CN107524649A - 一种液压伺服油缸同步加载的装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液压伺服油缸同步加载的装置，包括：液压伺服油缸、试验工装、伺服控制系统、位移传感器、载荷传感器。位移传感器及载荷传感器分别与伺服控制系统连接，位移传感器及载荷传感器均设置于液压伺服油缸内，试验工装设置于试验机上，通过液压伺服油缸的载荷输出进行试件的伺服加载试验。所述装置可以有效的解决两个油缸或多个油缸(相同或者相对方向)同步运动时载荷的均匀分配。一种液压伺服油缸同步加载的控制方法，有效解决了不同输出能量的油缸在同步加载过程中载荷的协调性，解决了多个伺服油缸协调加载的关键问题。

Description

一种液压伺服油缸同步加载的装置及控制方法

技术领域

本发明涉及液压伺服加载系统领域，具体而言，涉及一种液压伺服油缸同步加载的装置及控制方法。

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。

在液压伺服加载系统中经常会利用到多个伺服油缸同时对某个试件进行加载，尤其是当加载的载荷较大时，利用多个油缸加载可以解决液压加载系统的设计和制造的难度，同时也可以大大节约制造成本，但是在加载的过程中，如果没有有效的解决同步的问题，会造成能源的大量浪费，降低试验的精度，严重的情况还会出现试件发生倾斜和翻转，各个伺服加载油缸产生很大的多余力等情况。

双缸或多个伺服油缸同时推动一套试验工装产生水平运动(位移控制模式)，由试验工装完成对试件的载荷的施加，工装系统设计时的刚度一般均按照高标准设计的，因此刚度较大，变形很小，当油缸运动位移不同步时，会产生一个很大的多余力，该多余力被工装系统内部消耗，并不能有效的通过工装作用到试件上，当多余力过大时可能会损坏工装及实验设备或使运动发生偏转。

现在市场上生产的类似设备，单从控制实现方法和原理上具有一定可行性，但是从工程实现上具有较难攻破的实际问题，首先任何加载设备哪怕控制精度再高，也会出现误差，但是如果加载对象的刚度足够大，控制误差会产生很大的多余力。所谓的多通道加载并没有完全实现1+1＝2的设想，没有在实际中很好的解决协调加载的关键问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种液压伺服油缸同步加载的装置，所述装置可以有效的解决两个油缸或多个油缸(相同或者相对方向)同步运动时载荷的均匀分配。

本发明的第二目的在于提供一种液压伺服油缸同步加载的控制方法，所述方法有效解决不同输出能量的油缸在同步加载过程中载荷的协调性，解决了多个伺服油缸协调加载的关键问题。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明实施例提供了一种液压伺服油缸同步加载的装置，包括：

液压伺服油缸、试验工装、伺服控制系统、位移传感器、载荷传感器。

位移传感器及载荷传感器分别与伺服控制系统连接，位移传感器及载荷传感器均设置于液压伺服油缸内，试验工装设置于试验机上，通过液压伺服油缸的载荷输出进行试件的伺服加载试验。

上述的设置方式，使位移传感器和载荷传感器能够及时将位移及载荷数据传输进入伺服控制系统，提高系统的灵敏度。

优选地，伺服控制系统包括荷载控制及位移控制两种模式；本发明中，伺服控制模式为位移控制模式。

载荷控制模式可以是载荷同步，但是横位移速度的运动，根据不同刚度的试件，其运行速度也是不相同的。位移控制模式则不同，一般是通过外部输入的脉冲频率来确定转动的角度，也有些可以通过直接对速度和位移进行赋值。

优选地，液压伺服油缸推动试验工装，产生水平运动。

液压伺服油缸同步推进试验工装水平运动，在运动的过程中，按照一定的速度同步运动，这也体现了液压伺服油缸同步加载的基本形式。

优选地，液压伺服油缸的规格可以相同，也可以不同；个数为2个或多个。

本发明中，对于伺服油缸的设置为双缸或多个伺服油缸同时推动一套试验工装产生水平运动，液压伺服油缸可以选用不同的规格，增加了该装置应用的广适性。多个油缸会利用不同试验的要求选择合适的组合方式提高系统测量的精度。

