CN111946674A - 用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置及设计方法 - Google Patents

用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置及设计方法，装置包括二级等速双作用油缸、平衡蓄能器、手动转阀、电磁球阀；该装置采用油缸作为平衡机构平衡大负载悬臂伺服机构中存在的不平衡重力矩，多个蓄能器分别在不同的角度平衡重力矩且每个角度只有一个蓄能器起主要平衡作用。本系统对于提高大负载悬臂伺服机构的运动控制精度具有重要意义。

Description

用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置及设计方法
技术领域
本发明属于液压控制技术领域，特别是一种用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置及设计方法。
背景技术
悬臂大负载伺服系统广泛应用于安装空间受限的大型机械装备，如重载机械操作臂、中大口径火炮随动系统、车载悬臂吊车等。由于安装空间受限，上述伺服系统往往采用悬臂的方式以减小安装空间需求。不平衡重力矩是影响悬臂大负载伺服系统运动控制性能的关键因素之一，常用的重力矩平衡方式有被动平衡和主动平衡两种方式。在被动平衡方式中，通常采用配重的方式使重心位于回转轴上，其主要缺点是额外的配重使得系统笨重。尤其是在长悬臂大负载伺服系统中，由于重量、尺寸和安装空间等的限制，难以实现。在主动平衡系统中，经常采用的是油缸平衡系统，为了简单一般采用油缸配合单蓄能器的平衡方案。单蓄能器平衡装置往往在某些角度范围具有较好的平衡效果，而在其他角度的平衡效果难以满足要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置及设计方法，以提高大负载悬臂伺服机构的平衡效果。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、初步将悬臂机构运动角划分为m段：分别将θ1到θ2、θ2到θ3…θm-1到θm，m组不同角度段用m个蓄能器进行平衡重力矩，θ1＜θ2＜…θi＜…＜θm；其中θi为悬臂机构的第i个转角，θ1为悬臂机构的初始转角，θm为悬臂机构的最大转角；
步骤2、计算悬臂重力矩M；
步骤3、计算θ1到θ2角度范围内蓄能器内气体变化；
步骤4、计算油缸在θ1到θ2角度段变化所需油液体积变化值，即平衡油缸在θ1到θ2角度段变化所需油液体积变化值；
步骤5、计算蓄能器的工作容积：根据油液体积变化值计算蓄能器的工作容积；
步骤6、计算蓄能器的公称容积；
步骤7、计算平衡力矩M1；
步骤8、计算不平衡力矩ΔM：ΔM＝M-M1；
步骤9、根据求得不平衡力矩调整角度段范围：若在θ1到θ2计算得到的不平衡力矩＜最大不平衡重力矩，则表明该角度段可取；若平衡力矩≥最大不平衡重力矩，则逐步减小θ2的值重复步上述步骤1-8，直至不平衡力矩＜最大不平衡重力矩，则将该角度作为θ1与θ3之间的分界角度θ2；
步骤10、根据θ1到θ2角度段的计算方式划分θ2到θ3、θ3到θ4…θm-1到θm，m-1组角度段，直至各个角度段计算所得不平衡力矩均小于最大不平衡重力矩。
一种用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置，包括油箱、油泵、回油过滤器、油滤器、溢流阀、球阀、第一电磁球阀、主蓄能器、第一副蓄能器，第二副蓄能器、…、第M副蓄能器、压力传感器、第二电磁球阀、平衡油缸；M≥2；
