可控變截面液壓缸及其液壓控制系統(tǒng)和控制方法
【專利摘要】變截面液壓缸，包括缸筒、一級(jí)活塞桿、二級(jí)活塞桿。一級(jí)活塞桿通過(guò)活塞環(huán)和端蓋密封安裝在缸筒上，一級(jí)活塞桿是二級(jí)活塞桿的缸筒，二級(jí)活塞桿通過(guò)活塞環(huán)和端蓋密封安裝在一級(jí)活塞桿內(nèi)。上述變截面液壓缸控制系統(tǒng)及其控制方法，通過(guò)控制兩位三通電磁開(kāi)關(guān)閥和三位四通伺服閥，選擇一級(jí)活塞無(wú)桿腔、一級(jí)活塞有桿腔、二級(jí)活塞無(wú)桿腔、二級(jí)活塞有桿腔是否與泵的出油口連通、油箱連通或截止，從而獲得不同有效作用面積。在二級(jí)活塞桿上設(shè)置一個(gè)負(fù)載力傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量二級(jí)活塞桿上的負(fù)載，也即是變截面液壓缸負(fù)載。根據(jù)負(fù)載反饋，通過(guò)電磁開(kāi)關(guān)閥組和伺服閥組的控制，選擇合適的有效作用面積，實(shí)現(xiàn)液壓缸最大輸出力與負(fù)載力匹配，通過(guò)變量泵的自適應(yīng)變量功能實(shí)現(xiàn)泵的輸出流量與負(fù)載流量的匹配，從而實(shí)現(xiàn)變量泵輸出功率與負(fù)載功率的匹配，以此提高系統(tǒng)效率。
【專利說(shuō)明】可控變截面液壓缸及其液壓控制系統(tǒng)和控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可控變截面液壓缸及其液壓控制系統(tǒng)和控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)移動(dòng)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)、感知、路徑規(guī)劃和控制等領(lǐng)域得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了娛樂(lè)服務(wù)、人機(jī)互動(dòng)、極端環(huán)境偵查等復(fù)雜功能，但是能源和驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展滯后，導(dǎo)致移動(dòng)機(jī)器人負(fù)載能力有限，制約了移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用化?，F(xiàn)有研究表明，當(dāng)動(dòng)力源的輸出壓力超過(guò)3.5MPa時(shí)，同功率的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比純機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有更高的功率密度。采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是提高負(fù)載能力的有效途徑。目前許多研究單位開(kāi)始嘗試用液壓動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人，如美國(guó)波士頓動(dòng)力公司研制的BI⑶0G、petman,意大利理工大學(xué)的KenKen II液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人，另外由中國(guó)863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助的高性能四足機(jī)器人項(xiàng)目明確提出要采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
[0003]由于重量和體積的限制，移動(dòng)機(jī)器人的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的都是單泵源一多執(zhí)行器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該類液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率非常低下，主要原因是各執(zhí)行器的負(fù)載在同一時(shí)刻都不相同，并且同一執(zhí)行器在不同時(shí)刻負(fù)載也不相同，一個(gè)泵源不能同時(shí)與多個(gè)執(zhí)行器的負(fù)載進(jìn)行功率匹配，一般選擇大功率執(zhí)行器負(fù)載進(jìn)行匹配，由此導(dǎo)致其他執(zhí)行器支路出現(xiàn)大量節(jié)流耗損，造成效率低下。
