CN113339361A - 一种六自由度液压力平衡装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种六自由度液压力平衡装置，包括下平台和设置在下平台上方的上平台，其中，所述下平台和上平台之间设置有用于对上平台运动产生随动支撑的六只液压缸，六只液压缸组成六自由度结构；所述液压缸为包括有杆腔和位于有杆腔下部的无杆腔的双作用油缸；所述液压缸连接有蓄能器。本发明采用闭式液压支撑原理，不但可实现液压油无损耗，大幅降低电动执行器用于支撑载荷质量和运动框架质量的能耗，减少执行器的峰值动力需求，使得用户执行器额定性能得到充分利用，实现系统节能减排、成本降低和设备使用寿命提高需求，还可实现运动平台液压刚性锁定。

Description

一种六自由度液压力平衡装置
技术领域
本发明涉及多自由度运动平台技术领域，具体涉及一种可适用重载运动平台的六自由度液压力平衡装置。
背景技术
在多自由度运动平台领域，随着平台载荷需求越来越大，支撑载荷所需的运动结构框架重量和尺寸也越来越大，由此，带来的载荷质量和运动框架质量占平台的总动态负载比重往往超过60%，因此，用于驱动平台的电动执行器会消耗大部分动力用于支撑载荷质量和运动框架质量，造成了大量能源无效消耗。
现有技术中，有用于运动平台的力平衡装置，常用的有单缸气弹簧式、双缸气弹簧式、三缸气弹簧式和金属机械弹簧式，也有带导向单液压缸蓄能器式，原理是利用弹性部件支撑运动平台，并可以随动无约束运动，虽然可以抵消全部重量，但是结构复杂，并且没有安全锁定能力。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种六自由度液压力平衡装置，可减小电动执行器用于支撑载荷质量和运动框架质量的动力消耗。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种六自由度液压力平衡装置，包括下平台和设置在下平台上方的上平台，其中，所述下平台和上平台之间设置有用于对上平台运动产生随动支撑的六只液压缸，六只液压缸组成六自由度结构；所述液压缸为包括有杆腔和位于有杆腔下部的无杆腔的双作用油缸；所述液压缸连接有蓄能器。
优选的，所述液压缸上部的活塞杆通过上铰链与上平台的下表面连接，液压缸的下端通过下铰链与下平台的上表面连接。
优选的，各液压缸的有杆腔油口均通过一根有杆腔液压软管连接有一个用于控制相应液压缸自由运动和刚性锁定的有杆腔开关阀；各液压缸的无杆腔油口均通过一根无杆腔液压软管连接有一个用于控制相应液压缸自由运动和刚性锁定的无杆腔开关阀；六个有杆腔开关阀和六个无杆腔开关阀均通过油源软管连接蓄能器的液压端。
优选的，所述有杆腔开关阀和无杆腔开关阀均为电磁阀，有杆腔开关阀和无杆腔开关阀的受控端连接有电动执行器。
优选的，所述下平台的上表面设置有用于安装有杆腔开关阀和无杆腔开关阀的液压阀块。
优选的，所述蓄能器的气囊中均预充有气体；由蓄能器的液压端、六只液压缸、六根无杆腔液压软管、六根有杆腔液压软管、油源软管、液压阀块、有杆腔开关阀和无杆腔开关阀形成的闭合腔体中预充满液压油；六只液压缸处于伸长状态时的闭合腔体中液压油总容积和六只液压缸处于收缩状态时的闭合腔体中液压油总容积之差小于蓄能器的气囊中预充气体的总可压缩量。
优选的，所述下平台的上表面还设置有对闭合腔体进行充放油的充放油组件。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明不但可以抵消载荷和运动框架的全部重量，而且结构紧凑，采用闭式液压支撑原理，利用蓄能器预充气体和液压油的弹性压缩特征作为有压闭式液压循环油源，液压系统处于完全封闭状态，实现液压油无损耗；设备工作时，支撑液压缸随电动平台伸缩运动，同时实现随动支撑的功能，进而大幅降低电动执行器能耗，有利于进一步通过执行器推动运动平台在空间运动时，减少执行器的峰值动力需求，最大限度的利用了执行器在额定容量下的工作特性，使得用户执行器额定性能得到充分利用，实现系统节能减排、成本降低和设备使用寿命提高需求；同时，本装置具有对运动设备安全锁定能力，可通过切断液压开关阀，实现运动平台液压刚性锁定，避免执行器停止或失控时，运动平台进入非稳定危险姿态，增加了系统工作可靠性、可维护性、降低了使用成本。