所述油泵一端与油箱相连，另一端与油滤器相连；所述油滤器的出油口与溢流阀的进油口相连，同时与球阀的进油口相连；所述溢流阀的出油口与回油过滤器的进油口相连；所述球阀的出油口与第一电磁球阀的A口相连，同时与主蓄能器的油口、第一副蓄能器的油口、第二副蓄能器的油口、…、第M副蓄能器的油口、压力传感器、第二电磁球阀的P口相连；所述第一电磁球阀的B口与平衡油缸的无杆腔相连；所述第二电磁球阀的T口与回油过滤器的进油口相连；所述主蓄能器用于平衡θ1到θ2角度范围内的悬臂伺服机构的重力矩；所述第一副蓄能器、第二副蓄能器、…、第M副蓄能器分别用于平衡θ2到θ3、θ3到θ4、…、θM+1到θmθ2角度范围内的悬臂伺服机构的重力矩；其中θ1＜θ2＜…θi＜…＜θM+1＜θm，θ1为悬臂机构的初始转角，θm为悬臂机构的最大转角。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
本发明采用多个蓄能器去平衡悬臂机构的重力矩，重力矩和平衡力矩曲线可以更好地拟合，针对悬臂大负载伺服机构运动角度的不同，采用不同蓄能器分段平衡重力矩以满足悬臂大负载伺服机构控制需求，与常用的单蓄能器平衡装置相比，可以得到更小的不平衡重力矩。
附图说明
图1为本发明实施例中悬臂机构平衡系统液压原理图。
图2为本发明的悬臂处于水平状态时油缸布置简图。
图3为本发明的二级等速双作用油缸结构简图。
图4为本发明的重力矩与平衡力矩曲线图。
图5为本发明的不平衡力矩曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
往常的两个蓄能器平衡系统不能满足该悬臂机构最大不平衡重力矩<100N.m的设计需要，所以需要进一步增加蓄能器个数，以满足所有角度不平衡重力矩的设计要求。初步采用规格较大的蓄能器在尽可能大的角度方位内平衡的重力矩，再根据平衡力矩的要求，依次采用其他规格蓄能器平衡其他角度的重力矩。由于，重力矩随悬臂伺服机构转角的增大而减小，因此所选取蓄能器规格随角度的增大而减小。本发明的一种用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置的设计方法，首先采用规格较大的蓄能器在较小角度时尽可能多地平衡重力矩，通过理论计算，得到该蓄能器无法满足设计需要的角度，并以此角度为起点，进行第一副蓄能器的设计；然后通过理论计算，得到第一副蓄能器无法满足设计需要的角度，并以此角度为起点，进行第二副蓄能器的设计；以此类推，直到整个运动范围内的不平衡力矩均满足要求为止，具体包括以下步骤：
步骤1、初步将悬臂机构运动角划分为m段：分别将θ1到θ2、θ2到θ3…θm-1到θm，m组不同角度段用m个蓄能器进行平衡重力矩，θ1＜θ2＜…θi＜…＜θm。其中θi为悬臂机构的第i个转角，i＝1,2,…,m，m为角度段分组个数，θ1为悬臂机构的初始转角，θm为悬臂机构的最大转角。
步骤2、计算θ1到θ2角度范围内的重力矩：结合图2，图中点O为耳轴中心，并以该点为原点作坐标轴。点C为起落部分的质心，悬臂处于水平状态时质心位置坐标为(486，34)，单位mm。图中点A、B分别为平衡油缸的上下支点，悬臂逆时针转动与ox轴所呈夹角为悬臂的转角，记作θ。悬臂处于水平状态时上下支点的位置坐标分别为A(660，-160)、B(275，-284.5)，单位mm。悬臂部分质量为615kg；θ为-10°时，AB＝337.4mm；θ为84°时，AB＝959.7mm，活塞运动总行程约为622mm。则θ1到θ2角度范围内的重力矩M为：
M＝G·l·cos(θ+θ0) (1)
其中，G为悬臂重力，l为重心到耳轴中心的距离，θ0为重心到耳轴中心的直线与水平面的夹角，θ为悬臂的转角，θ1≤θ≤θ2。
步骤3、计算θ1到θ2角度范围内蓄能器内气体变化：
当蓄能器作为能源使用且蓄能器气体频率超过5Hz时，蓄能器内气体的变化可按照绝热变化考虑，即：
Figure BDA0002603647300000041
