CN105485288B - 一种液压步进器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液压步进器，主要包括左右外壳、一对减速齿轮、一个低速马达、一组控制阀及一个凹轮，在低速马达输入轴上并联一个凹轮，用凹轮控制一个机动换向阀的开和关，同时机动换向阀与一个电磁开关控制的步进控制阀并联，实现每一次电磁脉冲信号导致马达旋转一周的动作，再通过减速比为1∶8的齿轮对，将输入轴一周的旋转动作转换为输出轴上的1/8周旋转动作，实现每一次旋转45°的步行功能，马达的扭矩被减速齿轮放大8倍输出，再利用一个电磁开关控制的方向控制阀可以使输出轴反向输出步进动作，可以应用于建筑钻机自动加杆机构等场合。

Description

一种液压步进器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种液压步进器及其控制方法，主要应用于大扭矩步进式旋转工况，按照正反方向每次旋转1/8转进行步进式运动，可以应用于建筑钻机自动加杆机构等场合。
背景技术
通常在建筑钻机加杆机构里面采用液压马达加电气控制的方式实现精确的角度旋转控制，由于液压马达的最低转速有一定限制，当马达转速低于5转/分钟时会导致液压马达液压效率急剧下降，增加液压损耗，减少马达输出的扭矩，而且采用电气控制容易引起定位偏差，无法实现精确的旋转角度，同时对旋转速度的控制比较困难，因此，需要一种结构紧凑，控制可靠，可以实现精确角度旋转的液压步进器满足这类工况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有的液压马达加电气控制方式液压效率低下、输出扭矩小、电气控制定位困难、旋转速度控制困难等问题，提供一种液压步进器及其控制方法，适合于一次旋转1/8转、输出扭矩大的运行场合。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：
一种液压步进器，主要包括左右外壳、一对减速齿轮、一个低速马达、一组控制阀及一个凹轮，其特征在于：所述低速马达法兰固定安装在左外壳上，低速马达转轴与小齿轮轴左端采用键连接的方式同步旋转，小齿轮轴通过轴承安装在左右外壳里，可以跟随低速马达正反方向旋转，一个小齿轮借助一个键固定安装在小齿轮轴上，小齿轮跟随小齿轮轴同步旋转；所述大齿轮与小齿轮的传动比例是8∶1，与小齿轮啮合，大齿轮借助一个键固定安装在大齿轮轴上，大齿轮轴通过轴承安装在左右外壳里，可以跟随大齿轮的旋转进行正反方向旋转。
所述凹轮通过一个键固定安装在小齿轮轴的右端，其外圆面有一个缺口，控制阀组中有一个机动换向阀的换向滚轮可以在凹轮外圆面上滚动，当换向滚轮进入凹轮缺口时，机动换向阀开始换向，当换向滚轮到达凹轮缺口底部时，机动换向阀换向结束，它的P、T、A、B油口全部封闭。
所述一组控制阀包含一个控制阀块，控制阀块上固定安装了一个机动换向阀、一个步进控制阀、一个换向控制阀，步进控制阀和换向控制阀均为电磁换向阀，通过电开关信号控制其换向，机动换向阀与步进换向阀的P口并联后与高压油源连接，T口并联后与油箱连接，A口并联后与换向控制阀的P口连接，B口并联后与换向控制阀的T口连接，换向控制阀的A口与低速马达的A口连接，换向控制阀的B口与低速马达的B口连接。
