CN112141311B - 一种用于布放挖泥机器人的船用液压舵机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于布放挖泥机器人的船用液压舵机，借助船用舵机的精准控制可以准确的将挖泥机器人在从港口运送到预定水域，具有自主航行、精准定位等优点，避免发生偏航等意外情况，该舵机能够在一定程度上减弱或消除该液压舵机中各部件的机械空程和误差；同时，针对液压舵机在不同状态下的不同特点，控制器采用转角调节、位移调节及其组合的方式，对第一油泵和/或第二油泵进行控制，使得液压舵机的调节能够以精准的方式进行，消除了现有技术中液压舵机调节误差大以及调节回调速度过慢的问题，具有系统结构简单、调节精准、舵机反应快的优点，可广泛应用于挖泥机器人布放的搭载平台。

Description

一种用于布放挖泥机器人的船用液压舵机

技术领域

本发明涉及液压舵机，尤其涉及一种用于布放挖泥机器人的船用液压舵机。

背景技术

在水下作业领域中，传统的淤泥清理工作是通过人工下潜进行水下作业，因为作业深度大、水压大、水流急、作业风险高、工作效率低，现今不允许人工施工。此外，已有的一些专用水域的工程机械，如挖泥船，仅适用于江河，作业深度约为20米～30米，且设备结构复杂、体积庞大、闲置率高、造价贵，工作效率低。

本发明利用水上搭载平台将挖泥机器人由码头运送到特定水域，之后通过布放实现挖泥机器人布放到水底进行清淤施工，特别是对于海底隧道等工程具有很好的应用前景。然而船舶在将挖泥机器人运送过程中由于海浪等自然条件的影响，船舶的行驶轨迹往往会发生偏移以及不能及时的运送到指定水域，造成设备及人力的闲置，本发明通过对船舶上液压舵机进行改进，使其能够快速准确的调整搭载平台的航向，实现精确的运行轨迹。

而现有的舵机液压系统中，由于液压油液在不同压力情况的密度变化、液压油液的体积受到温度变化的影响、液压系统中动作部件的机械的空程误差等因素，在舵机操纵过程中，常常会在液压油泵泵送液压油液的初段出现舵叶并不转动的现象，液压系统的进程过程与回程过程相比存在有较大的误差，同时舵机在回程以及回复过程中速度较慢，这对液压舵机的精确控制以及快速的操纵产生较大的不利影响。

针对上述问题，本领域中一直致力于改进船舶的液压舵机，使其精准的控制航向，是挖泥机器人能够及时、准确的到达指定水域，完成布放及挖泥作业。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种改进的用于布放挖泥机器人的船用液压舵机，包括与舵叶相连接并且带动舵叶转动的舵柄，在舵柄的两端部分别设置有一个舵柄驱动部；所述液压舵机还包括第一油泵、第一油泵电机、第一驱动油缸、第二油泵、第二油泵电机、第二驱动油缸和油箱，所述第一油泵和第二油泵选用带有保压功能的柱塞泵，所述第一油泵进口与油箱相连，用以从油箱中吸取液压油液，所述第一油泵出口与第一驱动油缸相连，将从油箱中吸取的液压油液输送至第一驱动油缸中，驱动位于第一驱动油缸中的第一活塞移动，所述第一活塞设置有第一活塞杆；所述第二油泵进口与油箱相连，用以从油箱中吸取液压油液，所述第二油泵出口与第二驱动油缸相连，将从油箱中吸取的液压油液输送至第二驱动油缸中，驱动位于第二驱动油缸中的第二活塞移动，所述第二活塞设置有第二活塞杆；在第一活塞杆的端部与一个舵柄驱动部之间设置有第一弹性部件，所述第一弹性部件的一端固定地铰接在一个铰接点，所述第一弹性部件的另一端与第一活塞杆的端部抵接，所述一个舵柄驱动部与第一弹性部件的中间部位抵接；在第二活塞杆的端部与另一个舵柄驱动部之间设置有第二弹性部件，所述第二弹性部件的一端固定地铰接在一个铰接点，所述第二弹性部件的另一端与第二活塞杆的端部抵接，所述另一个舵柄驱动部与第二弹性部件的中间部位抵接；所述第一弹性部件和第二弹性部件预压缩地设置在第一活塞杆的端部与一个舵柄驱动部之间以及第二活塞杆的端部与另一个舵柄驱动部之间，并且在舵柄的转动范围内，所述第一弹性部件与第二弹性部件始终处于压缩状态。

