CN106523480B - 一种液压伺服驱动系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压伺服驱动系统，包括工作液压缸，该工作液压缸的工作缸体分为无杆腔及有杆腔。通过第一液压油源通过第一管道连通无杆腔，第二液压油源通过第二管道连通有杆腔，在驱动负载之前可以同时向有杆腔与无杆腔内同时施加压力而使有杆腔和无杆腔内的残余空气处于高度压缩状态，即大幅增强系统总体刚度。同时，有杆腔和无杆腔内的油压相互独立控制，通过施加适当的控制方法可以实现快速启动、停止，承受动态负载等多种运行方式与功能。

Description

一种液压伺服驱动系统及控制方法

技术领域

本发明涉及液压传动领域。

背景技术

在风洞试验中常需要在模型内部安装驱动系统，该系统因模型结构限制、风洞总体尺寸受限、风洞运行时间受限、流场对于气动型面的敏感性等多方原因，往往需要具有“大推拉力”、“微小尺寸”、“响应迅速”、“系统总体体积小”、“空间布置方便”等方面特性。

常见的驱动方式主要有电机驱动、气缸驱动、液压驱动三种。其中电机驱动具有高精度、系统总体体积小、布置便利的优点，但电机驱动所产生的推拉力与电机体积成正比，在受限空间内尺寸合适的电机难以提供满足实验要求的推拉力；气缸则由于尺寸及气体特性等原因，气缸在推力、精度、体积等方面存在缺陷；液压系统因推力大、工作缸体积可根据需求定制等方面特点而存在满足风洞试验对于驱动系统需求的可能。

然而，将传统液压系统应用于风洞实验依然存在以下几方面不足：

1.传统的小尺寸液压缸因整体体积限制，难以布置排气孔等排气措施，难以排出系统中空气。因系统整体容积小，空气占液压缸内腔总体体积的比例将显著上升。由于空气的可压缩性远大于液压油，残余空气将导致系统整体刚度下降，进而引发力源缸启动时的空推现象，导致系统响应慢、总驱动量下降及精度差的问题。

2.传统液压系统存在油箱，电液伺服阀等部件，总体结构较为复杂，总体维护性差。

3.传统液压缸油路中各部件常通过硬质管路连接，难以在风洞中布置，更难以满足风洞中模型位置调节的需求。同时，在系统布置时对各部件的高度关系常有要求，进一步增加了布置的难度。

综上所述，有必要设计一种新型的微型液压驱动系统。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种液压伺服驱动系统，能够降低液压缸内残留空气造成的系统刚度不足对驱动量下降及运动精度差带来的影响，提高驱动系统的响应速度及驱动精度。同时提升系统维护性，降低其布置难度。

为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：

一种液压伺服驱动系统，包括工作液压缸、由该工作液压缸驱动的负载；所述工作液压缸具有工作缸体、位于工作缸体内的活塞及自活塞延伸出工作缸体并与负载连接的活塞杆；其中活塞将工作缸体分为两部分，其中没有活塞杆的部分为无杆腔、有活塞杆的部分为有杆腔；无杆腔与有杆腔内均填充液压油，还包括第一液压油源及第二液压油源；所述第一液压油源通过第一管道连通无杆腔，第二液压油源通过第二管道连通有杆腔。

有益效果：

相对于现有技术，本发明液压伺服驱动系统将传统的单一联通油路拆分为两个独立封闭油路，工作缸的有杆腔与无杆腔分别由两个相互独立的液压油源驱动，在驱动负载之前可以同时向有杆腔与无杆腔内同时施加压力而使有杆腔和无杆腔内的残余空气处于高度压缩状态，即大幅增强系统总体刚度。并且，本驱动系统中取消了油缸及电液伺服阀等部件，简化了系统，提升了其可靠性。同时，有杆腔和无杆腔内的油压相互独立控制，通过施加适当的控制方法可以实现快速启动、停止，承受动态负载等多种运行方式与功能。