一种液压步进器的控制方法：初始状态是机动换向阀的换向滚轮在凹轮缺口底部，机动换向阀的P、T、A、B四个口全部不通，步进控制阀的电磁铁DT1和换向控制阀的电磁铁DT2全部不通电，步进控制阀的P、T、A、B四个口全部不通，换向控制阀的P口通A口，B口通T口，由于机动换向阀和步进控制阀的P口都是封闭的，高压油源的高压油无法进入低速马达的A口和B口，马达不动，同时由于机动换向阀和步进控制阀的A口和B口都是封闭的，马达的A口和B口的油全部被锁住，因此马达不会跟随小齿轮轴旋转；给步进控制阀的电磁铁DT1一个电信号，步进控制阀换向，高压油源的油经过步进控制阀的P口进入步进控制阀的A口，通过换向控制阀的P口进入换向控制阀的A口，进入低速马达A口，推动低速马达旋转，被挤压出的油通过低速马达B口进入换向控制阀的B口，通过步进控制阀B口、T口后回到油箱，低速马达经过30°旋转后，机动换向阀的换向滚轮脱离凹轮缺口，使得机动换向阀全部换向，它的P口和A口连通，B口和T口连通，此时将步进控制阀的电磁铁DT1断电，步进控制阀弹簧复位到P、T、A、B全部封闭状态，高压油源的高压油通过机动换向阀的P口进入A口继续推动低速马达同向旋转，低速马达旋转一周，机动换向阀的换向滚轮进入凹轮缺口，机动换向阀慢慢关闭，增加机动换向阀的P口到A口的节流效果，低速马达转速降低，当机动换向阀的换向滚轮到凹轮缺口底部时，机动换向阀全部关闭，低速马达停止旋转，完成低速马达一圈的运动。
所述低速马达与小齿轮同步旋转，大齿轮与小齿轮的齿数比是8∶1，大齿轮轴与大齿轮同步旋转，当低速马达旋转一周，大齿轮轴的左端反向输出1/8周，即45°，如果采用不同传动比的齿轮对，可以输出不同的步进角度。
所述换向控制阀的电磁铁DT2通电，换向电磁阀换向，其P口通B口，A口通T口，可以使低速马达反向旋转，使大齿轮轴的左端输出口反向旋转。
采用上述结构后：利用减速齿轮的齿数比可以精确控制每一次旋转的角度；机动换向阀的阀芯开口大小与换向滚轮进入凹轮缺口深度反比，可以实现低速马达快速旋转、缓慢停止的控制效果，避免产生停止冲击；电气控制简单，只要用电开关量控制换向控制阀和步进控制阀的电磁铁即可实现精确的步进动作；低速马达输出扭矩放大8倍。
附图说明
附图1一种液压步进器原理图
附图2一种液压步进器三维结构剖面图
附图3一种液压步进器三维结构效果图1
附图4一种液压步进器三维结构效果图2
具体实施方式
以下结合附图和具体实施过程对本发明作详细说明。
参见图1～图4，一种液压步进器，由低速马达1、键I2、外六角螺钉I3、密封圈I4、端盖I5、大齿轮轴6、密封圈II7、内六角螺钉I8、密封垫圈I9、轴承I10、左外壳11、右外壳12、大齿轮13、键II14、支撑环I15、轴承II16、支撑环II17、轴承III18、密封垫圈II19、端盖II20、密封圈III21、小齿轮轴22、键III23、凹轮24、机动换向阀25、控制阀块26、回油管27、高压油管28、油箱29、高压油源30、步进控制阀31、换向控制阀32、密封圈IV33、键IV34、小齿轮35、轴承IV36、支撑环III37、A油管38、B油管39、内六角螺钉II40、管接头41、卡套螺母42、内六角螺钉III43、垫片44、外六角螺钉II45、管夹46组成，图1中的大齿轮轴6是液压步进器的输出部分，其余的所有部件都是为了控制大齿轮轴6的运动而配备的；如果要实现小齿轮旋转一周而大齿轮轴6旋转45°，需要大齿轮与小齿轮的齿数比例是8∶1；大齿轮轴6的左边连接需要旋转的工件，比如建筑钻机加杆机构中的钻杆盒。