[0004]效率低下會(huì)造成如下問(wèn)題:動(dòng)力源的功率要求高，動(dòng)力源的重量和體積會(huì)上升；完成同樣的工作需要的能量(如汽油)增加，重量增加；系統(tǒng)液壓元件性能指標(biāo)要求會(huì)提高，液壓元件的重量和體積會(huì)增加；系統(tǒng)發(fā)熱會(huì)更嚴(yán)重，冷卻系統(tǒng)的功率就會(huì)變大，冷卻系統(tǒng)的體積和重量就會(huì)增加。因此效率低下會(huì)嚴(yán)重影響移動(dòng)機(jī)器人的負(fù)載能力。
[0005]現(xiàn)有提高單泵源一多執(zhí)行器液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率的方法很多，如進(jìn)回油獨(dú)立節(jié)流控制、電液混合動(dòng)力和能量回收技術(shù)、負(fù)載敏感泵控技術(shù)、液壓變壓器等。這些技術(shù)節(jié)能效果有限、并且沒(méi)有考慮系統(tǒng)的體積和重量，難以在移動(dòng)機(jī)器人上使用。
[0006]根據(jù)負(fù)載實(shí)時(shí)改變液壓缸的有效作用面積，使得各個(gè)執(zhí)行器支路的負(fù)載壓力都與泵源的輸出壓力接近，通過(guò)泵的變量自適應(yīng)機(jī)構(gòu)來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)泵的輸出流量與各支路負(fù)載流量之和匹配，從而實(shí)現(xiàn)泵的輸出功率與各支路負(fù)載功率之和匹配，有效提高系統(tǒng)效率。
[0007]因此研制可控變截面液壓缸對(duì)于提高移動(dòng)機(jī)器人負(fù)載能力意義重大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種可有效提高移動(dòng)機(jī)器人液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率，可通過(guò)選擇多級(jí)液壓缸不同腔體截至、與高壓油路導(dǎo)通或與低壓油路導(dǎo)通來(lái)實(shí)現(xiàn)油源壓力與負(fù)載壓力的匹配，最終達(dá)到提高液壓系統(tǒng)效率目的的變截面液壓缸及其液壓控制系統(tǒng)。
[0009]本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述目的。
[0010]一種變截面液壓缸，包括缸筒、一級(jí)活塞和二級(jí)活塞，所述一級(jí)活塞包括一級(jí)活塞桿和缸筒，所述一級(jí)活塞桿通過(guò)活塞環(huán)和端蓋密封安裝在所述缸筒內(nèi)，所述二級(jí)活塞包括所述一級(jí)活塞桿和二級(jí)活塞桿，所述一級(jí)活塞桿的內(nèi)部空心，所述一級(jí)活塞桿作為二級(jí)活塞桿的缸筒，所述二級(jí)活塞桿通過(guò)活塞環(huán)和端蓋密封安裝在所述一級(jí)活塞桿內(nèi)，所述二級(jí)活塞桿內(nèi)部設(shè)有所述二級(jí)無(wú)桿腔油路和二級(jí)有桿腔油路，所述二級(jí)無(wú)桿腔油路將外部油路與所述二級(jí)活塞無(wú)桿腔連通，所述二級(jí)有桿腔油路將外部油路與所述二級(jí)活塞有桿腔連通。
[0011]一種變截面液壓缸的液壓控制系統(tǒng)，一級(jí)活塞無(wú)桿腔、一級(jí)活塞有桿腔、二級(jí)活塞無(wú)桿腔和二級(jí)活塞有桿腔分別與第一開(kāi)關(guān)閥的油口 Cl、第二開(kāi)關(guān)閥的油口 C2、第三開(kāi)關(guān)閥的油口 C3和第四開(kāi)關(guān)閥的油口 C4連接，所述第一開(kāi)關(guān)閥和第二開(kāi)關(guān)閥與第一伺服閥連接，所述第三開(kāi)關(guān)閥和第四開(kāi)關(guān)閥與第二伺服閥連接，所述第一開(kāi)關(guān)閥的油口 Al、所述第二開(kāi)關(guān)閥的油口 B2和所述第一伺服閥的油口 VAl連通，所述第一開(kāi)關(guān)閥的油口 B1、所述第二開(kāi)關(guān)閥的油口 A2和所述第一伺服閥的油口 VBl連通，所述第三開(kāi)關(guān)閥的油口 A3、所述第四開(kāi)關(guān)閥的油口 B4和所述第二伺服閥的油口 VA2 口連通，所述第三開(kāi)關(guān)閥的油口 B3、所述第四開(kāi)關(guān)閥的油口 A4和所述第二伺服閥的油口 VB2連通，所述第一伺服閥的高壓進(jìn)油口 Pl和所述第二伺服閥的高壓進(jìn)油口 P2與恒壓變量泵8和安全溢流閥9構(gòu)成的動(dòng)力源的高壓出油口連通，所述第一伺服閥的低壓回油口 Tl和所述第二伺服閥的低壓回油口 T2與油箱連通。