其中，P1为蓄能器最高工作压力，即角度为θ1时的压力，P2为蓄能器最低工作压力，即角度为θ2时的压力，P0为蓄能器供油前充气压力，P0＝(0.8～0.85)P2，V0为蓄能器总容量，V1为压力为P1时蓄能器的气体容积，V2为压力为P2时蓄能器的气体容积，n为绝热指数，取n＝1.4。
步骤4、计算油缸在θ1到θ2角度段变化所需油液体积变化值:当工作压力从P1降为P2时，气体容积变化量，即蓄能器排出的油量ΔV为：
Figure BDA0002603647300000042
其中，V2为压力为P2时蓄能器的气体容积，V1为压力为P1时蓄能器的气体容积，V0为供油前蓄能器气体容积。
结合图3，二级等速双作用油缸在θ1到θ2角度段变化所需油液体积变化值，即蓄能器油量的变化值为：
Figure BDA0002603647300000051
其中，V1为一级油缸在θ1到θ2角度段内变化所需油液体积变化值，V2为二级油缸在θ1到θ2角度段内变化所需油液体积变化值，D1为一级油缸活塞直径，d1为一级油缸液压杆的直径，D2为二级油缸活塞直径，d2为二级油缸液压杆的直径，S1为一级油缸的行程，S2为二级油缸的行程，此处一级油缸行程等同于二级油缸行程。
步骤5、计算蓄能器的工作容积：考虑油液泄漏等因素，蓄能器的工作容积可取为平衡油缸油液体积变化值的两倍：
V＝(V1+V2)×2 (5)
其中，V为蓄能器的工作容积。
步骤6、计算蓄能器的公称容积：在绝热变化情况下，蓄能器的公称容积可按下式计算：
Figure BDA0002603647300000052
其中，P1为蓄能器的最高工作压力，P2为蓄能器的最低工作压力，P0为蓄能器供油前充气压力，P0＝(0.8～0.85)P2，n为绝热指数，取n＝1.4。
步骤7、计算平衡力矩：现采取的二级同步双作用油缸的第二级活塞面积为A＝706.9mm2。平衡力矩M1为：
M1＝l1·P·A (7)
其中，l1为平衡油缸到耳轴的距离，P为第二级活塞的压力，即蓄能器的工作压力。
步骤8、计算不平衡力矩：不平衡力矩ΔM为：
ΔM＝M-M1 (8)
步骤9、根据求得不平衡力矩调整角度段范围：若在θ1到θ2每个角度计算得到的不平衡力矩＜100N.m，则表明该角度段可取，若存在平衡力矩≥100N.m，则适当减小步骤1定义的θ2的值，重复步上述步骤1-8，直至不平衡力矩＜100N.m，则将该角度作为θ1与θ3之间的分界角度θ2。例如θ2角度从45度减小到44度无法满足，再减小到43度，以一度为梯度，直至减小到40度满足，则θ2的值由45度变更为40度。
步骤10、根据θ1到θ2角度段的计算方式划分θ2到θ3、θ3到θ4…θm-1到θm，m-1组角度段，直至各个角度段计算所得不平衡力矩均小于100N.m。
基于上述的设计方法，本发明提出了一种用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置，包括油箱1，无刷直流电机2，联轴器3，油泵4，回油过滤器5,高压油滤6，直流回油风冷却器7，溢流阀8，高压球阀9，第一电磁球阀10，主蓄能器11，第一副蓄能器12，第二副蓄能器13，第三副蓄能器14，压力传感器15，油口测压接头16，第二电磁球阀17，平衡油缸18，过滤消音器19。
所述油泵4一端与油箱1相连，另一端与高压油滤器6相连，用于从油箱1中抽取液压油传输给高压油滤器6；所述高压油滤器6的出油口与溢流阀8的进油口相连，同时与高压球阀9的进油口相连；所述溢流阀8的出油口通过直流回油风冷却器7与回油过滤器5的进油口相连；所述高压球阀9的出油口与第一电磁球阀10的A口相连，同时与主蓄能器11的油口、第一副蓄能器12的油口、第二副蓄能器13的油口、第三副蓄能器14的油口、压力传感器15、油口测压接头16、第二电磁球阀17的P口相连；所述第一电磁球阀10的B口与平衡油缸18的无杆腔A腔相连；所述过滤消音器19与平衡油缸18的有杆腔B腔相连；所述第二电磁球阀17的T口通过直流回油风冷却器7与回油过滤器5的进油口相连，回油过滤器5与油箱1相连。
