CN105782164A - 多腔体液压缸及其控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

一种多腔体液压缸，包括复合缸筒和复合活塞杆。所述缸筒和活塞杆形成四个密闭的空腔A、B、C、D，一种液压缸控制系统及其控制方法，包括四个与多腔体液压缸四个空腔相连的插装式两位三通电磁开关阀和一个与四个电磁开关阀相连的比例节流阀。通过控制所述两位三通电磁开关阀和所述三位四通伺服阀，可以选择四个密闭的第一空腔A、B、C、D是否与泵的出油口P和油箱回油口T连通或截止，从而获得不同有效作用面积。在所述活塞杆上设置一个负载力传感器，实时测量所述活塞杆上的负载，也即是多腔体液压缸负载。根据负载反馈，通过所述电磁开关阀组和所述伺服阀组的控制，选择合适的有效作用面积，实现液压缸最大输出力与负载力匹配，最后通过伺服阀的比例节流功能，实现高精度的位置或力的控制。

Description

多腔体液压缸及其控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及一种多腔体液压缸及其控制系统和控制方法。

背景技术

负载能力有限已成为制约移动机器人实用化的“瓶颈”问题，采用高功率密度的液压驱动提高移动机器人负载能力是目前世界各机器人研究机构普遍采用的方式，如美国波士顿动力公司研制的BIGDOG、petman，意大利理工大学的KenKenⅡ液压驱动四足机器人，另外由中国863高技术研究发展计划资助的高性能四足机器人项目明确提出要采用液压驱动系统。

由于重量和体积的限制，移动机器人的液压驱动系统采用的都是单泵源—多执行器系统结构，例如文献《Designandcontrolofranger:Anenergy-efficient,dynamicwalkingrobot》、《DesignprinciplesforhighlyefficientquadrupedsandimplementationontheMITCheetahrobot.》、《4-leggedbipedalrobot》都采用该类液压系统结构。该类液压系统结构效率低下。已报道的由美国国防预先研究局资助的BLEEX外骨骼液压驱动系统效率仅14％，浙江大学张彦廷博士的博士论文《基于混合动力与能量回收的液压挖掘机节能研究》表明，采用单泵源—多执行器液压驱动系统的挖掘机效率仅为40％。该类液压系统效率低下的主要原因是各执行器的负载在同一时刻都不相同，并且同一执行器在不同时刻负载也不相同，一个泵源不能同时与多个执行器的负载进行功率匹配，一般选择大功率执行器负载进行匹配，由此导致其他执行器支路出现大量节流耗损，造成效率低下。移动机器人与挖掘机相比较，具有更多的执行器，系统动态性能要求更高，在同一个瞬时各个执行器输出的位移和力的差异更显著，不同时间同一个执行器输出的位移和力的变化更剧烈，其液压驱动系统效率会更低。

效率低下会导致系统发热严重，冷却系统的功率就会变大，冷却系统的体积和重量就会增加。另外低效率还会导致完成同样的工作需要更多的能量(如汽油)，同样的工况下动力源的输出功率要求更高。因此低效率会严重影响移动机器人的负载能力和续航能力。

现有提高单泵源—多执行器液压驱动系统效率的方法很多，如进回油独立节流控制、电液混合动力和能量回收技术、负载敏感泵控技术、液压变压器等。这些技术节能效果有限、并且没有考虑系统的体积和重量，难以在移动机器人上使用。

根据负载实时改变液压缸的有效作用面积，使得各个执行器支路的负载压力都与泵源的输出压力接近，通过泵的变量自适应机构来自动调节泵的输出流量与各支路负载流量之和匹配，从而实现泵的输出功率与各支路负载功率之和匹配，有效提高系统效率。