优选地，液压伺服油缸设置在试验工装的同侧，也可以设置在试验工装的两侧。

该种设置的方式，可以对试件进行不同方式的水平加载。在实际工作过程当中会出现多种油缸组合情况：

同一规格的油缸同步推拉；不同规格的油缸同步推拉；同一规格的油缸拉压并存；不同规格的油缸拉压并存。

优选地，液压伺服油缸结构为单出杆双作用形式。

单出杆双作用形式的伺服油缸只有一端有活塞杆，实现双向运动，故又称为双作用缸。液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动(或摆动运动)的液压执行元件。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。

进一步地，液压伺服油缸包括两个液压油腔。

当设计液压系统结构选型后，油缸输出的载荷与油缸油腔的压力成正比。

进一步地，液压油腔设置有可调节流孔。

伺服油缸内的两个液压油腔，在工作中很容易出现压力不平衡的现象。通过设置的可调节流孔可以进行相互的压力补偿。

本发明实施例提供的所述设备各组件性能优越，具有结构简单，使用寿命长，安装简单，简便易操作等优点。

除了提供一种液压伺服油缸同步加载的装置，本发明实施例还提供了一种采用所述装置进行多个液压伺服油缸同步加载的控制方法，包括如下步骤：

当液压伺服油缸的型号一致时，对伺服控制系统控制算法进行改进，通过软件补偿，设置多个油缸的平均载荷为调整基准，通过补偿算法使各液压伺服油缸输出的载荷一致；

当液压伺服油缸的型号不一致时，液压油腔的可调节流孔通过液压管道连接，通过液压油腔之间不同压力的载荷输出，使各液压伺服油缸输出的载荷一致；

进一步地，当液压伺服油缸在试验工装的两侧设置时，连接方式为交叉连接。

多个伺服油缸同步推进试验工装水平运动，在运动的过程当中，按照一定的速度同步运动，一般高精度伺服控制系统控制精度可以达到0.2％，当水平运动的总位移为1000mm时，控制误差可以保证在2mm的范围内，如果是单个油缸不会出现任何问题，当多个油缸同步运动(不允许偏转)时，2mm的控制误差会产生很大的多余力，这时会发生通常所说的别劲情况，严重时该力可能会超过油缸输出满量程值，损坏载荷传感器或其它关联设备，为了解决该问题我们可以通过以下两种方式进行补偿，达到正常的使用，进而满足试验的要求：

1)伺服控制系统控制算法的改进，通过控制系统软件的补偿，来减弱或消除别劲的情况，避免多余力的产生。

目前伺服控制系统的控制模式基本为两种控制方式：载荷控制及位移控制模式，在本发明中的加载试验均是以位移控制模式来完成的。载荷控制模式可以是载荷同步，但是实现横位移速度的运动根据不同刚度的试件，其运行速度是不相同的，这也是我们选择位移控制模式的原因，而恰恰位移控制模式会产生上述加载不同步的实际问题，以及多余力的产生。为了解决该问题，本发明在软件上做了相关改进，进而消除或削弱多余力。

在位移闭环控制系统内部引进载荷补偿算法，以多个油缸的平均载荷作为调整基准，每个油缸在运动的过程当中均以基准作为补偿来达到消除或削弱多余力的产生，当每个油缸产生的载荷大于平均值时，通过补偿算法会使其向减弱载荷的方式进行局部调整，当伺服油缸产生的载荷小于平均值时，通过补偿算法会使其向增加载荷的方式进行局部调整。通过以上的软件补偿，系统正常工作情况下不会出现过多的多余力产生，基本上可以满足试验的需求。这种补偿方法可以适用于大多数运动系统，其前提是多台油缸的规格型号一致，也就是说每个油缸在相同的压力情况下，载荷的输出是相同的。当大小不一的伺服油缸载荷共同运动时，该补偿方法并不适用。鉴于相同规格实现大载荷的控制设计理念使用的广泛性，该补偿的算法有着很大的应用空间。

2)液压系统增加补偿回路，从原理上避免加载不同步造成多余力的产生。

在实际工作过程当中会出现多种油缸组合情况：

同一规格的油缸同步推拉；不同规格的油缸同步推拉，同一规格的油缸拉压并存；不同规格的油缸拉压并存。

无论哪种情况，液压补偿回路原理都是相同的，均可以避免或减弱运动过程当中产生的多余力。

根据油缸的出力计算公式：

上式当中油缸缸筒直径为D，油缸活塞杆直径为d，油缸工作压力为P

可以看出，当设计液压系统结构选型后，油缸输出的载荷与油缸油腔的压力成正比。

伺服油缸的两个液压油腔通过可调节流孔两两相连，当某个油缸运动过程中油腔的压力过高，液压油会通过节流孔流向其它油缸进而保证两个油缸输出载荷的一致性，进而消除多余力。当在不同侧的油缸进行补偿时，油缸的两腔需要交叉联接。