本实施例中，所述无刷直流电机2通过联轴器3与油泵4相连，所述油泵4采用高压齿轮泵；所述高压球阀9采用手动转阀；所述平衡油缸18采用二级等速双作用油缸。
表1蓄能器参数
Figure BDA0002603647300000071
根据表1及上述设计方法，本实施例中所述主蓄能器11在-10°到40°之间平衡重力矩。所述第一副蓄能器12在40°到60°之间平衡重力矩。所述第二副蓄能器13在60°到75°之间平衡重力矩。所述第三副蓄能器13在75°到84°之间平衡重力矩。
在本发明中，当该悬臂伺服机构的转角为-10°到40°、40°到60°、60°到75°、75°到84°四个不同角度时，采用四个蓄能器平衡该悬臂伺服机构的重力矩时效果较好，从而得到更小的不平衡重力矩。此发明针对悬臂大负载伺服机构运动角度的不同，采用不同蓄能器分段平衡重力矩以满足悬臂大负载伺服机构控制需求，与常用的单蓄能器平衡装置相比，可以得到更小的不平衡重力矩。
上述多蓄能器平衡装置的工作过程为：
充液过程：充液前，高压球阀9关闭，第一电磁球阀10得电关闭，第二电磁球阀17失电打开，主蓄能器11、第一副蓄能器12、第二副蓄能器13、第三副蓄能器14中的油液通过第二电磁球阀17流向油过滤器5，再流回油箱1；排液后，高压球阀9打开，第一电磁球阀10失电打开，第二电磁球阀17得电关闭，油泵4从油箱1中吸取液压油，液压油通过滤油器6进入主蓄能器11、第一副蓄能器12、第二副蓄能器13、第三副蓄能器14进行充液。将悬臂机构高低角保持在-10°，通过压力传感器15测出主蓄能器11中的压力，当压力值达到14.04MPa时关闭高压球阀9；将悬臂机构高低角保持在40°，通过压力传感器15测出第一副蓄能器12中的压力，当压力值达到7.87MPa时关闭高压球阀9；将悬臂机构高低角保持在60°，通过压力传感器15测出第二副蓄能器13中的压力，当压力值达到5.42MPa时关闭高压球阀9；将悬臂机构高低角保持在75°，通过压力传感器15测出第三副蓄能器14中的压力，当压力值达到2.73MPa时关闭高压球阀9；将悬臂机构高低角保持在84°，通过压力传感器15测出第三副蓄能器14中的压力，当压力值达到0.56MPa时关闭高压球阀9，否则进行适当充液或排液。
工作过程：在非调姿状态，保持高压球阀9关闭，第一电磁球阀10失电开启，第二电磁球阀17失电关闭，主蓄能器11、第一副蓄能器12、第二副蓄能器13、第三副蓄能器14平衡重力矩；调姿过程中，高压球阀9关闭，第一电磁球阀10失电开启，第二电磁球阀17失电关闭，主蓄能器11、第一副蓄能器12、第二副蓄能器13、第三副蓄能器14平衡重力矩。
结合图4、图5，可知本发明由于采用多个蓄能器对悬臂机构进行平衡，不同于往常的两个蓄能器平衡系统，更加细化的对不同角度的悬臂重力矩进行平衡，尽量的减小了不平衡力矩，实现液压系统对悬臂机构位置的精密控制。

Claims (9)

1.一种用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、初步将悬臂机构运动角划分为m段：分别将θ1到θ2、θ2到θ3…θm-1到θm，m组不同角度段用m个蓄能器进行平衡重力矩，θ1＜θ2＜…θi＜…＜θm；其中θi为悬臂机构的第i个转角，θ1为悬臂机构的初始转角，θm为悬臂机构的最大转角；
步骤2、计算θ1到θ2角度范围内的重力矩M；
步骤3、计算θ1到θ2角度范围内蓄能器内气体变化；
步骤4、计算油缸在θ1到θ2角度段变化所需油液体积变化值，即平衡油缸在θ1到θ2角度段变化所需油液体积变化值；
步骤5、计算蓄能器的工作容积：根据油液体积变化值计算蓄能器的工作容积；
步骤6、计算蓄能器的公称容积；
步骤7、计算平衡力矩M；
步骤8、计算不平衡力矩ΔM：ΔM＝M-M1；
