CN101344102B - 含有柱塞式双出杆气液缸的气液联控位置和速度伺服控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了柱塞式双出杆气液缸与气液联控位置和速度伺服控制装置。柱塞式双出杆气液缸的左气腔和右气腔设置在气腔缸筒内，由活塞分隔，左油腔和右油腔分别设置在左油腔缸筒和右油腔缸筒内；活塞左右两端分别与左占空柱塞杆和右占空柱塞杆连接。气液联控位置和速度伺服控制装置的液压高速开关阀两端分别与左油腔和右油腔连接；右占空柱塞杆还与负载连接，负载依次与位移传感器、A/D采集卡、计算机、多路D/A转换卡及多路I/O控制卡和开关阀驱动电路板连接。本发明以气压源为动力源，控制气动回路推动活塞杆的运动，通过气液联控抑制气压伺服的因气体大压缩性而导致振动，进行精确位置和速度控制，解决了定位精度和快速性的矛盾。

Description

含有柱塞式双出杆气液缸的气液联控位置和速度伺服控制装置

技术领域

本发明涉及气液联控位置和速度伺服系统，特别涉及一种柱塞式双出杆气液缸以及含有该柱塞式双出杆气液缸气液联控位置和速度伺服控制装置。

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、低粘度等特点，导致气压伺服系统的固有频率低、阻尼弱，非线性严重，并且在位置和速度伺服控制中会发生超调，振动等问题；导致气压伺服系统的位置和速度控制精度不高，因此气压控制系统多用于传动，或者在实际应用场合采用机械挡块等方式定位。为解决该问题，采用气液联控，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，从而提高系统的定位精度和抑制振动。气液联控系统可以较容易做到无超调(防碰)，且快速锁死定位。同时可利用气体介质的“柔”，(封闭)液体介质的“刚”，来实现机器人的主动柔顺性控制，克服了气压伺服的难点：如低速控制，气液联控系统将利用可调的阻尼力去补偿非线性摩擦力等。

但在现有气液联控技术中存在如下问题：(1)大部分关于气液联控对于液压部分是开环控制的，气与液只是简单的组合、叠加，由于液压部分没有可在线连续调节的控制，这对于变动载荷、参数变化、有强干扰的情况下影响工作稳定和定位精度。(2)将液压油也进行闭环控制的气液联控，以获得连续可调的阻尼力，进而直接影响系统的动态特性，提高定位精度和抑制振动。在液压油也同时进行的闭环调节控制的装置中，现有技术采用活塞推动液压油，油的压力与气压压力大小相当，并且油的流量相对较大，所以不宜提高速度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，应用一种具有快速性运动和高定位精度的占空柱塞式双出杆气液缸，提供含有所述柱塞式双出杆气液缸的气液联控位置和速度伺服控制装置。通过占空柱塞杆排除油的流量相对现有气液联控装置中活塞排除油的流量少，解决了快速性和定位精度之间的矛盾。

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带来的问题，如超调、振动、定位精度低、低速爬行等，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，并且为了增加控制的灵活性和主动阻尼，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快速性和定位精度的矛盾，发明一种占空柱塞式双出杆气液联控缸和气液联控位置和速度伺服系统。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位置和速度伺服控制系统装置和一种双出杆气液缸。

根据上面的发明构思，本发明采用的技术方案和方法如下：

一种柱塞式双出杆气液缸，包括左油腔、右油腔、左气腔和右气腔；左气腔和右气腔设置在气腔缸筒内，由活塞分隔，气腔缸筒两端设有左气-油腔透盖和右气-油腔透盖，左气-油腔透盖和右气-油腔透盖分别在左端和右端与左油腔缸筒和右油腔缸筒连接，左油腔和右油腔分别设置在左油腔缸筒和右油腔缸筒内，左油腔和右油腔外端分别设有左油腔透盖和右油腔透盖；左气-油腔透盖、右气-油腔透盖、左油腔透盖和右油腔透盖上分别设有密封圈；活塞左右两端分别与左占空柱塞杆和右占空柱塞杆连接，左占空柱塞杆经左气腔与左油腔伸出，右占空柱塞杆经右气腔与右油腔伸出。