因此研制多腔体液压缸对于提高移动机器人负载能力意义重大。同时多腔体液压缸可以用于提高使用多路阀控液压缸驱动的装备如各类工程机械的效率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有单泵源-多执行器液压系统效率低下问题提供一种通过液压缸多腔体设计，选择不同腔体与高压油路导通或与低压油路导通来实现油源压力与负载压力的匹配，最终达到提高液压系统效率目的的多腔体液压缸及其控制系统和控制方法。

本发明通过以下技术方案实现上述目的。

一种多腔体液压缸，包括复合缸筒和复合活塞杆，所述复合缸筒包括外缸筒和内缸筒，所述内缸筒与外缸筒同轴布设,所述内缸筒设置在外缸筒内，所述内缸筒与外缸筒的同一端密封，另一端开口，所述复合活塞杆包括外活塞杆和内活塞杆，所述外活塞杆和所述内活塞杆的一端固联在一起，所述内活塞杆的另一端设置在内缸筒内且所述内活塞与所述内缸筒大小相匹配，所述外活塞杆的另一端设置在外缸筒与内缸筒之间的间隙中且所述外活塞与外缸筒与内缸筒之间的间隙大小相匹配，所述外活塞杆在外缸筒与内缸筒之间的间隙中形成的有杆腔为第三空腔C，无杆腔为第二空腔B，所述内活塞杆内缸筒中形成的有杆腔为第四空腔D，无杆腔为第一空腔A，所述第一空腔A、第二空腔B、第三空腔C、第四空腔D均设有油路与外部控制油路连通。

所述复合缸筒通过压力传感器与端环连接，所述复合活塞杆上设有检测复合活塞杆负载力的负载力传感器。

所述内缸筒与外缸筒之间通过第一密封套筒密封。

所述外活塞杆与外缸筒内壁和内缸筒外壁之间通过第二密封套筒密封。

所述内缸筒与外缸筒之间通过第一端盖和第二端盖固连在一起。

一种多腔体液压缸的控制系统，用于控制上述多腔体液压缸，所述第一空腔A、第二空腔B、第三空腔C、第四空腔D分别与开关阀组中的第一开关阀的油口C₁、第二开关阀的油口C₂、第三开关阀的油口C₃和第四开关阀的油口C₄连接，所述第一开关阀的油口A₁、所述第二开关阀的油口A₂、所述第三开关阀的油口A₃和所述第四开关阀的油口A₄并联后与所述比例节流阀的出油口连通，所述第一开关阀的油口B₁、所述第二开关阀的油口B₂、所述第三开关阀的油口B₃和所述第四开关阀的油口B₄并联后通过低压回油通道T_s与油箱连通，所述比例节流阀的高压进油口与恒压变量泵和安全溢流阀构成的动力源的高压出油口连通。

所述第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀和第四开关阀均为两位三通电磁开关阀，所述节流阀为比例节流阀或比例调速阀。

一种多腔体液压缸的控制方法，用于控制上述多腔体液压缸的控制系统，所述复合活塞杆设置一个检测复合活塞杆负载力的负载力传感器，设负载力传感器的实时变负载为F_Ln，设整个多腔体液压缸的有效作用面积为Ae，

设：

所述第一空腔A进油时对应的作用面积为A_l1，

所述第二空腔B进油时对应的作用面积为A_l2，

所述第四空腔D进油时对应的作用面积为A_l3，

所述第三空腔C进油时对应的作用面积为A_r，

所述四个开关阀的控制为x_k[k＝1，2，3，4],x_k对应开关阀的两种位置状态，设x_k的值为0或1，

通过控制所述四个开关阀的不同位置组合，得到不同的有效作用面积Ae，整个多腔体液压缸的有效作用面积为Ae可以用如下公式表达：

Ae＝A_l1·x₁+A_l2·x₂+A_l3·x₃-A_r·x₄

设P_s和Q_s为泵源的输出压力和流量，P_n和Q_n分别为第n个执行器的负载压力和负载流量，设△W为系统由控制阀导致的总的功率节流损失，则：

$\mathrm{\Δ}W=P_s{Q}_s-\underset{1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_n{Q}_n$

