CN103557199A - 一种变截面液压缸及其液压控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

一种变截面液压缸，包括活塞杆、缸筒和密封所述缸筒的左、右端盖，所述活塞杆包括主活塞杆和柱塞杆，所述主活塞杆通过端盖密封安装在所述缸筒上，所述主活塞杆的端部设有主活塞，所述主活塞上安装有多个所述柱塞杆，所述柱塞杆的端部设有次活塞，所述主活塞和所述次活塞分别安装在所述缸筒内与所述主活塞和所述次活塞对应的主活塞腔和柱塞腔内，本发明具有一定负载匹配能力，为可提高变负载液压系统效率的直线液压缸，在执行变载荷工况时，可通过选择不同小腔与高压油路和低压油路的导通来实现与负载的匹配，最终达到提高液压系统效率的目的。

Description

一种变截面液压缸及其液压控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及一种变截面液压缸及其液压控制系统和控制方法。

背景技术

近年来，随着控制技术、感知技术、新材料技术的飞速发展和深入交叉融合，步行机器人性能不断提升。主要代表有：ASIMO、Justin、Packbot等。然而，由于其以机电系统驱动为主，负载力小，制约了机器人的实用化进程。负载能力有限已成为制约移动机器人实用化的“瓶颈”问题之一。目前，研究人员开始尝试将液压系统运用于移动机器人，其中最具代表性的是波斯顿公司研发的Bigdog、AlphaDog和Cheetah等。该类机器人具有一个共同特点，利用直线液压缸作为执行器，驱动各关节运动。其中所采用的直线液压缸内腔的有效作用面积固定，不能根据关节负载力的变化而改变，当负载变小时，只能通过增大控制阀口的压力损失来实现液压缸稳定的控制。然而，步行机器人行走时各关节负载力变化比较大，在机器人运动的过程中，将存在大量的阀口压力损失，最终导致液压动力系统效率比较低。因此，研究高效的直线液压缸对于提高步行机器人液压系统的效率有着非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种可提高变负载液压系统效率，可通过选择不同小腔与高压油路和低压油路的导通来实现与负载的匹配，最终达到提高液压系统效率的目的变截面液压缸及其液压控制系统和控制方法，本发明适用于工作于负载变化较大场合的设备上，具有较好的经济效益。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：

一种变截面液压缸，包括活塞杆、缸筒和密封所述缸筒的左、右端盖，所述活塞杆包括主活塞杆和柱塞杆，所述主活塞杆通过端盖密封安装在所述缸筒上，所述主活塞杆的端部设有主活塞，所述主活塞上安装有多个所述柱塞杆，所述柱塞杆的端部设有次活塞，所述主活塞和所述次活塞分别安装在所述缸筒内与所述主活塞和所述次活塞对应的主活塞腔和柱塞腔内。

所述柱塞杆采用球铰的方式连接在所述主活塞上。

所述主活塞上安装有四个所述柱塞杆。

一种变截面液压缸的液压控制系统，用于控制所述的变截面液压缸，包括一个伺服控制阀和与所述柱塞腔数量对应的两位三通插装阀，所述主活塞腔以所述主活塞为分界分为第一腔和第二腔，所述第一腔上设有主活塞腔A_e1口，所述第二腔上设有主活塞腔A_e2口，所述两位三通插装阀的P口分别与所述伺服控制阀的A口和所述主活塞腔的A_e1口连通，所述两位三通插装阀的T口分别与所述伺服控制阀的B口和所述主柱塞腔的A_e2口连通，所述两位三通插装阀的T口、所述伺服控制阀的B口和主柱塞腔的A_e2口还通过单向阀与油箱连接，所述两位三通插装阀A口与所述柱塞腔的无杆腔连通，所述伺服控制阀P口与泵源的高压油口连通，所述伺服控制阀的T口与油箱连通。

一种变截面液压缸的控制方法，用于控制所述变截面液压缸的液压控制系统，在主活塞杆上设置一个负载力传感器，实时测量主活塞杆上的负载，

当所述主活塞杆向外伸出时，根据负载力传感器测量的实际负载情况，选择输出力最接近实际负载的一个或多个柱塞腔的组合，然后控制所选择柱塞腔对应的两位三通阀，实现所选柱塞腔与主活塞腔A_e1导通，实现液压缸输出力与实际负载力的匹配，同时未被选择柱塞腔在其对应的两位三通阀控制下所述主活塞腔A_e2连通，当所述主活塞腔A_e2内液压油不够补充导通的柱塞腔时，通过单向阀与所述油箱相连的通道补油；

