发展 [ J ] ． 航天技术与 品 ， 2 0 0 0 8 3 6 3 9 ． 【 2 】 李洪人． 液压控制系统[ M] ． 北京 国防工业 出版社， 1 9 8 1 ． 【 3 】 骆涵秀， 李世伦， 朱捷． 机电控制[ M ] ． 杭州 浙江大学出 版社 ， 1 9 9 4 ． 【 4 】阮健 ， 裴翔， 李胜． 2 D电液数字换向阀[ J ] ． 机械工程学 报 ， 2 0 0 0 ， 3 6 3 8 6 8 9 ． 1 _ 1 l 姣 ． ．