CN111946680B - 一种基于不平衡力矩自适应补偿的液压系统 - Google Patents

一种基于不平衡力矩自适应补偿的液压系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于不平衡力矩自适应补偿的液压系统，系统将传统的主动式液压平衡系统和液压控制系统相结合，通过控制回油油路上的可调节流孔，实现不平衡力矩的自适应补偿，从而用一根油缸(作动油缸)代替原有两根油缸(作动油缸和平衡油缸)进行伺服控制，有利于解决油缸同步控制难的问题。本发明通过作动油缸有杆腔的压力控制可调节流孔的开口大小，能够有效自适应补偿不平衡力矩，大大地简化液压系统结构，对提高悬臂大负载伺服系统的运动控制性能具有重要意义。

Description

一种基于不平衡力矩自适应补偿的液压系统
技术领域
本发明属于液压系统及其控制领域，具体涉及一种基于不平衡力矩自适应补偿的液压系统。
背景技术
液压伺服系统具有输出力/力矩大、响应速度快、精度高等优点，广泛用于国防工业、机器人和工厂自动化等领域。当负载不在水平面内运动时，由于重力产生的不平衡力矩对液压控制系统的性能产生较大的影响。目前，常用的不平衡力矩补偿方式主要有被动补偿和主动补偿两种方式。在被动补偿方式中，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。在主动补偿方式中，经常采用蓄能器驱动液压油缸补偿不平衡力矩，该补偿系统一般与液压控制系统完全隔离。因此，除了补偿油缸外，还需另外配置一条作动油缸，导致整个系统比较复杂。此外，由于装配和安装误差等因素，补偿油缸和作动油缸往往存在难以同步问题，严重制约着整个系统的控制性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于不平衡力矩自适应补偿的液压系统，以解决补偿油缸和作动油缸同步控制难的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于不平衡力矩自适应补偿的液压系统，包括油箱、油泵、油滤器、回油油滤器、先导式溢流阀、系统减压阀、三位四通比例电磁阀、可调电磁节流阀、控制器、压力传感器、作动油缸；
所述油泵一端与油箱相连，另一端与滤油器相连，用于从油箱中抽取液压油传输给滤油器；所述高压滤油器的出油口与先导式溢流阀的进油口相连；所述先导式溢流阀的出油口与回油滤油器的进油口相连，回油滤油器的出油口连接油箱；所述油滤器的出油口与系统减压阀的进油口相连；所述系统减压阀的出油口与三位四通比例伺服阀的进油口P相连；所述三位四通比例伺服阀的出油口T与回油滤油器的进油口以及先导式溢流阀的出油口相连，三位四通比例伺服阀的第一油口A与作动油缸的有杆腔相连，三位四通比例伺服阀的第二油口B与可调电磁节流阀的E口相连；所述可调电磁节流阀的电磁控制口K与控制器的信号输出口J口相连，可调电磁节流阀的D油口和作动油缸的无杆腔相连；所述压力传感器与作动油缸的无杆腔A腔相连，用于测试无杆腔的压力；所述压力传感器的信号输出口H与控制器的信号输入口H口相连；作动油缸伸出时负载向上运动时，所述可调电磁节流阀处于完全打开状态；作动油缸不动作时，所述可调电磁节流阀处于完全关闭状态；作动油缸收回时负载向下运动时，所述压力传感器所测得的作动油缸无杆腔压力反馈给控制器，控制器控制阀芯位移使可调电磁节流阀的孔径减小，依靠可调电磁节流阀产生的液压阻力平衡重力矩。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明的液压系统将传统的补偿油缸和作动油缸的双油缸配置变成只有作动油缸的单油缸配置，解决了双油缸液压系统油缸同步控制难的问题，有利于提高控制精度，同时大大地简化了液压系统结构，有利于减少系统成本。
