CN114151394A - 一种基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构 - Google Patents

一种基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构，属于非对称液压缸技术领域，解决现有非对称油缸液压伺服成本高、控制可靠性低的问题。本发明将伺服阀第二控制腔堵住和将有杆腔连接至高压油路，而且系统控制律不变，伺服机构伸出和缩回时，电液伺服阀通过流量均为有杆腔流量，电液伺服阀开口大小不会改变，使得伺服机构伸出缩回速度一致；油缸无杆腔和有杆腔的活塞面积为2:1，无杆腔存在常值背压，伺服机构正负向输出力一致。

Description

一种基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构
技术领域
本发明涉及非对称液压缸技术领域，尤其涉及一种基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构。
背景技术
液压伺服机构属于位置伺服控制系统的一种，广泛应用于机械工业、航空航天等领域中，需要大功率、大输出力/力矩、调速范围较宽的场合。其中特别在航空航天领域，对伺服机构有高控制精度、高频率响应、正负向控制特性一致的要求，因此常选用伺服阀控制对称液压油缸的方案。
因为对称液压油缸在非输出侧存在活塞杆，伺服机构结构上需要对它进行避让，所以对称油缸无法做到长度最优化，难以应用于轴向空间较小的领域。非对称油缸活塞非输出侧没有活塞杆，轴向空间比对称油缸小五分之二，结构紧凑，方便应用在轴向空间较小的领域。非对称油缸的无杆腔和有杆腔活塞面积不同，采用伺服阀控制时，正负向速度不一致，易出现气蚀和超压现象，非线性明显。控制上难度大。工程上有的方案使用非对称阀控制非对称油缸，有的方案使用复杂的非线性算法进行控制，均会极大增加成本和降低可靠性。因此迫切需要一种低成本高可靠的液压伺服机构，实现使用伺服阀对称控制的非对称油缸。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构，用以解决现有非对称油缸液压伺服成本高、控制可靠性低的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明技术方案中，一种基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构，基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构包括：
非对称油缸，非对称油缸的有杆腔与第一管路连通，非对称油缸的无杆腔与第二管路连通；
电液伺服阀，电液伺服阀的第一控制腔与第二管路连通，电液伺服阀的第二控制腔封死，电液伺服阀的供油腔与第一管路连通，电液伺服阀的回油腔与第三管路连通；电液伺服阀位于非对称油缸的上游；
液压泵，设置于第一管路，且位于非对称油缸和电液伺服阀的上游；
第一管路的初始端和第三管路的末端与液压油源连通。
本发明技术方案中，伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构还包括：控制器，与电液伺服阀电连接，用于控制电液伺服阀的工作模式处于第一模式或第二模式；
在第一模式中，第一控制腔与供油腔连通，第二控制腔与回油腔连通；
在第二模式中，第一控制腔与回油腔连通，第二控制腔与供油腔连通。
本发明技术方案中，非对称油缸的无杆腔和有杆腔对应的活塞面积为2：1。
本发明技术方案中，非对称油缸的活塞设有位置传感器；位置传感器与控制器电连接。
本发明技术方案中，液压泵的输出端设有油滤，用于过滤液压油。
本发明技术方案中，伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构还包括：增压活塞，增压活塞的小端与第一管路连通，增压活塞的大端与液压油源连通。
本发明技术方案中，伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构还包括：蓄能器，蓄能器与第一管路连通，且位于液压泵的下游及电液伺服阀的上游。
本发明技术方案中，伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构还包括：往复阀，往复阀的一端与第一管路连通，另一端与第二管路连通；往复阀与第一管路的连通处位于电液伺服阀和非对称油缸之间。
本发明技术方案中，伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构还包括：第一安全阀，第一安全阀的输入端与第一管路连通，第一安全阀的输出端与液压油源连通；第一安全阀与第一管路连通处位于电液伺服阀和非对称油缸之间。