一种含有所述柱塞式双出杆气液缸的气液联控位置和速度伺服控制装置，气泵通过气动三联件与三个气压减压阀连接，三个气压减压阀分别与气动两位三通阀之一、气动单向阀和气动两位三通阀之二连接；气动两位三通阀之一和气动两位三通阀之二分别与柱塞式双出杆气液缸的左气腔和右气腔连接，气动两位三通阀之一、气动单向阀和气动两位三通阀之二还分别通过管道与气动比例阀连接；液压高速开关阀两端分别与左油腔和右油腔连接；右占空柱塞杆还与负载连接，负载依次与位移传感器、A/D采集卡、计算机、多路D/A转换卡及多路I/O控制卡和开关阀驱动电路板连接；多路D/A转换卡及多路I/O控制卡的D/A输出模拟量与气动比例阀连接，开关阀驱动电路板与气动两位三通阀之一、气动两位三通阀之二及高速开关阀信号连接。

所述的液压高速开关阀两端还分别与液压单向阀之一和液压单向阀之二连接，液压单向阀之一和液压单向阀之二分别与补油杯连接。

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，实现位置和速度精确控制的目的；在位置和速度控制时，通过控制算法控制气动比例阀控制双出杆气液缸两气腔的气压，并通过油路高速开关阀控制无极调速的速度和位置的精确控制，可以保证控制时无超调和高精度，并且能抑制的气压伺服系统由于气体的大压缩性而引起的控制过程中振动问题。并且由于占空柱塞排除的油的流量比活塞要少，所以该系统解决了定位精度和快速性之间的矛盾。

附图说明

图1是本发明的气液伺服系统组成示意图。

图2是图1示系统中的一种占空柱塞双出杆气液联控缸结构示意图。

图3(a)是图1中开关阀驱动电路板采用固态继电器控制液压高速开关阀的原理示意图。

图3(b)是图1中开关阀驱动电路板采用场效应管控制气动阀开关的原理示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图2所示，柱塞式双出杆气液缸8包括两个油腔和两个气腔，即左油腔23、右油腔34、左气腔27和右气腔30。左油腔23、右油腔34、左气腔27和右气腔30分别通过管道与外界连接。左气腔27和右气腔30设置在气腔缸筒28内，由活塞29分隔，气腔缸筒28两端设有左气-油腔透盖26和右气-油腔透盖31，左气-油腔透盖26和右气-油腔透盖31分别在左端和右端与左油腔缸筒24和右油腔缸筒35连接，左油腔23和右油腔34分别设置在左油腔缸筒24和右油腔缸筒35内，左油腔23和右油腔34外端分别设有左油腔透盖22和右油腔透盖36。活塞29左右两端分别与左占空柱塞杆25和右占空柱塞杆33连接，左占空柱塞杆25和右占空柱塞杆33分别经左气腔27与左油腔23和右气腔30与右油腔34伸出。左气-油腔透盖26、右气-油腔透盖31、左油腔透盖22和右油腔透盖36上设有密封圈21。

如图1所示，气液联控位置和速度伺服控制装置包括气泵1、气动三联件2、三个气压减压阀3、气动单向阀4、气动两位三通阀之一5、气动两位三通阀之二6、气动比例阀7、占空柱塞式双出杆气液缸8、液压高速开关阀9、液压单向阀之一10、液压单向阀之二11、补油杯12、负载13、位移传感器14、计算机15、A/D采集卡17、多路D/A转换卡及多路I/O控制卡16和开关阀驱动电路板(包括PWM驱动)18。气泵1通过气动三联件2与三个气压减压阀3连接，三个气压减压阀3分别与气动两位三通阀之一5、气动单向阀4和气动两位三通阀之二6连接；气动两位三通阀之一5和气动两位三通阀之二6分别与左气腔27和右气腔30连接，气动两位三通阀之一5、气动单向阀4和气动两位三通阀之二6还分别通过管道与气动比例阀7连接，气动比例阀需24V直流电源供电。液压高速开关阀9两端分别与左油腔23和右油腔34连接。液压高速开关阀9两端还分别与液压单向阀之一10和液压单向阀之二11连接，液压单向阀之一10和液压单向阀之二11分别与补油杯12连接，便于通过补油杯12向左油腔23或右油腔34补充油。右占空柱塞杆33还与负载13连接，负载13依次与位移传感器14、A/D采集卡17、计算机15、多路D/A转换卡及多路I/O控制卡16和开关阀驱动电路板18连接；多路D/A转换卡及多路I/O控制卡16的D/A输出模拟量与气动比例阀7连接，开关阀驱动电路板18与气动两位三通阀之一5、气动两位三通阀之二6及液压高速开关阀9连接。在本气液联控位置和速度控制系统中，气动两位三通阀和液压高速开关阀通过开关阀驱动板驱动，开关阀驱动电路板由24V电源供电。

