CN104846863B - 一种机械臂的自动平衡调节系统 - Google Patents

Abstract

一种机械臂的自动平衡调节系统，它涉及一种自动平衡调节系统。本发明是为解决现有机械臂因自身重量在运动时会做无用功，同时此无用功会消耗大量机械动力的问题。本发明包括至少一个机械臂、至少一个液压缸组件、液压驱动系统、智能控制系统和多个蓄能器，智能控制系统的信号输出端发出控制信号给液压驱动系统，液压驱动系统控制至少一个液压缸的运动，每个机械臂配合有一个液压缸组件，液压缸组件运动带动机械臂运动，至少一个液压缸组件上有多个蓄能器。本发明是将往复工作的机械臂的重力势能存储在蓄能器中，当机械臂提升时释放出来，从而有效减少提升机械臂的动力消耗，最大限度使机械臂不做无用功。本发明用于调节机械臂的升降。

Description

一种机械臂的自动平衡调节系统

技术领域

本发明具体涉及一种机械臂的自动平衡调节系统。

背景技术

机械臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到二维或三维空间上的某一点进行作业。

例如在工程机械中挖掘机或悬臂式吊车上的机械臂在工作过程中需要克服重力的影响，其在起落过程中的自重常常会消耗很多机械动力做无用功，这些动力几乎占到总能耗的50％，这种情况既浪费能耗，还影响挖掘机或悬臂式吊车的工作效率，目前现有解决办法是在设计上优化工作过程参数尽量减小机械手终端在重力方向上的工作行程。但这种方法依然没有彻底地将该上述问题得以有效解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械臂的自动平衡调节系统，以解决现有机械臂与液压系统相结合时，结构冗余，占地面积大且运行灵活性差，因机械臂自身重量在运动时会做无用功，此无用功会消耗大量机械动力且无法有效实现自动平衡调节的过程的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种机械臂的自动平衡调节系统，它包括至少一个机械臂、至少一个液压缸组件、液压驱动系统、智能控制系统和多个蓄能器，智能控制系统的信号输出端发出控制信号给液压驱动系统，液压驱动系统控制至少一个液压缸的运动，每个机械臂配合设置有一个液压缸组件，液压缸组件运动带动机械臂运动，至少一个液压缸组件的上方安装有多个蓄能器，所述蓄能器用于将机械臂下落时产生的重力势能进行储存，并为机械臂上升提供能量；

一个液压缸组件上对应设置有两个蓄能器；

液压缸组件包括第一组成缸、第二组成缸、第一活塞、第二活塞、缸间联接体、过渡活塞杆、第一活塞杆、第二活塞杆、联接环、第一销轴、第一端盖、第二端盖、两个万向联轴节，所述第一组成缸和第二组成缸之间固定连接有缸间联接，所述第一组成缸内穿设有第一活塞杆，第一组成缸远离缸间联接体的一端设置有第一端盖，第一活塞杆上套装有第一活塞，第一活塞杆的一端处于第一组成缸外固定连接有联接环，联接环内插设有第一销轴；第二组成缸内穿设有第二活塞杆，第二活塞杆上套装有第二活塞，缸间联接体沿其轴向方向加工有活塞杆过度孔，所述过渡活塞杆穿设在活塞杆过度孔内，过渡活塞杆的一端与第一活塞杆的另一端通过一个万向联轴节固定连接，过渡活塞杆的另一端与第二活塞杆通过另一个万向联轴节固定连接，第二组成缸远离缸间联接体的一端设置有第二端盖，缸间联接体的外壁上加工有第一液压缸螺纹孔和两个并列设置的辅助螺纹孔，每个辅助螺纹孔上对应连接有一个蓄能器，蓄能器位于缸间联接体的上方；

蓄能器包括蓄能缸体、缸内活塞、螺环、紧固螺栓、蓄能导向环、蓄能密封圈和两个蓄能端盖，所述蓄能缸体内设置有缸内活塞，缸内活塞将蓄能缸体内分隔为液室和气室，缸内活塞朝向气室的一端面加工有凹槽，所述蓄能缸体的一端通过螺环固定连接有一个蓄能端盖，一个所述蓄能端盖上加工有第二液压缸螺纹孔，第二液压缸螺纹孔与液室连通，所述蓄能缸体的另一端通过紧固螺栓固定连接有另一个蓄能端盖，另一个所述蓄能端盖上加工有第三液压缸螺纹孔，第三液压缸螺纹孔与气室连通。