进一步地，所述第一弹性部件与第二弹性部件选用板簧或膜片弹簧。

进一步地，舵柄驱动部为楔形或圆锥形。

进一步地，在第一弹性部件和第二弹性部件上，铰接点和舵柄驱动部之间的间距值与舵柄驱动部和第一、第二活塞杆的端部之间的间距值的比值取自1/1—1/3的范围。

进一步地，还包括控制器，所述第一驱动油缸上设置有感测第一活塞位移值的第一活塞位移传感器，所述第二驱动油缸上设置有感测第二活塞位移值的第二活塞位移传感器，所述第一油泵上设置有感测第一油泵所转过角度的第一油泵转角传感器，所述第二油泵上设置有感测第二油泵所转过角度的第二油泵转角传感器，所述第一活塞位移传感器、第二活塞位移传感器、第一油泵转角传感器、第二油泵转角传感器、第一油泵电机和第二油泵电机连接到所述控制器。

进一步地，在舵柄转动的过程中，所述控制器控制第一油泵和第二油泵同时运行。

进一步地，所述控制器基于接收到的第一活塞位移传感器和第二活塞位移传感器的位移数据以及第一油泵转角传感器、第二油泵转角传感器的转角数据，采用位移调节和转角调节的方式来控制第一油泵和第二油泵。

进一步地，所述第一驱动油缸还设置有用于感测第一驱动油缸内液压油液压力的第一驱动油缸压力传感器，所述第二驱动油缸还设置有用于感测第二驱动油缸内液压油液压力的第二驱动油缸压力传感器，所述第一驱动油缸压力传感器和第二驱动油缸压力传感器连接到所述控制器，当所述第一驱动油缸和/或第二驱动油缸中的液压油液的压力低于当前状态所对应的预定压力以一个预定阈值时，控制器控制第一油泵和/或第二油泵，用以补偿低的所述压力。

进一步地，所述液压舵机的最大液压压力为15MPa，在液压压力小于等于3MPa时，控制器采用转角调节的方式控制第一油泵和第二油泵，在液压压力大于3MPa时，控制器采用位移调节的方式控制第一油泵和第二油泵。

进一步地，在液压压力为3±0.3MPa时，控制器采用位移调节和转角调节重叠的方式来控制第一油泵和第二油泵。

实施本发明，具有如下有益效果：使用本发明的液压舵机，其不需要设置现有技术中液压舵机所具有的大量且复杂的液压管路以及阀，而是采用控制第一油泵和第二油泵来驱动舵柄，大大简化了系统结构；同时，在活塞杆与舵柄之间设置弹性部件，且在舵柄的所有工作转角范围内，所述弹性部件都是出于压缩状态，由此能够在一定程度上减弱或消除该液压舵机中各部件的机械空程和误差；针对液压舵机在不同状态下的不同特点，控制器采用转角调节、位移调节及其组合的方式，对第一油泵和/或第二油泵进行控制，使得液压舵机的调节能够以精准的方式进行，消除了现有技术中液压舵机调节误差大以及调节回调速度过慢的问题，具有系统结构简单、调节精准、舵机反应快的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明的船用液压舵机的结构图。

