CN115638282A - 一种可变截面气压执行器及其控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变截面气压执行器及其控制系统和控制方法，本发明的可变截面气压执行器至少包括第一气压缸、第二气压缸和第三气压缸，第一气压缸、第二气压缸和第三气压缸的缸体端均与底座连接，且杆端均与顶盖连接，负载连接件与顶盖连接，第一气压缸、第二气压缸和第三气压缸相互平行设置，具有驱动效率高、能耗低且调整方便等优点，本发明的可变截面气压执行器的控制系统，第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路均与总换向阀连通，第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路分别与第一气压缸、第二气压缸和第三气压缸连通，第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路均包括支路开关阀和支路换向阀，能提高驱动效率且操作便捷。

Description

一种可变截面气压执行器及其控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及气动装备领域，尤其涉及一种可变截面气压执行器及其控制系统和控制方法。

背景技术

近年来，各行业对节能减排的要求越来越高，对于各种机械装备的能效要求也越来越高。现有技术中的气压执行器基本都采用固定作用面积完成驱动负载，而在系统供给压力一定的情况下最大输出力始终保持不变，若作用面积固定，在负载发生变化时，只能通过控制阀产生节流压降来实现输出力与负载力的匹配，因此，当负载力与所需输出力相差越大，要求控制阀产生的节流压降就越大，造成的能量损耗也随之增加，导致能量效率低下，不符合节能减排的发展需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种驱动效率高、能耗低且调整方便的可变截面气压执行器以及能提高驱动效率且操作便捷的可变截面气压执行器控制系统和控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种可变截面气压执行器，包括底座、顶盖和负载连接件，还至少包括第一气压缸、第二气压缸和第三气压缸，所述第一气压缸、第二气压缸和第三气压缸的缸体端均与所述底座连接，且杆端均与所述顶盖连接，所述负载连接件与所述顶盖连接，所述第一气压缸、第二气压缸和第三气压缸相互平行设置。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述可变截面气压执行器还包括第四气压缸，所述第四气压缸的缸体端与所述底座连接且杆端与所述顶盖连接，所述第四气压缸与所述第一气压缸平行设置，所述第一气压缸、第二气压缸、第三气压缸和第四气压缸与所述顶盖的连接处呈菱形。

所述第一气压缸、第二气压缸、第三气压缸和第四气压缸均为双作用单活塞气缸。

所述负载连接件为连接螺栓，所述连接螺栓的一端与所述顶盖螺纹连接，另一端与可变截面气压执行器的负载连接。

所述第一气压缸、第二气压缸、第三气压缸和第四气压缸的杆端均与所述顶盖螺纹连接，所述第一气压缸、第二气压缸、第三气压缸和第四气压缸的缸体端均与所述底座螺纹连接。

一种可变截面气压执行器的控制系统，与上述的可变截面气压执行器连接，包括总换向阀、第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路，所述总换向阀与所述可变截面气压执行器的气源连通，所述第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路均与所述总换向阀连通，所述第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路分别与所述第一气压缸、第二气压缸和第三气压缸连通，所述第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路均包括支路开关阀和支路换向阀。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述控制系统还包括第四控制支路，所述第四控制支路与所述总换向阀、第四气压缸连通，所述第四控制支路包括支路开关阀和支路换向阀。

所述支路开关阀为两位两通电磁开关阀，所述支路换向阀与总换向阀均为三位五通电磁换向阀。

一种可变截面气压执行器的控制方法，采用上述的可变截面气压执行器的控制系统，当气压执行器输出力压为0时，第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路的支路换向阀处于中位断开状态；当气压执行器输出力为最大力时，总换向阀与第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路的支路换向阀处于连通状态，当需要改变气压执行器输出力时，改变第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路中的任一个或两个支路换向阀的工作状态。

作为上述技术方案的进一步改进：

当气压执行器输出力为0时，第一控制支路、第二控制支路、第三控制支路和第四控制支路的支路换向阀处于中位断开状态；当气压执行器输出力为最大力时，总换向阀与第一控制支路、第二控制支路、第三控制支路和第四控制支路的支路换向阀处于连通状态；当需要改变气压执行器输出力时，改变第一控制支路、第二控制支路、第三控制支路和第四控制支路中的任一个或两个、三个支路换向阀的工作状态。