当△W为零时系统功耗最小，则只要使得负载压力P_n在与泵源压力P_s相等时，公式如下：

$\mathrm{\Δ}W=P_s(Q_s-\underset{1}{\overset{N}{\Σ}}{Q}_n)$

则系统功耗消耗最小为零；

设Ae_n为第n个执行器的理想有效作用面积：

Ae_n＝F_Ln/P_n

选取与Ae_n的值最接近的有效作用面积Ae为所要选择的有效作用面积，从而可以确定四个开关阀的组合，实现多腔体液压缸动作。

采用上述方案，本装置的内缸筒和外缸筒同轴布设，即多个空腔结构的回转轴线共线，不论如何选择液压缸不同腔体与高压油路和低压油路的导通组合，各腔体内压力作用在活塞环上不会出现垂直于回转轴线的偏转力矩，从而避免子活塞杆的作用力会在主活塞杆上形成一个偏转力矩，造成主活塞杆和缸筒之间产生大的摩擦，防止偏转力矩导致的各活塞环与缸筒之间摩擦过大，防止过大的摩擦损坏密封件，影响寿命，此外摩擦非线性会给液压缸高精度的力和位置控制带来难度；同时这样设置的内缸筒和外缸筒结构更紧凑，所需安装空间小，制造装配更易实现。

本发明通过控制系统和控制方法使得在执行变负载工况时，可通过不同电磁开关阀的控制组合，选择液压缸不同腔体与高压油路和低压油路的导通状况来实现液压缸最大输出力与负载的匹配，最终达到提高液压系统效率的目的，从而可有效提高各执行器负载变化较大的单泵源-多执行器液压驱动系统的效率。综上所述，本发明可用在能量自治的各执行器负载变化较大的各类中小型移动平台上，如两足机器人、四足机器人、小型无人挖掘机、外骨骼装备等，能够有效提高此类装备液压驱动系统效率，从而提高其负载能力、促进其进一步实用化，同时实现节能环保，具有较好的经济价值。

附图说明

图1(a)是本发明多腔体液压缸的剖视图；

图1(b)是本发明多腔体液压缸的复合缸筒结构示意图；

图1(c)是本发明多腔体液压缸的复合活塞杆结构示意图；

图1(d)是本发明多腔体液压缸的立体图；

图2是本发明的结构原理和液压控制系统示意图；

图3是本发明应用在单泵源-多执行器液压系统中的效率提高流程图。

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(a)所示，多腔体液压缸由复合缸筒1和复合活塞杆2组成，形成了第一空腔A、第二空腔B、第三空腔C和第四个空腔D。图1(b)所示，复合缸筒1包括端环101、压力传感器102、内缸筒103(含右端活塞环)、连接螺钉104、端盖105、密封套筒106、内缸筒右端活塞环动密封圈114、内缸筒右端活塞环导向环115、第一静密封圈116、第二静密封圈117、外缸筒107、密封套筒108、导向环109、动密封圈110、第三静密封圈111、端盖112、连接螺钉113。其中端环101、压力传感器102、内缸筒103通过螺纹连接，内缸筒103与外缸筒107通过密封套筒106密封，所述密封套筒106、外缸筒107内部和外活塞形成第一空腔A，内缸筒103通过螺纹与密封套筒106固联，密封套筒106通过连接螺钉104、端盖105与外缸筒107固联。密封套筒108通过端盖112和螺钉113压紧在外缸筒107上，密封套筒108通过第三静密封圈111实现与外缸筒107的密封。