图1所示，小齿轮轴22左边通过轴承IV36安装在左外壳11里，右边通过轴承III18安装在右外壳12里，轴承IV36左边安装一个支撑环III37，支撑环III37左端是低速马达1的法兰盘，该法兰盘通过四颗外六角螺钉I3固定安装在左外壳11上，法兰盘与左外壳11之间有密封圈I4，防止左右外壳中间的润滑油外泄，小齿轮轴22左边与低速马达1的输出轴连接；轴承III18左边安装一个支撑环II17，支撑环II17左端压住小齿轮35，小齿轮35与小齿轮轴22之间有一个键IV34，可以让小齿轮35与小齿轮轴22之间没有相对旋转运动；轴承III18的右边是端盖II20，端盖II20通过四颗内六角螺钉I8固定安装在右外壳12上，小齿轮轴22与端盖II20之间有密封圈III21，端盖II20与右外壳12之间有密封垫圈II19，凹轮24通过键III23安装在小齿轮轴22的右边。
大齿轮轴6左边通过轴承I10安装在左外壳11里，右边通过轴承II16安装在右外壳12里，轴承I10左边安装一个端盖I5，端盖I5通过四颗内六角螺钉I8固定安装在左外壳11上，端盖I5与左外壳11之间安装有密封垫圈I9，端盖I5与大齿轮轴6之间安装有密封圈II7；轴承II16左边安装有支撑环I15，支撑环I15将大齿轮13轴向固定在大齿轮轴6上，键II14将大齿轮13与大齿轮轴6同步旋转，即大齿轮13的旋转动作可以带动大齿轮轴6同步旋转。
图3所示，换向控制阀32、步进控制阀31、机动换向阀25都采用内六角螺钉I8固定到控制阀块26上，控制阀块26采用内六角螺钉II40固定到左外壳12上，控制阀块26可以进行不大于2毫米的左右微调，使得机动换向阀25的换向滚轮在到达凹轮24的缺口底部时刚好使得机动换向阀25的P、T、A、B全部关闭；在控制阀块26内部，将机动换向阀25的P口与步进控制阀31的P口并联，机动换向阀25的T口与步进控制阀31的T口并联，机动换向阀25的A口、步进控制阀31的A口与换向控制阀32的P口并联，机动换向阀25的B口、步进控制阀31的B口与换向控制阀32的T口并联。换向控制阀32的A口与低速马达1的A口连接，换向控制阀32的B口与低速马达1的B口连接。
左外壳11与右外壳12用内六角螺钉III43连接，中间夹一条密封圈IV33，A油管38和B油管39通过管夹46固定，管夹46通过外六角螺钉II45固定在左外壳11与右外壳12上。
顺时针旋45°的工作流程和控制方法：初始状态是机动换向阀25的换向滚轮在凹轮24的缺口底部，机动换向阀25的P、T、A、B四个口全部封闭，步进控制阀31的电磁铁DT1和换向控制阀32的电磁铁DT2全部不通电，步进控制阀31的P、T、A、B四个口全部封闭，换向控制阀32的P口通A口，B口通T口，由于机动换向阀25和步进控制阀31的P口都是封闭的，高压油源30的高压油无法进入低速马达1的A口和B口，低速马达1不动，同时由于机动换向阀25和步进控制阀31的A口和B口都是封闭的，低速马达1的A口和B口的油全部被锁住，因此低速马达1不会跟随小齿轮轴22旋转；给步进控制阀31的电磁铁DT1一个电信号，步进控制阀31换向，高压油源30的高压油经过步进控制阀31的P口进入步进控制阀31的A口，通过换向控制阀32的P口进入换向控制阀32的A口，进入低速马达1的A口，推动低速马达1逆时针旋转，被挤压出的低压油通过低速马达1的B口进入换向控制阀32的B口，通过步进控制阀31的B口、T口后回到油箱29，低速马达1经过30°旋转后，机动换向阀25的换向滚轮脱离凹轮24的缺口，使得机动换向阀25全部换向，它的P口和A口连通，B口和T口连通，此时将步进控制阀31的电磁铁DT1断电，步进控制阀31弹簧复位到P、T、A、B全部封闭状态，高压油源30的高压油通过机动换向阀25的P口进入A口继续推动低速马达1逆时针旋转，低速马达1逆时针旋转一周，机动换向阀25的换向滚轮进入凹轮24缺口，机动换向阀25慢慢关闭，增加它的P口到A口的节流效果，低速马达1转速降低，当机动换向阀25的换向滚轮到凹轮24缺口底部时，机动换向阀25全部关闭，低速马达1停止旋转，完成低速马达1逆时针旋转一圈的运动，低速马达1与小齿轮35同步旋转，低速马达1逆时针旋转一周，小齿轮35也逆时针旋转一周，大齿轮13与小齿轮35的齿数比是8∶1，小齿轮35逆时针旋转一周，大齿轮13顺时针旋转1/8周，大齿轮轴6与大齿轮13同步旋转，大齿轮轴6的左端输出顺时针旋45°。
