RU2505716C1

RU2505716C1 - Digital hydraulic control valve

Info

Publication number: RU2505716C1
Application number: RU2012153940/06A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Михайлович Иванов; Владимир Константинович Свешников; Игорь Иванович Сазанов
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-01-27

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: digital hydraulic control valve comprises body, slide valve, side covers, rotary electric driver arranged perpendicular to slide valve axis and engaged therewith via cam, slide valve control device and mechanism to return slide valve to neutral position at switched-off driver. Said electric driver is composed by digital stepped motor. Said mechanism to return slide valve to neutral position comprises precompressed centering spring fitted in threaded sleeve of rear side cover and retained by lock ring between two washers. Pull screw screwed in slide valve threaded hole extends through central opening of said washers and is locked by friction ring fitted in screw groove to interact with slide valve threaded hole lead section.

EFFECT: higher reliability.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к программируемым гидроприводам механообрабатывающего оборудования с ЧПУ (числовым программным управлением).The invention relates to the field of mechanical engineering, in particular to programmable hydraulic drives of machining equipment with CNC (numerical control).

Цифровой управляющий гидрораспределитель предназначен для комплектации прецизионных комплектных цифровых линейных и вращательных гидроприводов с электрической обратной связью, используемых для программного управления перемещением рабочих органов гидрофицированного механообрабатывающего оборудования с ЧПУ, и возможно других гидроприводов в пределах его технической характеристики.The digital control valve is designed to complete precision complete digital linear and rotary hydraulic actuators with electric feedback, used for programmed control of the movement of the working bodies of hydraulically machined CNC equipment, and possibly other hydraulic actuators within its technical specifications.

Известны цифровые управляющие гидрораспределители с задающими шаговыми электродвигателями (например, узлы управления Г69-44Б, выпускавшиеся Шилутским заводом «Гидропривод», - см. Свешников В.К. Станочные гидроприводы: справочник. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2008, стр.367).Known digital control valves with master stepper motors (for example, control units G69-44B, manufactured by the Shilutsky plant "Hydraulic actuator", see VK Sveshnikov Machine-driven hydraulic actuators: reference book. 5th ed., Revised and additional M. : Engineering, 2008, p. 367).

Недостатком известных гидрораспределителей является невозврат золотника в нейтральную (безопасную) позицию в случае отключения электропитания или аварийной остановки гидропривода. В результате при последующем запуске гидропривода возможны опасные рывки приводимого рабочего органа. Для исключения этого в гидрораспределителе предусматривались специальные системы поиска нейтральной позиции золотника и блокировочные модули (или встроенные в корпус дополнительные золотники), разрешающие соединение с гидродвигателем только после установки золотника в нейтральную позицию. Все это существенно усложняло конструкцию и снижало безопасность гидропривода.A disadvantage of the known control valves is the non-return of the spool to a neutral (safe) position in the event of a power outage or emergency stop of the hydraulic drive. As a result, during the subsequent start-up of the hydraulic drive, dangerous jerks of the driven working body are possible. To avoid this, the control valve provided for special systems for finding the neutral position of the spool and blocking modules (or additional spools built into the housing), allowing connection to the hydraulic motor only after installing the spool in a neutral position. All this significantly complicated the design and reduced the safety of the hydraulic drive.

Наиболее близкими к предложенному решению являются дросселирующие гидрораспределители ОАО ММЗ «Рассвет» мод. СГ5.20-40 (Электрогидравлический усилитель мощности СГ5.000. Руководство по эксплуатации. М., 2008 г.), содержащие сухой моментный мотор с аналоговым входным сигналом в качестве задающего электрического устройства и позиционный датчик обратной связи, расположенный соосно с золотником. При этом возврат золотника в нейтральную позицию в случае отключения моментного мотора реализуется встроенными в мотор магнитами, а для согласования нулевых позиций мотора и четырехкромочного золотника служит регулировочный винт, смещающий в осевом направлении подпружиненную гильзу.Closest to the proposed solution are throttling valves of OJSC MMZ Rassvet mod. SG5.20-40 (Electrohydraulic power amplifier SG5.000. Operation manual. M., 2008), containing a dry torque motor with an analog input signal as a driving electric device and a position feedback sensor located coaxially with the spool. In this case, the return of the spool to a neutral position in case of switching off the torque motor is carried out by magnets built into the motor, and to adjust the zero positions of the motor and the four-edge spool, an adjustment screw is used that displaces the spring-loaded sleeve in the axial direction.