[0012]所述開(kāi)關(guān)閥為兩位三通電磁開(kāi)關(guān)閥，所述伺服閥為三位四通伺服閥。
[0013]一種變截面液壓缸的液壓控制方法，所述二級(jí)活塞桿上設(shè)置一個(gè)負(fù)載力傳感器，設(shè)有活塞的效作用面積為Ae，設(shè)第一活塞形成兩個(gè)面分別為A1面和4面，第二活塞形成兩個(gè)面分別為B1面和Br面，從而在活塞往外伸出時(shí)，具有有效作用面積ke分別為ApBpA1 -Ar和B1 - Br,活塞往內(nèi)收縮時(shí)具有有效作用面積ke分別為Br和4，活塞的效作用面積Ae通過(guò)調(diào)節(jié)伺服閥和電磁開(kāi)關(guān)閥的位置組合來(lái)控制，
[0014]設(shè)由負(fù)載力傳感測(cè)得實(shí)時(shí)變負(fù)載為Fui,則負(fù)載壓力Pui為:
[0015]PLn = FLn/Ae
[0016]設(shè)恒壓油源輸出壓力為Ps
[0017]Fk = Ps*Ae
[0018]從而可以將有效作用面積K轉(zhuǎn)換為液壓缸最大輸出力Fk ；
[0019]把負(fù)載力傳感器實(shí)時(shí)獲得實(shí)際負(fù)載Fui與有效作用面積Ae獲得的最大輸出力Fk進(jìn)行比較，確定實(shí)際負(fù)載落在的區(qū)間，F(xiàn)k^FJFk ；
[0020]當(dāng)液壓缸往外伸時(shí)，選擇Fk作為最大輸出力，F(xiàn)k對(duì)應(yīng)的有效作用面積即為所要選擇的有效作用面積；
[0021]當(dāng)液壓缸往回縮時(shí)，選擇Flri作為最大輸出力，F(xiàn)lri對(duì)應(yīng)的有效作用面積ke即為所要選擇的有效作用面積。
[0022]當(dāng)液壓缸往外伸時(shí)，選擇Fk作為最大輸出力后，通過(guò)檢測(cè)下兩個(gè)時(shí)刻液壓缸的跟蹤誤差，如果跟蹤誤差進(jìn)一步擴(kuò)大，則調(diào)大液壓缸最大輸出力，選擇Fk+1作為最大輸出力，然后再重復(fù)上述步驟，直到跟蹤誤差不再擴(kuò)大，此時(shí)選擇的最大輸出力對(duì)應(yīng)的有效作用面積即為所要選擇的有效作用面積；
[0023]當(dāng)液壓缸往回縮時(shí)，選擇Flri作為最大輸出力后，通過(guò)數(shù)字控制系統(tǒng)檢測(cè)下兩個(gè)時(shí)刻壓缸的跟蹤誤差，如果跟蹤誤差進(jìn)一步擴(kuò)大，則調(diào)小液壓缸最大輸出力，選擇Fk_2作為最大輸出力，然后再重復(fù)上述步驟，直到跟蹤誤差不再擴(kuò)大，此時(shí)選擇的最大輸出力對(duì)應(yīng)的有效作用面積即為所要選擇的有效作用面積。
[0024]由于采用上述方案，本發(fā)明為具有一定負(fù)載匹配能力的有效作用面積變化可控的直線液壓缸，可有效提高各執(zhí)行器負(fù)載變化較大的單泵源-多執(zhí)行器液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。在執(zhí)行變負(fù)載工況時(shí)，可通過(guò)不同電磁開(kāi)關(guān)閥和伺服閥的控制組合，選擇兩級(jí)伸縮液壓缸各空腔與高壓油路和低壓油路的導(dǎo)通狀況來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓缸最大輸出力與負(fù)載的匹配，最終達(dá)到提高液壓系統(tǒng)效率的目的。本發(fā)明可用在能量自治的各執(zhí)行器負(fù)載變化較大的各類中小型移動(dòng)平臺(tái)上，如兩足機(jī)器人、四足機(jī)器人、小型無(wú)人挖掘機(jī)、外骨骼裝備等，能夠有效提高此類裝備液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率，從而提高其負(fù)載能力、促進(jìn)其進(jìn)一步實(shí)用化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此外由于二級(jí)活塞的缸體是一級(jí)活塞，因此本變截面液壓缸具有大行程和小的基本長(zhǎng)度，能有效減小液壓缸的安裝空間。