图1(c)所示，复合活塞杆2包括耳环201、第四静密封圈202、外活塞杆203、内活塞杆204、管接头205、第五静密封圈206、第六静密封圈207、导向环208、动密封圈209。管接头205与外活塞杆203通过第五静密封圈206密封。所述内活塞杆204外壁、外活塞杆203内壁和内缸筒103端部形成第四空腔D，外活塞杆203与内活塞杆204通过密封圈202密封，并通过螺纹连接在一起。耳环201通过螺纹与外活塞杆203连接在一起。所述内缸筒103内壁和内活塞形成第一空腔A，所述外活塞杆203的外壁、内缸筒外壁、外缸筒内壁和密封套筒之间形成第三空腔C。

本装置的第一进油通道21与第一空腔A连通，第二进油通道22与第二空腔B连通，第三进油通道23与第三空腔C连通，第四进油通道24与第四空腔D连通。

复合缸筒1中的内缸筒103右端活塞环通过导向环115和动密封圈116与复合活塞杆2中的外活塞杆203形成动密封；复合缸筒1中的内缸筒103与复合活塞杆2中的内活塞杆204左端活塞环通过动密封圈207形成动密封。复合活塞杆2中的外活塞杆203左端活塞环通过导向环208和动密封圈209与复合缸筒1中的外缸筒107形成动密封。复合活塞杆2中的外活塞杆203与复合缸筒1中的外缸筒107通过导向环109和密封圈110形成动密封。

图1(d)为该多腔体液压缸的外观三维模型，该多腔体液压缸集成了压力传感器102和位移传感器3。管接头ChA、ChB、ChC、ChD分别与空腔A、B、C、D连通。

图2中的开关阀组3和比例节流阀4根据实际工程需要可以集成在该多腔体液压缸复合缸筒1中的外缸筒107上，也可以通过液压集成块独立安装，通过软管与多腔体液压缸连接。

本发明的工作原理：如图2所示，本发明的通过四个两位三通插装式开关阀3来实现，高精度的力和位移控制通过一个比例节流阀4来实现。所述复合缸筒1和所述复合活塞杆2形成四个密闭的第一空腔A、第二空腔B、第三空腔C和第四个空腔D。所述第一空腔A、第二空腔B、第三空腔C、第四空腔D分别与开关阀组3中的第一开关阀的油口C₁、第二开关阀的油口C₂、第三开关阀的油口C₃和第四开关阀的油口C₄连接，所述第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀、第四开关阀与所述比例节流阀连接，所述第一开关阀的油口A₁、所述第二开关阀的油口A₂、所述第三开关阀的油口A₃、所述第四开关阀的油口A₄和所述比例节流阀4的油口A_s连通，所述第一开关阀的油口B₁、所述第二开关阀的油口B₂、所述第三开关阀的油口B₃、所述第四开关阀的油口B₄通过低压回油通道T_s与油箱连通，所述比例节流阀4的高压进油口P_s与恒压变量泵5和安全溢流阀6构成的动力源的高压出油口连通。

如图2所示，设整个多腔体液压缸的有效作用面积为Ae，当第一空腔A、第二空腔B、第四空腔D分别单独进油时，复合活塞杆2往右伸出，当第三空腔C单独进油时，复合活塞杆2往左缩回，设所述第一空腔A进油时对应的作用面积为A_l1，所述第二空腔B进油时对应的作用面积为A_l2，所述第四空腔D进油时对应的作用面积为A_l3，所述第三空腔C进油时对应的作用面积为A_r，所述四个开关阀的控制为x_k[k＝1，2，3，4],x_k对应开关阀的两种位置状态，设x_k的值为0或1。通过控制所述四个开关阀的不同位置组合，可以得到不同的有效作用面积。整个多腔体液压缸的有效作用面积为Ae可以用如下公式表达：

Ae＝A_l1·x₁+A_l2·x₂+A_l3·x₃-A_r·x₄

所述四个开关阀组3的不同的控制状态对应的有效作用面积如下表所示。

由上表可以看出，通过控制开关阀组3，可以获得16中不同的有效作用面积Ae，通过设计第一空腔A、第二空腔B、第二空腔C、第四空腔D分别对应的作用面积A_l1、A_l2、A_r、A_l3的大小，就可以获得这16种不同有效作用面积Ae的大小分布。