本发明技术方案中，伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构还包括：第二安全阀，第二安全阀的输入端与第二管路连通，第二安全阀的输出端与液压油源连通。
本发明技术方案中，液压油源为液压油箱。
本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：
1.本发明的正负向控制特性一致：伺服机构伸出和缩回时，电液伺服阀通过流量均为有杆腔流量，电液伺服阀开口大小不会改变，使得伺服机构伸出缩回速度一致；油缸无杆腔和有杆腔的活塞面积为2:1，无杆腔存在常值背压，伺服机构正负向输出力一致；
2.本发明能够减少气蚀和超压：有杆腔存在常值的背压，减少急停和负载变化过程中的拉向输出力不足造成的气蚀和超压，伺服阀供油腔增设蓄能器，维持有杆腔油液大流量进出时的系统压力；
3.本发明易于实现，成本低：应用四位三通伺服阀对称控制非对称油缸，仅需对传统方案油路简单改造，即将伺服阀第二控制腔堵住和将有杆腔连接至高压油路，而且系统控制律不变。无需增加额外定制器件和复杂的控制算法。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例的结构示意图。
附图标记：
1-电机、2-液压泵、3-油滤、4-电液伺服阀、5-非对称油缸、6-位置传感器、7-控制器、8-第一安全阀、9-第二安全阀、10-增压活塞、11-蓄能器、12-往复阀、13-油箱、14-第一管路、15-第二管路、16-第三管路、17-第一控制腔、18-第二控制腔、19-供油腔、20-回油腔。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。
现有工程上有的方案使用非对称阀控制非对称油缸5，非对称阀第一控制腔17、第二控制腔18的流量梯度不同，生产复杂，精度较难控制，成本高，且不具备通用型。有的方案使用复杂的非线性算法进行控制，对正负向运动采用不同的控制策略，达到正负向输出特性近似一致。这一类控制算法实现起来较繁琐，增加了产品调试的难度，且鲁棒性较差。
针对上述问题，如图1所示，本发明实施例提供了一种由伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构。其特点是非对称油缸5有杆腔接泵出口，伺服阀的第一控制腔17接非对称油缸5无杆腔，伺服阀的第二控制腔18堵死，通过对称控制无杆腔进出油液的速度，实现用伺服阀对称控制非对称油缸5的目的。
本发明实施例中，基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构包括：
非对称油缸5，非对称油缸5的有杆腔与第一管路14连通，非对称油缸5的无杆腔与第二管路15连通；非对称油缸5是本发明实施例的输出核心，采用非对称的结构，有利于减少油缸的轴向尺寸，但是非对称油缸5的有杆腔和无杆腔的活塞面积不同，导致控制难度大，本发明实施例为了方便进行压力控制，非对称油缸5的无杆腔和有杆腔对应的活塞面积为2：1；
电液伺服阀4，电液伺服阀4的第一控制腔17与第二管路15连通，电液伺服阀4的第二控制腔18封死，电液伺服阀4的供油腔19与第一管路14连通，电液伺服阀4的回油腔20与第三管路16连通；电液伺服阀4位于非对称油缸5的上游；电液伺服阀4作为本发明实施例的液压控制核心，通过调整内部各个腔室的连通方式，来实现对非对称油缸5的油路控制；
液压泵2，设置于第一管路14，且位于非对称油缸5和电液伺服阀4的上游；第一管路14的初始端和第三管路16的末端与液压油源连通；液压泵2为整个液压油路提供液压动力，经过电液伺服阀4的控制，使得液压油路驱动非对称油缸5的活塞移动，且保证非对称油缸5的正向和反向的输出一致。液压泵2能够采用但不限于电动泵，使用电机1驱动。
本发明实施例通过控制器7来对电液伺服阀4进行电控，从而实现电液伺服阀4对液压油路的控制。具体的，本发明实施例还包括：控制器7，与电液伺服阀4电连接，用于控制电液伺服阀4的工作模式处于第一模式或第二模式：
在第一模式中，第一控制腔17与供油腔19连通，第二控制腔18与回油腔20连通，使得第一管路14与第二管路15连通，即非对称油缸5的无杆腔与高压油路连通，此时非对称油缸5的活塞杆伸出，有杆腔被压缩，流出的液压油经过有杆腔与电液伺服阀4之间的第一管路14、电液伺服阀4和第二管路15，流入到无杆腔中，由于非对称油缸5的无杆腔和有杆腔对应的活塞面积为2：1，使得由有杆腔流入无杆腔的液压油流量为无杆腔流入的总流量的一半，此时，本发明实施例的伺服机构正向最大输出力为Ps×2S-Ps×S＝Ps×S，其中Ps为液压泵2的输出压力，S为有杆腔的活塞面积。