图2是本发明的船用液压舵机中油泵电机转角与液压系统中液压油液压力的关系曲线。

图3是本发明的船用液压舵机中驱动油缸中活塞的行程与液压系统中液压油液压力的关系曲线。

其中：1.舵柄；2.舵柄驱动部；3.第一弹性部件、第二弹性部件；4.铰接点；5.第一驱动油缸；6.第一油泵；7.第一油泵电机；8.第二驱动油缸；9.第二油泵；10.第二油泵电机；11.油箱；12.控制器；13.第二活塞位移传感器；14.第一活塞位移传感器；15.第二油泵转角传感器；16.第一油泵转角传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提出一种用于布放挖泥机器人的船用液压舵机，包括与舵叶(图中未示出)相连接并且带动舵叶转动的舵柄1，在舵柄1的两端部分别设置有一个舵柄驱动部2。所述液压舵机还包括第一油泵6、第一驱动油缸5、第二油泵9、第二驱动油缸8和油箱11。具体地，第一油泵6具有第一油泵电机7，第一油泵电机7驱动第一油泵6；第二油泵9具有第二油泵电机10，第二油泵电机10驱动第二油泵9。

所述第一油泵6的进口与油箱11相连，用以从油箱11中吸取液压油液，所述第一油泵6的出口与第一驱动油缸5相连，将从油箱11中吸取的液压油液输送至第一驱动油缸5中，驱动位于第一驱动油缸5中的第一活塞移动，所述第一活塞设置有第一活塞杆。所述第二油泵9的进口与油箱11相连，用以从油箱11中吸取液压油液，所述第二油泵9的出口与第二驱动油缸8相连，将从油箱11中吸取的液压油液输送至第二驱动油缸8中，驱动位于第二驱动油缸8中的第二活塞移动，所述第二活塞设置有第二活塞杆。

由于在液压舵机中，各个部件之间的安装配合存在空隙和误差，并且液压系统中常常存在空气或空隙，当液压油液在液压系统中逐渐起压，并推动机械部件动作时，往往存在有“空程问题”。

为了减弱乃至消除上述的空程问题，在本发明的液压舵机中，在第一活塞杆的端部与一个舵柄驱动部2之间设置有第一弹性部件3，所述第一弹性部件3的一端固定地铰接在一个铰接点4，所述第一弹性部件3的另一端与第一活塞杆的端部抵接，所述一个舵柄驱动部2与第一弹性部件的中间部位抵接。在第二活塞杆的端部与另一个舵柄驱动部2之间设置有第二弹性部件3，所述第二弹性部件3的一端固定地铰接在一个铰接点4，所述第二弹性部件3的另一端与第二活塞杆的端部抵接，所述另一个舵柄驱动部2与第二弹性部件3的中间部位抵接。进一步地，为了保证控制的精准度，舵柄驱动部2选择为楔形或圆锥形，由此能够减小舵柄驱动部2与第一弹性部件3和第二弹性部件3接触面积对控制的影响。

为了能够减弱乃至消除空程，所述第一弹性部件3和第二弹性部件3是以预压缩的状态被设置在第一、第二活塞杆的端部与舵柄驱动部2之间，并且在舵柄1的全部转动范围内，所述第一弹性部件3与第二弹性部件3始终处于压缩状态。也就是说第一弹性部件3和第二弹性部件3在任何状态下都对舵柄1和活塞杆施加力，而该施加的力能够分别作用于舵柄部分以及驱动油缸和油泵的部分。对于舵柄部分，该施加的力能够机械地消除舵柄与枢转部分、舵叶与舵柄或枢转部分的连接位置处由于空隙或松动引起的空程问题，使得在舵柄的全程转动过程中，空程问题显著地降低和减少。而对于以液压油液作为工作介质的液压部分，该施加的力能够推动第一活塞和第二活塞向回程方向运动或有运动的趋势，而第一活塞和第二活塞能够推动液压油液在系统中以一定的压力保持，由此减弱了液压系统中液压油液在系统中状态或空间变化所引起的空程问题。

特别地说明，本发明由于舍弃了现有的液压舵机中广泛采用的液压阀和蓄能器等装置，为了能够对液压系统进行保压，所述第一油泵5和第二油泵8选用带有保压功能的柱塞泵，更优选地，选用变流量的带有保压功能的柱塞泵。