智能控制系统包括PLC控制器、操作面板和传感器，传感器的采集信号输出端连接PLC控制器的采集信号输入端，PLC控制器的控制信号输出端连接操作面板的控制信号输入端。

本发明与现有技术相比的有益效果：

1、本发明是机电液气和控制的一体化技术系统，本发明有效降低机械臂在升降过程中产生的无用功，通过在液压缸组件上附加蓄能器以平衡机械臂的重力，使机械臂在重力作用下做正功时通过蓄能器积蓄能量，做负功时通过蓄能器释放能量，从而有效降低机械臂做无用功的耗能量，起到节能减排的效果，同时将工程机械效率提高30％。

2、本发明中液压缸组件上设置的蓄能器是采用分体结构。液压缸组件中的蓄能缸体与蓄能器中的蓄能缸体之间用缸间联接体加螺环的连接方式以螺栓连接起来。为了减小液压缸组件中第一活塞、第二活塞、第一活塞杆、第二活塞杆、和活塞杆过度孔之间的误差干扰，过度活塞杆的两端分别用万向联轴节与第一活塞杆、第二活塞杆相联接。

3、本发明中的蓄能器为气液蓄能器，同时也是活塞式蓄能器，缸内活塞朝向气室的一端面加工有凹槽，凹槽为凹陷结构，这种凹陷结构不但能够有效增加的气室容积，还能够有效减小缸体的设计结构，节省空间，同时这种凹陷结构还延长了缸内活塞与蓄能缸体内壁的配合长度，能够提高活塞的工作性能。

4、智能控制系统为本发明的控制中心，用于接收和发出信号，通过液压驱动系统对至少一个液压缸组件的运动进行控制，从而带动机械臂进行运动。智能控制系统的设置有效控制机械臂实现本发明自动且智能的工作过程。

5、本发明的研制是在对国内外市场广泛调研基础上进行的，在同类产品中具有技术先进性和不可替代性，本发明操作简单方便、结构设计新颖合理、功能全面，本发明适合普遍推广使用，有利于工程机械提高工作效率、改善工作方式。

附图说明

图1是本发明应用在挖掘机上的主视结构示意图，

图2是液压缸组件2的主视结构剖面图，

图3是蓄能器7的主视结构剖面图，

图4是本发明中液压驱动系统3的控制原理图，

图5是智能控制系统的流程框图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式中它包括至少一个机械臂1、至少一个液压缸组件2、液压驱动系统3、智能控制系统和多个蓄能器7，智能控制系统的信号输出端发出控制信号给液压驱动系统3，液压驱动系统3控制至少一个液压缸2的运动，每个机械臂1配合设置有一个液压缸组件2，液压缸组件2运动带动机械臂1运动，至少一个液压缸组件2的上方安装有多个蓄能器7，所述蓄能器7用于将机械臂1下落时产生的重力势能进行储存，并为机械臂1上升提供能量。

本发明是一种应用于挖掘机和悬臂式吊车的智能化的机电液节能降耗技术系统。它是将往复工作的机械臂的重力势能存储在蓄能器7中，当机械臂提升时释放出来，从而减少提升机械臂的动力消耗，相当于机械臂没有重量一样，也就是说尽量不做无用功。由于机械臂在不同的工作参数范围内需要调整气液结构参数，因此本发明设置了智能控制系统，本发明是机电液气和控制的一体化技术系统。本发明中液压缸组件2、液压驱动系统3是机械臂1的执行机构，蓄能器7是储存机械臂重力势能的蓄能元件。

当本发明应用在挖掘机上时，机械臂1包括动臂11和斗杆12，液压缸组件2包括铲斗液压缸8、斗杆液压缸9和动臂液压缸10，动臂11的一端铰接在靠近驾驶室的动臂支座14上，动臂11的另一端铰接斗杆12的一端，斗杆12的另一端铰接有铲斗13，铲斗液压缸8设置在铲斗13和斗杆12之间，斗杆液压缸9设置在斗杆12和动臂11之间，动臂液压缸10设置在动臂11和动臂支座14之间，铲斗液压缸8、斗杆液压缸9和动臂液压缸10的运动均通过智能控制系统控制液压驱动系统3实现。这三个液压缸工作时不但要驱动有效的工作负载，还要应对有势力重力的影响。通过在动臂液压缸10的上方设置蓄能器7，通过平衡机械臂重力的方式，在重力做正功时蓄能，重力做负功释能，从而能够实现节能减排的目的。液压缸组件2能同时兼有两种驱动方式，拉式和推式。无论推式，还是拉式，蓄能器7都要在液压缸组件2的上方，这样才能起到蓄能的作用。