逆时针旋转45°的工作流程和控制方法：初始状态是机动换向阀25的换向滚轮在凹轮24的缺口底部，机动换向阀25的P、T、A、B四个口全部封闭，步进控制阀31的电磁铁DT1和换向控制阀32的电磁铁DT2全部不通电，低速马达1不动；给换向控制阀32的电磁铁DT2持续通电，使得换向控制阀32换向，换向控制阀32的P口通B口，A口通T口，再给步进控制阀31的电磁铁DT1一个电信号，步进控制阀31换向，高压油源30的高压油经过步进控制阀31的P口进入步进控制阀31的A口，通过换向控制阀32的P口进入换向控制阀32的B口，进入低速马达1的B口，推动低速马达1顺时针旋转，被挤压出的低压油通过低速马达1的A口进入换向控制阀32的A口，通过步进控制阀31的B口、T口后回到油箱29，低速马达1经过30°旋转后，机动换向阀25的换向滚轮脱离凹轮24的缺口，使得机动换向阀25全部换向，它的P口和A口连通，B口和T口连通，此时将步进控制阀31的电磁铁DT1断电，步进控制阀31弹簧复位到P、T、A、B全部封闭状态，高压油源30的高压油通过机动换向阀25的P口进入A口继续推动低速马达1顺时针旋转，低速马达1顺时针旋转一周，机动换向阀25的换向滚轮进入凹轮24缺口，机动换向阀25慢慢关闭，增加它的P口到A口的节流效果，低速马达1转速降低，当机动换向阀25的换向滚轮到凹轮24缺口底部时，机动换向阀25全部关闭，低速马达1停止旋转，完成低速马达1顺时针旋转一圈的运动，低速马达1与小齿轮35同步旋转，低速马达1顺时针旋转一周，小齿轮35也顺时针旋转一周，大齿轮13逆时针旋转1/8周，大齿轮轴6与大齿轮13同步旋转，大齿轮轴6左端输出逆时针旋转45°。

Claims (4)

1.一种液压步进器，包括低速马达(1)、键I(2)、外六角螺钉I(3)、密封圈I(4)、端盖I(5)、大齿轮轴(6)、密封圈II(7)、内六角螺钉I(8)、密封垫圈I(9)、轴承I(10)、左外壳(11)、右外壳(12)、大齿轮(13)、键II(14)、支撑环I(15)、轴承II(16)、支撑环II(17)、轴承III(18)、密封垫圈II(19)、端盖II(20)、密封圈III(21)、小齿轮轴(22)、键III(23)、凹轮(24)、机动换向阀(25)、控制阀块(26)、回油管(27)、高压油管(28)、油箱(29)、高压油源(30)、步进控制阀(31)、换向控制阀(32)、密封圈IV(33)、键IV(34)、小齿轮(35)、轴承IV(36)、支撑环III(37)、A油管(38)、B油管(39)、内六角螺钉II(40)、管接头(41)、卡套螺母(42)、内六角螺钉III(43)、垫片(44)、外六角螺钉II(45)、管夹(46)，其特征在于：所述大齿轮轴(6)是液压步进器的输出部分，其余的所有部件都是为了控制大齿轮轴(6)的运动而配备的；所述小齿轮轴(22)左边通过轴承IV(36)安装在左外壳(11)里，右边通过轴承III(18)安装在右外壳(12)里，轴承IV(36)左边安装一个支撑环III(37)，支撑环III(37)左端是低速马达(1)的法兰盘，该法兰盘通过四颗外六角螺钉I(3)固定安装在左外壳(11)上，法兰盘与左外壳(11