CN106979181B - 具有双向缓冲和精确力控制的高能效液压伺服油缸 - Google Patents

Abstract

一种具有缓冲和过载保护功能的高度集成液压伺服油缸，包括缸筒，缸筒内设置有活塞杆，活塞杆将缸筒的内腔隔成有杆腔和无杆腔，缸筒上安装有与有杆腔连通的有杆腔端电液伺服阀和有杆腔端蓄能器以及与无杆腔连通的无杆腔端电液伺服阀和无杆腔端蓄能器，缸筒上设置有进出口阀板。上述液压伺服油缸适用于油缸有杆腔和无杆腔都作为有效工作腔的场合。该油缸工作时具有缓冲、吸震功能，可有效保护油缸密封件、电液伺服阀、拉压力传感器和作动对象等不受损坏；可以有效调节伺服油缸进出流量，降低油口内外压差，具有较高的能效值；作动刚度也可实时调节，从而迅速匹配受控负载，使其具有良好的动态性能，能够达到精确的力控制。

Description

具有双向缓冲和精确力控制的高能效液压伺服油缸

技术领域

本发明涉及一种液压伺服油缸，除具有良好的双向缓冲及高频伺服作动功能外，双伺服阀及双蓄能器的加入也使其具有精确的力控制性能及较高的能效性，属于液压伺服传动技术领域。

背景技术

液压伺服油缸具有推力大、质量轻、集成度高、动态响应快、控制精度高等特点，在工程机械、冶金机械、船舶、航空航天、机器人等领域得到广泛应用。但现有液压伺服油缸产品中，均不具有弹性缓冲和过压保护功能，或仅在单腔设置具有微弹簧效应的蓄能器，用来消除单腔的压力冲击。类比动物的肌肉肌腱，其优越的拉伸和收缩性能对于能量的储存与冲击力的被动耗散都起到相当大的作用，而液压油几乎是一种不可压缩性的介质，其冲击性的做功过程耗散大量的能量，且容易造成内部压力瞬间变动巨大，并且对于对称电液伺服阀控制非对称液压缸，其有杆腔和无杆腔油液进、出量是不同的，这势必也会造成过高的能损。因此，从总体上看，由于缺乏全面有效的压力峰值弹性缓冲及时时流量控制，在动作频率高、震动冲击大的工况下极易造成液压伺服油缸密封件、电液伺服阀、传感器或作动对象不同程度的损坏或大大缩短它们的工作寿命，另一方面也降低了系统的作动效率。

现有的伺服油缸大多采用单一伺服阀控制有杆和无杆腔流量，而现有的伺服阀或是比例阀，其带宽都较低，控制上无法维持一种稳定的变刚度效果，造成采用其作为驱动源的足式或其它运动平台在与外界交互作用时产生的较大交互冲击力无法彻底消除，同时作动过程表现为一种“硬性冲击过程”，力控制精度差。

发明内容

本发明针对现有液压伺服油缸在吸收冲击、作动能效、力控制精度等方面的不足，提供一种具有双向缓冲和精确力控制的高能效液压伺服油缸。

本发明的具有双向缓冲和精确力控制的高能效液压伺服油缸，采用了下述技术方案：

该液压伺服油缸，包括缸筒，缸筒内设置有活塞杆，活塞杆将缸筒的内腔隔成有杆腔和无杆腔，缸筒上安装有与有杆腔连通的有杆腔端电液伺服阀和有杆腔端蓄能器以及与无杆腔连通的无杆腔端电液伺服阀和无杆腔端蓄能器，缸筒上设置有进出口阀板，无杆腔端电液伺服阀和有杆腔端电液伺服阀的高压油口与进出口阀板的高压通道连通，无杆腔端电液伺服阀和有杆腔端电液伺服阀的低压油口与进出口阀板的低压通道连通。

所述活塞杆通过前缸盖安装在缸筒内，活塞杆与前缸盖之间设置有端盖端导向环，活塞杆在缸筒内的一端设置有活塞端导向环，另一端伸出缸筒并连接有关节轴承。

所述缸筒在无杆腔的一端设置有拉压力传感器。

所述缸筒上设置有检测活塞杆位移的位移传感器。

所述缸筒中设置有与有杆腔连通的有杆腔补油通道以及与无杆腔连通的无杆腔补油通道，有杆腔补油通道和无杆腔补油通道内均设置补油单向阀。所述有杆腔补油通道和无杆腔补油通道均与进出口阀板的低压通道连通。