所述复合活塞杆2右侧设置一个负载力传感器7，根据负载力传感器7测量的实时负载，通过所述电磁开关阀组的控制，选择合适的有效作用面积实现液压缸最大输出力与负载力匹配，减小比例节流阀的节流损失，提高系统效率，具体过程如下。

设负载力传感器的实时变负载为F_Ln，设P_s和Q_s为泵源的输出压力和流量，P_n和Q_n分别为第n个执行器的负载压力和负载流量，则系统由控制阀导致的总的功率节流损失为：

$\mathrm{\Δ}W=P_s{Q}_s-\underset{1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_n{Q}_n---\left(1\right)$

设第n个阀控缸驱动支路的变负载为F_Ln，第n个缸的有效作用面积为Ae_n，则第n个支路的负载压力P_n为：

$P_n=\frac{F_{Ln}}{A_{en}}---\left(2\right)$

通过控制所述四个开关阀，调节有效作用面积Ae_n，使得负载压力P_n在任何时候都与泵源压力P_s匹配相等，则式(1)变成如下形式：

$\mathrm{\Δ}W=P_s(Q_s-\underset{1}{\overset{N}{\Σ}}{Q}_n)---\left(3\right)$

通过泵的变量自适应机构，可是保证泵的输出流量等于各个支路的流量之和，也就是下式成立：

$Q_s=\underset{1}{\overset{N}{\Σ}}{Q}_n$

则式(3)所示系统功耗△W为零。

系统功耗△W为零是理想情况，需要两个条件保证：一是有效作用面积Ae连续可调，二是不考虑液压缸的力跟踪控制和位置跟踪控制的精度和响应速度。实际情况是有效作用面积Ae是离散的，不能连续调节，因此不能保证在任意时刻式(2)所示负载压力P_n与泵源压力P_s匹配相等，只能让负载压力P_n逼近泵源压力P_s。此外，在实际应用中，对力跟踪控制和位置跟踪控制都有具体的精度要求和响应速度要求，为了保证液压缸能够足够的驱动能力从而减小跟踪误差并保证较高的响应速度，在进行负载匹配时负载压力P_n与泵源压力P_s之间还应保证一定的差值，使得跟踪误差向减小的方向变化，同时使得负载运动具备一定的加速度，跟踪误差调整响应速度满足要求。

通过上述方法根据负载反馈，通过所述电磁开关阀组和所述伺服阀组的控制，选择合适的有效作用面积，实现液压缸最大输出力与负载力匹配，通过变量泵的自适应变量功能实现泵的输出流量与负载流量的匹配，从而实现变量泵输出功率与负载功率的匹配，以此提高系统效率。最后通过伺服阀的比例节流功能，实现高精度的位置或力的控制。

Claims (8)

1.一种多腔体液压缸，其特征在于：包括复合缸筒(1)和复合活塞杆(2)，所述复合缸筒(1)包括外缸筒(107)和内缸筒(103)，所述内缸筒(103)与外缸筒(107)同轴布设，并且所述内缸筒(103)设置在外缸筒(107)内，所述内缸筒(103)与外缸筒(107)的同一端密封，另一端开口，所述复合活塞杆包括外活塞杆(203)和内活塞杆(204)，所述外活塞杆(203)和所述内活塞杆(204)的一端固联在一起，所述内活塞杆(204)的另一端设置在内缸筒(103)内且所述内活塞与所述内缸筒(103)大小相匹配，所述外活塞杆(203)的另一端设置在外缸筒与内缸筒之间的间隙中且所述外活塞与外缸筒与内缸筒之间的间隙大小相匹配，所述外活塞杆(203)在外缸筒与内缸筒之间的间隙中形成的有杆腔为第三空腔C，无杆腔为第二空腔B，所述内活塞杆(204)内缸筒(103)中形成的有杆腔为第四空腔D，无杆腔为第一空腔A，所述第一空腔A、第二空腔B、第三空腔C、第四空腔D均设有油路与外部控制油路连通。

