CN101344101B - 含有柱塞式气液增力缸的气液联控的精密力控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开柱塞式气液增力缸及含该增力缸的气液联控的力控制装置。该柱塞式气液增力缸油腔设在油腔缸筒内，右气腔和左气腔同在气腔缸筒中，活塞将右气腔和左气腔分隔，柱塞杆与活塞连接，从右气腔经油气腔之间透盖伸入油腔中。该气液联控的力控制装置的液压开关阀之二与液压节流阀并联连接，并联端一端与气液转换器油腔连接，另一端与液压开关阀之一连接，液压开关阀之一分别与液压高速开关阀和气液缸的油腔连接。该装置以气压源为动力源，控制气液转换器及气液增力缸的排除油推动气液缸活塞杆的运动，并通过PWM方式驱动液压高速开关阀和PCM方式驱动气动阀并结合压电驱动器进行精密力控制。本发明可应用于精确力控制领域。

Description

含有柱塞式气液增力缸的气液联控的精密力控制装置

技术领域

本发明涉及气液联控力伺服控制系统，特别涉及一种柱塞式气液增力缸及含该增力缸的气液联控的力控制装置。

背景技术

气压伺服技术因结构简单、价格低廉、节能、无污染、高速、高效，以及易于实现自动化的特点，在自动化生产线和工业中广泛应用。但常规气压伺服系统，因气体介质本身固有的大压缩性、粘度低等特点，导致气压伺服系统的固有频率低、阻尼弱，非线性严重，并且在气压力伺服控制中会发生超调，振动等问题，导致气压伺服系统的力控制精度不高，并且气动伺服系统的出力的大小为气压乘以活塞的面积，所以出力的大小受到了限制。为解决该问题，采用气液增力缸的气液联控，将高刚度和高粘度的油作为介质加入到气压伺服系统中，提高气压伺服系统的阻尼和刚度，引入粘度高、刚度大的液压油介质到气压伺服系统中，液体介质的引入为气液联控系统的控制带来很大的灵活性，这将使气液联控系统能更好地面对参数变化、载荷变化和强干扰的影响，从而提高力伺服系统的控制精度和振动抑制。

在现有气液联控力控制技术中，将液压油也进行闭环控制的气液联控进行力控制研究工作。王洪艳，赵克定，一种气液联控柔顺力控制系统的在线控制，系统仿真学报，2007年11月第19卷第21期，4985-4989页公开了气液联控力控制技术。但现有技术尤其存在以下不足：(1)在现有气液增压系统中，液压油没有调节控制，所以这种增加的气液缸出力主要用于需要大出力的场合，并没有精确的伺服控制和力跟踪控制。(2)将液压油也进行闭环控制的气液联控进行力控制研究工作中，气液缸使将由构型相似的液压缸和气压缸部分串联，起不到增力的作用，所以力控制范围有所限制。对此，本发明提出了一种气液增力缸和气液缸组成的气液联控力伺服系统，并结合微驱动液压驱动器，进行了精确的力伺服控制。

发明内容

本发明的目的在于客服现有技术的不足，提供一种柱塞式气液增力缸，起到增加油压力的作用。

本发明的另一目的在于提供含有所述柱塞式气液增力缸的气液联控的精密力控制装置。

为了达到上述目的，本发明的构思为：

针对气压伺服中气体介质的大压缩性给力控制带来的问题，如：超调、振动、力控制精度低等，采用气液联控方式，将液压油引入到气压伺服控制系统中，用有源的气封闭无源的油，并且采用气液增力缸，拓展输出力的范围，并且引入气液转换器，在大范围运动是由气液转换器补油，并且在气液增力缸和气液缸之间的油的回路也通过PWM方式驱动液压高速开关阀进行闭环控制；并且为了解决气液伺服系统的输出力范围和力控制工作行程之间的矛盾。以工业控制计算机作为控制平台，通过软件编程实现控制算法运行和输出控制。本发明提供了一种双出杆气液联控力伺服控制系统装置和方法。

根据上面的发明构思，本发明采用的技术方案和方法如下：

一种柱塞式气液增力缸，包括一个油腔、右气腔和左气腔；油腔设在油腔缸筒内，一端为油腔端盖，另一端为油气腔之间透盖，右气腔和左气腔同在气腔缸筒中，气腔缸筒的一端为油气腔之间透盖，另一端为气腔端盖，活塞将右气腔和左气腔分隔，柱塞杆与活塞连接，从右气腔经油气腔之间透盖伸入油腔中；油气腔之间透盖设有密封圈之一，活塞上设有密封圈之二。