进一步地，所述第一弹性部件3与第二弹性部件3选用板簧或膜片弹簧，当然并不限于此，第一弹性部件3和第二弹性部件3可以选用其他任何合适的弹性元件。板簧和膜片弹簧都具有确定的特性曲线，也即行程和压力特性曲线，因而，在发挥第一弹性部件3和第二弹性部件3的减弱空程问题的基础上，能够确定性地对液压系统施加到舵柄1并使舵柄1产生转动的行程进行控制。而由于活塞杆、弹性部件3以及舵柄1的相对机械关系可确定，因而能够通过控制活塞杆的位移量来确定弹性部件3施加到舵柄1的力以及使舵柄转1动的角度，也即舵叶的转动角度。

进一步地，在第一弹性部件3和第二弹性部件3上，可以对铰接点4和舵柄驱动部2之间的间距值与舵柄驱动部2和第一、第二活塞杆的端部之间的间距值的比值进行调整，用以根据实际中活塞杆的行程情况以及舵叶转动角度的要求进行调整，优选地，该比值取自1:1—1:3的范围。

为了对液压舵机进行调节和控制，本发明的液压舵机还包括控制器12，所述第一驱动油缸5上设置有感测第一活塞位移值的第一活塞位移传感器14，所述第二驱动油缸8上设置有感测第二活塞位移值的第二活塞位移传感器13，所述第一油泵6上设置有感测第一油泵所转过角度的第一油泵转角传感器16，所述第二油泵9上设置有感测第二油泵所转过角度的第二油泵转角传感器15，所述第一活塞位移传感器14、第二活塞位移传感器13、第一油泵转角传感器16、第二油泵转角传感器15、第一油泵6和第二油泵9连接到所述控制器12。

进一步地，所述第一驱动油缸5还设置有用于感测第一驱动油缸5内液压油液压力的第一驱动油缸压力传感器(图中未示出)，所述第二驱动油缸8还设置有用于感测第二驱动油缸8内液压油液压力的第二驱动油缸压力传感器(图中未示出)，所述第一驱动油缸压力传感器和第二驱动油缸压力传感器连接到所述控制器12。

控制器12接收第一活塞位移传感器14、第二活塞位移传感器13、第一油泵转角传感器16、第二油泵转角传感器15、第一驱动油缸压力传感器、第二驱动油缸压力传感器的数据，并且控制第一油泵电机7和第二油泵电机10的运转来控制液压系统的运行和调整。

以下将介绍控制器12对该液压舵机的控制：

由于第一弹性部件3和第二弹性部件3的特性，以及该液压舵机中机械空程以及液压空程的问题存在，以及液压系统的起压特性，在液压系统初期起压工作期间，如图2所示，其示出了第一油泵6和第二油泵9的转角与液压系统中液压油液的压力之间的关系曲线，虽然第一油泵6和第二油泵9开始转动，但是液压系统的起压呈缓慢向上的趋势，而只有当第一油泵6和第二油泵9转动到达一定角度后，此时第一油泵6和第二油泵9的转动角度与液压系统中的液压油液的压力才开始呈现几乎线性的关系。而同样是在液压系统初期起压工作期间，如图3所示，其示出了第一驱动油缸5和第二驱动油缸8的行程与液压系统中液压油液的压力之间的关系曲线，由于弹性部件3对液压系统的初始压力存在，当第一油泵6和第二油泵9开始转动角度并使液压系统缓慢起压，只有当液压系统中的压力超过一定值，此时液压系统才具备足够的压力克服后端的弹性部件以及舵柄和舵叶的阻力的反作用力，此时，第一驱动油缸5和第二驱动油缸8开始产生明显的行程并对舵柄产生推动作用。

由此，本发明的液压舵机在液压系统初始起压阶段，控制器12采用转角调节的方式控制第一油泵6和第二油泵9，因为在该阶段，如图2所示，转角的调节更具有调节性和调节空间，并且对于压力的调节精度也更高。而当液压舵机的液压压力达到一定值后，位移调节开始更具有调节性和控制性，其调节的精度也更高。