气压执行器活塞杆伸出时，总换向阀工作在左位，高压气体进入，当气压执行器输出力为最大力时，第一控制支路、第二控制支路、第三控制支路和第四控制支路的三位五通电磁换向阀均工作在左位，高压气体进入第一气压缸、第二气压缸、第三气压缸和第四气压缸的无杆腔，当需要改变气压执行器输出力时，将第一控制支路、第二控制支路、第三控制支路和第四控制支路中的任一个或两个、三个三位五通电磁换向阀的工作状态调整为中位；气压执行器活塞杆缩回时，总换向阀工作在左位，高压气体进入，当气压执行器输出力为最大力时，第一控制支路、第二控制支路、第三控制支路和第四控制支路的三位五通电磁换向阀均工作在右位，高压气体进入第一气压缸、第二气压缸、第三气压缸和第四气压缸的有杆腔，当需要改变气压执行器输出力时，将第一控制支路、第二控制支路、第三控制支路和第四控制支路中的任一个或两个、三个三位五通电磁换向阀的工作状态调整为中位。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的可变截面气压执行器，包括底座、顶盖和负载连接件，还至少包括第一气压缸、第二气压缸和第三气压缸，第一气压缸、第二气压缸和第三气压缸的缸体端均与底座连接，且杆端均与顶盖连接，负载连接件与顶盖连接，第一气压缸、第二气压缸和第三气压缸相互平行设置，设置第一气压缸、第二气压缸和第三气压缸，当气压执行器所需输出力改变时，在气压执行器的输入高压气源压力不变的前提下，通过控制多个气压缸组合输出，也就是改变了气压执行器的有效工作截面，实现气压执行器的输出力与负载需求匹配，单个气压缸不需要产生节流压降，从而降低了气压缸的能量损耗，提高了气压执行器的驱动效率。

(2)本发明的可变截面气压执行器控制系统，与上述的可变截面气压执行器连接，包括总换向阀、第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路，总换向阀与可变截面气压执行器的气源连通，第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路均与总换向阀连通，第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路分别与第一气压缸、第二气压缸和第三气压缸连通，第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路均包括支路开关阀和支路换向阀，当气压执行器所需输出力改变时，在气压执行器的输入高压气源压力不变的前提下，通过第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路分别控制第一气压缸、第二气压缸和第三气压缸的输出状态，三个气压缸组合输出，也就是改变了气压执行器的有效工作截面，实现气压执行器的输出力与负载需求匹配，单个气压缸不需要产生节流压降，从而降低了气压缸的能量损耗，提高了气压执行器的驱动效率，且控制操作简单、可靠。

(3)本发明的可变截面气压执行器控制方法，采用上述的可变截面气压执行器的控制系统，当气压执行器输出力压为0时，第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路的支路换向阀处于中位断开状态；当气压执行器输出力为最大力时，总换向阀与第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路的支路换向阀处于连通状态，当需要改变气压执行器输出力时，改变第一控制支路、第二控制支路和第三控制支路中的任一个或两个支路换向阀的工作状态，也就是改变了气压执行器的有效工作截面，实现气压执行器的输出力与负载需求匹配，单个气压缸不需要产生节流压降，从而降低了气压缸的能量损耗，提高了气压执行器的驱动效率，且控制操作简单、可靠。