进一步的，所述第一液压油源为第一辅液压缸，第二液压油源为第二辅液压缸；所述第一辅液压缸内设有第一辅活塞及自第一辅活塞延伸的第一辅活塞杆；第二辅液压缸内设有第二辅活塞及自第二辅活塞延伸的第二辅液压杆；所述第一辅活塞杆连接有第一伺服电机，第二辅活塞杆连接有第二伺服电机；第一伺服电机驱动第一辅液压杆而将第一辅液压缸的液压油压入无杆腔、或将无杆腔内的液压油抽回第一辅液压缸；第二伺服电机驱动第二辅液压杆而将第二辅液压缸的液压油压入有杆腔、或将有杆腔内的液压油抽回第二辅液压缸；所述第一辅活塞杆连接有第一位移传感器，第二辅活塞杆连接有第二位移传感器。本发明中采用液压缸作为液压油源，能够提供稳定且易于控制的液压油压入或抽出，也便于位移传感器的监测。

进一步的，还设有监测第一管道内油压的第一压力传感器、监测第二管道内油压的第二压力传感器、监测负载运动的主位移传感器、运动控制模块及连接运动控制模块的上位机；所述运动控制模块同时连接第一位移传感器、第二位移传感器、第一伺服电机、第二伺服电机、第一压力传感器、第二压力传感器、主位移传感器。设置的这些传感器能够实时监测各部分的压力或者位移数据，为精确的控制驱动系统工作提供数据支持。

第一压力传感器将监测到的实时油压传递至运动控制模块，当第一压力传感器监测到的油压高于预设油压值，则运动控制模块停止对第一伺服电机供电；第二压力传感器将监测到的实时油压传递至运动控制模块，当第二压力传感器监测到的油压高于预设油压值，则运动控制模块停止对第二伺服电机供电。

第一位移传感器监测到的第一辅活塞杆位移信息实时传递至运动控制模块，当第一辅活塞杆到达预先设定的安全位置时，则运动控制模块停止对第一伺服电机供电；第二位移传感器监测到的第二辅活塞杆位移信息实时传递至运动控制模块，当第二辅活塞杆到达预先设定的安全位置时，则运动控制模块停止对第二伺服电机供电。

进一步的，上位机为中心处理器，配有通信接口与人机界面；所述人机界面显示实时负载位置、第一管道内油压、第二管道内油压。

本发明还提供了上述液压伺服驱动系统的控制方法的技术方案，具体为：

设置无杆腔内油压预设值及有杆腔内油压预设值；第一液压油源向无杆腔内泵入液压油直至无杆腔内油压到达预设值，同时第二液压油源同样向有杆腔内泵入液压油直至有杆腔内油压到达预设值。所述过程中工作缸的活塞杆保持静止；

当活塞杆向工作缸体外运动时，第一液压油源向无杆腔内泵入液压油，同时第二液压油源自有杆腔内抽出液压油；

当活塞杆向工作缸体内运动时，第二液压油源向有杆腔内泵入液压油，同时第一液压油源自无杆腔内抽出液压油。

附图说明

图1是本发明液压伺服驱动系统的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明公开了一种液压伺服驱动系统，主要应用于风洞实验中采用的模型内部的驱动需求，也可以应用在其他的需要微型驱动系统且对控制要求比较高的领域。

本发明液压伺服驱动系统包括工作液压缸1、由该工作液压缸1驱动的负载2、第一液压油源3及第二液压油源4。由于适用在风洞实验中，选择的工作液压缸1的直径应在50mm以下，长度应在150mm以下。所述工作液压缸1具有工作缸体11、位于工作缸体内的活塞12及自活塞延伸出工作缸体11并与负载2连接的活塞杆13。其中活塞12将工作缸体11分为两部分，其中没有活塞杆13的部分为无杆腔14、有活塞杆13的部分为有杆腔15。在本实施方式中，采用的工作液压缸为双作用缸，即无杆腔14与有杆腔15内均填充液压油。所述第一液压油源3通过第一管道5连通无杆腔14，第二液压油源4通过第二管道6连通有杆腔15。

