CN104864061A - 一种电液混合驱动的丝杠传动系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种电液混合驱动丝杠传动系统,包括与电机连接的涡轮蜗杆传动机构、安装有滚珠螺母的丝杠、扭矩传感器、以及与滚珠螺母连接的液压传动机构，其中，涡轮蜗杆传动机构与扭矩传感器通过第一联轴器连接，扭矩传感器与丝杆通过第二联轴器连接，滚珠螺母通过其上的通孔与负载连接，所述液压传动机构包括第一油缸和第二油缸，其设置在丝杆的两侧，每一油缸的油缸杆与滚珠螺母刚性连接，所述负载由导轨支撑，丝杠所在的轴上或导轨方向上安装角位移传感器或直线位移传感器，通过扭矩传感器实时检测电机的输出扭矩和转向，控制器据此调节液压缸的压力，使之抵消负载的摩擦力和惯性力，从而使电机带动丝杠可以驱动大惯量负载实现快速和精确定位。

Description

一种电液混合驱动的丝杠传动系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种电液混合驱动丝杠传动系统及其控制方法，属于液压和电气伺服控制交叉领域。
背景技术
由于电机驱动的滚珠丝杠传动副具有结构简单、定位精度高等优点，当前广泛应用于机电一体化和自动控制领域。但当用伺服电机驱动滚珠丝杠带动大负载(摩擦大、惯性大)时，会存在响应速度慢、定位精度低、低速爬行等问题，因此滚珠丝杠传动一般不用于大负载的伺服控制。另外一方面，液压缸虽然具有驱动力大，但是可控性差，定位精度低。因此可将伺服电机和液压驱动混合使用，使滚珠丝杠既具有较大的驱动能力又具有较快的响应速度。
实用新型ZL200720036729X设计了一种油电混合油缸，油缸输出的力由液压控制，运动精度有电机控制，但该系统工作时丝杠螺母之间存在较大的压力，并且液压输出力的通过丝杠作用在负载上，因此存在丝杠螺母机构寿命低，丝杠的变形影响定位精度，驱动大负载时仍然会存在低速爬行等问题。
本发明将发明一种电液混合驱动丝杠传动系统及其控制方法，该系统可综合运用电气伺服和液压伺服和优点，即使驱动大负载时仍然能够实现精确定位和稳定控制。
发明内容
基于以上所述存在的问题和不足，本发明提供一种电液混合驱动丝杠传动系统及其控制方法,具体如下:
一种电液混合驱动丝杠传动系统,包括与电机连接的涡轮蜗杆传动机构、安装有滚珠螺母的丝杠、扭矩传感器、以及与滚珠螺母连接的液压传动机构，其中，涡轮蜗杆传动机构与扭矩传感器通过第一联轴器连接，扭矩传感器与丝杆通过第二联轴器连接，滚珠螺母通过其上的通孔与负载连接，所述液压传动机构包括第一油缸和第二油缸，其设置在丝杆的两侧，每一油缸的油缸杆与滚珠螺母刚性连接，所述负载由导轨支撑，丝杠所在的轴上或导轨方向上安装角位移传感器或直线位移传感器。
其中，每一油缸均支撑在油缸固定座上。
其中，所述丝杠的两端设置有第一轴承和第二轴承，第一轴承和第二轴承支撑分别安装在第一轴承座和第二轴承座上，并且分别通过第一轴承端盖和第二轴承端盖密封。
其中，所述扭矩传感器、油缸固定座、第一轴承端盖和第二轴承端盖均通过螺栓与机身刚性连接。
上述的电液混合驱动丝杠传动系统控制方法，其包括以下步骤：
混合驱动控制器接收位移指令，通过接口电路采集计算扭矩传感器和角位移传感器测量值，获得扭矩的大小、扭矩的方向、转速和转向，控制器根据上述测量值，控制电机、液压泵站电机、与油缸油口相连接的控制阀动作。
本发明有以下优点：通过扭矩传感器实时检测电机的输出扭矩和转向，控制器据此调节液压缸的压力，使之抵消负载的摩擦力和惯性力，从而使电机带动丝杠可以驱动大惯量负载实现快速和精确定位。
附图说明：
图1本发明的电液混合驱动的丝杠传动系统结构图。
图2控制系统结构图。
1-第一油缸固定座，2-第一油口，3-第一油缸左腔，4-第一联轴器，5-第一油缸，6-扭矩传感器，7-第一油缸右腔，8-第二联轴器，9-第二油缸固定座，10-第一轴承座，11-第二油口，12-第一油缸油缸杆，13-滚珠螺母，14-丝杠，15-第二轴承座，16-第二轴承端盖，17-第二轴承，18第二油缸油缸杆，19-第四油口，20-第一轴承，21-第一轴承端盖，22-第四油缸固定座，23-第二油缸右腔，24-第二油缸，25-涡轮，26-第二油缸左腔，27-第三油口，28-第三油缸固定座。29-角位移传感器，30-蜗杆
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
参照图1，本发明的电液混合驱动的丝杠传动系统结构主要由油缸、电机、涡轮蜗杆、扭矩传感器、丝杠螺母副以及起连接支撑固定作用的固定座、联轴器、轴承、轴承座、轴承端盖等组成。电机可以是步进电机、交流伺服电机、直流伺服电机，电机与蜗杆30相连，蜗杆30与涡轮25组成具有自锁功能的涡轮蜗杆传动机构，涡轮25的输出轴通过第一联轴器4与扭矩传感器6相连，扭矩传感器6通过第二联轴器8与丝杠14相连，丝杠14上安装有滚珠螺母13，丝杠14的两端分别通过第一轴承20和第二轴承17支撑，第一轴承20和第二轴承17支撑分别安装在第一轴承座10和第二轴承座15上，并且分别通过第一轴承端盖21和第二轴承端盖16密封。扭矩传感器6、第一轴承端盖21和第二轴承端盖16均通过螺栓与机身刚性连接。
第一油缸5的缸体两端分别通过第一油缸固定座1和第二油缸固定座9支撑；第二油缸24的缸体两端分别通过第三油缸固定座28和第四油缸固定座22支撑；第一油缸固定座1、第二油缸固定座9、第三油缸固定座28和第四油缸固定座22均通过螺栓与机身刚性连接；第一油缸油缸杆12和第二油缸油缸杆18均与滚珠螺母13刚性连接。
滚珠螺母13可以通过其上的通孔与负载连接，负载可由导轨支撑，丝杠14所在的轴上或导轨方向上可以安装角位移传感器29或直线位移传感器，液压泵站控制第一油缸5和第二油缸24。
本发明的电液混合驱动的丝杠传动系统的控制系统的结构图如图2所示，混合驱动控制器接收位移指令，通过接口电路采集计算扭矩传感器6和角位移传感器29测量值，获得扭矩的大小、扭矩的方向、转速和转向。控制器根据上述测量值，控制电机、液压泵站电机、与第一油口2、第二油口11、第三油口27、第四油口19相连接的控制阀等。控制方法如下：
扭矩传感器6测量扭矩的方向按照图1中A标识方向为正，反方向为负。系统运行液压系统预先启动加压，使油缸的推力不大于静摩擦力(包括负载与导轨之间的摩擦力和丝杠螺母副之间的摩擦力)；当混合驱动控制器接收位到移指令后，驱动控制器根据当前位置和指令位置发送控制指令。
若驱动控制器需要控制电机驱动负载向右运动，则控制液压系统向第一油缸左腔3和第二油缸左腔26充油加压，将第一油缸右腔7和第二油缸右腔23与油箱导通，从而控制第一油缸油缸杆12和第二油缸油缸杆18向右推负载，直至扭矩传感器6的输出值接近0；在此过程中，若扭矩传感器6测量扭矩的方向与丝杠14的旋转方向相同，则控制器控制液压系统需要继续提高第一油缸左腔3和第二油缸左腔26的压力，直至扭矩传感器6的输出值接近0；若扭矩传感器6测量扭矩的方向与丝杠14的旋转方向相反，则控制器需要控制液压系统减小第一油缸左腔3和第二油缸左腔26的压力，直至扭矩传感器6的输出值接近0。
若驱动控制器需要控制电机驱动负载向左运动，则控制液压系统向第一油缸右腔7和第二油缸右腔23充油加压，将第一油缸左腔3和第二油缸左腔26与油箱导通，从而控制第一油缸油缸杆12和第二油缸油缸杆18向左推负载，直至扭矩传感器6的输出值接近0；在此过程中，若扭矩传感器6测量扭矩的方向与丝杠14的旋转方向相同，则控制器需要控制液压系统继续提高第一油缸右腔7和第二油缸右腔23的压力，直至扭矩传感器6的输出值接近0；若扭矩传感器6测量扭矩的方向与丝杠14的旋转方向相反，则控制器需要控制液压系统减小第一油缸右腔7和第二油缸右腔23的压力，直至扭矩传感器6的输出值接近0。
由于蜗杆30与涡轮25组成的涡轮蜗杆传动具有自锁特性，因此液压缸无法驱动丝杠螺母机构和电机运动。
从上述控制过程可以看出，本发明的液压控制起到助力的作用，以克服摩擦力和惯性力，而电机控制起到精确定位作用。因此本发明可以实现大复杂的快速、精确控制。