本发明实施例提供的采用所述装置进行多个液压伺服油缸同步加载的控制方法，利用多台伺服油缸同步加载，具有如下优点：

1)多个油缸利用不同试验的要求选择合适的组合方式来提高系统测量的精度；

2)小型油缸的维修费用低，降低了运行成本；

3)小型油缸方便配置液压管路及过滤器系统，安装简便，运行稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例1中的一种液压伺服油缸同步加载装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1中的伺服油缸的结构示意图。

附图标记：

1-液压伺服油缸；2-试验工装；

3-液压油腔。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

多个液压伺服油缸同步加载的装置具体运行过程如下：

将位移传感器及载荷传感器分别与伺服控制系统连接，并将位移传感器及载荷传感器均设置于液压伺服油缸1内，试验工装2设置于试验机上，通过液压伺服油缸1的载荷输出进行试件的伺服加载试验。

试验过程中，液压伺服油缸推动试验工装，产生水平运动。2个相同规格单出杆双作用的液压伺服油缸设置于试验工装同侧，其中伺服油缸内包括两个液压油腔3。

对伺服控制系统控制算法进行改进，通过软件补偿，设置多个油缸的平均载荷为调整基准，通过补偿算法使各液压伺服油缸输出的载荷一致。每个油缸在运动的过程当中均以基准作为补偿来达到消除或削弱多余力的产生，当每个油缸产生的载荷大于平均值时，通过补偿算法会使其向减弱载荷的方式进行局部调整，当伺服油缸产生的载荷小于平均值时，通过补偿算法会使其向增加载荷的方式进行局部调整，通过以上的软件补偿，系统正常工作情况下不会出现过多的多余力产生，基本上可以满足试验的需求。具体结构如图1-2所示。

实施例2

将位移传感器及载荷传感器分别与伺服控制系统连接，并将位移传感器及载荷传感器均设置于液压伺服油缸内，试验工装设置于试验机上，通过液压伺服油缸的载荷输出进行试件的伺服加载试验。

试验过程中，液压伺服油缸推动试验工装，产生水平运动。3个不同规格单出杆双作用的液压伺服油缸设置于试验工装两侧，其中油缸内包括两个液压油腔。

对两个油缸的两个油腔通过可调节流孔交叉两两相连，当某个油缸在运动的过程中的油腔的压力过高，会通过节流孔流向其它油缸进而保证两个油缸的输出载荷的一致性，进而消除多余力。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (9)

1.一种液压伺服油缸同步加载的装置，其特征在于，包括：

液压伺服油缸、试验工装、伺服控制系统、位移传感器、载荷传感器；

所述位移传感器及载荷传感器分别与所述伺服控制系统连接，所述位移传感器及载荷传感器均设置于所述液压伺服油缸内，所述试验工装设置于试验机上，通过所述液压伺服油缸的载荷输出进行试件的伺服加载试验。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述伺服控制系统包括荷载控制及位移控制两种模式；

优选地，所述控制模式为位移控制模式。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液压伺服油缸对所述试验工装产生推力以使所述试验工装产生水平运动。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液压伺服油缸的规格为相同规格或不同规格；

优选地，所述液压伺服油缸的个数为多个。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液压伺服油缸设置在所述试验工装的同侧，或分别设置在所述试验工装的两侧。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液压伺服油缸为单出杆双作用形式的液压伺服油缸。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液压伺服油缸包含有两个液压油腔。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，每个所述液压油腔上设置有可调节的流孔。

9.采用权利要求1-8任一项所述的装置进行液压伺服油缸同步加载的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(A)当液压伺服油缸的型号一致时，对伺服控制系统控制算法进行改进，通过软件补偿，设置多个油缸的平均载荷为调整基准，通过补偿算法使各液压伺服油缸输出的载荷一致；

(B)当液压伺服油缸的型号不一致时，液压油腔的可调节流孔通过液压管道连接，通过液压油腔之间不同压力的载荷输出，使各液压伺服油缸输出的载荷一致；

优选地，当液压伺服油缸在试验工装的两侧设置时，连接方式为交叉连接。