进一步的，在本实施方式中，采用液压缸作为液压油源，当然在其他实施方式中，只要能够符合本领域中惯用的提供的液压油源装置也可以实现本实施方式的功能，在此不再赘述。如图1，所述第一液压油源为第一辅液压缸3，第二液压油源为第二辅液压缸4；所述第一辅液压缸3内设有第一辅活塞31及自第一辅活塞延伸的第一辅活塞杆32；第二辅液压缸4内设有第二辅活塞41及自第二辅活塞延伸的第二辅液压杆42。所述第一辅活塞杆连接有第一伺服电机MB，第二辅活塞杆连接有第二伺服电机MA。第一伺服电机MB驱动第一辅液压杆32而将第一辅液压缸3的液压油压入无杆腔14、或将无杆腔14内的液压油抽回第一辅液压缸3。第二伺服电机MA驱动第二辅液压杆42而将第二辅液压缸4的液压油压入有杆腔15、或将有杆腔15内的液压油抽回第一辅液压缸4。所述第一辅活塞杆32连接有第一位移传感器SB，第二辅活塞杆42连接有第二位移传感器SA。本系统中，还设有监测第一管道5内油压的第一压力传感器PB、监测第二管道6内油压的第二压力传感器PA。本实施方式中的第一管道5及第二管道6均采用高压软管。高压软管适应复杂的安装环境，对整体液压伺服驱动系统的布置提供了便利，能满足风洞条件等严苛布置需求。该液压伺服驱动系统在具体使用时，首先向有杆腔15与无杆腔14内同时施加压力而使有杆腔15和无杆腔14内的残余空气处于高度压缩状态，该施加的压力称为“背景压力”。当背景压力达到预设值时，两电机同时停止。

本液压伺服驱动系统还设有监测负载运动的主位移传感器7、运动控制模块及连接运动控制模块的上位机，上位机为中心处理器，配有通信接口与人机界面；所述人机界面显示实时负载位置、第一管道内油压、第二管道内油压。所述运动控制模块同时连接第一位移传感器SB、第二位移传感器SA、第一伺服电机MB、第二伺服电机MA、第一压力传感器PB、第二压力传感器PA、主位移传感器7。这些传感器及运动控制模块能够对液压伺服驱动系统的整体进行，第一压力传感器PB将监测到的实时油压传递至运动控制模块，当第一压力传感器PB监测到的油压高于预设油压值，则运动控制模块停止对第一伺服电机MB供电以保护第一管道5及工作液压缸1。同样的，第二压力传感器PA将监测到的实时油压传递至运动控制模块，当第二压力传感器PA监测到的油压高于预设油压值，则运动控制模块停止对第二伺服电机MA供电。第一位移传感器SB监测到的第一辅活塞杆32位移信息实时传递至运动控制模块，当第一辅活塞杆32到达预先设定的安全位置时，则运动控制模块停止对第一伺服电机MB供电以保护第一管道5及工作液压缸1。同样的，第二位移传感器监测到的第二辅活塞杆42位移信息实时传递至运动控制模块，当第二辅活塞杆42到达预先设定的安全位置时，则运动控制模块停止对第二伺服电机MA供电。

而本实施方式中公开的该液压伺服驱动系统的控制方法为：

设置无杆腔14内油压预设值及有杆腔15内油压预设值；第一辅液压缸3向无杆腔14内泵入液压油直至无杆腔14内油压到达预设值，同时第二辅液压缸4同样向有杆腔15内泵入液压油直至有杆腔15内油压到达预设值。所述过程中工作缸1中的活塞杆12应保持静止。