附图说明

图1是本发明可变截面气压执行器的结构示意图。

图2是本发明可变截面气压执行器控制系统的示意图。

图3是本发明可变截面气压执行器控制系统在气压执行器活塞杆伸出时的示意图。

图4是本发明可变截面气压执行器控制系统在气压执行器活塞杆缩回时的示意图。

图中各标号表示：

1、底座；2、顶盖；3、负载连接件；4、第一气压缸；5、第二气压缸；6、第三气压缸；7、第四气压缸；11、总换向阀；12、第一控制支路；12a、第一两位两通电磁开关阀；12b、第一三位五通电磁换向阀；13、第二控制支路；13a、第二两位两通电磁开关阀；13b、第二三位五通电磁换向阀；14、第三控制支路；14a、第三两位两通电磁开关阀；14b、第三三位五通电磁换向阀；15、第四控制支路；15a、第四两位两通电磁开关阀；15b、第四三位五通电磁换向阀。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1示出了本发明可变截面气压执行器的一种实施例，该可变截面气压执行器包括底座1、顶盖2和负载连接件3，还至少包括第一气压缸4、第二气压缸5和第三气压缸6，第一气压缸4、第二气压缸5和第三气压缸6的缸体端均与底座1连接，且杆端均与顶盖2连接，负载连接件3与顶盖2连接，第一气压缸4、第二气压缸5和第三气压缸6相互平行设置，当气压执行器所需输出力改变时，在气压执行器的输入高压气源压力不变的前提下，通过控制多个气压缸组合输出，也就是改变了气压执行器的有效工作截面，实现气压执行器的输出力与负载需求匹配，单个气压缸不需要产生节流压降，从而降低了气压缸的能量损耗，提高了气压执行器的驱动效率。

本实施例中，可变截面气压执行器还包括第四气压缸7，第四气压缸7的缸体端与底座1连接且杆端与顶盖2连接，第四气压缸7与第一气压缸4平行设置，第一气压缸4、第二气压缸5、第三气压缸6和第四气压缸7与顶盖2的连接处呈菱形，通过四个气压缸能进一步增加可变截面气压执行器的可调节范围，且第一气压缸4、第二气压缸5、第三气压缸6和第四气压缸7与顶盖2的连接处呈菱形，结构更加稳定。

本实施例中，第一气压缸4、第二气压缸5、第三气压缸6和第四气压缸7均为双作用单活塞气缸。

本实施例中，负载连接件3为连接螺栓，连接螺栓的一端与顶盖2螺纹连接，另一端与可变截面气压执行器的负载连接。

本实施例中，第一气压缸4、第二气压缸5、第三气压缸6和第四气压缸7的杆端均与顶盖2螺纹连接，第一气压缸4、第二气压缸5、第三气压缸6和第四气压缸7的缸体端均与底座1螺纹连接。

图2示出了本发明可变截面气压执行器的控制系统的一种实施例，该可变截面气压执行器的控制系统与本发明的可变截面气压执行器连接，包括总换向阀11、第一控制支路12、第二控制支路13和第三控制支路14，总换向阀11与可变截面气压执行器的气源连通，第一控制支路12、第二控制支路13和第三控制支路14均与总换向阀11连通，第一控制支路12、第二控制支路13和第三控制支路14分别与第一气压缸4、第二气压缸5和第三气压缸6连通，第一控制支路12、第二控制支路13和第三控制支路14均包括支路开关阀和支路换向阀，当气压执行器所需输出力改变时，在气压执行器的输入高压气源压力不变的前提下，通过第一控制支路12、第二控制支路13和第三控制支路14分别控制第一气压缸4、第二气压缸5和第三气压缸6的输出状态，三个气压缸组合输出，也就是改变了气压执行器的有效工作截面，实现气压执行器的输出力与负载需求匹配，单个气压缸不需要产生节流压降，从而降低了气压缸的能量损耗，提高了气压执行器的驱动效率，且控制操作简单、可靠。

本实施例中，控制系统还包括第四控制支路15，第四控制支路15与总换向阀11、第四气压缸7连通，第四控制支路15包括支路开关阀和支路换向阀。

本实施例中，支路开关阀为两位两通电磁开关阀，支路换向阀与总换向阀11均为三位五通电磁换向阀。

以第一控制支路12的第一两位两通电磁开关阀12a和第一三位五通电磁换向阀12b为例，气路与第一三位五通电磁换向阀12bA口连通，第一气压缸4的无杆腔横截面积为S11，气路与第一三位五通电磁换向阀12bB口连通，第一气压缸4的有杆腔横截面积为S12，同时，第一三位五通电磁换向阀12bP口与总换向阀11(三位五通电磁换向阀)A口连通，第一三位五通电磁换向阀12bS口与总换向阀11B口连通，同时，第一三位五通电磁换向阀12bR口通过第一两位两通电磁开关阀12a与总换向阀11B口连通，第一两位两通电磁开关阀12a为常开状态，当电磁铁得电时，第一两位两通电磁开关阀12a关闭，第一三位五通电磁换向阀12bR口与总换向阀11B口连通断开。