由本選擇方法所獲得的負(fù)載壓力Pta會(huì)盡可能逼近油源壓力Ps，從而減小節(jié)流損失。本方法能夠在實(shí)現(xiàn)較高程度負(fù)載匹配的同時(shí)，滿足動(dòng)態(tài)跟蹤精度的要求，也就是既能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能需求，又能提高驅(qū)動(dòng)效率。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1(a)是本發(fā)明的立體圖；
[0026]圖1(b)是本發(fā)明的一級(jí)液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖1(c)是本發(fā)明的二級(jí)液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖2本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和液壓控制系統(tǒng)示意圖；
[0029]圖3本發(fā)明的液壓缸輸出力的示意圖；
[0030]圖4本發(fā)明的液壓缸輸出力與負(fù)載匹配示意圖；
[0031]圖5本發(fā)明應(yīng)用在單泵源-多執(zhí)行器液壓系統(tǒng)中的效率提高原理示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖，進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本專利的【具體實(shí)施方式】。
[0033]如圖1所示，可控變截面液壓缸由端環(huán)1、兩位三通插裝式開(kāi)關(guān)閥2、三位四通伺服閥3、缸筒4、一級(jí)活塞桿5、二級(jí)活塞桿6、帶過(guò)油孔的端環(huán)7等組成。其中開(kāi)關(guān)閥2和伺服閥3直接安裝在缸筒4上，對(duì)應(yīng)圖2中的第一開(kāi)關(guān)閥SW1、第二開(kāi)關(guān)閥SW2和第一伺服閥SV1,其相互之間的油路關(guān)系通過(guò)如圖1 (b)所示缸筒4上的集成油路塊42實(shí)現(xiàn)。圖2中第一伺服閥進(jìn)油口 Pl 口和回油口 Tl 口為如圖1(b)中所示的兩個(gè)對(duì)外油路接口 41，第一開(kāi)關(guān)閥SW1與一級(jí)活塞無(wú)桿腔的連接由集成油路塊42中的內(nèi)部油路實(shí)現(xiàn)，第二開(kāi)關(guān)閥SW2與一級(jí)活塞有桿腔的連接由圖1(b)中連接管路44實(shí)現(xiàn)，圖1(b)中，集成塊42的油路中設(shè)有工藝堵頭43。缸筒4左側(cè)通過(guò)螺紋與端環(huán)I連在一起，缸筒4右側(cè)由端蓋46、靜密封圈45和動(dòng)密封圈47實(shí)現(xiàn)與一級(jí)活塞桿54之間的密封。一級(jí)活塞51通過(guò)導(dǎo)環(huán)52和動(dòng)密封圈53實(shí)現(xiàn)與缸筒4內(nèi)壁的密封。一級(jí)活塞桿5為二級(jí)活塞桿6的缸筒，一級(jí)活塞桿5的右端通過(guò)端蓋56、靜密封圈55和動(dòng)密封圈57實(shí)現(xiàn)與二級(jí)活塞桿6之間的密封。二級(jí)活塞61通過(guò)滑環(huán)62和密封圈63實(shí)現(xiàn)與一級(jí)活塞的滑動(dòng)動(dòng)密封。二級(jí)活塞61左端的空腔通過(guò)過(guò)油孔611、端環(huán)7上過(guò)油孔71和動(dòng)密封圈72實(shí)現(xiàn)與外部動(dòng)力系統(tǒng)油路的導(dǎo)通，二級(jí)活塞61右端的空腔通過(guò)過(guò)油孔612、端環(huán)7上過(guò)油孔71和動(dòng)密封圈72實(shí)現(xiàn)與外部動(dòng)力系統(tǒng)油路的導(dǎo)通。圖2中與二級(jí)活塞61左右兩端空腔相連的裝在與端環(huán)7連接的機(jī)架上，第三開(kāi)關(guān)閥SW3、第四開(kāi)關(guān)閥SW4以及伺服閥SV2由于屬于執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的機(jī)架結(jié)構(gòu)，因此不在圖1(a)所示的外部整體結(jié)構(gòu)圖中。