(2)本发明中用可调电磁节流阀代替平衡阀自适应补偿不平衡力矩，能够有效避免平衡阀死区、泄露和非线性等因素对控制性能带来的不利影响。
附图说明
图1为本发明的基于不平衡力矩自适应补偿的液压系统原理图。
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。
结合图1，本发明的一种基于不平衡力矩自适应补偿的液压系统，包括油箱1、齿轮泵2、高压油滤3、回油油滤4、回油风冷器5、先导式溢流阀6、系统减压阀7、三位四通比例电磁阀8、可调电磁节流阀0、控制器10、压力传感器11、作动油缸12。
所述齿轮泵2一端与油箱1相连，另一端与高压滤油器3相连，从油箱1中抽取液压油传输给高压滤油器3，高压滤油器3的出油口与先导式溢流阀6的进油口相连，先导式溢流阀6的出油口与回油风冷器5的进油口相连，回油风冷器5的出油口与回油滤油器4的进油口相连，回油滤油器4的出油口连入到油箱1中；高压油滤器3的出油口与系统减压阀7的进油口相连；系统减压阀7的出油口同时与三位四通比例伺服阀8的进油口P相连，三位四通比例伺服阀8的出油口T与回油风冷器5的进油口以及先导式溢流阀6的出油口相连，三位四通比例伺服阀8的第一油口A与作动油缸12的有杆腔B腔相连，三位四通比例伺服阀8的第二油口B与可调电磁节流阀9的E口相连，可调电磁节流阀9的电磁控制口K与控制器10的信号输出口J口相连，与此同时，可调电磁节流阀9的D有口和作动油缸12的无杆腔A腔相连，压力传感器11也与作动油缸12的无杆腔A腔相连，测得式A腔的压力，与此同时，压力传感器11的信号输出口H与控制器10的信号输入口H口相连。作动油缸12伸出时负载向上运动，重力矩方向与运动方向相反，不需要平衡重力矩，所以可调电磁节流阀9处于完全打开状态；作动油缸12不动作时，可调电磁节流阀9处于完全关闭状态；作动油缸12收回时负载向下运动，重力矩与运动方向一致，此时需要调整可调电磁节流阀9的阀芯位移，依靠可调电磁节流阀9产生的液压阻力平衡重力矩。作动油缸12收回时，压力传感器11所测得的作动油缸12A腔压力反馈给控制器10，控制器10根据式待平衡的重力矩计算出期望的可调电磁节流阀9阀芯位移，以实现重力矩的自适应补偿。
可调电磁节流阀9的阀芯位移调节公式计算过程如下：通过可调电磁节流阀9的流量为：
Figure BDA0002603652520000031
式1中：Cd为流量系数，一般为常数；ω为可调电磁节流阀9阀芯的面积梯度；xv为可调电磁节流阀9的阀芯位移，即开度；ρ为油液密度，一般可视为常数；ΔPj为通过可调电磁节流阀9的压降，即油缸在做收回运动时的背压；Q为流过可调电磁节流阀9的流量，根据流量连续性可知其与作动油缸12收回的速度v的关系为：
Q＝A1v (2)
式中：A1为作动油缸12的A腔有效面积。作动油缸12收回时，压力传感器11所测得的作动油缸12的A腔压力反馈给控制器10，控制器10根据式待平衡的重力矩计算出期望的可调电磁节流阀9阀芯位移，待平衡的重力矩T与可调电磁节流阀(9)平衡腔压力P的关系由式3给出：
T＝PA1 (3)
P＝ΔPj (4)
由式1～式4可得可调电磁节流阀9阀芯位移的调节公式为：
Figure BDA0002603652520000041
整个系统的工作过程为：