一种含有所述柱塞式气液增力缸的气液联控的精密力控制装置，所述柱塞式气液增力缸的左气腔和右气腔分别与两位三通气动阀之一和两位三通气动阀之二连接，还分别与气液转换器和气液缸的气腔连接；气泵通过气动三联件分别与三个气动减压阀连接，三个气动减压阀分别与两位三通气动阀之一、两位三通气动阀之二和气动单向阀连接，两位三通气动阀之一、两位三通气动阀之二和气动单向阀还通过管道与气动PCM阀组连接；液压开关阀之二与液压节流阀并联连接，并联端一端与气液转换器油腔连接，另一端与液压开关阀之一连接，液压开关阀之一分别与液压高速开关式电磁阀和气液缸的油腔连接；气液缸的气腔和油腔通过活塞分隔，活塞杆伸出气腔，活塞杆上依次设有压电陶瓷驱动器与力传感器，压电陶瓷驱动器与压电陶瓷驱动电源连接，力传感器与A/D采集卡连接，A/D采集卡和多路D/A转换卡及多路I/O控制卡分别与控制计算机连接；压电陶瓷驱动电源和开关阀驱动板分别与多路D/A转换卡及多路I/O控制卡连接；液压高速开关阀、液压开关阀之一和液压开关阀之二分别与开关阀驱动板信号连接。

所述压电陶瓷驱动器优选为WTDS2IA型压电堆驱动器。

本发明与现有技术比较具有如下优点和有益效果：

该气液联控系统通过有源的气压控制无源的油，并通过气液增力缸实现力伺服精确控制的目的；在力控制时，通过控制算法控制气动PCM阀组气液增力缸，气液转换器和气液缸气腔的气压，并通过油路的开关阀和高速开关阀控制进行精确的力控制，并且组合气液转换器和气液增力缸，可以在大行程范围和大的输出力范围内进行精确的力控制和力伺服。所以该系统解决了输出力控制范围和输出力行程之间的矛盾，还可以提高力伺服控制精度。

附图说明

图1是本发明的气液力控制装置结构示意图。

图2是图1中气液增力缸结构示意图。

图3是图1中气动PCM阀组结构示意图。

图4(a)是图1中开关阀驱动电路板采用固态继电器的原理图。

图4(b)是图1中开关阀驱动电路板采用场效应管的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的气液联控精密力控制装置包括：柱塞式气液增力缸1、气液缸2、力传感器4、压电陶瓷驱动器3、压电陶瓷驱动电源5、两位三通气动阀之一11、两位三通气动阀之二12、气动PCM阀组14、液压高速开关阀7、液压开关阀之一8、液压开关阀之二9、液压节流阀10、气液转换器13、气泵17、气动三联件16、三个气动减压阀15、气动单向阀18、计算机19、A/D采集卡6、多路D/A转换卡及多路I/O控制卡20、开关阀驱动电路板(包括PWM驱动)21。其中，液压开关阀之一8、液压开关阀之二9、液压节流阀10、气液转换器13集成在一起组成气—液单元；柱塞式气液增力缸1如图2所示，包括一个油腔和两个气腔，即油腔32、右气腔37和左气腔41；油腔32设在油腔缸筒33内，一端为油腔端盖31，另一端为油-气腔之间透盖36，右气腔37和左气腔41同在气腔缸筒38中，一端为油气腔之间透盖36，另一１端为气腔端盖42，活塞40将右气腔37和左气腔41分隔，柱塞杆34与活塞40连接，从右气腔37经油气腔之间透盖36伸入油腔32中，油气腔之间透盖36设有密封圈之一35，活塞40上设有密封圈之二39。如图3所示，气动PCM阀组14是由一组气动开关阀串联气动节流阀后并联连接在一起组成，气动节流阀的开关面积设定为1：2：4：8…的比例，这样就可以通过开关阀驱动板进行多位二进制编码进行数字控制了。右气腔37和左气腔41分别与两位三通气动阀之一11和两位三通气动阀之二12连接，还分别与气液转换器13和气液缸2的气腔连接。气泵17通过气动三联件16分别与三个气动减压阀15连接，三个气动减压阀15分别与两位三通气动阀之一11、两位三通气动阀之二12和气动单向阀18连接，两位三通气动阀之一11、两位三通气动阀之二12和气动单向阀18还通过管道与气动PCM阀组14连接。液压开关阀之二9与液压节流阀10并联连接，并联端一端与气液转换器13油腔连接，另一端与液压开关阀之一8连接，液压开关阀之一8分别与液压高速开关阀7和气液缸2的油腔连接。气液缸2包括气腔和油腔两个腔组成，气腔和油腔通过活塞分隔，活塞杆伸出气腔，活塞杆上依次设有压电陶瓷驱动器3与力传感器4，压电陶瓷驱动器3与压电陶瓷驱动电源5连接，力传感器4与A/D采集卡6连接，A/D采集卡6和多路D/A转换卡及多路I/O控制卡20分别与控制计算机19连接。压电陶瓷驱动电源5和开关阀驱动板21分别与多路D/A转换卡及多路I/O控制卡20连接。液压高速开关阀7、液压开关阀之一8、液压开关阀之二9、液压开关阀之一8和液压开关阀之二9分别与开关阀驱动板21信号连接。