上述液压伺服油缸适用于油缸有杆腔和无杆腔都作为有效工作腔的场合。当活塞杆为压缩负载时，油缸无杆腔中液压油受压压力剧增，部分油液进入蓄能器内部，压缩内部气囊，从而起到被动缓冲作用，通过调节蓄能器中的充气压力，可以有效调节进入蓄能器的油液量，从而调节被动缓冲的程度。活塞附加的位移加大了有杆腔的体积，这部分体积所需要的油液由低压回油端油液经过与有杆腔端相连通的补油单向阀来提供。峰值压力被吸收，有效的保护油缸密封件、电液伺服阀、拉压力传感器和作动对象等不受损坏。

当活塞端为拉伸负载时，油缸有杆腔中压油受压压力剧增，同样部分油液进入蓄能器内部，压缩内部气囊，从而起到被动缓冲作用，通过调节蓄能器中的充气压力，可以有效调节进入蓄能器的油液量，从而调节被动缓冲的程度。活塞附加的位移加大了活塞无杆腔的体积，这部分体积所需要的油液由低压回油端油液经过与无杆腔端相连通的补油单向阀来提供。峰值压力被吸收，有效的保护油缸密封件、电液伺服阀、拉压力传感器和作动对象等不受损坏。

有杆腔和无杆腔两端的电液伺服阀通过伺服两腔的流量，加上蓄能器的作用，其效果可以拟比成双弹簧质量块，使缸体整体表现出良好的可变刚性和弹性性能，从而提高了伺服液压缸的负载匹配跟随性及柔性。通过将位移传感器和拉压力传感器的输出信号引入控制系统中，可实现对液压伺服油缸位移和输出力的闭环伺服控制。

本发明具有以下特点：

1.有杆腔和无杆腔端同时装有吸收压力峰值的蓄能器，工作时具有缓冲、吸震功能，可有效保护油缸密封件、电液伺服阀、拉压力传感器和作动对象等不受损坏；

2.由于有杆腔和无杆腔端同时装有电液伺服阀，可以有效调节伺服油缸进出流量，降低油口内外压差，具有较高的能效值；

3.由于有杆腔和无杆腔端同时装有电液伺服阀和蓄能器，类比加入了较可靠的弹性作动环节，作动刚度也可时时调节，从而迅速匹配受控负载，使其具有良好的动态性能，能够达到精确的力控制。

4.体积小、质量轻，可用于动作频率高、安装空间狭小的工作场合。

附图说明

图1是本发明具有双向缓冲和精确力控制的高能效液压伺服油缸的外部结构示意图。

图2是本发明另一侧的外部结构示意图。

图3是本发明的纵向剖视图。

图4是本发明中补油孔处局部剖视图。

图5是本发明中缸筒上油孔的分布示意图。

图6是本发明的液压工作原理图。

图中:1.有杆腔端电液伺服阀，2.有杆腔端蓄能器，3.固定座，4.缸筒，5.前缸盖，6.关节轴承，7.防扭硬性支撑导杆，8.防扭硬性支撑导套，9.位移传感器，10.阀板，11.无杆腔端电液伺服阀，12.位移传感器固定板，13.固定座 14.无杆腔端蓄能器，15.拉压力传感器，16.关节轴承，17.安装盖，18.防尘密封圈，19.组合密封，20.O型圈，21.端盖端导向环，22.活塞杆，23.活塞端导向环，24.组合密封垫，25.堵油胀塞，26.有杆腔端补油单向阀，27.有杆腔，28.无杆腔，29.无杆腔端补油单向阀；

401.无杆腔蓄能连通油孔，402.无杆腔控制连通油孔，403.无杆腔高压连通油孔，404.阀板高压连通油孔，405.有杆腔低压连通油孔，406.有杆腔高压连通油孔，407.有杆腔控制连通油孔，408.有杆腔蓄能连通油孔，409.有杆腔低压相连补油孔，410.有杆腔端油孔，411.阀板低压连通油孔，412.无杆腔端油孔，413.无杆腔低压相连补油孔，414.无杆腔低压连通油孔。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明的具有双向缓冲和精确力控制的高能效液压伺服油缸，包括缸筒4，缸筒4内设置有活塞杆22，参见图3，活塞杆22通过前缸盖5安装在缸筒4内，前缸盖5与缸筒4之间设置有O型圈20，活塞杆22与前缸盖5之间设置有防尘密封圈18、组合密封垫9和端盖端导向环21。活塞杆22在缸筒4内的一端设置有活塞端导向环23和组合密封垫24，另一端伸出缸筒4并连接有关节轴承6。活塞杆22将缸筒4隔成有杆腔27和无杆腔28两部分(参见图6)，缸筒4在无杆腔端设置有关节轴承16，缸筒4与关节轴承16之间设置有拉压力传感器15。