当主活塞杆向内收回时，根据负载力传感器测量的实际负载情况，选择输出力最接近实际负载的一个或多个柱塞腔的组合，然后控制所选择柱塞腔对应的两位三通阀，实现所选柱塞腔与主活塞腔A_e2导通，实现液压缸输出力与实际负载力的匹配，同时未被选择柱塞腔在其对应的两位三通阀控制下所述主活塞腔A_e1连通。

由于采用上述方式，本装置主活塞腔中的第一腔（也就是通常液压杆中的无杆腔）的作用端面不是单一的一个面，而是被化分为五个不同的面，由四个柱塞腔和主活塞腔的第一腔共同组成，由于在制作本装置时柱塞腔的大小和次活塞的面积就已经确定，因此可以确定每个柱塞腔的具体的输出力，而且每个柱塞腔的通过一个两位三通开关阀独立控制，四个柱塞腔的大小可以在制作时根据需要合理设计，四个柱塞腔的大小可以相同也可以不同，在主活塞杆上设有一个负载力传感器，从而测量实时负载力，当执行变负载工况时，该变截面液压缸可以根据负载大小，来选择柱塞腔的组合，使得柱塞腔的组合最接近实际负载，综合实现减少系统供给的高压油流量而达到减少伺服阀处的节流压力损失导致的能量损耗，达到减少系统供油量、提高液压系统效率的特点，而其余腔则通过回油导通，同时将主活塞腔的第一腔和第二腔内的油还作为补充油，从而减少高压供油量，最终提高液压系统效率。

所述柱塞杆采用球铰的方式连接在所述主活塞上，便于加工和装配。

综上所述，本发明具有一定负载匹配能力，可提高变负载液压系统效率的直线液压缸。在执行变载荷工况时，可通过选择不同柱塞腔组合与高压油路和低压油路的导通来实现与负载的匹配，最终达到提高液压系统效率的目的，本发明可用在工作于负载变化较大场合的设备上，如足式机器人、外骨骼装备、挖掘机等设备，由于该变截面液压缸具有一定的负载匹配能力和减少系统供油量的特点，能够提高液压系统效率，具有较好的经济效益。

附图说明

图1（a）是本发明的立体图；

图1（b）是本发明的内部结构图；

图1（c）是本发明的分解结构图；

图2是本发明的剖视图；

图3是本发明集成块的剖视图；

图4是本发明的工作原理示意图；

图5是本发明的控制原理示意图；

图6是本发明的液压缸输出力的示意图；

图7是本发明的液压缸输出力与负载匹配示意图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步详细说明本专利的具体实施方式。

如图1至图4所示，可变截面液压缸由两端联结耳环1、左端盖2、缸筒3、右端盖4、活塞杆5等组成，左端盖2由集成块21、安装在集成块上的4个两位三通插装阀22（本例中包括四个两位三通插装阀）和堵头23组成，左端盖2由螺钉24与缸筒31连接在一起，另外采用O型密封圈32来实现左端盖2与缸筒3之间的密封，集成块21上除了加工有两位三通插装阀22所需的安装孔和进出油孔外，还加工有四个柱塞腔包括第一柱塞腔211、第二柱塞腔212、第三柱塞腔213、第四柱塞腔214和连通相应柱塞腔与两位三通插装阀22的第一柱塞腔进油孔215、第二柱塞腔进油孔216、第三柱塞腔进油孔217和第四柱塞腔进油孔218，在缸筒3上加工了第一进油孔311（也就是图1所示的主活塞腔A_e1口）、第二进油孔312（也就是图1所示的主活塞腔A_e2口）和与之相对应的第一进油槽313、第二进油槽314，活塞杆5由主活塞杆51、主活塞52、四个柱塞杆53和次活塞54等组成，四个柱塞杆53通过球铰链方式安装在主活塞52上，通过盖板55固定阻止四个柱塞杆53与主活塞52脱离，右端盖4与缸筒3采用螺钉连接，本液压缸主活塞52对应的腔体为主活塞腔315，次活塞54对应腔体为柱塞腔，主活塞腔315被主活塞52为分界分为第一腔和第二腔，第一进油槽313与第一腔连通，第二进油槽314与第二腔连通。可变截面液压缸控制系统由变截面液压缸、一个伺服阀6、一个单向阀7和油箱8等组成。

本发明的工作原理：如图5所示，本发明的变截面液压缸需配一个伺服控制阀6来实现高精度位移或力伺服控制，所述伺服控制阀6的P口与高压进油口导通，伺服控制阀6的T口与低压油箱导通，控制所述两位三通插装阀22实现所述柱塞腔是与所述主活塞腔A_e1口导通还是与所述主活塞腔A_e2口导通。在主活塞杆上设置一个负载力传感器，实时测量主活塞杆上的负载，所述柱塞腔截面大小可通过实际应用来设计，通过控制所述两位三通插装阀22，可以在高压油压力不变的条件下，获得一定范围内近似连续变化的输出力。设四个开关阀控制量为X_k(k=1，2，3，4)，当X_k=1时，柱塞腔A_k与主活塞腔A_e1口接通，当X_k=0时，柱塞腔A_k与主活塞腔A_e2口接通。不考虑开关阀的压力损失时A_k腔的压力：