本发明在存在轴向压缩载荷的运动平台应用领域，为优化的垂直方向执行器动力性能，将并联六自由度液压缸和液压蓄能流体相结合，解决了一定条件下垂直驱动执行器工作时压缩和伸长轴向力不均衡问题，减少了垂直执行器峰值力输出、改善了执行器力输出动态性能，降低了工作噪音、延长设备使用寿命、还提高了运动平台安全锁定和保护能力，并大幅降低了应用设备生产维护使用成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2是本发明的俯视简化结构示意图；
图3是本发明的侧视简化结构示意图。
其中：101.液压缸、201.有杆腔开关阀、301.无杆腔开关阀、401.蓄能器、501.液压阀块、6.充放油组件、701.上铰链、801.下铰链、9.下平台、10.上平台、411.有杆腔液压软管、421.无杆腔液压软管、431.油源软管。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。
一种六自由度液压力平衡装置，结合图1至图3所示，包括下平台9、上平台10、六只液压缸101和蓄能器401，其中，下平台9为固定平台；上平台10设置在下平台9的上方，为用于载荷的运动平台；六只液压缸101设置在下平台9和上平台10之间，用于对上平台10运动产生随动支撑；蓄能器401可根据需求设置在下平台9的上表面或其他地方，蓄能器401与六只液压缸101连接，用于驱动液压缸101活塞杆的伸缩运动。
六只液压缸101均为双作用油缸，包括有杆腔和无杆腔，其中，无杆腔位于有杆腔的下部。液压缸101上部的活塞杆通过上铰链701与上平台10的下表面连接，液压缸101的下端通过下铰链801与下平台9的上表面连接，组成六自由度结构。
各液压缸101的有杆腔油口均通过一根有杆腔液压软管411连接有一个有杆腔开关阀201；各液压缸101的无杆腔油口均通过一根无杆腔液压软管421连接有一个无杆腔开关阀301。蓄能器401为两个，分别为第一蓄能器和第二蓄能器，六个有杆腔开关阀201均通过油源软管431连接第一蓄能器的液压端，六个无杆腔开关阀301均通过油源软管431连接第二蓄能器的液压端。六个有杆腔开关阀201和六个无杆腔开关阀301均为电磁阀，受控端连接有电动执行器，在电动执行器的控制下来控制油路的通断。
下平台9的上表面设置有液压阀块501，液压阀块501具有结构紧凑，维护、安装、调整和更换液压元件方便等特点，可根据需求设置若干个。本实施例中，选用三个液压阀块501，将相邻的两个液压缸101上的有杆腔开关阀201和无杆腔开关阀301为一组安装在一个液压阀块501上。
蓄能器401的气囊中均预充有一定压力的气体。由蓄能器401的液压端、六只液压缸101、六根无杆腔液压软管421、六根有杆腔液压软管411、油源软管431、液压阀块501、有杆腔开关阀201和无杆腔开关阀301形成的闭合腔体中预充满液压油，充油压力可超出蓄能器充气压力，且六只液压缸101处于伸长状态时的闭合腔体中液压油总容积和六只液压缸101处于收缩状态时的闭合腔体中液压油总容积之差小于蓄能器401的气囊中预充气体的总可压缩量，当六只液压缸101处于伸长状态时，闭合腔体中的充油压力大于蓄能器401的充气压力。
