CN108457926B - 力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器，包括伺服电机、液压泵、液压缸、力传感器和控制器，其中，伺服电机、液压泵、液压缸、力传感器和控制器依次连接；控制器与伺服电机连接，控制器发送电机控制信号至伺服电机；伺服电机带动液压泵进行正转和反转；液压泵控制液压缸对负载进行加载；力传感器检测液压缸输出的力，形成力反馈信号并将力反馈信号传送至控制器；以及控制器接收力传感器传送的力反馈信号，并根据力反馈信号调整伺服电机的转速。

Description

力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器

技术领域

本公开涉及电液伺服控制的技术领域，尤其涉及一种力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器。

背景技术

作动器的力加载在工业中有着非常广泛的应用，如结构加载试验、工业机器人、机床以及外骨骼机器人等都需要进行力的加载控制，而现有的液压加载多采用传统的集中泵源供能，液压管路进行能量传递，阀控液压缸进行作动加载，这种加载方式存在液压管路冗杂、不利于作动器布置、系统能量消耗大等问题。

例如，在飞机全机结构加载试验中，需要对飞机结构进行静力加载和疲劳加载，而传统的加载方式管路冗长复杂，不利于加载构型的改变，同时由于试验时间长，能量消耗大的问题尤为凸显。在工业机器人和外骨骼机器人中，对高动态的紧凑、高效的作动系统有着非常高的需求，而传统的加载方式，能量利用率低造成发热量大，因而需要对系统进行散热设计，且由于采用液压管路进行能量传递，也需要更高要求的液压接头与管路，这些问题都严重制约着液压作动器的应用。

发明内容

为了解决至少一个上述技术问题，本公开提出一种力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器及其控制方法。

根据本公开的一个方面，一种力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器，包括伺服电机、液压泵、液压缸、力传感器和控制器，

伺服电机、液压泵、液压缸、力传感器和控制器依次连接；

控制器与伺服电机连接，控制器发送电机控制信号至伺服电机；

伺服电机带动液压泵进行正转和反转；

液压泵控制液压缸对负载进行加载；

力传感器检测液压缸输出的力，形成力反馈信号并将力反馈信号传送至控制器；以及

控制器接收力传感器传送的力反馈信号，并根据力反馈信号调整伺服电机的转速。

根据本公开的至少一个实施方式，液压泵包括正向腔室和反向腔室，液压缸包括正向腔室和反向腔室，

液压泵的正向腔室连接液压缸的正向腔室，液压泵的反向腔室连接液压缸的反向腔室。

根据本公开的至少一个实施方式，液压泵正转控制液压缸进行正向加载，液压泵反转控制液压缸进行反向加载。

根据本公开的至少一个实施方式，还包括蓄能器、阀块和阀组，

蓄能器和阀组配置在阀块的侧方，伺服电机和液压泵配置在阀块的上方，液压缸配置在阀块的下方，

蓄能器用于补充油压，阀组用于维持作动器的安全运行，阀块用于连接蓄能器、阀组、伺服电机、液压泵和液压缸。

根据本公开的至少一个实施方式，阀组包括溢流阀和旁通阀，溢流阀用于减小油压，旁通阀用于快速卸载压力。

根据本公开的另一方面，一种力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器的控制方法，包括：

当伺服电机正转时，包括以下步骤：

S11通过电缆向伺服电机发送初始力信号；

S12伺服电机正转带动液压泵正转；

S13液压缸的反向腔室内的油液进入液压泵的正向腔室；

S14蓄能器中的油液进入液压泵；

S15液压泵的正向腔室内的油液输入液压缸的正向腔室；

S16液压缸输出正向加载力，力传感器检测正向加载力，形成力反馈信号并将力反馈信号传送至控制器；以及

S17控制器接收力反馈信号，并将力反馈信号与初始力信号进行比较，根据比较得到的差值调节伺服电机的转速，

当伺服电机反转时，包括以下步骤：

S21通过电缆向伺服电机发送初始力信号；

S22伺服电机反转带动液压泵反转；

S23液压缸的正向腔室内的部分油液进入液压泵的反向腔室；

S24液压缸的正向腔室内的部分油液进入蓄能器；

S25液压泵的反向腔室内的油液输入液压缸的反向腔室；

S26液压缸输出反向加载力，力传感器检测反向加载力，形成力反馈信号并将力反馈信号传送至控制器；以及

S27控制器接收力反馈信号，并将力反馈信号与初始力信号进行比较，根据比较得到的差值调节伺服电机的转速。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开的至少一个具体实施方式的力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器的结构示意图。

图2是根据本公开的至少一个具体实施方式的力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

本公开中，力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器是一种基于功率电传的一体化的泵控作动系统，由电缆进行能量传输，伺服电机、液压泵、液压缸等构成一体化设计。