[0034]本發(fā)明的工作原理:如圖2所示，本發(fā)明的變截面通過(guò)四個(gè)兩位三通插裝式開(kāi)關(guān)閥2和兩個(gè)三位四通伺服閥3來(lái)實(shí)現(xiàn)，高精度的力和位移控制通過(guò)兩個(gè)三位四通伺服閥3來(lái)實(shí)現(xiàn)。所述第一開(kāi)關(guān)閥Cl 口與所述變截面液壓缸的一級(jí)活塞無(wú)桿腔連通，所述第二開(kāi)關(guān)閥SW2的C2 口與所述變截面液壓缸的一級(jí)活塞有桿腔連通，所述第一開(kāi)關(guān)閥SW1的油口 Al與所述第二開(kāi)關(guān)閥SW2的油口 B2和所述第一伺服閥SV1的VAl 口連通，所述第二開(kāi)關(guān)閥SW2的油口 B2與所述第二開(kāi)關(guān)閥SW2的油口 A2和所述第一伺服閥SV1的VBl 口連通。所述第三開(kāi)關(guān)閥SW3的C3 口與所述變截面液壓缸的二級(jí)活塞有桿腔連通，所述第四開(kāi)關(guān)閥Sff4的C4 口與所述變截面液壓缸的二級(jí)活塞無(wú)桿腔連通，所述第三開(kāi)關(guān)閥SW3的油口 A3與所述第四開(kāi)關(guān)閥SW4的油口 B4和所述第二伺服閥SV2的VAl 口連通，所述第三開(kāi)關(guān)閥SW3的油口 B3與所述第四開(kāi)關(guān)閥SW4的油口 A4和所述第二伺服閥SV2的VB2 口連通。所述第一伺服閥SV1的Pl 口和所述第二伺服閥SV2的P2 口與由恒壓變量泵8和安全溢流閥9構(gòu)成的動(dòng)力源的高壓出油口連通，所述第一伺服閥SVJ^Tl 口和所述第二伺服閥T2 口與油箱10連通。
[0035]所述二級(jí)活塞桿上設(shè)置一個(gè)負(fù)載力傳感器，第一活塞形成兩個(gè)面分別為A1面和K面，第二活塞形成兩個(gè)面分別為B1面和面，從而在活塞往外伸出時(shí)，具有四個(gè)有效作用面積ApBpA1 和B1 — Br，活塞往內(nèi)收縮時(shí)具有兩個(gè)有效作用面積Br和Ar，根據(jù)負(fù)載力傳感器測(cè)量的實(shí)時(shí)負(fù)載，通過(guò)所述電磁開(kāi)關(guān)閥組和所述伺服閥組的控制，選擇合適的有效作用面積實(shí)現(xiàn)液壓缸最大輸出力與負(fù)載力匹配，具體控制方法如下:
[0036]設(shè)有效作用面積為Ae,設(shè)開(kāi)關(guān)閥的控制量為xk, (k =
分別表示第一開(kāi)關(guān)閥、第二開(kāi)關(guān)閥、第三開(kāi)關(guān)閥和第四開(kāi)關(guān)閥，Xk = I表示電磁開(kāi)關(guān)閥處于左位，xk = O表示電磁開(kāi)關(guān)閥處于右位，同時(shí)設(shè)伺服閥的控制量為uk(k = I, 2), UpU2分表示第一伺服閥和第二伺服閥，Uk = -1表示伺服閥處于左位最大開(kāi)口，Uk = O表示伺服閥處于中位，Uk = I表示伺服閥處于右位最大開(kāi)口 ；
[0037]當(dāng)所述電磁開(kāi)關(guān)閥和所述伺服閥處于不同的控制狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的有效作用面積，有效作用面積控制如下表所示；
[0038]
[0039]
伺服閥控制[U1 U2]電磁開(kāi)關(guān)閥控制[X1 X2 X3 X4]有效作用




面積Afi
PT O]，SV1 左位，SV2 中位 [I I I I]，SW^ SW2、SW3、SW4 處于左位T1
[O I]，SV1 中位，SV2 右位 [I I I I]，SWp SW2、SW3、SW4 處于左位
PT O]，SV1 左位，SV2 中位 [I O I I]，SWp SW3、SW4 處于左位、SW2 右位A~AT[OI]，SV1 中位，SV2 右位I [IIO I]，SWp SW2、SW4 處于左位、SW3 右位IB1-Br
[O-1]，SV1 中位，SV2 左位[IIII]，SWp SW2、SW3、SW4 處于左位~τ
Π 0]，SV1 右位，SV2 中位[I III]，SWp SW2、SW3、SW4 處于左位~