在气动回路上，由气泵1作为气压源提供高压气体经过气动三联件2后，再经过三个气压减压阀3，其中之一减压后经气动单向阀4提供背压，这里采用单向阀4是防止背压气体回气源，使背压气体进入气动比例阀7。当气动两位三通阀之一5与气动两位三通阀之二6控制在左位，高压气体经过气动两位三通阀之一5进入左气腔27，提供背压气体经过气动两位三通阀之二6进入右气腔30，背压气体同时经过气动比例阀7，通过控制气动比例阀7来调节背压气体的压力，使活塞29所受向右的力，推动活塞29向右运动，右占空柱塞杆33向右运动，推动右油腔34的油通过液压高速开关阀9调节控制后流入左油腔23。当气动两位三通阀之一5与气动两位三通阀之二6控制在右位，高压气体经过气动两位三通阀之二6进入右气腔30，提供背压气体经过气动两位三通阀之一5进入左气腔27，背压气体同时经过气动比例阀7，通过控制气动比例阀7来调节背压气体的压力，使活塞29所受向左的力，推动活塞29向左运动，左占空柱塞杆25向左运动，推动左油腔23的油通过液压高速开关阀9调节控制后流入右油腔34。这里补油杯12中的油可以经过液压单向阀之一10和液压单向阀之二11分别给气液缸的左油腔和右油腔补充液压油，以补充油的损失。液压单向阀之一10和液压单向阀之二11的作用是仅让补油杯12的油补充到气液缸8中。

在进行位置和速度控制时，根据位移传感器14检测的位置并经过微分得到速度信号，经过A/D采集卡17进入计算机15处理后，经多路D/A转换卡及多路I/O控制卡16的D/A转换模拟量输出到气动比例阀7，控制双出杆气液缸左右两气腔的气压，并通过控制卡16输出到开关阀驱动电路板18来控制气动两位三通阀之一5与气动两位三通阀之二6和PWM控制驱动高速开关阀9，控制占空柱塞排除的油来增加系统的主动阻尼，这样柱塞式双出杆气液缸8就提供通过有源的气压封闭无源的油路进行气液联控，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，提高位置和速度控制的精度，实现了位置和速度的精确控制。并且，因为本发明的占空柱塞杆推出油的体积相对活塞要少，并同时起到增加油腔压力的作用，使得油顺利再左右油腔之间的流动，便于高速开关阀的控制；这样，就解决的定位精度和运动快速性之间的矛盾。

本例中，气动三联件2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。气动两位三通阀之一5与气动两位三通阀之二6是日本SMC气动公司生产，型号：VK332-5G-01；气动比例阀7可选用日本SMC气动公司生产，型号：ITV2050-212L；气泵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。A/D采集卡17可用台湾研华科技公司生产的型号为PCL-818HD；计算机15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；多路D/A转换卡及多路I/O控制卡16可用台湾研华科技公司的PCL-727型D/A转换卡；显示器13(型号：151N生产单位：韩国三星公司)。位移传感器14可选用北京瑞斯派克GA系列差动变压器位移传感器差动变压器式(LVDT)位移传感器，并且传感器的测量范围根据气液缸的行程选取；三个气压减压阀3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)；气动单向阀4可选用日本SMC气动公司生产的AK2000型气动单向阀；液压单向阀之一10和液压单向阀之二11根据流量可选用无锡市昌林自动化科技有限公司S8A型单向阀；液压高速开关阀9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。

如图3(a)所示，开关阀驱动电路板18采用SSR固态继电器驱动高速开关阀，当通过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号端口之间也按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3(b)所示，开关阀驱动电路板18采用场效应管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。