第二控制支路13的第二两位两通电磁开关阀13a和第二三位五通电磁换向阀13b、第三控制支路14的第三两位两通电磁开关阀14a和第三三位五通电磁换向阀14b、第四控制支路15的第四两位两通电磁开关阀15a和第四三位五通电磁换向阀15b与第二气压缸5和第三气压缸6、第四气压缸7以及总换向阀11的连接方法类似，

第二气压缸5的无杆腔横截面积为S21，第二气压缸5的有杆腔横截面积为S22，第三气压缸6的无杆腔横截面积为S31，第三气压缸6的有杆腔横截面积为S32，第四气压缸7的无杆腔横截面积为S41，第四气压缸7的有杆腔横截面积为S42。

图3和图4示出了本发明可变截面气压执行器的控制方法的一种实施例，采用本发明的可变截面气压执行器的控制系统，当气压执行器输出力压为0时，第一控制支路12、第二控制支路13和第三控制支路14的支路换向阀处于中位断开状态；当气压执行器输出力为最大力时，总换向阀11与第一控制支路12、第二控制支路13和第三控制支路14的支路换向阀处于连通状态，当需要改变气压执行器输出力时，改变第一控制支路12、第二控制支路13和第三控制支路14中的任一个或两个支路换向阀的工作状态,

本实施例中，当气压执行器输出力为0时，第一控制支路12、第二控制支路13、第三控制支路14和第四控制支路15的支路换向阀处于中位断开状态；当气压执行器输出力为最大力时，总换向阀11与第一控制支路12、第二控制支路13、第三控制支路14和第四控制支路15的支路换向阀处于连通状态；当需要改变气压执行器输出力时，改变第一控制支路12、第二控制支路13、第三控制支路14和第四控制支路15中的任一个或两个、三个支路换向阀的工作状态。

本实施例中，气压执行器活塞杆伸出时，如图3所示，总换向阀11工作在左位，高压气体进入，当气压执行器输出力为最大力p·(S11+S21+S31+S41)时，第一控制支路12、第二控制支路13、第三控制支路14和第四控制支路15的三位五通电磁换向阀均工作在左位，高压气体进入第一气压缸4、第二气压缸5、第三气压缸6和第四气压缸7的无杆腔，当需要改变气压执行器输出力时，将第一控制支路12、第二控制支路13、第三控制支路14和第四控制支路15中的任一个或两个、三个三位五通电磁换向阀的工作状态调整为中位；气压执行器活塞杆缩回时，如图4所示，总换向阀11工作在左位，高压气体进入，当气压执行器输出力为最大力p·(S12+S22+S32+S42)时，第一控制支路12、第二控制支路13、第三控制支路14和第四控制支路15的三位五通电磁换向阀均工作在右位，高压气体进入第一气压缸4、第二气压缸5、第三气压缸6和第四气压缸7的有杆腔，当需要改变气压执行器输出力时，将第一控制支路12、第二控制支路13、第三控制支路14和第四控制支路15中的任一个或两个、三个三位五通电磁换向阀的工作状态调整为中位。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (11)

1.一种可变截面气压执行器，其特征在于：包括底座(1)、顶盖(2)和负载连接件(3)，还至少包括第一气压缸(4)、第二气压缸(5)和第三气压缸(6)，所述第一气压缸(4)、第二气压缸(5)和第三气压缸(6)的缸体端均与所述底座(1)连接，且杆端均与所述顶盖(2)连接，所述负载连接件(3)与所述顶盖(2)连接，所述第一气压缸(4)、第二气压缸(5)和第三气压缸(6)相互平行设置。

2.根据权利要求1所述的可变截面气压执行器，其特征在于：所述可变截面气压执行器还包括第四气压缸(7)，所述第四气压缸(7)的缸体端与所述底座(1)连接且杆端与所述顶盖(2)连接，所述第四气压缸(7)与所述第一气压缸(4)平行设置，所述第一气压缸(4)、第二气压缸(5)、第三气压缸(6)和第四气压缸(7)与所述顶盖(2)的连接处呈菱形。

3.根据权利要求2所述的可变截面气压执行器，其特征在于：所述第一气压缸(4)、第二气压缸(5)、第三气压缸(6)和第四气压缸(7)均为双作用单活塞气缸。

4.根据权利要求2或3所述的可变截面气压执行器，其特征在于：所述负载连接件(3)为连接螺栓，所述连接螺栓的一端与所述顶盖(2)螺纹连接，另一端与可变截面气压执行器的负载连接。