当活塞杆13向工作缸体11外运动时，即对负载2输出推力。第一辅液压缸3向无杆腔14内泵入液压油，同时第二辅液压缸4自有杆腔15内抽出液压油。

当活塞杆13向工作缸体11内运动时，即对负载2产生拉力。第二辅液压缸4向有杆腔15内泵入液压油，同时第一辅液压缸3自无杆腔14内抽出液压油。

本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种液压伺服驱动系统，包括工作液压缸、由该工作液压缸驱动的负载；所述工作液压缸具有工作缸体、位于工作缸体内的活塞及自活塞延伸出工作缸体并与负载连接的活塞杆；其中活塞将工作缸体分为两部分，其中没有活塞杆的部分为无杆腔、有活塞杆的部分为有杆腔；无杆腔与有杆腔内均填充液压油，其特征在于：还包括第一液压油源及第二液压油源；所述第一液压油源通过第一管道连通无杆腔，第二液压油源通过第二管道连通有杆腔；

所述第一液压油源为第一辅液压缸，第二液压油源为第二辅液压缸；所述第一辅液压缸内设有第一辅活塞及自第一辅活塞延伸的第一辅活塞杆；第二辅液压缸内设有第二辅活塞及自第二辅活塞延伸的第二辅活塞杆；所述第一辅活塞杆连接有第一伺服电机，第二辅活塞杆连接有第二伺服电机；第一伺服电机驱动第一辅活塞杆而将第一辅液压缸的液压油压入无杆腔、或将无杆腔内的液压油抽回第一辅液压缸；第二伺服电机驱动第二辅活塞杆而将第二辅液压缸的液压油压入有杆腔、或将有杆腔内的液压油抽回第二辅液压缸；所述第一辅活塞杆连接有第一位移传感器，第二辅活塞杆连接有第二位移传感器。

2.根据权利要求1所述的液压伺服驱动系统，其特征在于：还设有监测第一管道内油压的第一压力传感器、监测第二管道内油压的第二压力传感器。

3.根据权利要求2所述的液压伺服驱动系统，其特征在于：还设有监测负载运动的主位移传感器。

4.根据权利要求3所述的液压伺服驱动系统，其特征在于：还设有运动控制模块及连接运动控制模块的上位机；所述运动控制模块同时连接第一位移传感器、第二位移传感器、第一伺服电机、第二伺服电机、第一压力传感器、第二压力传感器、主位移传感器。

5.根据权利要求4所述的液压伺服驱动系统，其特征在于：第一压力传感器将监测到的实时油压传递至运动控制模块，当第一压力传感器监测到的油压高于预设油压值，则运动控制模块停止对第一伺服电机供电；第二压力传感器将监测到的实时油压传递至运动控制模块，当第二压力传感器监测到的油压高于预设油压值，则运动控制模块停止对第二伺服电机供电。

6.根据权利要求4所述的液压伺服驱动系统，其特征在于：第一位移传感器监测到的第一辅活塞杆位移信息实时传递至运动控制模块，当第一辅活塞杆到达预先设定的安全位置时，则运动控制模块停止对第一伺服电机供电；第二位移传感器监测到的第二辅活塞杆位移信息实时传递至运动控制模块，当第二辅活塞杆到达预先设定的安全位置时，则运动控制模块停止对第二伺服电机供电。

7.根据权利要求4所述的液压伺服驱动系统，其特征在于：上位机为中心处理器，配有通信接口与人机界面；所述人机界面显示实时负载位置、第一管道内油压、第二管道内油压。

8.一种对权利要求1至7中任一项所述液压伺服驱动系统的控制方法，其特征在于：

设置无杆腔内油压预设值及有杆腔内油压预设值；第一液压油源向无杆腔内泵入液压油直至无杆腔内油压到达预设值，同时第二液压油源向有杆腔内泵入液压油直至有杆腔内油压到达预设值；在该过程中工作液压缸的活塞杆保持静止；

当活塞杆向工作缸体外运动时，第一液压油源向无杆腔内泵入液压油，同时第二液压油源自有杆腔内抽出液压油；

当活塞杆向工作缸体内运动时，第二液压油源向有杆腔内泵入液压油，同时第一液压油源自无杆腔内抽出液压油。