Π 0]，SV1 左位，SV2 中位[I OII]，SWp SW3、SW4 處于左位、SW2 右位O
[OOLSV1中位，SV2中位[IIII]，SWp SW2、SW3、SW4處于左位液壓缸鎖止
[0040]當(dāng)恒壓變量泵8的輸出壓力一定時(shí)，由于兩位三通插裝式開(kāi)關(guān)閥2的壓力損失和三位四通伺服閥3開(kāi)口最大時(shí)的壓力損失較小，液壓缸的輸出力可近似為:
[0041]F0 = Ps.Ae
[0042]其中Ps為恒壓變量泵的出口壓力，F(xiàn)。為液壓缸輸出力。
[0043]通過(guò)選擇三位四通伺服閥3和兩位三通插裝式開(kāi)關(guān)閥2的不同控制狀態(tài)，可以得到不同的有效作用面積Ae，從而獲得不同的液壓缸輸出力，通過(guò)對(duì)液壓缸的各作用面積進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以得到不同分布液壓缸輸出力，如均勻分布的液壓缸輸出力，如圖3所示。對(duì)于不同的負(fù)載，選擇不同的液壓缸輸出力與之進(jìn)行匹配，負(fù)載匹配示意圖如圖4所示。
[0044]利用該有效作用面積可控的變截面液壓缸提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率的原理如下。移動(dòng)機(jī)器人單泵源多執(zhí)行器液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本原理框圖如圖5所示。設(shè)第η個(gè)閥控缸驅(qū)動(dòng)支路的變負(fù)載為Fui,負(fù)載壓力為Pui,則有:
[0045]PLn = FLn/Ae
[0046]PLn = FLn/Ae當(dāng)采用恒壓油源時(shí)(移動(dòng)機(jī)器人上通常采用該類油源)，設(shè)恒壓油源輸出壓力為Ps，不同的有效作用面積對(duì)應(yīng)不同的液壓缸最大輸出力PsAe(也就是伺服閥開(kāi)口最大時(shí)，液壓缸的輸出力，為了簡(jiǎn)化描述，這里省略伺服閥開(kāi)口最大時(shí)閥的節(jié)流壓降，本質(zhì)上不影響分析結(jié)果)。由上所述，7個(gè)有效作用面積K可以獲得7個(gè)不同的液壓缸最大輸出力，設(shè)為Fk(k= I?7)。經(jīng)過(guò)合理的尺寸設(shè)計(jì)，可以得到不同分布的液壓缸最大輸出力Fk(k = I?7)，如附圖3所示均勻分布的液壓缸最大輸出力。
[0047]負(fù)載匹配和有效作用面積選擇方法:負(fù)載力傳感器實(shí)時(shí)獲得實(shí)際負(fù)載Fta，把其與7個(gè)液壓缸最大輸出力進(jìn)行比較,確定實(shí)際負(fù)載落在那兩個(gè)最大輸出力之間，如落在
如果液壓缸往外伸，應(yīng)該讓最大輸出力大于實(shí)際負(fù)載才能驅(qū)動(dòng)負(fù)載往外伸，那么選擇Fk作為最大輸出力，F(xiàn)k對(duì)應(yīng)的有效作用面積即為所要選擇的有效作用面積；如果在選擇Fk作為最大輸出力的情況下，通過(guò)檢測(cè)下兩個(gè)時(shí)刻液壓缸的跟蹤誤差，如果跟蹤誤差(跟蹤誤差:液壓缸活塞桿的期望位移與實(shí)際位移之間的差值)進(jìn)一步擴(kuò)大，就說(shuō)明選擇的最大輸出力不夠大，難以滿足動(dòng)態(tài)跟蹤需求，那么進(jìn)一步調(diào)大液壓缸最大輸出力，選擇Fk+1作為最大輸出力，然后再重復(fù)上述步驟，直到跟蹤誤差不再擴(kuò)大，此時(shí)選擇的最大輸出力對(duì)應(yīng)的有效作用面積即為所要選擇的有效作用面積。同理，如果液壓缸往回縮，應(yīng)該讓最大輸出力小于實(shí)際負(fù)載才能拉動(dòng)負(fù)載回縮，那么選擇Flri作為最大輸出力，然后再重復(fù)上述步驟，直到跟蹤誤差不再擴(kuò)大，此時(shí)選擇的最大輸出力對(duì)應(yīng)的有效作用面積即為所要選擇的有效作用面積；如果在選擇Flri作為最大輸出力的情況下，下兩個(gè)時(shí)刻即使伺服閥開(kāi)口最大，系統(tǒng)跟蹤誤差進(jìn)一步擴(kuò)大，就說(shuō)明選擇的最大輸出力不夠小，難以滿足動(dòng)態(tài)跟蹤需求，那么進(jìn)一步調(diào)小液壓缸最大輸出力，選擇Fk_2作為最大輸出力，F(xiàn)k_2對(duì)應(yīng)的有效作用面積即為所要選擇的有效作用面積。由該種選擇方法所獲得的負(fù)載壓力Pta會(huì)盡可能逼近油源壓力Ps，從而減小節(jié)流損失。該方法能夠在實(shí)現(xiàn)較高程度負(fù)載匹配的同時(shí)，滿足動(dòng)態(tài)跟蹤精度的要求，也就是既能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能需求，又能提高驅(qū)動(dòng)效率。