齿轮泵1工作使作动液压缸伸出时：齿轮泵2从油箱1中吸取液压油，液压油通过高压滤油器2进入系统减压阀7；系统进油油压通过系统减压阀7后，从减压阀7的出油口进入三位四通比例伺服阀8的进油口P，三位四通比例伺服阀8得电处于左侧工作位，液压油从三位四通比例伺服阀8的进油口P流入三位四通比例伺服阀8的第二油口B，液压油从三位四通比例伺服阀8的B口流出，流入可调电磁节流阀9的E口，液压油流过可调电磁节流阀9的可变节流孔后，流入作动油缸12的无杆腔A腔，此时可调节流阀9的开口完全打开。与此同时，液压油从作动油缸12的有杆腔B腔流出，流入三位四通比例伺服阀8的第一油口A口，之后通过管路进入三位四通比例伺服阀8的出油口T、回油风冷器5、回油滤油器4，流入油箱1。
齿轮泵2工作使作动液压缸收回时：油泵2从油箱1中吸取液压油，液压油通过滤油器3进入系统减压阀7的进油口，经过减压后，系统液压油从系统减压阀7的出油口进入三位四通比例伺服阀8的进油口P，三位四通比例伺服阀8得电处于右侧工作位，液压油从三位四通比例伺服阀8的进油口P流入三位四通比例伺服阀8的第一油口A，液压油从三位四通比例伺服阀8的A口流入作动油缸12的有杆腔，作动油缸12无杆腔中的液压油因为油缸的收回运动，流入可调电磁节流阀9的D口，与此同时，压力传感器11采集作动油缸12无杆腔中的压力参数传输给控制器10，控制器10经过计算和数模转换，再把信号传输给可调电磁节流阀9的电磁控制口K口，根据公式1～公式5可知，因为一开始回收运动时可调电磁节流阀9处于完全打开状态，回油压力很小，控制器10接收到较小的压力信号会输出一个让可调电磁节流阀9孔径减小的电压信号，通过减小可调电磁节流阀9的孔径，从而减小其横截面积，因为系统流量是固定不变的，所以进而增大回油背压ΔPj，从而抵消重力矩所产生的不平衡力矩，改善运动动态，实现重力矩的自适应补偿。液压油从可调电磁节流阀9的E口流出，流入三位四通比例电磁阀8的第二油口B口，之后依次通过三位四通比例伺服阀8的出油口T、回油滤油器4，流入油箱1。
一种液压系统的控制方法，当作动油缸12的无杆腔B腔的压力发生变化时，通过压力传感器11的采集，经过数模转换进入到作动液压系统的控制器10，控制器经过处理再反馈到可调电磁节流阀9的电磁铁，因为开始系统做回收运动时，可调电磁节流阀9的开口式全开的，所以系统的回油背压很小，压力传感器11所采集的无杆腔B腔的回油压力很小，控制器10如果接受到较小的无杆腔压力，会通过电压信号发送使可调电磁节流阀9孔径减小的指令，通过公式1可知，减小孔径可以减小可调电磁节流阀9的横截面积，从而增加回油背压，来抵消回收运动所产生的重力矩，形成压降，起到平衡动态重力距的作用。
由上可知，本发明将传统的高低机液压系统和平衡机液压系统相结合，通过控制作动回油油路上可调节流孔的流量，实现用一根油缸代替原有作动两根油缸的位置控制，解决同步油缸控制难的问题。本发明通过作动油缸有杆腔的压力来反馈式控制可调节流孔的开口大小，能够自动补偿不同位置时作动的不平衡力矩，有利于保持伺服系统的稳定性，并且替换了原有的平衡阀系统，解决了平衡阀在使用过程中出现死区和消耗系统效率高的问题，很大程度上的降低了项目成本，提高了液压系统的工作效率，并有利于后期液压系统的维护保养，延长液压系统寿命。

Claims (4)

1.一种基于不平衡力矩自适应补偿的液压系统，其特征在于，包括油箱(1)、油泵(2)、油滤器(3)、回油油滤器(4)、先导式溢流阀(6)、系统减压阀(7)、三位四通比例电磁阀(8)、可调电磁节流阀(9)、控制器(10)、压力传感器(11)、作动油缸(12)；