控制器12在接收到对舵柄进行调节的指令后，首先接收第一驱动油缸压力传感器和第二驱动油缸压力传感器的数据，来判断是否大于上述的特定值，进而控制器12选择不同的控制方法。

在本发明的液压舵机中，其液压油液的最大压力为15MPa，而上述的特定值为3MPa。在液压压力小于等于3MPa时，控制器12采用转角调节的方式控制第一油泵6和第二油泵9。所述转角调节也即以第一油泵6和第二油泵7所转过的角度为控制量来对第一油泵6和第二油泵9进行控制。

而在液压压力大于3MPa时，控制器采用位移调节的方式控制第一油泵6和第二油泵9。所述位移调节也即以第一驱动油缸5和第二驱动油缸8的行程为控制量来对第一油泵6和第二油泵9进行控制。

由于在该特定值，控制器12需要切换控制方式。而在本领域中，通常情况，为了防止输出调节误差，一般采用的停止采用转角调节的控制方式，然后经过一个间隔时间，之后启动采用位移调节的控制方式。即便这个间隔时间很短，在该间隔时间内第一油泵6和第二油泵9会停止，这就使得控制方式的切换过程对液压舵机的控制产生不利的波动和影响。针对该问题，本发明提出在特定值附近区域设置一个切换区间，优选地设置为3±0.3MPa，在该期间内，转角调节还未停止，同时启动位移调节，也即在该期间，控制器12同时采用转角调节和位移调节并交叠的方式，使得不存在现有技术的切换方式所带来的不利影响，改善了调整过程的动态性。

更进一步地，在对舵柄进行控制和调节的过程中，即可以使用第一油泵6和第二油泵9中的一个油泵进行控制；也可以控制第一油泵6和第二油泵9同时运行，通过控制第一油泵6和第二油泵9的工作状态，产生不同的压力差来对舵柄进行控制，产生不同的控制特性，使其具备调节速度可调、特点角度的精确稳定保持以及慢速更精准的调节的效果。

当所述第一驱动油缸5和/或第二驱动油缸8中的液压油液的压力低于当前状态所对应的预定压力以一个预定阈值时，控制器12控制第一油泵5和/或第二油泵8，用以补偿低的所述压力。

实施本发明，具有如下有益效果：使用本发明的液压舵机，其不需要设置现有技术中液压舵机所具有的大量且复杂的液压管路以及阀，而是采用控制第一油泵和第二油泵来驱动舵柄，大大简化了系统结构；同时，在活塞杆与舵柄之间设置弹性部件，且在舵柄的所有工作转角范围内，所述弹性部件都是出于压缩状态，由此能够在一定程度上减弱或消除该液压舵机中各部件的机械空程和误差；针对液压舵机在不同状态下的不同特点，控制器采用转角调节、位移调节及其组合的方式，对第一油泵和/或第二油泵进行控制，使得液压舵机的调节能够以精准的方式进行，消除了现有技术中液压舵机调节误差大以及调节回调速度过慢的问题，具有系统结构简单、调节精准、舵机反应快的优点。