[0048]下面來(lái)分析支路的功率節(jié)流損失:
[0049]第η個(gè)支路的功率節(jié)流損失為:
[0050]Δ Wn = Ps * Qn-PLn.Qn
[0051]=(Ps-Pta)-Qn
[0052]= Λ Pn.Qn
[0053]當(dāng)負(fù)載Fui變化時(shí)，通過(guò)調(diào)控K,可以讓Pui接近Ps，也就是可以實(shí)現(xiàn)Λ Pn小于一個(gè)比較小的壓降Λ Pmin，即:
[0054]Affn< APfflin-Qn
[0055]驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總的功率節(jié)流損失為:
[0056]AW=If ^ < J?-；, If Q-=J仏
[0057]Qs可以通過(guò)恒壓變量泵的變量自適應(yīng)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，也就是每一個(gè)時(shí)刻系統(tǒng)需要多少流量，泵就提供多少流量。因此由上式可以看出，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率節(jié)流損失主要取決于ΛPmin，也就是每一個(gè)支路的負(fù)載壓力Pl?越接近泵的出口壓力Ps，系統(tǒng)的功率損失越小。
[0058]從而上分析可知相對(duì)于傳統(tǒng)的固定截面液壓缸和只能在固定位置改變截面的多級(jí)伸縮液壓缸，隨著負(fù)載的變化，各支路Pto變化較大，同時(shí)由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)？3要大于整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的最大負(fù)載壓力Ptaax，導(dǎo)致各支路節(jié)流壓降λ Pn變化較大并且相互之間差異較大，在設(shè)計(jì)時(shí)不能如采用本發(fā)明一樣統(tǒng)一到一個(gè)較小的壓降A(chǔ)Pmin上，因此其功率節(jié)流損失比采用本發(fā)明的功率節(jié)流損失APminQs大得多；而應(yīng)用本專利，可以根據(jù)負(fù)載Fui的變化實(shí)時(shí)調(diào)整有效作用面積Ae，使得負(fù)載壓力Pui接近或等于泵源壓力，減小功率損失，從而提聞系統(tǒng)效率。
[0059]本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是:由于二級(jí)活塞的缸體是一級(jí)活塞，因此該可控變截面液壓缸具有短的基本長(zhǎng)度和長(zhǎng)的行程，所需安裝空間較小。
【權(quán)利要求】
1.一種變截面液壓缸，其特征在于:包括缸筒、一級(jí)活塞和二級(jí)活塞，所述一級(jí)活塞包括一級(jí)活塞桿和缸筒，所述一級(jí)活塞桿通過(guò)活塞環(huán)和端蓋密封安裝在所述缸筒內(nèi)，所述二級(jí)活塞包括所述一級(jí)活塞桿和二級(jí)活塞桿，所述一級(jí)活塞桿的內(nèi)部空心，所述一級(jí)活塞桿作為二級(jí)活塞桿的缸筒，所述二級(jí)活塞桿通過(guò)活塞環(huán)和端蓋密封安裝在所述一級(jí)活塞桿內(nèi)，所述二級(jí)活塞桿內(nèi)部設(shè)有所述二級(jí)無(wú)桿腔油路和二級(jí)有桿腔油路，所述二級(jí)無(wú)桿腔油路將外部油路與所述二級(jí)活塞無(wú)桿腔連通，所述二級(jí)有桿腔油路將外部油路與所述二級(jí)活塞有桿腔連通。