所述油泵(2)一端与油箱(1)相连，另一端与油滤器(3)相连，用于从油箱(1)中抽取液压油传输给油滤器(3)；所述油滤器(3)的出油口与先导式溢流阀(6)的进油口相连；所述先导式溢流阀(6)的出油口与回油油滤器(4)的进油口相连，回油油滤器(4)的出油口连接油箱(1)；所述油滤器(3)的出油口与系统减压阀(7)的进油口相连；所述系统减压阀(7)的出油口与三位四通比例电磁阀(8)的进油口P相连；所述三位四通比例电磁阀(8)的出油口T与回油油滤器(4)的进油口以及先导式溢流阀(6)的出油口相连，三位四通比例电磁阀(8)的第一油口A与作动油缸(12)的有杆腔相连，三位四通比例电磁阀(8)的第二油口B与可调电磁节流阀(9)的E口相连；所述可调电磁节流阀(9)的电磁控制口K与控制器(10)的信号输出口J口相连，可调电磁节流阀(9)的D油口和作动油缸(12)的无杆腔相连；所述压力传感器(11)与作动油缸(12)的无杆腔A腔相连，用于测试无杆腔的压力；所述压力传感器(11)的信号输出口H与控制器(10)的信号输入口H口相连；作动油缸(12)伸出时负载向上运动时，所述可调电磁节流阀(9)处于完全打开状态；作动油缸(12)不动作时，所述可调电磁节流阀(9)处于完全关闭状态；作动油缸(12)收回时负载向下运动时，所述压力传感器(11)所测得的作动油缸(12)无杆腔压力反馈给控制器(10)，控制器(10)控制阀芯位移使可调电磁节流阀(9)的孔径减小，依靠可调电磁节流阀(9)产生的液压阻力平衡重力矩；
所述控制器(10)控制阀芯位移xv的调节公式为：
Figure FDA0003612783310000011
其中Cd为流量系数，ω为可调电磁节流阀(9)阀芯的面积梯度；A1为作动油缸(12)的无杆腔有效面积；ρ为油液密度；T为待平衡的重力矩；v为作动油缸(12)收回的速度。
2.根据权利要求1所述的基于不平衡力矩自适应补偿的液压系统，其特征在于，所述先导式溢流阀(6)的出油口、三位四通比例电磁阀(8)的出油口T均通过回油风冷器(5)与回油油滤器(4)的进油口相连。
3.根据权利要求1所述的基于不平衡力矩自适应补偿的液压系统，其特征在于，所述油泵(2)采用齿轮泵。
4.根据权利要求1所述的基于不平衡力矩自适应补偿的液压系统，其特征在于，其工作过程为：
作动油缸(12)伸出时：油泵(2)从油箱(1)中吸取液压油，液压油通过滤油器(3)进入系统减压阀(7)，系统进油油压通过系统减压阀(7)减压后从统减压阀(7)的出油口进入三位四通比例电磁阀(8)的进油口P，三位四通比例电磁阀(8)得电处于左侧工作位，液压油从三位四通比例电磁阀(8)的进油口P流入三位四通比例电磁阀(8)的第二油口B，液压油从三位四通比例电磁阀(8)的B口流出，流入可调电磁节流阀(9)的E口，液压油流过可调电磁节流阀(9)的可变节流孔后，流入作动油缸(12)的无杆腔，可调电磁节流阀(9)的开口完全打开；液压油从作动油缸(12)的有杆腔流出，流入三位四通比例电磁阀(8)的第一油口A口，之后通过管路进入三位四通比例电磁阀(8)的出油口T、回油油滤器(4)，流入油箱(1)；
作动油缸(12)收回时：油泵(2)从油箱(1)中吸取液压油，液压油通过油滤器(3)进入系统减压阀(7)的进油口，系统液压油从系统减压阀(7)的出油口进入三位四通比例电磁阀(8)的进油口P，三位四通比例电磁阀(8)得电处于右侧工作位，液压油从三位四通比例电磁阀(8)的进油口P流入三位四通比例电磁阀(8)的第一油口A，液压油从三位四通比例电磁阀(8)的A口流入作动油缸(12)的有杆腔，作动油缸(12)无杆腔中的液压油因为油缸的收回运动，流入可调电磁节流阀(9)的D口，压力传感器(11)采集作动油缸(12)无杆腔中的压力参数传输给控制器(10)，控制器(10)接收到压力信号输出一个让可调电磁节流阀(9)孔径减小的电压信号；液压油从可调电磁节流阀(9)的E口流出，流入三位四通比例电磁阀(8)的第二油口B口，依次通过三位四通比例电磁阀(8)的出油口T、回油油滤器(4)，流入油箱(1)。
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