以上所揭露的仅为本发明的几个较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种用于布放挖泥机器人的船用液压舵机，包括与舵叶相连接并且带动舵叶转动的舵柄，在舵柄的两端部分别设置有一个舵柄驱动部；所述液压舵机还包括第一油泵、第一油泵电机、第一驱动油缸、第二油泵、第二油泵电机、第二驱动油缸和油箱，所述第一油泵和第二油泵选用带有保压功能的柱塞泵，所述第一油泵进口与油箱相连，用以从油箱中吸取液压油液，所述第一油泵出口与第一驱动油缸相连，将从油箱中吸取的液压油液输送至第一驱动油缸中，驱动位于第一驱动油缸中的第一活塞移动，所述第一活塞设置有第一活塞杆；所述第二油泵进口与油箱相连，用以从油箱中吸取液压油液，所述第二油泵出口与第二驱动油缸相连，将从油箱中吸取的液压油液输送至第二驱动油缸中，驱动位于第二驱动油缸中的第二活塞移动，所述第二活塞设置有第二活塞杆；在第一活塞杆的端部与一个舵柄驱动部之间设置有第一弹性部件，所述第一弹性部件的一端固定地铰接在一个铰接点，所述第一弹性部件的另一端与第一活塞杆的端部抵接，所述一个舵柄驱动部与第一弹性部件的中间部位抵接；在第二活塞杆的端部与另一个舵柄驱动部之间设置有第二弹性部件，所述第二弹性部件的一端固定地铰接在一个铰接点，所述第二弹性部件的另一端与第二活塞杆的端部抵接，所述另一个舵柄驱动部与第二弹性部件的中间部位抵接；所述第一弹性部件和第二弹性部件预压缩地设置在第一活塞杆的端部与一个舵柄驱动部之间以及第二活塞杆的端部与另一个舵柄驱动部之间，并且在舵柄的转动范围内，所述第一弹性部件与第二弹性部件始终处于压缩状态。

2.根据权利要求1所述的船用液压舵机，其特征在于，所述第一弹性部件与第二弹性部件选用板簧或膜片弹簧。

3.根据权利要求1所述的船用液压舵机，其特征在于，舵柄驱动部为楔形或圆锥形。

4.根据权利要求3所述的船用液压舵机，其特征在于，在第一弹性部件和第二弹性部件上，铰接点和所述舵柄驱动部之间的间距值与舵柄驱动部和第一、第二活塞杆的端部之间的间距值的比值取自1/1—1/3的范围。

5.根据权利要求1所述的船用液压舵机，其特征在于，还包括控制器，所述第一驱动油缸上设置有感测第一活塞位移值的第一活塞位移传感器，所述第二驱动油缸上设置有感测第二活塞位移值的第二活塞位移传感器，所述第一油泵上设置有感测第一油泵所转过角度的第一油泵转角传感器，所述第二油泵上设置有感测第二油泵所转过角度的第二油泵转角传感器，所述第一活塞位移传感器、第二活塞位移传感器、第一油泵转角传感器、第二油泵转角传感器、第一油泵电机和第二油泵电机连接到所述控制器。

6.根据权利要求5所述的船用液压舵机，其特征在于，在舵柄转动的过程中，所述控制器控制第一油泵和第二油泵同时运行。

7.根据权利要求5所述的船用液压舵机，其特征在于，所述控制器基于接收到的第一活塞位移传感器和第二活塞位移传感器的位移数据以及第一油泵转角传感器、第二油泵转角传感器的转角数据，采用位移调节和转角调节的方式来控制第一油泵和第二油泵。

8.根据权利要求7所述的船用液压舵机，其特征在于，所述第一驱动油缸还设置有用于感测第一驱动油缸内液压油液压力的第一驱动油缸压力传感器，所述第二驱动油缸还设置有用于感测第二驱动油缸内液压油液压力的第二驱动油缸压力传感器，所述第一驱动油缸压力传感器和第二驱动油缸压力传感器连接到所述控制器，当所述第一驱动油缸和/或第二驱动油缸中的液压油液的压力低于当前状态所对应的预定压力以一个预定阈值时，控制器控制第一油泵和/或第二油泵，用以补偿低的所述压力。

9.根据权利要求8所述的船用液压舵机，其特征在于，所述液压舵机的最大液压压力为15MPa，在液压压力小于等于3MPa时，控制器采用转角调节的方式控制第一油泵和第二油泵，在液压压力大于3MPa时，控制器采用位移调节的方式控制第一油泵和第二油泵。

10.根据权利要求9所述的船用液压舵机，其特征在于，在液压压力为3±0.3MPa时，控制器采用位移调节和转角调节重叠的方式来控制第一油泵和第二油泵。

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