本发明中液压驱动系统3包括油箱3-1、过滤器3-2、油泵3-3、溢流阀3-4、开关阀3-5、压力表3-6、节流阀3-7、第一单向阀3-8、第一电磁阀3-9、第二电磁阀3-10、集成阀组3-11、液压缸3-12、气泵3-13、液压马达3-14、第一液压蓄能器3-15、第二单向阀3-16、电磁控制比例溢流阀3-17、第二液压蓄能器3-18、液压传感器3-19、气压传感器3-20。

具体实施方式二：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式中一个液压缸组件2上对应设置有第一液压蓄能器3-15和第二液压蓄能器3-18。通过样品试验得出，一个液压缸组件2上配备有两个蓄能器7使蓄能器7在其对应的液压缸组件2上的蓄能效果最佳。如此设置科学合理。其它未提及的组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式中液压缸组件2包括第一组成缸2-1、第二组成缸2-2、第一活塞2-3、第二活塞2-4、缸间联接体2-5、过渡活塞杆2-6、第一活塞杆2-7、第二活塞杆2-10、联接环2-8、第一销轴2-9、第一端盖2-11、第二端盖2-12、两个万向联轴节2-15，所述第一组成缸2-1和第二组成缸2-2之间固定连接有缸间联接体2-5，所述第一组成缸2-1内穿设有第一活塞杆2-7，第一组成缸2-1远离缸间联接体2-5的一端设置有第一端盖2-11，第一活塞杆2-7上套装有第一活塞2-3，第一活塞杆2-7的一端处于第一组成缸2-1外固定连接有联接环2-8，联接环2-8内插设有第一销轴2-9；第二组成缸2-2内穿设有第二活塞杆2-10，第二活塞杆2-10上套装有第二活塞2-4，缸间联接体2-5沿其轴向方向加工有活塞杆过度孔，所述过渡活塞杆2-6穿设在活塞杆过度孔内，过渡活塞杆2-6的一端与第一活塞杆2-7的另一端通过一个万向联轴节2-15固定连接，过渡活塞杆2-6的另一端与第二活塞杆2-10通过另一个万向联轴节2-15固定连接，第二组成缸2-2远离缸间联接体2-5的一端设置有第二端盖2-12，缸间联接体2-5的外壁上加工有第一液压缸螺纹孔和两个并列设置的辅助螺纹孔，每个辅助螺纹孔上对应连接有一个蓄能器7，蓄能器7位于缸间联接体2-5的上方。

本实施方式中液压缸组件2中的第一端盖2-11的外壁上还加工有另一个第一液压缸螺纹孔，其与缸间联接体2-5的外壁上加工的一个第一液压缸螺纹孔相配合，是用于与液压驱动系统3相连接的连接孔。两个并列设置的辅助螺纹孔是用于与两个蓄能器7相连接的连接孔。液压缸组件2还包括多个液压导向环2-13和多个液压密封圈2-14，第一活塞2-3、第二活塞2-4、过渡活塞杆2-6上分别套装有多个液压导向环2-13和多个液压密封圈2-14，液压导向环2-13之间设置液压密封圈2-14。其它未提及的组成及连接关系与具体实施方式一和二相同。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式中蓄能器7包括蓄能缸体7-1、缸内活塞7-2、螺环7-3、紧固螺栓7-4、蓄能导向环7-5、蓄能密封圈7-6和两个蓄能端盖7-7，所述蓄能缸体7-1内设置有缸内活塞7-2，缸内活塞7-2将蓄能缸体7-1内分隔为液室7-8和气室7-9，缸内活塞7-2朝向气室7-9的一端面加工有凹槽，所述蓄能缸体7-1的一端通过螺环7-3固定连接有一个蓄能端盖7-7，一个所述蓄能端盖7-7上加工有第二液压缸螺纹孔7-10，第二液压缸螺纹孔与液室7-8连通，所述蓄能缸体7-1的另一端通过紧固螺栓7-4固定连接有另一个蓄能端盖7-7，另一个所述蓄能端盖7-7上加工有第三液压缸螺纹孔7-11，第三液压缸螺纹孔与气室7-9连通。