在第二模式中，第一控制腔17与回油腔20连通，第二控制腔18与供油腔19连通，使得第二管路15与第三管路16连通，即非对称油缸5的无杆腔与低压油路连通，此时非对称油缸5的活塞杆缩回，无杆腔被压缩，流出的液压油经过第二管路15、电液伺服阀4和第三管路16，流回到液压油源中，由于第二控制腔18被堵死，使无杆腔流入有杆腔的液压流量为液压泵2提供的流量，此时，本发明实施例的伺服机构负向最大输出力为-Ps×S，其中Ps为液压泵2的输出压力，S为有杆腔的活塞面积本发明实施例通过第一模式和第二模式的切换，实现本发明实施例的伺服机构的正向和负向的输出，由于非对称油缸5的无杆腔和有杆腔对应的活塞面积为2：1，使得正向和负向的输出力均为Ps×S，输出力只取决于液压泵2的输出压力和非对称油缸5的活塞面积，保证伺服机构正负向输出力一致。
为了能够更加准确地对非对称油缸5进行控制，本发明实施例采用闭环控制，即非对称油缸5的活塞设有位置传感器6；位置传感器6与控制器7电连接，位置传感器6监测非对称油缸5的活塞位置，并生成活塞位置信号，再将活塞位置信号传递给控制器7，控制器7接收活塞位置信号，并与目标信号进行比较，生成控制信号，再将控制信号传递给电液伺服阀4，电液伺服阀4根据控制信号调整电液伺服阀4的工作模式。
考虑到液压油中可能会混入一定量的杂质，会导致电液伺服阀4和非对称油缸5的卡死，本发明实施例中，液压泵的输出端设有油滤3，用于过滤液压油中的沙石等异物杂质，保证整个油路，包括第一管路14、第二管路15和第三管路16中都不会出现液压油混有杂质的情况。
在非工作状态，低压油路的压力会比工作状态时的压力大，因此容易发生漏油现象。本发明实施例中，伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构还包括：增压活塞10，增压活塞10的小端与第一管路14连通，增压活塞10的大端与液压油源连通。增压活塞10大端与低压油路相连，增压活塞10小端与高压油路相连，构成自增压活塞10，可减小低压腔非工作状态的压力，降低漏油风险。
考虑到在液压泵2启动和停止时会在液压管路中造成液压冲击，本发明实施例中，伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构还包括：蓄能器11，蓄能器11与第一管路14连通，且位于液压泵2的下游及电液伺服阀4的上游。蓄能器11安装在高压油路中，用于伺服机构急起、急停时，维持高压油路的压力稳定。
在非对称油缸5不工作时，需要保证活塞位置保持不变，本发明实施例中，伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构还包括：往复阀12，往复阀12的一端与第一管路14连通，另一端与第二管路15连通；往复阀12与第一管路14的连通处位于电液伺服阀4和非对称油缸5之间。往复阀12至于油缸两腔之间，系统非工作状态下打开往复阀12，可沟通油缸两腔，调整活塞杆位置；系统工作状态下，调节往复阀12的微小开口量，可以调节系统的阻尼特性。
当本发明实施例的伺服机构的液压油路出现堵塞等异常情况时，液压油路中的液压油会阻塞在液压油路中，造成液压异常增大。本发明实施例中，伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构还包括：第一安全阀8，第一安全阀8的输入端与第一管路14连通，第一安全阀8的输出端与液压油源连通；第一安全阀8与第一管路14连通处位于电液伺服阀4和非对称油缸5之间。第一安全阀8保证无杆腔压力不超过安全上限，超过时将油液排放至油箱13。
此外，伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构还包括：第二安全阀9，第二安全阀9的输入端与第二管路15连通，第二安全阀9的输出端与液压油源连通。第二安全阀9保证有杆腔压力不超过安全上限，超过时将油液排放至油箱13。
需要说明的是，本发明实施例中的液压油源包括但不限于液压油箱13。由于液压泵2设置于第一管路14，因此第一管路14作为高压油路使用；第三油路与油箱13连通，用于回油，因此第三管路16作为低压油路使用。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构，本发明的正负向控制特性一致：伺服机构伸出和缩回时，电液伺服阀4通过流量均为有杆腔流量，电液伺服阀4开口大小不会改变，使得伺服机构伸出缩回速度一致；油缸无杆腔和有杆腔的活塞面积为2:1，无杆腔存在常值背压，伺服机构正负向输出力一致；本发明能够减少气蚀和超压：有杆腔存在常值的背压，减少急停和负载变化过程中的拉向输出力不足造成的气蚀和超压，伺服阀供油腔19增设蓄能器11，维持有杆腔油液大流量进出时的系统压力；本发明易于实现，成本低：应用四位三通伺服阀对称控制非对称油缸5，仅需对传统方案油路简单改造，即将伺服阀第二控制腔18堵住和将有杆腔连接至高压油路，而且系统控制律不变。无需增加额外定制器件和复杂的控制算法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构，其特征在于，所述基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构包括：