力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器包括伺服电机、液压泵、液压缸、力传感器和控制器，伺服电机、液压泵、液压缸、力传感器和控制器依次连接；控制器与伺服电机连接，控制器发送电机控制信号至伺服电机；伺服电机带动液压泵进行正转和反转；液压泵控制液压缸对负载进行加载；力传感器检测液压缸输出的力，形成力反馈信号并将力反馈信号传送至控制器；控制器接收力传感器传送的力反馈信号，并根据力反馈信号调整伺服电机的转速。

液压泵包括正向腔室和反向腔室，液压缸包括正向腔室和反向腔室，液压泵的正向腔室连接液压缸的正向腔室，液压泵的反向腔室连接液压缸的反向腔室。

液压泵正转控制液压缸进行正向加载，液压泵反转控制液压缸进行反向加载。

力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器还包括蓄能器、阀块和阀组，蓄能器和阀组配置在阀块的侧方，伺服电机和液压泵配置在阀块的上方，液压缸配置在阀块的下方，蓄能器用于补充油压，阀组用于维持作动器的安全运行，阀块用于连接蓄能器、阀组、伺服电机、液压泵和液压缸。

阀组包括溢流阀和旁通阀，溢流阀用于减小油压，旁通阀用于快速卸载压力。

力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器的控制方法，包括：

当伺服电机正转时，包括以下步骤：

S11通过电缆向伺服电机发送初始力信号；

S12伺服电机正转带动液压泵正转；

S13液压缸的反向腔室内的油液进入液压泵的正向腔室；

S14蓄能器中的油液进入液压泵；

S15液压泵的正向腔室内的油液输入液压缸的正向腔室；

S16液压缸输出正向加载力，力传感器检测正向加载力，形成力反馈信号并将力反馈信号传送至控制器；以及

S17控制器接收力反馈信号，并将力反馈信号与初始力信号进行比较，根据比较得到的差值调节伺服电机的转速，

当伺服电机反转时，包括以下步骤：

S21通过电缆向伺服电机发送初始力信号；

S22伺服电机反转带动液压泵反转；

S23液压缸的正向腔室内的部分油液进入液压泵的反向腔室；

S24液压缸的正向腔室内的部分油液进入蓄能器；

S25液压泵的反向腔室内的油液输入液压缸的反向腔室；

S26液压缸输出反向加载力，力传感器检测反向加载力，形成力反馈信号并将力反馈信号传送至控制器；以及

S27控制器接收力反馈信号，并将力反馈信号与初始力信号进行比较，根据比较得到的差值调节伺服电机的转速。

在本公开的一个可选实施方式中，如图1所示，力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器由控制器、伺服电机、液压泵、液压缸、力传感器、以及连接在液压泵和液压缸之间的蓄能器、溢流阀、旁通阀组成。

液压泵和液压缸均有正向腔室及反向腔室，液压泵的正向腔室连接液压缸的正向腔室，构成作动器的正向加载路线，液压泵的反向腔室连接液压缸的反向腔室，构成作动器的反向加载路线。

在本公开的一个可选实施方式中，力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器还包括2个溢流阀(如图1所示)，均配置在正向加载路线和反向加载路线之间，分别用于降低正向加载路线的油压和反向加载路线的油压，当作动器正向加载路线或反向加载路线中的压力超过溢流阀的设定压力时，则溢流阀打开，防止作动器过载引起损坏；旁通阀也配置在正向加载路线和反向加载路线之间，用于快速卸载压力，旁通阀为常开式，通电时旁通阀关闭，作动器开始正常工作，断电时，液压缸的正向腔室和反向腔室导通，卸载压力，液压缸无作动力输出，从而保证作动器的安全。

液压缸的液压杆的两端均可连接负载(图1仅示出其中一端连接有负载)，液压缸的液压杆的其中一端配置有力传感器，用于检测正向加载力或反向加载力的大小，并生成力反馈信号且将力反馈信号传送至控制器。

如图1和2所示，力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器还配置有阀块，阀块可以是一个连接机构，伺服电机和液压泵固定连接后安装在阀块的上方，液压缸安装在阀块的下方，蓄能器、溢流阀和旁通阀均安装在阀块的侧方(图2仅示出了蓄能器，而溢流阀和旁通阀被遮挡)。

在本公开的一个实施方式中，当作动器运行正向加载路线时，首先向控制器发送一个初始力信号指令，控制器根据该指令生成伺服电机的控制信号。设置伺服电机的初始转速，伺服电机由电缆提供能量，以初始转速开始进行正方向运转。伺服电机的正转带动液压泵正转，液压缸反向腔室的油液进入液压泵的正向腔室。若油压未到设定压力，则蓄能器中的油液也同时进入液压泵的正向腔室以补充油压。在伺服电机的带动下液压泵正向腔室的油液输入液压缸的正向腔室，并进一步对负载进行正向加载。