Claims (7)

1.一种电液混合驱动丝杠传动系统,其特征在于：包括与电机连接的涡轮蜗杆传动机构、安装有滚珠螺母的丝杠、扭矩传感器、以及与滚珠螺母连接的液压传动机构，其中，涡轮蜗杆传动机构与扭矩传感器通过第一联轴器连接，扭矩传感器与丝杆通过第二联轴器连接，滚珠螺母通过其上的通孔与负载连接，所述液压传动机构包括第一油缸和第二油缸，其设置在丝杆的两侧，每一油缸的油缸杆与滚珠螺母刚性连接，所述负载由导轨支撑，丝杠所在的轴上或导轨方向上安装角位移传感器或直线位移传感器。
2.如权利要求1所述的电液混合驱动丝杠传动系统,其特征在于：每一油缸均支撑在油缸固定座上。
3.如权利要求1所述的电液混合驱动丝杠传动系统,其特征在于：所述丝杠的两端设置有第一轴承和第二轴承，第一轴承和第二轴承支撑分别安装在第一轴承座和第二轴承座上，并且分别通过第一轴承端盖和第二轴承端盖密封。
4.如权利要求1所述的电液混合驱动丝杠传动系统,其特征在于：所述扭矩传感器通过螺栓与机身刚性连接。
5.如权利要求2所述的电液混合驱动丝杠传动系统,其特征在于：所述油缸固定座通过螺栓与机身刚性连接。
6.如权利要求3所述的电液混合驱动丝杠传动系统,其特征在于：所述第一轴承端盖和第二轴承端盖均通过螺栓与机身刚性连接。
7.一种如权利要求1-6所述的电液混合驱动丝杠传动系统的控制方法,其特征在于：其包括以下步骤：
混合驱动控制器接收位移指令，通过接口电路采集计算扭矩传感器和角位移传感器测量值，获得扭矩的大小、扭矩的方向、转速和转向，控制器根据上述测量值，控制电机、液压泵站电机、与油缸油口相连接的控制阀动作。
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