Недостатками такого решения является аналоговый принцип управления, необходимость применения специального моментного мотора, сложность конструкции, пониженная надежность возвратных магнитов, а также значительные осевые размеры золотниковой пары из-за наличия резиновых уплотнительных колец на каждом наружном пояске подвижной гильзы и заходных фасок во всех расточках корпуса. Расположение регулировочного винта со стороны стыковой плоскости аппарата исключает возможность изменения осевого положения гильзы в процессе работы гидропривода, а размещение датчика обратной связи соосно с золотником существенно увеличивает общий осевой габарит устройства. Значительные размеры установленного сверху моментного мотора не позволяют обеспечить нормального закрепления аппарата, имеющего стыковую поверхность по ISO 4401 (головки крепежных винтов размещены в боковых пазах корпуса, что не позволяет устанавливать несколько аппаратов на общей монтажной плите).The disadvantages of this solution are the analog control principle, the need to use a special torque motor, design complexity, reduced reliability of the return magnets, as well as the significant axial dimensions of the spool pair due to the presence of rubber sealing rings on each outer belt of the movable sleeve and lead-in chamfers in all housing bores. The location of the adjustment screw from the side of the joint plane of the apparatus eliminates the possibility of changing the axial position of the sleeve during operation of the hydraulic actuator, and the placement of the feedback sensor coaxially with the spool significantly increases the overall axial dimension of the device. The significant dimensions of the torque motor mounted on top do not allow for the normal fastening of the apparatus having a butt surface according to ISO 4401 (the heads of the fixing screws are located in the side grooves of the housing, which does not allow the installation of several devices on a common mounting plate).

Задачей изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности и обеспечение условий безопасности гидроприводов с электрической обратной связью.The objective of the invention is to simplify the design, increase reliability and ensure the safety conditions of hydraulic actuators with electrical feedback.

Поставленная задача решается тем, что в цифровом управляющем гидрораспределителе с корпусом, гильзой, золотником, боковыми крышками (или пробками), задающим электрическим устройством поворотного типа, установленным перпендикулярно к оси золотника и связанным с ним через эксцентрик, устройством контроля перемещения золотника, а также механизмом возврата золотника в нейтральную позицию при отключении задающего электрического устройства, в качестве задающего электрического устройства использован цифровой шаговый электродвигатель, а механизм возврата золотника в нейтральную позицию содержит предварительно сжатую центрирующую пружину, расположенную в резьбовой втулке задней боковой крышки и удерживаемую стопорным кольцом между двумя шайбами, через центральные отверстия которых проходит тянущий винт, ввернутый в резьбовое отверстие золотника и защищенный от самопроизвольного поворота фрикционным кольцом, расположенным в канавке винта и взаимодействующим с цилиндрическим заходным участком резьбового отверстия золотника. Кроме того, для реализации обратной связи устройство контроля перемещения золотника может быть выполнено в виде встроенного в цифровой шаговый электродвигатель энкодера.The problem is solved in that in a digital control valve with a housing, sleeve, spool, side covers (or plugs), a deflecting electric device mounted perpendicular to the axis of the spool and connected through an eccentric, a spool movement control device, and a mechanism returning the spool to a neutral position when the master electric device is turned off, a digital stepper motor is used as the master electric device, and m The mechanism for returning the spool to the neutral position contains a pre-compressed centering spring located in the threaded sleeve of the rear side cover and held by a locking ring between two washers, through the central holes of which there is a pull screw screwed into the threaded hole of the spool and protected from spontaneous rotation by a friction ring located in the groove of the screw and interacting with the cylindrical inlet section of the threaded hole of the spool. In addition, to implement feedback, the control device for the movement of the spool can be made in the form of an encoder integrated into a digital stepper motor.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного технического решения, позволил установить, что не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками и связями между ними, идентичными или эквивалентными всем существенным признакам заявленного технического решения, а выбранный из выявленных аналогов прототип (как наиболее близкий по совокупности признаков аналог) позволил выявить совокупность существенных отличительных признаков в заявленном объекте изобретения, изложенных в формуле.An analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information and identification of sources containing information about analogues of the claimed technical solution, made it possible to establish that no analogues were found that are characterized by signs and relationships between them, identical or equivalent to all essential features of the claimed technical solutions, and the prototype selected from the identified analogues (as the analogue closest in terms of the totality of features) made it possible to identify the essential distinctive features in the claimed subject matter of the invention set forth in the claims.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна» по действующему законодательству.Therefore, the claimed technical solution meets the condition of patentability "novelty" under the current law.

Для проверки соответствия заявленного технического решения требованию условия патентоспособности «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных из уровня техники сходных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения, результаты которого показывают, что заявленное техническое решение не следует (для специалиста) явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники не выявлено влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного технического решения преобразований на достижение усматриваемого заявителем технического результата.In order to verify the conformity of the claimed technical solution to the requirement of the patentability condition “inventive step”, the applicant conducted an additional search of similar solutions known from the prior art in order to identify features that match the distinctive features of the claimed technical solution, the results of which show that the claimed technical solution does not follow (for specialist) explicitly from the prior art, since the level of technology does not reveal the effects of the idents of the claimed technical solution transforms to achieve a technical result sees the applicant.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами.The invention is illustrated in graphic materials.