非对称油缸(5)，所述非对称油缸(5)的有杆腔与第一管路(14)连通，非对称油缸(5)的无杆腔与第二管路(15)连通；
电液伺服阀(4)，所述电液伺服阀(4)的第一控制腔(17)与第二管路(15)连通，电液伺服阀(4)的第二控制腔(18)封死；
液压泵(2)，设置于第一管路(14)，且位于非对称油缸(5)和电液伺服阀(4)的上游。
2.根据权利要求1所述的基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构，其特征在于，所述伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构还包括：控制器(7)，与所述电液伺服阀(4)电连接，用于控制所述电液伺服阀(4)的工作模式处于第一模式或第二模式；
在第一模式中，第一控制腔(17)与供油腔(19)连通，第二控制腔(18)与回油腔(20)连通；
在第二模式中，第一控制腔(17)与回油腔(20)连通，第二控制腔(18)与供油腔(19)连通。
3.根据权利要求2所述的基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构，其特征在于，所述非对称油缸(5)的无杆腔和有杆腔对应的活塞面积为2：1。
4.根据权利要求3所述的基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构，其特征在于，所述非对称油缸(5)的活塞设有位置传感器(6)；所述位置传感器(6)与控制器(7)电连接。
5.根矩权利要求3所述的基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构，其特征在于，所述液压泵(2)的输出端设有油滤(3)，用于过滤液压油。
6.根矩权利要求3所述的基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构，其特征在于，所述伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构还包括：增压活塞(10)，所述增压活塞(10)的小端与第一管路(14)连通，增压活塞(10)的大端与液压油源连通。
7.根据权利要求3所述的基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构，其特征在于，所述伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构还包括：蓄能器(11)，所述蓄能器(11)与第一管路(14)连通，且位于液压泵(2)的下游及电液伺服阀(4)的上游。
8.根矩权利要求3所述的基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构，其特征在于，所述伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构还包括：往复阀(12)，所述往复阀(12)的一端与第一管路(14)连通，另一端与第二管路(15)连通；所述往复阀(12)与第一管路(14)的连通处位于电液伺服阀(4)和非对称油缸(5)之间。
9.根据权利要求3所述的基于伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构，其特征在于，所述伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构还包括：第一安全阀(8)，所述第一安全阀(8)的输入端与第一管路(14)连通，第一安全阀(8)的输出端与液压油源连通；所述第一安全阀(8)与第一管路(14)连通处位于电液伺服阀(4)和非对称油缸(5)之间。
10.根据权利要求3所述的基于伺服阀对称控制的伺服机构，其特征在于，所述伺服阀对称控制的非对称油缸液压伺服机构还包括：第二安全阀(9)，所述第二安全阀(9)的输入端与第二管路(15)连通，第二安全阀(9)的输出端与油箱(13)连通。
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