2.一種變截面液壓缸的液壓控制系統(tǒng)，用于控制如權(quán)利要求1所述的變截面液壓缸，其特征在于，一級(jí)活塞無(wú)桿腔、一級(jí)活塞有桿腔、二級(jí)活塞無(wú)桿腔和二級(jí)活塞有桿腔分別與第一開(kāi)關(guān)閥的油口(Cl)、第二開(kāi)關(guān)閥的油口(C2)、第三開(kāi)關(guān)閥的油口(C3)和第四開(kāi)關(guān)閥的油口(C4)連接，所述第一開(kāi)關(guān)閥和第二開(kāi)關(guān)閥與第一伺服閥連接，所述第三開(kāi)關(guān)閥和第四開(kāi)關(guān)閥與第二伺服閥連接，所述第一開(kāi)關(guān)閥的油口(Al)、所述第二開(kāi)關(guān)閥的油口(B2)和所述第一伺服閥的油口(VAl)連通，所述第一開(kāi)關(guān)閥的油口(BI)、所述第二開(kāi)關(guān)閥的油口(A2)和所述第一伺服閥的油口(VBl)連通，所述第三開(kāi)關(guān)閥的油口(A3)、所述第四開(kāi)關(guān)閥的油口(B4)和所述第二伺服閥的油口(VA2 口連通，所述第三開(kāi)關(guān)閥的油口(B3)、所述第四開(kāi)關(guān)閥的油口(A4)和所述第二伺服閥的油口(VB2)連通，所述第一伺服閥的高壓進(jìn)油口Pl和所述第二伺服閥的高壓進(jìn)油口(P2)與恒壓變量泵(8)和安全溢流閥(9)構(gòu)成的動(dòng)力源的高壓出油口連通，所述第一伺服閥的低壓回油口 Tl和所述第二伺服閥的低壓回油口(T2)與油箱連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變截面液壓缸的液壓控制系統(tǒng)，其特征在于:所述開(kāi)關(guān)閥為兩位三通電磁開(kāi)關(guān)閥，所述伺服閥為三位四通伺服閥。
4.一種變截面液壓缸的液壓控制方法，用于控制如權(quán)利要求3所述的變截面液壓缸的液壓控制系統(tǒng)，其特征在于，所述二級(jí)活塞桿上設(shè)置一個(gè)負(fù)載力傳感器，設(shè)有活塞的效作用面積為Ae，設(shè)第一活塞形成兩個(gè)面分別為A1面和面，第二活塞形成兩個(gè)面分別為B1面和Br面，從而在活塞往外伸出時(shí)，具有有效作用面積Ae分別為Ap Bp A1 — Ar和B1 — Br,活塞往內(nèi)收縮時(shí)具有有效作用面積K分別為Br和Ar，活塞的效作用面積K通過(guò)調(diào)節(jié)伺服閥和電磁開(kāi)關(guān)閥的位置組合來(lái)控制， 設(shè)由負(fù)載力傳感測(cè)得實(shí)時(shí)變負(fù)載為Fta，則負(fù)載壓力Pta為:
PLn = FLn/Ae 設(shè)恒壓油源輸出壓力為Ps
Fk = Ps*Ae 從而可以將有效作用面積K轉(zhuǎn)換為液壓缸最大輸出力Fk ； 把負(fù)載力傳感器實(shí)時(shí)獲得實(shí)際負(fù)載Fui與有效作用面積Ae獲得的最大輸出力Fk進(jìn)行比較，確定實(shí)際負(fù)載落在的區(qū)間，F(xiàn)k^FJFk ； 當(dāng)液壓缸往外伸時(shí)，選擇Fk作為最大輸出力，F(xiàn)k對(duì)應(yīng)的有效作用面積即為所要選擇的有效作用面積； 當(dāng)液壓缸往回縮時(shí)，選擇Flri作為最大輸出力，F(xiàn)lri對(duì)應(yīng)的有效作用面積K即為所要選擇的有效作用面積。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變截面液壓缸的液壓控制方法，其特征在于:當(dāng)液壓缸往外伸時(shí)，選擇Fk作為最大輸出力后，通過(guò)檢測(cè)下兩個(gè)時(shí)刻液壓缸的跟蹤誤差，如果跟蹤誤差進(jìn)一步擴(kuò)大，則調(diào)大液壓缸最大輸出力，選擇Fk+1作為最大輸出力，然后再重復(fù)上述步驟，直到跟蹤誤差不再擴(kuò)大，此時(shí)選擇的最大輸出力對(duì)應(yīng)的有效作用面積即為所要選擇的有效作用面積； 當(dāng)液壓缸往回縮時(shí)，選擇Flri作為最大輸出力后，通過(guò)數(shù)字控制系統(tǒng)檢測(cè)下兩個(gè)時(shí)刻壓缸的跟蹤誤差，如果跟蹤誤差進(jìn)一步擴(kuò)大，則調(diào)小液壓缸最大輸出力，選擇Fk_2作為最大輸出力，然后再重復(fù)上述步驟，直到跟蹤誤差不再擴(kuò)大，此時(shí)選擇的最大輸出力對(duì)應(yīng)的有效作用面積即為所要選擇的有效作用面積。
【文檔編號(hào)】F15B11/028GK104132023SQ201410311711
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】楊軍宏, 徐小軍, 尚建忠, 羅自榮, 王卓, 薛勇 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)