P_K=P_e1x_k+P_e2(1-x_k)

液压缸的输出力：

当伺服阀开口始终保持左位或右位开口时，不同的开关阀控制量[X₁，X₂，X₃，X₄]组合，可以获得连续变化的液压缸输出力，如图6所示。也就是对于不同的负载，可以通过控制四个开关阀的开与关，使液压缸的输出力与液压缸的负载进行匹配，如图7所示。

当所述主活塞杆51向外伸出时，根据负载力传感器测量的实际负载情况，控制所述两位三通阀22，选择最优的柱塞腔与主活塞腔A_e1口导通的组合模式，实现液压缸输出力与实际负载力的匹配，同时所述主活塞杆51所在的腔内液压油会回流到与其余所述柱塞腔内，当所述主活塞杆51所在空腔内液压油不够补充导通的柱塞腔时，则通过所述单向阀7与所述油箱8相连的通道补油，综合实现减少系统供给的高压油流量而达到减少伺服阀处的节流压力损失导致的能量损耗，从而提高效率；当主活塞杆51向内收回时，根据负载力传感器测量的实际负载情况，控制所述两位三通阀22，选择最优的柱塞腔与主活塞腔A_e2口导通的组合模式，实现液压缸输出力与实际负载力的匹配，同时所述柱塞腔内液压油会回流到与其导通的所述柱塞杆腔内，综合实现减少系统供给的高压油流量而达到减少伺服阀处的节流压力损失导致的能量损耗，从而提高效率。

Claims (5)

1.一种变截面液压缸，包括活塞杆、缸筒和密封所述缸筒的左、右端盖，其特征在于，所述活塞杆包括主活塞杆和柱塞杆，所述主活塞杆通过端盖密封安装在所述缸筒上，所述主活塞杆的端部设有主活塞，所述主活塞上安装有多个所述柱塞杆，所述柱塞杆的端部设有次活塞，所述主活塞和所述次活塞分别安装在所述缸筒内与所述主活塞和所述次活塞对应的主活塞腔和柱塞腔内。

2.根据权利要求1所述的变截面液压缸，其特征在于，所述柱塞杆采用球铰的方式连接在所述主活塞上。

3.根据权利要求1或2所述的变截面液压缸，其特征在于，所述主活塞上安装有四个所述柱塞杆。

4.一种变截面液压缸的液压控制系统，用于控制如权利要求1至3所述的变截面液压缸，其特征在于，包括一个伺服控制阀和与所述柱塞腔数量对应的两位三通插装阀，所述主活塞腔以所述主活塞为分界分为第一腔和第二腔，所述第一腔上设有主活塞腔A_e1口，所述第二腔上设有主活塞腔A_e2口，所述两位三通插装阀的P口分别与所述伺服控制阀的A口和所述主活塞腔的A_e1口连通，所述两位三通插装阀的T口分别与所述伺服控制阀的B口和所述主柱塞腔的A_e2口连通，所述两位三通插装阀的T口、所述伺服控制阀的B口和主柱塞腔的A_e2口还通过单向阀与油箱连接，所述两位三通插装阀A口与所述柱塞腔的无杆腔连通，所述伺服控制阀P口与泵源的高压油口连通，所述伺服控制阀的T口与油箱连通。

5.一种变截面液压缸的控制方法，用于控制如权利要求4所述变截面液压缸的液压控制系统，其特征在于，在主活塞杆上设置一个负载力传感器，实时测量主活塞杆上的负载，

当所述主活塞杆向外伸出时，根据负载力传感器测量的实际负载情况，选择输出力最接近实际负载的一个或多个柱塞腔的组合，然后控制所选择柱塞腔对应的两位三通阀，实现所选柱塞腔与主活塞腔A_e1导通，实现液压缸输出力与实际负载力的匹配，同时未被选择柱塞腔在其对应的两位三通阀控制下所述主活塞腔A_e2连通，当所述主活塞腔A_e2内液压油不够补充导通的柱塞腔时，通过单向阀与所述油箱相连的通道补油；

当主活塞杆向内收回时，根据负载力传感器测量的实际负载情况，选择输出力最接近实际负载的一个或多个柱塞腔的组合，然后控制所选择柱塞腔对应的两位三通阀，实现所选柱塞腔与主活塞腔A_e2导通，实现液压缸输出力与实际负载力的匹配，同时未被选择柱塞腔在其对应的两位三通阀控制下所述主活塞腔A_e1连通。

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