本实施方式中蓄能器7中容积调整是通过蓄能器7两端的气液量进行调整，如此设置能够提高蓄能效果。蓄能器7一端的液室7-8充入液体，蓄能器7另一端的气室7-9充入气体，液体的压力通过可控溢流阀3-4调节，气体的压力通过液压马达3-14驱动的气泵3-13控制。根据机械臂工作区段的不同，以节能降耗为目标，进行蓄能器7工作压力和气室容积的参数双向调节。采用并列两个蓄能器7能够增加系统参数的调节范围。其它未提及的组成及连接关系与具体实施方式一或具体实施方式一、二和三相同。

具体实施方式五：结合图5说明本实施方式，本实施方式中智能控制系统包括PLC控制器5-1、操作面板5-2和传感器5-3，传感器5-3的采集信号输出端连接PLC控制器5-1的采集信号输入端，PLC控制器5-1的控制信号输出端连接操作面板5-2的控制信号输入端。

智能控制系统设置的目的是为了使本发明能够实现智能化的工作参数调整。智能控制系统使用时需先从工程机械构件系统数据库或专家系统中获取知识，然后再输入传感器测试数据并建立专家知识库，最后给出机构工作起点和工作行程范围，同时实时调整蓄能器7的参数，当智能控制系统工作时，在操作面板5-2发出指令给PLC控制器5-1后，PLC控制器5-1接收指令通过第一驱动电路对液压驱动系统3发出控制信号，液压驱动系统3控制液压缸组件2运动，从而带动机械臂1按照指定的轨迹运动，当机械臂1运动到已定规定的位置时，阻挡传感器中传感器信号发出端和传感器信号接收端之间的信号，传感器将此信号传送给PLC控制器5-1，PLC控制器5-1再次通过第二驱动电路向液压驱动系统3发送控制信号，液压驱动系统3控制液压缸组件2从而带动机械臂1按照指令进行下一个动作，从而实现自动化机械臂1工作，终极目标是使机械臂1重力能耗为零消耗，即机械臂1为节能机械臂。

智能控制系统中PLC控制器5-1应由计算机控制，操作面板5-2为计算机的操作面板，各定位传感器采用电感式接近开关或更精确的光电传感器接至PLC控制器的开关量输入点，通过控制液压驱动系统3中第一电磁阀3-9、第二电磁阀3-10和电磁控制比例溢流阀3-17，以调整蓄能器7的压力和容积的配比。

本发明中机械臂1下落时重力功转化为气液蓄能器中的气体压力势能，当机械臂1上升时释放此势能推动机械臂1上升。针对机械臂的不同工作起始点和往复运动的行程大小，通过液压驱动系统3中的气泵3-13向蓄能器7中的气室7-9补充或释放气体，向蓄能器7中的液室7-8补充或释放液体，从而调节蓄能器7的气室容积和压力范围。为了能够实现智能化的工作参数调整，系统中设计了智能控制中心，在机械臂1的肢节之间设置角度传感器，在蓄能器7上附加压力传感器。机械臂1的肢节相对旋转是液压缸驱动的，液压驱动的液压管路上还可设置一锁阀以保证机械臂工作间歇时能锁定机械臂1肢节的相对位置。其它未提及的组成及连接关系与具体实施方式一、二、三和四相同。

本发明液压驱动系统3的控制过程为：

在液压驱动系统3中核心元件是液压缸3-12。液压缸3-12通过其液压杆的伸出和缩回驱动机械臂1的起落运动。液压缸3-12从左到右有3个管路接口，分别为第一管路接口3-21、第二管路接口3-22和第三管路接口3-23，当第一管路接口3-21进油第二管路接口3-22出油时，液压缸3-12的液压杆缩进液压缸；当第二管路接口3-22进油第一管路接口3-21出油时，液压缸3-12的液压杆伸出液压缸。第三管路接口3-23通过液压管路与第一液压蓄能器3-15相联通。第一液压蓄能器3-15中的气压力作用于液压缸3-12中的右侧活塞为机械臂1提供重力平衡力。液压缸3-12的活塞杆由伸出变为缩回，或由缩回变为伸出，液压缸3-12的液压油路的控制由集成阀组3-11控制，而液压油是从油箱3-1，依次通过过滤器3-2、油泵3-3、第一电磁阀3-9和第二电磁阀3-10传导过来的。为提高液压驱动系统3的平稳性而设置第二液压蓄能器3-18，以吸收液压马达3-14的液压输出波动。本系统中溢流阀3-4起到过载保护作用。第一液压蓄能器3-15气腔容积和压力，通过左端的液压和右端的气压来调节。本系统中液压油从油箱3-1依次通过油泵3-3和第一电磁阀3-9驱动液压马达3-14，液压马达3-14驱动气泵3-13调节第一液压蓄能器3-15中的气体压力。第一液压蓄能器3-15左端的液压由电磁控制比例溢流阀3-17控制。主控计算机根据机械臂1的状态，依据液压传感器3-19和气压传感器3-20提供的压力信号，智能地调节机械臂1的平衡状态。