)之间有密封圈I(4)，防止左右外壳中间的润滑油外泄，小齿轮轴(22)左边与低速马达(1)的输出轴连接；所述轴承III(18)左边安装一个支撑环II(17)，支撑环II(17)左端压住小齿轮(35)，小齿轮(35)与小齿轮轴(22)之间有一个键IV(34)，可以让小齿轮(35)与小齿轮轴(22)之间没有相对旋转运动；所述轴承III(18)的右边是端盖II(20)，端盖II(20)通过四颗内六角螺钉I(8)固定安装在右外壳(12)上，小齿轮轴(22)与端盖II(20)之间有密封圈III(21)，端盖II(20)与右外壳(12)之间有密封垫圈II(19)，凹轮(24)通过键III(23)安装在小齿轮轴(22)的右边；所述大齿轮轴(6)左边通过轴承I(10)安装在左外壳(11)里，右边通过轴承II(16)安装在右外壳(12)里，轴承I(10)左边安装一个端盖I(5)，端盖I(5)通过四颗内六角螺钉I(8)固定安装在左外壳(11)上，端盖I(5)与左外壳(11)之间安装有密封垫圈I(9)，端盖I(5)与大齿轮轴(6)之间安装有密封圈II(7)；所述轴承II(16)左边安装有支撑环I(15)，支撑环I(15)将大齿轮(13)轴向固定在大齿轮轴(6)上，键II(14)将大齿轮(13)与大齿轮轴(6)同步旋转，即大齿轮(13)的旋转动作可以带动大齿轮轴(6)同步旋转；换向控制阀(32)、步进控制阀(31)、机动换向阀(25)都采用内六角螺钉I(8)固定到控制阀块(26)上，控制阀块(26)采用内六角螺钉II(40)固定到左外壳(12)上，控制阀块(26)可以进行不大于2毫米的左右微调，使得机动换向阀(25)的换向滚轮在到达凹轮(24)的缺口底部时刚好使得机动换向阀(25)的P、T、A、B全部关闭；所述控制阀块(26)内部，机动换向阀(25)的P口与步进控制阀(31)的P口并联，机动换向阀(25)的T口与步进控制阀(31)的T口并联，机动换向阀(25)的A口、步进控制阀(31)的A口与换向控制阀(32)的P口并联，机动换向阀(25)的B口、步进控制阀(31)的B口与换向控制阀(32)的T口并联；换向控制阀(32)的A口与低速马达(1)的A口连接，换向控制阀(32)的B口与低速马达(1)的B口连接；所述左外壳(11)与右外壳(12)用内六角螺钉III(43)连接，中间夹一条密封圈IV(33)，A油管(38)和B油管(39)通过管夹(46)固定，管夹(46)通过外六角螺钉II(45)固定在左外壳(11)与右外壳(12)上。
2.根据权利要求1所述一种液压步进器，其特征在于：所述低速马达(1)与小齿轮(35)同步旋转，大齿轮(13)与小齿轮(35)的齿数比是8∶1，大齿轮轴(6)与大齿轮(13)同步旋转，低速马达(1)旋转一周，大齿轮(13)旋转1/8周，大齿轮轴(6)的左端输出1/8周，即45°。
3.根据权利要求1所述一种液压步进器的控制方法，其特征在于：初始状态是机动换向阀(25)的换向滚轮在凹轮(24)的缺口底部，机动换向阀(25)的P、T、A、B四个口全部封闭，步进控制阀(31)的电磁铁DT1和换向控制阀(32)的电磁铁DT2都不通电，步进控制阀(31)的P、T、A、B四个口全部封闭，换向控制阀(32)的P口通A口，B口通T口，由于机动换向阀(25)和步进控制阀(31)的P口都是封闭的，高压油源(30)的高压油无法进入低速马达(1)的A口和B口，低速马达(1)不动，同时由于机动换向阀(25)和步进控制阀(31)的A口和B口都是封闭的，低速马达(1)的A口和B口的油全部被锁住，因此低速马达(1)不会跟随小齿轮轴(22)旋转；给步进控制阀(