缸筒4上在有杆腔一侧安装有杆腔端电液伺服阀1和有杆腔端蓄能器2，蓄能器2通过固定座3安装在缸筒4上，有杆腔端电液伺服阀1和固定座3均与有杆腔27连通，用于连通的工艺孔通过堵油胀塞25封堵。

缸筒4上在无杆腔一侧安装有无杆腔端电液伺服阀11和无杆腔端蓄能器14，蓄能器14通过固定座13安装在缸筒4上，无杆腔端电液伺服阀11和无杆腔端蓄能器14均与无杆腔28连通。固定座3和固定座13与缸筒4之间的油口、蓄能器2与固定座3之间的油口以及蓄能器14与固定座13之间的油口均采用O型圈密封。缸筒4上还设置有位移传感器固定板12，位移传感器固定板12与前缸盖5之间安装有位移传感器9及防扭硬性支撑导杆7，防扭硬性支撑导杆7上套装有防扭硬性支撑导套8。

缸筒4上设置有进出口阀板10，以连通外界液压源。无杆腔端电液伺服阀11和有杆腔端电液伺服阀14的高压油口与进出口阀板10的高压通道连通，无杆腔端电液伺服阀11和有杆腔端电液伺服阀14的低压油口与进出口阀板10的低压通道连通。

缸筒4中在有杆腔端设置有与有杆腔27连通的有杆腔补油通道，有杆腔补油通道内设置有杆腔端单向补油阀26(参见图3)，有杆腔端单向补油阀26通过安装盖17安装(参见图2)。在无杆腔端设置有与无杆腔28连通的补油通道，补油通道内安装无杆腔端单向补油阀29。各连接口处采用O型圈密封。

根据缸筒4上设置的部件，在缸筒4上分布有与各部件连通的油孔，如图4所示，包括无杆腔蓄能连通油孔401、无杆腔控制连通油孔402、无杆腔高压连通油孔403、阀板高压连通油孔404、有杆腔低压连通油孔405、有杆腔高压连通油孔406、有杆腔控制连通油孔407、有杆腔蓄能连通油孔408、有杆腔低压相连补油孔409、有杆腔端与有杆腔相连油孔410、阀板低压连通油孔411、无杆腔端与有杆腔相连油孔412、无杆腔低压补油孔413和无杆腔低压连通油孔414。无杆腔蓄能连通油孔401用于连接无杆腔端蓄能器14。无杆腔控制连通油孔402、无杆腔高压连通油孔403和无杆腔低压连通油孔414用于分别连接无杆腔端电液伺服阀11的控制油口、高压通道和低压通道。有杆腔蓄能连通油孔408用于连接有杆腔端蓄能器2。有杆腔控制连通油孔407、有杆腔高压连通油孔406和有杆腔低压连通油孔405用于分别连接有杆腔端电液伺服阀1的控制油口、高压通道和低压通道。阀板高压连通油孔404和阀板低压连通油孔411分别与进出口阀板10的高压油口和低压油口连通，作为主油孔连通外界液压源。无杆腔高压连通油孔403、阀板高压连通油孔404和有杆腔高压连通油孔406相通，有杆腔低压连通油孔405、阀板低压连通油孔411和无杆腔低压连通油孔414相通。有杆腔低压相连补油孔409和有杆腔端油孔410将进出口阀板10的低压通道与有杆腔27连通，无杆腔端油孔412和无杆腔低压相连补油孔413将进出口阀板10的低压通道与无杆腔28相连通，且在有杆腔端油孔410和无杆腔端油孔412中分别嵌装有杆腔补油端单向阀26和无杆腔补油端单向阀29，使系统仅能单向补油。