Claims (2)

1.一种机械臂的自动平衡调节系统，其特征在于：它包括至少一个机械臂(1)、至少一个液压缸组件(2)、液压驱动系统(3)、智能控制系统和多个蓄能器(7)，智能控制系统的信号输出端发出控制信号给液压驱动系统(3)，液压驱动系统(3)控制至少一个液压缸组件(2)的运动，每个机械臂(1)配合设置有一个液压缸组件(2)，液压缸组件(2)运动带动机械臂(1)运动，至少一个液压缸组件(2)的上方安装有多个蓄能器(7)，所述蓄能器(7)用于将机械臂(1)下落时产生的重力势能进行储存，并为机械臂(1)上升提供能量；一个液压缸组件(2)上对应设置有第一液压蓄能器(3-15)和第二液压蓄能器(3-18)；

液压缸组件(2)包括第一组成缸(2-1)、第二组成缸(2-2)、第一活塞(2-3)、第二活塞(2-4)、缸间联接体(2-5)、过渡活塞杆(2-6)、第一活塞杆(2-7)、第二活塞杆(2-10)、联接环(2-8)、第一销轴(2-9)、第一端盖(2-11)、第二端盖(2-12)、两个万向联轴节(2-15)，所述第一组成缸(2-1)和第二组成缸(2-2)之间固定连接有缸间联接体(2-5)，所述第一组成缸(2-1)内穿设有第一活塞杆(2-7)，第一组成缸(2-1)远离缸间联接体(2-5)的一端设置有第一端盖(2-11)，第一活塞杆(2-7)上套装有第一活塞(2-3)，第一活塞杆(2-7)的一端处于第一组成缸(2-1)外固定连接有联接环(2-8)，联接环(2-8)内插设有第一销轴(2-9)；第二组成缸(2-2)内穿设有第二活塞杆(2-10)，第二活塞杆(2-10)上套装有第二活塞(2-4)，缸间联接体(2-5)沿其轴向方向加工有活塞杆过度孔，所述过渡活塞杆(2-6)穿设在活塞杆过度孔内，过渡活塞杆(2-6)的一端与第一活塞杆(2-7)的另一端通过一个万向联轴节(2-15)固定连接，过渡活塞杆(2-6)的另一端与第二活塞杆(2-10)通过另一个万向联轴节(2-15)固定连接，第二组成缸(2-2)远离缸间联接体(2-5)的一端设置有第二端盖(2-12)，缸间联接体(2-5)的外壁上加工有第一液压缸螺纹孔和两个并列设置的辅助螺纹孔，每个辅助螺纹孔上对应连接有一个蓄能器(7)，蓄能器(7)位于缸间联接体(2-5)的上方；

蓄能器(7)包括蓄能缸体(7-1)、缸内活塞(7-2)、螺环(7-3)、紧固螺栓(7-4)、蓄能导向环(7-5)、蓄能密封圈(7-6)和两个蓄能端盖(7-7)，所述蓄能缸体(7-1)内设置有缸内活塞(7-2)，缸内活塞(7-2)将蓄能缸体(7-1)内分隔为液室(7-8)和气室(7-9)，缸内活塞(7-2)朝向气室(7-9)的一端面加工有凹槽，所述蓄能缸体(7-1)的一端通过螺环(7-3)固定连接有一个蓄能端盖(7-7)，一个所述蓄能端盖(7-7)上加工有第二液压缸螺纹孔(7-10)，第二液压缸螺纹孔与液室(7-8)连通，所述蓄能缸体(7-1)的另一端通过紧固螺栓(7-4)固定连接有另一个蓄能端盖(7-7)，另一个所述蓄能端盖(7-7)上加工有第三液压缸螺纹孔(7-11)，第三液压缸螺纹孔与气室(7-9)连通。

2.根据权利要求1所述的一种机械臂的自动平衡调节系统，其特征在于：智能控制系统包括PLC控制器(5-1)、操作面板(5-2)和传感器(5-3)，传感器(5-3)的采集信号输出端连接PLC控制器(5-1)的采集信号输入端，PLC控制器(5-1)的控制信号输出端连接操作面板(5-2)的控制信号输入端。