如图4(a)所示，开关阀驱动电路板21采用SSR固态继电器驱动高速开关阀，通过SSR固态继电器的1号端口输入PWM信号，2号端口为信号地，3号端口和4号端口之间按PWM信号进行导通和截止，通过直流24V电源以PWM方式驱动液压高速开关阀。

如图4(b)所示，开关阀驱动电路板21采用场效应IRF9540组成两位气动阀的开关驱动；当需要控制气动电磁阀开通时，控制信号端口由多路D/A转换卡及多路I/O控制卡16提供高电平信号，控制场效应管IRF9540导通，这样直流24V电源给气动电磁阀供电，控制其运动到置位状态；当控制信号为低电平时，场效应管IRF9540截止，这样电磁阀在复位状态。

在气动回路上，由气泵17作为气压源提供高压气体经过气动三联件16后，再经过三个气压减压阀15，其中之一减压后经气动单向阀18提供背压，这里采用单向阀18是防止背压气体回气源，使背压气体进入气动PCM阀组14。当气动两位三通阀之一11与气动两位三通阀之二12控制在左位，这样高压气体经过气动两位三通阀之一11进入气液增力缸1的左气腔41和气液转换器13的气腔，提供背压气体经过气动两位三通阀之二12进入右气腔37和气液缸2的气腔，背压气体同时进入气动PCM阀组14，通过控制气动PCM阀组14来调节背压气体的压力，在未加载情况下快速向右运动时，将液压高速开关阀7关闭，液压开关阀之一8和液压开关阀之二9开通，使气液转换器13的油通过液压开关阀之一8和液压开关阀之二9流入到气液缸2的油腔，推动气液缸2的活塞向右运动，当检测力传感器4达到一定数值后，关闭液压开关阀之一8和液压开关阀之二9，切断柱塞式气液增力缸1和气液缸2之间的油路；并切换到控制液压高速开关阀7，使气液增力缸1的油腔32的油通过液压高速开关阀7调节控制后进入气液缸2的油腔。

当气动两位三通阀之一11与气动两位三通阀之二12控制在右位，这样高压气体经过气动两位三通阀之二12进入柱塞式气液增力缸1的右气腔37和气液缸2的气腔，提供背压气体经过气动两位三通阀之一11进入柱塞式气液增力缸1的左气腔41和气液转换器13的气腔，背压气体同时进入气动PCM阀组14，通过控制气动PCM阀组14来调节背压气体的压力，推动气液缸2的活塞向左运动，并且控制液压开关阀之一8和液压开关阀之二9开通，控制液压高速开关阀7开通，使气液缸2的油分别通过液压开关阀之一8和液压开关阀之二9流入气液转换器13，同时气液缸2油腔的油通过液压高速开关阀7流入气液增力缸1的油腔32。这样就实现了卸载与复位。

在进行力控制时，根据力传感器4检测的力信息，经过A/D采集卡6进入计算机19处理后，经多路D/A转换卡及多路I/O控制卡20的D/A转换模拟量输出到压电陶瓷电源5后驱动压电陶瓷驱动器3进行精密力控制，并通过多路D/A转换卡及多路I/O控制卡20的输出信号经过开关阀驱动电路板21驱动控制气动两位三通阀之一11、气动两位三通阀之二12、液压开关阀之一8、液压开关阀之二9和通过PWM控制驱动高速开关阀7，实现力控制。