步骤9、根据求得不平衡力矩调整角度段范围：若在θ1到θ2计算得到的不平衡力矩＜最大不平衡重力矩，则表明该角度段可取；若平衡力矩≥最大不平衡重力矩，则逐步减小θ2的值重复步上述步骤1-8，直至不平衡力矩＜最大不平衡重力矩，则将该角度作为θ1与θ3之间的分界角度θ2；
步骤10、根据θ1到θ2角度段的计算方式划分θ2到θ3、θ3到θ4…θm-1到θm，m-1组角度段，直至各个角度段计算所得不平衡力矩均小于最大不平衡重力矩。
2.一种用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置，其特征在于，包括油箱(1)、油泵(4)、回油过滤器(5)、油滤器(6)、溢流阀(8)、球阀(9)、第一电磁球阀(10)、主蓄能器(11)、第一副蓄能器，第二副蓄能器、…、第M副蓄能器(14)、压力传感器(15)、第二电磁球阀(17)、平衡油缸(18)；M≥2；
所述油泵(4)一端与油箱(1)相连，另一端与油滤器(6)相连；所述油滤器(6)的出油口与溢流阀(8)的进油口相连，同时与球阀(9)的进油口相连；所述溢流阀(8)的出油口与回油过滤器(5)的进油口相连；所述球阀(9)的出油口与第一电磁球阀(10)的A口相连，同时与主蓄能器(11)的油口、第一副蓄能器的油口、第二副蓄能器的油口、…、第M副蓄能器(14)的油口、压力传感器(15)、第二电磁球阀(17)的P口相连；所述第一电磁球阀(10)的B口与平衡油缸(18)的无杆腔相连；所述第二电磁球阀(17)的T口与回油过滤器(5)的进油口相连；所述主蓄能器(11)用于平衡θ1到θ2角度范围内的悬臂伺服机构的重力矩；所述第一副蓄能器(12)、第二副蓄能器(13)、…、第M副蓄能器(14)分别用于平衡θ2到θ3、θ3到θ4、…、θM+1到θmθ2角度范围内的悬臂伺服机构的重力矩；其中θ1＜θ2＜…θi＜…＜θM+1＜θm，θ1为悬臂机构的初始转角，θm为悬臂机构的最大转角。
3.根据权利要求2所述的用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置，其特征在于，所述油泵(4)采用高压齿轮泵。
4.根据权利要求2所述的用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置，其特征在于，所述球阀(9)采用手动转阀。
5.根据权利要求2所述的用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置，其特征在于，所述平衡油缸(18)采用二级等速双作用油缸。
6.根据权利要求2所述的用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置，其特征在于，所述M＝3，悬臂机构转动角度为-10°到84°。
7.根据权利要求6所述的用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置，其特征在于，所述主蓄能器(11)在-10°到40°之间平衡重力矩；所述第一副蓄能器在40°到60°之间平衡重力矩；所述第二副蓄能器在60°到75°之间平衡重力矩；所述第三副蓄能器在75°到84°之间平衡重力矩。
8.根据权利要求2所述的用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置，其特征在于，所述溢流阀(8)的出油口、所述第二电磁球阀(17)的T口均通过直流回油风冷却器(7)与回油过滤器(5)的进油口相连。
9.根据权利要求2所述的用于大负载悬臂伺服机构的多蓄能器平衡装置，其特征在于，所述平衡油缸(18)的有杆腔连接有过滤消音器(19)。
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