当所有有杆腔开关阀201和无杆腔开关阀301在电动执行器的控制下打开后，六只液压缸101便进入工作状态，上平台10及其负载产生的重力可通过液压缸101的支撑抵消，液压缸101支撑力大小取决于蓄能器预充气体压力、预充液压油压力。工作时，开关阀处于打开状态，六只液压缸101跟随上平台10随动伸缩运动（上平台10由电动执行器驱动），同时实现上平台10负载重力补偿功能，六只液压缸101可靠工作的前提是蓄能器有效容积要大于六只液压缸101伸缩产生的液压腔体容积变化。当设备处于停机或者安全状态时，所有有杆腔开关阀201和无杆腔开关阀301可以关闭，这样上平台10就处于液压刚性锁定状态。
下平台9的上表面还设置有充放油组件6，充放油组件6用于对闭合腔体进行充放油。
本发明在使用时，在正常运行时，六只液压缸101的有杆腔连接一个有杆腔开关阀201到第一蓄能器，六只液压缸101的无杆腔分别连接一个无杆腔开关阀301到第二蓄能器；当有杆腔开关阀201和无杆腔开关阀301打开，油路畅通，液压缸101活塞跟随上平台10自由运动，此时液压回路中所预充的液压油在蓄能器气囊中压缩气体推动下驱动液压缸101活塞杆向上运行，进而产生对运动上平台10的随动支撑。
当六只液压缸101退出工作时，有杆腔开关阀201和无杆腔开关阀301关闭，油路锁定，液压缸101有杆腔和无杆腔内的液压油无法压缩流动，从而实现运动上平台10的刚性锁定。
本发明目前已经应用于负载三吨的重载多自由度模拟器上，用于模拟重型卡车驾驶训练，并产生了有益效果。

Claims (7)

1.一种六自由度液压力平衡装置，包括下平台（9）和设置在下平台（9）上方的上平台（10），其特征在于：所述下平台（9）和上平台（10）之间设置有用于对上平台（10）运动产生随动支撑的六只液压缸（101），六只液压缸组成六自由度结构；所述液压缸（101）为包括有杆腔和位于有杆腔下部的无杆腔的双作用油缸；所述液压缸（101）连接有蓄能器（401）。
2.根据权利要求1所述的一种六自由度液压力平衡装置，其特征在于：所述液压缸（101）上部的活塞杆通过上铰链（701）与上平台（10）的下表面连接，液压缸（101）的下端通过下铰链（801）与下平台（9）的上表面连接。
3.根据权利要求1所述的一种六自由度液压力平衡装置，其特征在于：各液压缸（101）的有杆腔油口均通过一根有杆腔液压软管（411）连接有一个用于控制相应液压缸（101）自由运动和刚性锁定的有杆腔开关阀（201）；各液压缸（101）的无杆腔油口均通过一根无杆腔液压软管（421）连接有一个用于控制相应液压缸（101）自由运动和刚性锁定的无杆腔开关阀（301）；六个有杆腔开关阀（201）和六个无杆腔开关阀（301）均通过油源软管（431）连接蓄能器（401）的液压端。
4.根据权利要求3所述的一种六自由度液压力平衡装置，其特征在于：所述有杆腔开关阀（201）和无杆腔开关阀（301）均为电磁阀，有杆腔开关阀（201）和无杆腔开关阀（301）的受控端连接有电动执行器。
5.根据权利要求3所述的一种六自由度液压力平衡装置，其特征在于：所述下平台（9）的上表面设置有用于安装有杆腔开关阀（201）和无杆腔开关阀（301）的液压阀块（501）。
6.根据权利要求3所述的一种六自由度液压力平衡装置，其特征在于：所述蓄能器（401）的气囊中均预充有气体；由蓄能器（401）的液压端、六只液压缸（101）、六根无杆腔液压软管（421）、六根有杆腔液压软管（411）、油源软管（431）、液压阀块（501）、有杆腔开关阀（201）和无杆腔开关阀（301）形成的闭合腔体中预充满液压油；六只液压缸（101）处于伸长状态时的闭合腔体中液压油总容积与六只液压缸（101）处于收缩状态时的闭合腔体中液压油总容积之差小于蓄能器（401）的气囊中预充气体的总可压缩量。
7.根据权利要求6所述的一种六自由度液压力平衡装置，其特征在于：所述下平台（9）的上表面还设置有对闭合腔体进行充放油的充放油组件（6）。
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