通过气液联控位置和速度伺服控制装置，控制活塞向左和向右运动的过程如下：

1)打开气泵1，调节三个气压减压阀3保证输出气压为所要求值；

2)开启计算机，位移传感器14信息经过A/D转换卡进入到计算机，并解算位置和速度的信息，运行控制算法后经D/A转换和I/O驱动卡经过开关驱动板根据下面的步骤控制气动及液压阀，进行位置和速度运动控制；

3)进行位置和速度控制，当需要负载向右运动时，气动两位三通阀之一5与气动两位三通阀之二6控制在左位，这样高压气体经过气动两位三通阀之一5进入左气腔27，提供背压气体经过气动两位三通阀之二6进入右气腔30，背压气体同时通过气动比例阀7，通过D/A转换卡控制气动比例阀7来调节背压气体的压力，使活塞29所受向右的力，推动活塞29向右运动，右占空柱塞杆33向右运动，推动右油腔34的由通过开关阀驱动电路板18以PWM控制方式驱动液压高速开关阀9调节控制后流入左油腔23。

4)当需要负载向左运动时，气动两位三通阀之一5与气动两位三通阀之二6控制在右位，这样高压气体经过气动两位三通阀之二6进入右气腔30，提供背压气体经过气动两位三通阀之一5进入左气腔27，背压气体同时通过气动比例阀7，通过D/A转换卡控制气动比例阀7来调节背压气体的压力，使活塞29所受向左的力，推动活塞29向左运动，右占空柱塞杆25向左运动，推动左油腔23的通过开关阀驱动电路板18以PWM控制方式液压高速开关阀9调节控制后流入右油腔34。

该气液联控系统通过有源的气压控制无源的油，实现位置和速度精确控制的目的；在位置和速度控制试验时，通过气动比例阀控制双出杆气液缸两气腔的气压，通过油路开关阀的开关和可调节流阀的通流截面的设定，可以实现高速开关阀无极调速的速度和位置的精确控制，可以保证控制时无超调，并且抑制的气压伺服系统由于气体的大压缩性而引起的控制过程中振动问题。并且由于占空柱塞排除的油的流量比活塞要少，所以该系统解决了定位精度和快速性之间的矛盾。

Claims (2)

1.一种含有柱塞式双出杆气液缸的气液联控位置和速度伺服控制装置，其特征在于：该柱塞式双出杆气液缸包括左油腔、右油腔、左气腔和右气腔；左气腔和右气腔设置在气腔缸筒内，由活塞分隔，气腔缸筒两端设有左气-油腔透盖和右气-油腔透盖，左气-油腔透盖和右气-油腔透盖分别在左端和右端与左油腔缸筒和右油腔缸筒连接，左油腔和右油腔分别设置在左油腔缸筒和右油腔缸筒内，左油腔和右油腔外端分别设有左油腔透盖和右油腔透盖；左气-油腔透盖、右气-油腔透盖、左油腔透盖和右油腔透盖上分别设有密封圈；活塞左右两端分别与左占空柱塞杆和右占空柱塞杆连接，左占空柱塞杆经左气腔与左油腔伸出，右占空柱塞杆经右气腔与右油腔伸出；气泵通过气动三联件与三个气压减压阀连接，三个气压减压阀分别与气动两位三通阀之一、气动单向阀和气动两位三通阀之二连接；气动两位三通阀之一和气动两位三通阀之二分别与柱塞式双出杆气液缸的左气腔和右气腔连接，气动两位三通阀之一、气动单向阀和气动两位三通阀之二还分别通过气动管道与气动比例阀连接；液压高速开关电磁阀两端分别与左油腔和右油腔连接；右占空柱塞杆还与负载连接，负载依次与位移传感器、A/D采集卡、计算机、多路D/A转换卡及多路I/O控制卡和开关阀驱动电路板连接；多路D/A转换卡及多路I/O控制卡的D/A输出模拟量与气动比例阀连接，开关阀驱动电路板与气动两位三通阀之一、气动两位三通阀之二及液压高速开关阀信号连接。

2.根据权利要求1所述的含有柱塞式双出杆气液缸的气液联控位置和速度伺服控制装置，其特征在于：所述的液压高速开关阀两端还分别与液压单向阀之一和液压单向阀之二连接，液压单向阀之一和液压单向阀之二分别与补油杯连接。

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