5.根据权利要求2或3所述的可变截面气压执行器，其特征在于：所述第一气压缸(4)、第二气压缸(5)、第三气压缸(6)和第四气压缸(7)的杆端均与所述顶盖(2)螺纹连接，所述第一气压缸(4)、第二气压缸(5)、第三气压缸(6)和第四气压缸(7)的缸体端均与所述底座(1)螺纹连接。

6.一种可变截面气压执行器的控制系统，与权利要求1至5中任一项所述的可变截面气压执行器连接，其特征在于：包括总换向阀(11)、第一控制支路(12)、第二控制支路(13)和第三控制支路(14)，所述总换向阀(11)与所述可变截面气压执行器的气源连通，所述第一控制支路(12)、第二控制支路(13)和第三控制支路(14)均与所述总换向阀(11)连通，所述第一控制支路(12)、第二控制支路(13)和第三控制支路(14)分别与所述第一气压缸(4)、第二气压缸(5)和第三气压缸(6)连通，所述第一控制支路(12)、第二控制支路(13)和第三控制支路(14)均包括支路开关阀和支路换向阀。

7.根据权利要求6所述的可变截面气压执行器的控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括第四控制支路(15)，所述第四控制支路(15)与所述总换向阀(11)、第四气压缸(7)连通，所述第四控制支路(15)包括支路开关阀和支路换向阀。

8.根据权利要求7所述的可变截面气压执行器的控制系统，其特征在于：所述支路开关阀为两位两通电磁开关阀，所述支路换向阀与总换向阀(11)均为三位五通电磁换向阀。

9.一种可变截面气压执行器的控制方法，采用权利要求6至8中任一项所述的可变截面气压执行器的控制系统，其特征在于：当气压执行器输出力为0时，第一控制支路(12)、第二控制支路(13)和第三控制支路(14)的支路换向阀处于中位断开状态；当气压执行器输出力为最大力时，总换向阀(11)与第一控制支路(12)、第二控制支路(13)和第三控制支路(14)的支路换向阀处于连通状态，当需要改变气压执行器输出力时，改变第一控制支路(12)、第二控制支路(13)和第三控制支路(14)中的任一个或两个支路换向阀的工作状态。

10.根据权利要求9所述的可变截面气压执行器的控制方法，其特征在于：当气压执行器输出力为0时，第一控制支路(12)、第二控制支路(13)、第三控制支路(14)和第四控制支路(15)的支路换向阀处于中位断开状态；当气压执行器输出力为最大力时，总换向阀(11)与第一控制支路(12)、第二控制支路(13)、第三控制支路(14)和第四控制支路(15)的支路换向阀处于连通状态；当需要改变气压执行器输出力时，改变第一控制支路(12)、第二控制支路(13)、第三控制支路(14)和第四控制支路(15)中的任一个或两个、三个支路换向阀的工作状态。

11.根据权利要求10所述的可变截面气压执行器的控制方法，其特征在于：气压执行器活塞杆伸出时，总换向阀(11)工作在左位，高压气体进入，当气压执行器输出力为最大力时，第一控制支路(12)、第二控制支路(13)、第三控制支路(14)和第四控制支路(15)的三位五通电磁换向阀均工作在左位，高压气体进入第一气压缸(4)、第二气压缸(5)、第三气压缸(6)和第四气压缸(7)的无杆腔，当需要改变气压执行器输出力时，将第一控制支路(12)、第二控制支路(13)、第三控制支路(14)和第四控制支路(15)中的任一个或两个、三个三位五通电磁换向阀的工作状态调整为中位；气压执行器活塞杆缩回时，总换向阀(11)工作在左位，高压气体进入，当气压执行器输出力为最大力时，第一控制支路(12)、第二控制支路(13)、第三控制支路(14)和第四控制支路(15)的三位五通电磁换向阀均工作在右位，高压气体进入第一气压缸(4)、第二气压缸(5)、第三气压缸(6)和第四气压缸(7)的有杆腔，当需要改变气压执行器输出力时，将第一控制支路(12)、第二控制支路(13)、第三控制支路(14)和第四控制支路(15)中的任一个或两个、三个三位五通电磁换向阀的工作状态调整为中位。

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