2.根据权利要求1所述的多腔体液压缸，其特征在于：所述复合缸筒(1)通过压力传感器(102)与端环(101)连接，所述复合活塞杆(2)上设有检测复合活塞杆(2)负载力的负载力传感器(7)。

3.根据权利要求2所述的多腔体液压缸，其特征在于：所述内缸筒(103)与外缸筒(107)之间通过第一密封套筒(106)密封。

4.根据权利要求3所述的多腔体液压缸，其特征在于：所述外活塞杆(203)与外缸筒(107)内壁和内缸筒(103)外壁之间通过第二密封套筒(108)密封。

5.根据权利要求4所述的多腔体液压缸，其特征在于：所述内缸筒(103)与外缸筒(107)之间通过第一端盖(105)和第二端盖(112)固连在一起。

6.一种多腔体液压缸的控制系统，用于控制如权利要求1至5之一所述的多腔体液压缸，其特征在于，所述第一空腔A、第二空腔B、第三空腔C、第四空腔D分别与开关阀组(3)中的第一开关阀的油口C₁、第二开关阀的油口C₂、第三开关阀的油口C₃和第四开关阀的油口C₄连接，所述第一开关阀的油口A₁、所述第二开关阀的油口A₂、所述第三开关阀的油口A₃和所述第四开关阀的油口A₄并联后与所述比例节流阀(4)的出油口连通，所述第一开关阀的油口B₁、所述第二开关阀的油口B₂、所述第三开关阀的油口B₃和所述第四开关阀的油口B₄并联后通过低压回油通道T_s与油箱连通，所述比例节流阀(4)的高压进油口与恒压变量泵(5)和安全溢流阀(6)构成的动力源的高压出油口连通。

7.根据权利要求6所述的多腔体液压缸的控制系统，其特征在于：所述第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀和第四开关阀均为两位三通电磁开关阀，所述节流阀为比例节流阀或比例调速阀。

8.一种多腔体液压缸的控制方法，用于控制如权利要求6或7所述的多腔体液压缸的控制系统，其特征在于，所述复合活塞杆设置一个检测复合活塞杆负载力的负载力传感器，设负载力传感器的实时变负载为F_Ln，设整个多腔体液压缸的有效作用面积为Ae，

设：

所述第一空腔A进油时对应的作用面积为A_l1，

所述第二空腔B进油时对应的作用面积为A_l2，

所述第四空腔D进油时对应的作用面积为A_l3，

所述第三空腔C进油时对应的作用面积为A_r，

所述四个开关阀的控制为x_k[k＝1，2，3，4],x_k对应开关阀的两种位置状态，设x_k的值为0或1，

通过控制所述四个开关阀的不同位置组合，得到不同的有效作用面积Ae，整个多腔体液压缸的有效作用面积为Ae可以用如下公式表达：

Ae＝A_l1·x₁+A_l2·x₂+A_l3·x₃-A_r·x₄

设P_s和Q_s为泵源的输出压力和流量，P_n和Q_n分别为第n个执行器的负载压力和负载流量，设△W为系统由控制阀导致的总的功率节流损失，则：

$\mathrm{\Δ}W=P_s{Q}_s-\underset{1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_n{Q}_n$

当△W为零时系统功耗最小，则只要使得负载压力P_n在与泵源压力P_s相等时，公式如下：

$\mathrm{\Δ}W=P_s(Q_s-\underset{1}{\overset{N}{\Σ}}{Q}_n)$

则系统功耗消耗最小为零；

设Ae_n为第n个执行器的理想有效作用面积：

Ae_n＝F_Ln/P_n

选取与Ae_n的值最接近的有效作用面积Ae为所要选择的有效作用面积，从而可以确定四个开关阀的组合，实现多腔体液压缸动作。