如图6所示，有杆腔端电液伺服阀1和无杆腔端电液伺服阀11类比为三位三通电磁换向阀，图中P、T分别代表高压进油路与低压回油路。当无杆腔端电液伺服阀11处于右位时，高压油通过进出口阀板10经过阀板高压连通油孔404进入无杆腔端电液伺服阀11，经过电液伺服阀体内部的节流通道流入无杆腔控制连通油孔402，进一步通过无杆腔蓄能连通油孔401，一方面进入无杆腔28，一方面作用在无杆腔端蓄能器14上，比较无杆腔端蓄能器14的内部充气压力来决定其冲、放油液。通过调节作用在无杆腔端电液伺服阀11上的电流或是电压值，可以调节阀芯的开口量，进而调节进入无杆腔28的流量和压力。此时，控制有杆腔端电液伺服阀1应处于左位，使有杆腔27与低压回油路T连通，从而无杆腔28内的高压油液推动活塞杆22伸出，压缩有杆腔27的体积，其内部的油液通过有杆腔蓄能连通油孔408和有杆腔控制连通油孔407进入到有杆腔端电液伺服阀1的内部，进而通过有杆腔低压连通油孔405和阀板低压连通油孔411和进出口阀板10流入液压系统的下级设备，活塞杆22的伸出动作完成。通过调节作用在有杆腔端电液伺服阀1上的电流或是电压值来调节阀芯的开口量，进而调节流出流量和流出压力，从而可以实时调节伺服液压缸的作动刚度，实时响应外负载的变化，位移传感器8时时响应活塞杆22的伸出量，拉压力传感器15时时响应伺服液压缸的作动力，两者作为反馈信号可以精确的控制伺服液压缸的位置输出和力输出，从而获得精确的力/位伺服控制。由于双端电液伺服阀的控制，对于非对称液压缸两端的进、出流量也可以对等，有效的降低了无杆腔端油口端压力差值，从而提高了做动效率。两端电液伺服阀位于同以上所述的相反位时，完成活塞杆22的回缩动作，工作过程与上述类似。

当两端电液伺服阀都位于中位时，有杆腔27和无杆腔28进出口油路封堵住，此时如果作用于活塞杆22上的负载力突变，例如负载压力突然增大，造成无杆腔28的压力陡增，有杆腔27的压力陡降，当压力超过无杆腔端蓄能器14的充气压力时，油液流入无杆腔端蓄能器14中，无杆腔28内部油液与无杆腔端蓄能器14内部气体压力相等时达到动态平衡，油液不再流入。活塞杆22在此动态过程中得以缩进，从而起到缓冲效果，减小了作动压力峰值，保护了内部敏感器件免受冲击的影响。活塞杆22的回缩导致的有杆腔27容积增大，此时回补油液通过有杆腔端油孔410、有杆腔端补油单向阀26、有杆腔低压相连补油孔409进入有杆腔27，避免空穴现象的出现。当活塞杆22受拉力负载时的动态过程与前者类似。通过改变两端蓄能器的容积和充气压力，能有效调节活塞杆22的缓冲量及作动弹性。

Claims (1)

1.一种具有双向缓冲和精确力控制的高能效液压伺服油缸，包括缸筒，缸筒内设置有活塞杆，活塞杆将缸筒的内腔隔成有杆腔和无杆腔，其特征是：缸筒上安装有与有杆腔连通的有杆腔端电液伺服阀和有杆腔端蓄能器以及与无杆腔连通的无杆腔端电液伺服阀和无杆腔端蓄能器，缸筒上设置有进出口阀板，无杆腔端电液伺服阀和有杆腔端电液伺服阀的高压油口与进出口阀板的高压通道连通，无杆腔端电液伺服阀和有杆腔端电液伺服阀的低压油口与进出口阀板的低压通道连通；

所述活塞杆通过前缸盖安装在缸筒内，活塞杆与前缸盖之间设置有端盖端导向环，活塞杆在缸筒内的一端设置有活塞端导向环；

所述缸筒在无杆腔的一端设置有拉压力传感器；

所述缸筒上设置有检测活塞杆位移的位移传感器；

所述缸筒中设置有与有杆腔连通的有杆腔补油通道以及与无杆腔连通的无杆腔补油通道，有杆腔补油通道和无杆腔补油通道内均设置补油单向阀；所述有杆腔补油通道和无杆腔补油通道均与进出口阀板的低压通道连通。