На фиг.1 показан цифровой управляющий гидрораспределитель, содержащий корпус 1, гильзу 2, золотник 3, переднюю 4 и заднюю 5 боковые крышки, задающий цифровой шаговый электродвигатель 6, предварительно сжатую центрирующую пружину 7 с двумя шайбами 8 и 9, тянущим винтом 10 и стопорным кольцом 11. Шаговый электродвигатель 6 расположен в передней боковой крышке 4 перпендикулярно к оси золотника 3 и имеет на своем валу манжету 12 и эксцентрик 13, который через шарикоподшипник 14 взаимодействует с торцовыми поверхностями кольцевой канавки 15, выполненной на золотнике, а угол поворота эксцентрика 13 ограничен фиксатором 16, входящим в фасонный паз на наружной поверхности эксцентрика. Механизм возврата золотника в нейтральную позицию содержит предварительно сжатую центрирующую пружину 7, расположенную в расточке резьбовой втулки 17 задней крышки 5 и удерживаемую стопорным кольцом 11 между двумя шайбами 8 и 9. Через центральные отверстия шайб проходит тянущий винт 10, ввернутый в резьбовое отверстие золотника 3, причем для защиты от самопроизвольного поворота винта предусмотрено фрикционное кольцо 18, расположенное в канавке винта и взаимодействующее с цилиндрическим заходным участком резьбового отверстия золотника. Поворот золотника в гильзе исключается специальным штифтом, входящим в паз шайбы 19, напрессованной на золотник. Для наладочного управления аппаратом предусмотрен маховичок 23, закрепленный на заднем валу шагового электродвигателя.Figure 1 shows a digital control valve, comprising a housing 1, sleeve 2, spool 3, front 4 and rear 5 side covers, defining a digital stepper motor 6, a pre-compressed centering spring 7 with two washers 8 and 9, a pulling screw 10 and a lock ring 11. A stepper motor 6 is located in the front side cover 4 perpendicular to the axis of the spool 3 and has a cuff 12 and an eccentric 13 on its shaft, which through ball bearing 14 interacts with the end surfaces of the annular groove 15, made on the spool, and the rotation angle of the eccentric 13 is limited by the latch 16, which is included in the shaped groove on the outer surface of the eccentric. The mechanism for returning the spool to the neutral position contains a pre-compressed centering spring 7 located in the bore of the threaded sleeve 17 of the rear cover 5 and held by the locking ring 11 between the two washers 8 and 9. Through the central holes of the washers, a pulling screw 10 is screwed into the threaded hole of the spool 3, moreover, to protect against spontaneous rotation of the screw, a friction ring 18 is provided located in the groove of the screw and interacting with the cylindrical inlet portion of the threaded hole of the spool. The rotation of the spool in the sleeve is excluded by a special pin that fits into the groove of the washer 19, pressed onto the spool. For adjustment control of the apparatus, a handwheel 23 is mounted on the rear shaft of the stepper motor.

Работает цифровой управляющий гидрораспределитель следующим образом. Входной импульсный электрический сигнал, поступающий от системы ЧПУ механообрабатывающего оборудования на цифровой шаговый электродвигатель 6, вызывает поворот его вала на угол, определяемый числом поданных импульсов. Вместе с валом поворачивается эксцентрик 13, и через шарикоподшипник 14 и торцовые поверхности канавки 15 перемещает в осевом направлении золотник 3, сжимая пружину 7. Направление смещения определяется направлением поворота вала шагового электродвигателя. При смещении влево пружина 7 сжимается шайбой 8, а при смещении вправо - шайбой 9, причем люфт между золотником и пружиной устраняется за счет соответствующей регулировки тянущего винта 10, а самопроизвольный поворот винта исключается за счет сил трения в фрикционном кольце 18. В аварийной ситуации отключается шаговый электродвигатель, развиваемый им крутящий момент падает, и пружина 7 устанавливает золотник 3 в нейтральную (безопасную) позицию.The digital control valve operates as follows. The input pulsed electrical signal from the CNC system of the machining equipment to the digital stepper motor 6 causes its shaft to rotate by an angle determined by the number of pulses supplied. Together with the shaft, the eccentric 13 rotates, and moves the spool 3 in the axial direction through the ball bearing 14 and the end surfaces of the groove 15, compressing the spring 7. The direction of displacement is determined by the direction of rotation of the shaft of the stepper motor. When shifted to the left, the spring 7 is compressed by the washer 8, and when shifted to the right by the washer 9, the play between the spool and the spring is eliminated by appropriate adjustment of the pulling screw 10, and spontaneous rotation of the screw is eliminated due to friction forces in the friction ring 18. In an emergency situation the stepper motor, the torque developed by it falls, and the spring 7 sets the spool 3 in a neutral (safe) position.