本发明柱塞式气液增力缸1中两个气腔，即右气腔37和左气腔41分别连接的两位三通气动阀之一11和两位三通气动阀之二12、三个气动减压阀15和气动PCM阀组14等组成气动回路，通过控制右气腔37和左气腔41的气压，控制活塞40所受的力，推动活塞40运动，同时使柱塞杆34产生推动油腔32的力去控制油的回路，由于柱塞杆34的横截面积小于活塞40的横截面积，这样就起到增加油压力的作用；其中气液增力缸1的油腔32的油通过液压高速开关阀7进入气液缸2，这里在力控制时，通过PWM方式驱动控制液压高速开关阀来控制气液增力缸1的油腔32的油流入气液缸2的液压油流量，从而控制气液缸的出力，并且起到增力的作用，这样就通过有源的气压封闭无源的油路进行气液联控，实现力控制。

采用本发明的占空柱塞气液增力缸组成的力控制系统，在气动回路上通过PCM方式驱动气动阀控制有源的气，在油路上通过开发阀驱动电路板控制油开关阀，并通过PWM方式驱动相应的液压高速开关阀，控制气液转换器及气液增力缸的排除油推动气液缸活塞杆的运动，抑制气压伺服的因气体大压缩性而引起的控制过程中振动，采用气液转换器和占空柱塞增力气液缸切换控制方式，解决了力控制行程和力控制范围之间的矛盾。并结合压电陶瓷驱动器进行精密控制，在较大的工作行程和较大的力控制范围内实现精密力控制的目的。

本例中，气液缸2结构与现有技术的气缸类似，需保证气液缸的缸筒的强度；压电陶瓷驱动器3采用电子科技集团公司第二十六研究所生产的WTDS2IA型压电堆驱动器，力传感器4可采用江苏联能电子技术有限公司生产的CL-YD-302型力传感器，与极低频电荷放大器相连组成力传感器单元，压电陶瓷驱动电源5可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX放大器，其研制单位为华南理工大学(在申请人申请的名称为“太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法”，申请号为200810027186.4的专利中有详细介绍)。放大倍数可达到52倍，即将-5V～+5V放大到-260V～+260V。多通道A/D采集卡6可用台湾研华科技公司生产的型号为PCL-818HD；计算机19可用台湾研华IPC610机箱，PCA-6006主板，生产单位：台湾研华科技公司，Pentium IV2.4G Intel CPU，显示器为韩国三星公司生产型号为151N；多路D/A转换卡及多路I/O控制卡20可用台湾研华科技公司的PCL-727型D/A转换卡；液压高速开关阀7可选用贵州红林车用电控技术有限公司HSV系列HSV-3101S3型号开关式高速电磁阀；气动单向阀18可选用日本SMC气动公司生产的AK2000型气动单向阀；气动三联件16由空气过滤器(型号：AF30-03)、减压阀(型号：AR25-03)和油雾分离器(型号：AFM30-03)组成，通过2个隔板(型号：Y300T)组装在一起，并带有压力表(型号：G36-10-01)一个，由日本SMC气动公司生产；两位三通阀11和12是日本SMC气动公司生产，型号：VK332-5G-01；液压开关阀之一8、液压开关阀之二9、液压节流阀10、气液转换器13集成在一起组成气—液单元，气—液单元是将气液转换器与阀单元紧凑地一体化，选用日本SMC气动公司生产的型号为CC63-200S115G气—液转换单元；气泵17是上海捷豹压缩机制造有限公司生产的型号为FB-0.017/7的静音空气压缩机。三个气压减压阀15可选用日本SMC气动公司生产的AR2000-02型气动减压阀，并带有一个压力表(型号：G36-10-01)。