在本公开的一个实施方式中，当作动器运行反向加载路线时，伺服电机进行反方向运转，伺服电机的反转并带动液压泵反转。液压缸正向腔室的部分油液进入液压泵的反向腔室，液压缸正向腔室的部分油液也同时进入蓄能器。若油压未到设定压力，则蓄能器中的油液也同时进入液压泵的反向腔室补充油压。在电机的带动下液压泵反向腔室的油液输入液压缸的反向腔室，并对负载进行反向加载。

配置在作动器一端的力传感器检测到正向加载力或反向加载力的大小，并生成力反馈信号传送至控制器。控制器接收到力反馈信号以后，将其与初始力信号进行比较，判断作动器的输出力与初始设定的力是否有偏差，根据差值重新设置电机控制信号，调整伺服电机的转速，以保证作动器力指令的精确输出。

在本公开中，通过电缆代替传统的液压管路进行能量的传递，克服了液压管路冗杂、系统能量消耗巨大的弊端，使作动器布置更灵活、方便，可应用在飞机结构加载、工业机器人、外骨骼机器人、工业机床等多个领域。

而且，在本公开中，使用伺服电机直接带动液压泵控制液压缸，替代阀控液压缸的加载方式，提高了能量利用率，实现了力载荷的高动态输出，还可以降低系统发热。

此外，在本公开中，配置力传感器实时检测输出力并形成力闭环，实现力的伺服控制，确保了力的精确输出，避免了节流损失。

综上所述，本公开的基于功率电传的力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器及其控制方法中，通过电缆代替液压管路进行能量传递，液压泵直接控制液压缸进行力加载的一体化作动器，具有灵活布置、能量利用率高、系统动态高等优点，是解决现有的阀控液压缸进行力加载所面临的问题很好的途径。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (3)

1.一种力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器，其特征在于，包括伺服电机、液压泵、液压缸、力传感器和控制器，

所述伺服电机、所述液压泵、所述液压缸、所述力传感器和所述控制器依次连接；

所述控制器与所述伺服电机连接，所述控制器发送电机控制信号至所述伺服电机；

所述伺服电机带动所述液压泵进行正转和反转；

所述液压泵控制所述液压缸对负载进行加载；

所述力传感器检测所述液压缸输出的力，形成力反馈信号并将所述力反馈信号传送至所述控制器；

所述控制器接收所述力传感器传送的所述力反馈信号，并根据所述力反馈信号调整所述伺服电机的转速；

所述液压泵包括正向腔室和反向腔室，所述液压缸包括正向腔室和反向腔室，

所述液压泵的正向腔室连接所述液压缸的正向腔室，所述液压泵的反向腔室连接所述液压缸的反向腔室；

所述液压泵正转控制所述液压缸进行正向加载，所述液压泵反转控制所述液压缸进行反向加载；

还包括蓄能器、阀块和阀组，所述蓄能器和所述阀组配置在所述阀块的侧方，所述伺服电机和所述液压泵配置在所述阀块的上方，所述液压缸配置在所述阀块的下方，

所述蓄能器用于补充油压，所述阀组用于维持所述作动器的安全运行，所述阀块用于连接所述蓄能器、所述阀组、所述伺服电机、所述液压泵和所述液压缸。

2.根据权利要求1所述的作动器，其特征在于，所述阀组包括溢流阀和旁通阀，所述溢流阀用于减小油压，所述旁通阀用于快速卸载压力。

3.一种控制方法，其特征在于，包括：如权利要求1或2所述的力控制电动静液一体化泵控对称缸作动器；

当所述伺服电机正转时，包括以下步骤：

S11通过电缆向所述伺服电机发送初始力信号；

S12所述伺服电机正转带动所述液压泵正转；

S13所述液压缸的反向腔室内的油液进入所述液压泵的正向腔室；

S14蓄能器中的油液进入所述液压泵；

S15所述液压泵的正向腔室内的油液输入所述液压缸的正向腔室；

S16所述液压缸输出正向加载力，所述力传感器检测所述正向加载力，形成所述力反馈信号并将所述力反馈信号传送至所述控制器；以及

S17所述控制器接收所述力反馈信号，并将所述力反馈信号与所述初始力信号进行比较，根据比较得到的差值调节所述伺服电机的转速，

当所述伺服电机反转时，包括以下步骤：

S21通过电缆向所述伺服电机发送初始力信号；

S22所述伺服电机反转带动所述液压泵反转；

S23所述液压缸的正向腔室内的部分油液进入所述液压泵的反向腔室；

S24所述液压缸的正向腔室内的部分油液进入所述蓄能器；

S25所述液压泵的反向腔室内的油液输入所述液压缸的反向腔室；

S26所述液压缸输出反向加载力，所述力传感器检测所述反向加载力，形成所述力反馈信号并将所述力反馈信号传送至所述控制器；以及

S27所述控制器接收所述力反馈信号，并将所述力反馈信号与所述初始力信号进行比较，根据比较得到的差值调节所述伺服电机的转速。

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