31)的电磁铁DT1一个电信号，步进控制阀(31)换向，高压油源(30)的高压油经过步进控制阀(31)的P口进入步进控制阀(31)的A口，通过换向控制阀(32)的P口进入换向控制阀(32)的A口，进入低速马达(1)的A口，推动低速马达(1)逆时针旋转，被挤压出的低压油通过低速马达(1)的B口进入换向控制阀(32)的B口，通过步进控制阀(31)的B口、T口后回到油箱(29)，低速马达(1)经过30°旋转后，机动换向阀(25)的换向滚轮脱离凹轮(24)的缺口，使得机动换向阀(25)全部换向，它的P口和A口连通，B口和T口连通，此时将步进控制阀(31)的电磁铁DT1断电，步进控制阀(31)弹簧复位到P、T、A、B全部封闭状态，高压油源(30)的高压油通过机动换向阀(25)的P口进入A口继续推动低速马达(1)逆时针旋转，低速马达(1)逆时针旋转一周，机动换向阀(25)的换向滚轮进入凹轮(24)缺口，机动换向阀(25)慢慢关闭，增加它的P口到A口的节流效果，低速马达(1)转速降低，当机动换向阀(25)的换向滚轮到凹轮(24)缺口底部时，机动换向阀(25)全部关闭，低速马达(1)停止旋转，完成低速马达(1)逆时针旋转一圈的运动，低速马达(1)与小齿轮(35)同步旋转，低速马达(1)逆时针旋转一周，小齿轮(35)也逆时针旋转一周，大齿轮(13)与小齿轮(35)的齿数比是8∶1，小齿轮(35)逆时针旋转一周，大齿轮(13)顺时针旋转1/8周，大齿轮轴(6)与大齿轮(13)同步旋转，大齿轮轴(6)的左端输出顺时针45°。
4.根据权利要求1所述一种液压步进器的控制方法，其特征在于：初始状态是机动换向阀(25)的换向滚轮在凹轮(24)的缺口底部，机动换向阀(25)的P、T、A、B四个口全部封闭，步进控制阀(31)的电磁铁DT1和换向控制阀(32)的电磁铁DT2全部不通电，低速马达(1)不动；给换向控制阀(32)的电磁铁DT2持续通电，使得换向控制阀(32)换向，换向控制阀(32)的P口通B口，A口通T口，再给步进控制阀(31)的电磁铁DT1一个电信号，步进控制阀(31)换向，高压油源(30)的高压油经过步进控制阀(31)的P口进入步进控制阀(31)的A口，通过换向控制阀(32)的P口进入换向控制阀(32)的B口，进入低速马达(1)的B口，推动低速马达(1)顺时针旋转，被挤压出的低压油通过低速马达(1)的A口进入换向控制阀(32)的A口，通过步进控制阀(31)的B口、T口后回到油箱(29)，低速马达(1)经过30°旋转后，机动换向阀(25)的换向滚轮脱离凹轮(24)的缺口，使得机动换向阀(25)全部换向，它的P口和A口连通，B口和T口连通，此时将步进控制阀(31)的电磁铁DT1断电，步进控制阀(31)弹簧复位到P、T、A、B全部封闭状态，高压油源(30)的高压油通过机动换向阀(25)的P口进入A口继续推动低速马达(1)顺时针旋转，低速马达(1)顺时针旋转一周，机动换向阀(25)的换向滚轮进入凹轮(24)缺口，机动换向阀(25)慢慢关闭，增加它的P口到A口的节流效果，低速马达(1)转速降低，当机动换向阀(25)的换向滚轮到凹轮(24)缺口底部时，机动换向阀(25)全部关闭，低速马达(1)停止旋转，完成低速马达(1)顺时针旋转一圈的运动，低速马达(1)与小齿轮(35)同步旋转，低速马达(1)顺时针旋转一周，小齿轮(35)也顺时针旋转一周，大齿轮(13)逆时针转1/8周，大齿轮轴(6)与大齿轮(13)同步旋转，大齿轮轴(6)的左端输出逆时针45°。
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