Следует иметь в виду, что этот возврат возможен лишь при ограниченном угле поворота шагового электродвигателя (например,±45°). Для ограничения возможного угла поворота служит фиксатор 16, входящий в фасонный паз, выполненный на наружной цилиндрической поверхности эксцентрика 13. Учитывая, что современные шаговые электродвигатели допускают деление шага (до 3200 импульсов и более на 1 оборот), угол поворота 45° соответствует как минимум 400 поданным импульсам, что вполне достаточно для высококачественного управления гидрораспределителем. Компенсатор 20 позволяет обеспечить требуемое согласование нейтральной позиции золотника 3 и эксцентрика без разборки узла, а пробка 21 - проверить и при необходимости устранить возможный люфт в соединении золотника с центрирующей пружиной.It should be borne in mind that this return is possible only with a limited angle of rotation of the stepper motor (for example, ± 45 °). To limit the possible angle of rotation, a latch 16 is used, which is included in the shaped groove made on the outer cylindrical surface of the eccentric 13. Considering that modern step motors allow step division (up to 3200 pulses and more by 1 revolution), the angle of rotation of 45 ° corresponds to at least 400 impulses applied, which is enough for high-quality control of the valve. The compensator 20 makes it possible to ensure the required coordination of the neutral position of the spool 3 and the eccentric without disassembling the assembly, and the plug 21 - to check and, if necessary, eliminate possible play in the connection of the spool with the centering spring.

При работе аппарата с гидроцилиндрами, имеющими равные площади поршневой и штоковой камер, в нейтральной позиции золотника давления в линиях А и В подключения гидродвигателя должны быть одинаковыми, однако для остановки дифференциальных цилиндров может потребоваться некоторая разность давлений. Эти нюансы могут обеспечиваться путем некоторого доворота втулки 17 с ее последующей фиксацией стопором 22.When the apparatus is operated with hydraulic cylinders having equal areas of the piston and rod chambers, in the neutral position of the pressure spool in lines A and B, the hydraulic motor connections must be the same, however, some differential pressure may be required to stop the differential cylinders. These nuances can be achieved by some extension of the sleeve 17 with its subsequent fixation by the stopper 22.

Точность работы системы управления может быть существенно повышена путем применения серийно выпускаемого шагового электродвигателя с энкодером.The accuracy of the control system can be significantly improved by using a commercially available stepper motor with an encoder.

Внедрение цифровой электроники (шаговых электродвигателей) по сравнению с аналоговой, примененной в прототипе, позволяет повысить надежность; существенно уменьшить гистерезис, повысить быстродействие, линейность и устойчивость; обеспечить простую настройку параметров (множителя, коэффициента, рампы и др.) при помощи программного обеспечения; получить новые возможности настройки таких параметров, как компенсация нелинейности, динамика или безопасность в аварийных режимах; качественно улучшить диагностику (сигнализация, отказ, наблюдение) и поддержку компьютерных систем обслуживания оборудования; обеспечить совместимость с современным шинным сетевым интерфейсом, в том числе CANopen; дать возможность совмещенного управления давлением-подачей насоса и гидроаппаратуры.The introduction of digital electronics (stepper motors) compared with the analogue used in the prototype, improves reliability; significantly reduce hysteresis, improve performance, linearity and stability; Provide easy configuration of parameters (multiplier, coefficient, ramp, etc.) using software; Get new options for tuning parameters such as non-linearity compensation, dynamics, or emergency safety to qualitatively improve diagnostics (alarm, failure, monitoring) and support for computer equipment maintenance systems; ensure compatibility with a modern bus network interface, including CANopen; enable combined pressure-feed control of the pump and hydraulic equipment.

Claims

1. A digital control valve with a housing, sleeve, spool, side covers (or plugs), a rotary type electric device mounted perpendicular to the axis of the spool and connected via an eccentric, a control device for moving the spool, and also a mechanism for returning the spool to the neutral position when the master electric device is turned off, characterized in that a digital stepper motor is used as the master electric device, and the return mechanism the spool in the neutral position contains a pre-compressed centering spring located in the threaded sleeve of the rear side cover and held by a locking ring between the two washers, through the central holes of which there is a pull screw screwed into the threaded hole of the spool and protected from spontaneous rotation by a friction ring located in the screw groove and interacting with the cylindrical lead-in portion of the threaded hole of the spool.

2. The digital control valve according to claim 1, characterized in that the control device for the movement of the valve can be made in the form of an encoder integrated into a digital stepper motor.