上述的气液联控的力控制方法如下：

(1)打开气泵17，调节三个气动减压阀15保证输出气压；

(2)计算机19初始化，采集力传感器4检测力的信息；

(3)在力控制初始状态，将柱塞式气液增力缸1的活塞控制在靠近左端，在未加载的空载情况下，当需要气液缸2活塞向右快速运动时，关闭液压高速开关阀7，切断柱塞式气液增力缸1与气液缸2之间的油路；通过开关阀驱动电路板21将两位三通气动阀之一11和两位三通气动阀之二12控制在左位，通过气动PCM阀组14控制气液缸2的气腔和柱塞式气液增力缸1右气腔37的压力，这样高压气体进入气液转换器13的上气腔，通过气液转换器13和气液缸2油腔之间的液压开关阀之一8、液压开关阀之二9和液压节流阀10直接的切换，将气液转换器13油腔的油流入气液缸2的油腔，控制气液缸2的活塞向右运动。在力控制时，根据力传感器4检测力载荷的信息进行力控制，当判断已经加载时，即力传感器4检测到测量值达到一定时，将气液转换器13和气液缸2之间的液压开关阀之一8关闭，切断气液转换器13和气液缸2之间的油路，根据力传感器4检测力载荷的信息，通过气动PCM阀组14控制气液缸2和柱塞式气液增力缸1右气腔的压力，使柱塞式气液增力缸1的活塞向右运动，这样占空柱塞推动右油腔的油并形成一定的增压，此时通过PWM方式控制液压高速开关阀7，将柱塞式气液增力缸1的油通过液压高速开关阀7阀控后流入气液缸2的油腔，这样就气液联控实现了力控制。当需要更精密的调节力控制的要求精度时，首先通过上述液压和气动控制方式在力控制大范围调节到一定的精度后，将液压高速开关阀7和液压开关阀之一8都关闭，再切换到压电陶瓷驱动器，通过压电陶瓷驱动电源5驱动压电陶瓷驱动器3进行精密的力控制。

(4)当力控制卸载和系统复位时，即将柱塞式气液增力缸1和气液缸2的活塞向左运动时，将两位三通气动阀之一11和两位三通气动阀之二12控制在右位，这样高压气体进入气液缸2气腔和柱塞式气液增力缸1右气腔，通过气动PCM阀组14控制柱塞式气液增力缸1左气腔和气液转换器13气腔的压力，控制开通气液转换器13和气液缸2之间的液压开关阀之一8和液压开关阀之二9，使气液缸2的油通过液压开关阀之一8和液压开关阀之二9流入气液转换器；同时，控制液压高速开关阀7开通，使气液缸2的油经过液压高速开关阀7流入柱塞式气液增力缸1油腔，使得气液缸2和柱塞式气液增力缸1的活塞向左运动，这样就实现了复位。

Claims (1)

1.一种含有柱塞式气液增力缸的气液联控的精密力控制装置，该柱塞式气液增力缸包括一个油腔、右气腔和左气腔；油腔设在油腔缸筒内，一端为油腔端盖，另一端为油气腔之间透盖，右气腔和左气腔同在气腔缸筒中，气腔缸筒的一端为油气腔之间透盖，另一端为气腔端盖，活塞将右气腔和左气腔分隔，柱塞杆与活塞连接，从右气腔经油气腔之间透盖伸入油腔中；油气腔之间透盖设有密封圈之一，活塞上设有密封圈之二；其特征在于，所述柱塞式气液增力缸的左气腔和右气腔分别与两位三通气动阀之一和两位三通气动阀之二连接，还分别与气液转换器和气液缸的气腔连接；气泵通过气动三联件分别与三个气动减压阀连接，三个气动减压阀分别与两位三通气动阀之一、两位三通气动阀之二和气动单向阀连接，两位三通气动阀之一、两位三通气动阀之二和气动单向阀还通过管道与气动PCM阀组连接；液压开关阀之二与液压节流阀并联连接，并联端一端与气液转换器油腔连接，另一端与液压开关阀之一连接，液压开关阀之一分别与液压高速开关式电磁阀和气液缸的油腔连接；气液缸的气腔和油腔通过活塞分隔，活塞杆伸出气腔，活塞杆上依次设有压电陶瓷驱动器与力传感器，压电陶瓷驱动器与压电陶瓷驱动电源连接，力传感器与A/D采集卡连接，A/D采集卡和多路D/A转换卡及多路I/O控制卡分别与控制计算机连接；压电陶瓷驱动电源和开关阀驱动板分别与多路D/A转换卡及多路I/O控制卡连接；液压高速开关阀、液压开关阀之一和液压开关阀之二分别与开关阀驱动板信号连接。

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