CN1811201A - 气－液串联复合驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气－液串联复合驱动系统，此复合驱动系统可作为流体驱动的机器人、机械等的低压、小流量的动力系统，属于机器人、机械的应用技术领域。本发明复合驱动系统以气压源驱动，气体部分的体积小，系统的主要流动部分为液体，因此可压缩气体量小，加上液体的不可压缩特性，系统刚性好，滑动缸的运动平稳性大大提高，有利于系统的伺服控制；利用气体节流阀小孔产生壅塞流原理，即气体经节流阀小孔排气的质量流量恒定的原理，结合气、液节流或单作用缸的弹簧预紧力的阻尼特性，建立滑动缸位移、速度的动态方程，动态方程的自变量仅仅是时间量，控制方式简单，成本低廉。

Description

气-液串联复合驱动系统

技术领域：

本发明涉及一种气-液串联复合驱动系统，此复合驱动系统以气压源驱动，气体部分的体积小，系统的主要流动部分为液体，并利用气体节流阀小孔产生壅塞流原理；此复合驱动系统可作为流体驱动的机器人、机械等的低压、小流量的动力系统，属于机器人、机械的应用技术领域。

背景技术：

本发明以前，在已有技术中，对于复合驱动系统来说，现有的复合驱动系统有采用气-液串联和气-液并联复合驱动系统，其不足之处是由于气体可压缩性，运动平稳性差，伺服系统的定位精度低；或伺服控制系统复杂，以流体压力来控制液压缸/气缸的位移，成本较高。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述不足之处，本发明采用气-液串联复合驱动系统，利用流量不可调的气体节流阀小孔产生壅塞流原理，即气体经节流阀小孔排气的质量流量恒定为基础，结合气、液节流或单作用缸的弹簧预紧力的阻尼特性，建立滑动缸位移、速度的动态方程，动态方程的自变量仅仅是时间量，是以时间量来控制滑动缸位移的气-液串联复合驱动系统。

本发明的主要解决方案是这样实现的：

本发明复合驱动系统为：如附图1所示，带储气罐的恒压源的气体压力为p_S，与出口压力为p_A的小孔节流阀1相连，不可调的小孔节流阀1的出口与三位四通阀5相通，三位四通阀5的一通口与气体可调节流阀4相连，气体可调节流阀4与消声器3相连；三位四通阀5另外两通口中一通口封闭、另一通口与柱塞缸2相通，压力变送器6亦与柱塞缸2相连、测量柱塞缸2气体腔压力p_B；连接三位四通阀5、柱塞缸2和压力变送器6的这段气路尽可能短，未通气源p_S时，柱塞缸2的柱塞在最右端，这样可减少气体体积；柱塞缸2的左端为液体，其液路与液体可调节流阀8相连，液体通断阀7与液体可调节流阀8并联；上述元件构成了本发明的气-液串联复合驱动系统，以下将简称为系统QY，并在附图2、3中用虚线框明确。

本发明复合驱动系统驱动单作用滑动缸的实施例：如附图2所示，系统QY的液体输出端与单作用滑动缸9相连，单作用滑动缸9内压缩弹簧必须预紧，单作用滑动缸9出口为气路，与气体通断阀10相通。

本发明复合驱动系统驱动双作用滑动缸的实施例：如附图3所示，本实施例使用了两套系统QY，其中一套相同元件的附图标记增加了小写字母a，电磁铁的序号仍为单独标记，两套系统QY分别连接双作用滑动缸11的两端。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

本发明采用气-液串联复合驱动系统，利用流量不可调的气体节流阀小孔产生壅塞流原理，即气体经节流阀小孔排气的质量流量恒定为基础，结合气、液节流或单作用缸的弹簧预紧力的阻尼特性，建立滑动缸位移、速度的动态方程，动态方程的自变量仅仅是时间量，是以时间量来控制滑动缸位移的气-液串联复合驱动系统，控制方式简单，成本低廉。同时，此复合驱动系统以气压源驱动，气路紧凑，气体部分的体积尽可能小，系统的主要流动部分为液体，因此可压缩气体量小，加上液体的不可压缩特性，滑动缸的运动平稳性大大提高，有利于系统的伺服控制。

附图说明：

图1为本发明复合驱动系统驱动部分的原理图

图2为本发明复合驱动系统驱动单作用滑动缸的工作原理图

图3为本发明复合驱动系统驱动双作用滑动缸的工作原理图

具体实施方式：

下面结合本发明驱动单作用滑动缸的实施例说明工作原理及工作过程：

如附图2所示，带储气罐的恒压源的气体压力为p_S，经与小孔节流阀1相连，出口压力为p_A，三位四通阀5的电磁铁1DT得电，压缩空气流向柱塞缸2(柱塞缸2气体腔压力p_B)，柱塞左移，促使液体经液体通断阀7直接进入单作用滑动缸9下腔，单作用滑动缸9克服弹簧力，从上腔排出气体，从而其活塞杆向上运动。连接三位四通阀5、柱塞缸2和压力变送器6的这段气路尽可能短，未通气源p_S时，柱塞缸2的柱塞在最右端，这样可减少气体体积。回程是三位四通阀5的电磁铁1DT失电、2DT得电，弹簧力使单作用滑动缸9的活塞杆向下运动，柱塞右移，气体经三位四通阀5、气体可调节流阀4排出。分析其动态过程如下：

柱塞缸右端气体质量(含三位四通阀5出口起的管路部分)由状态方程给出：M_B＝(p_B+p₀)·V_B/RT                                 1

其中R为理想气体常数，T为绝对温度气体，p_B为相对压力，大气压p₀＝0.1013MPa，体积V_B＝A_柱塞·S_柱塞+V₀，其中A_柱塞为柱塞截面积、S_柱塞为柱塞行程、V₀为柱塞在右端未动作时管路部分的气体体积。当进口不可调节流阀的孔面积较小时，充气过程可假设为等温过程。式1两边对时间t求导得：

${\stackrel{\·}{M}}_B=\frac{1}{\mathrm{RT}}\frac{d}{\mathrm{dt}}[(p_B+p_0)\·V_B]---2$

当系统恒定气源压力p_S≥p_A/0.528时，小孔节流阀1流出质量流量是壅塞流，有 ${\stackrel{\·}{M}}_B=k_p{p}_S\·1\left(t\right),$ k_p是一常数，从节流孔实验特性曲线求得。进口气路的不可调节流阀与三位四通阀安装紧凑，在通电短暂延时t₀后，阀芯一移动，p_B即变为节流孔下游压力p_A，故用阶跃函数1(t)表示。将 代入式2，并两边积分得：k_pp_S·(t-t₀)＝{(p_B+p₀)·V_B-p₀·V₀/R_T t≥t₀即有：

       t≥t₀                              3

t≤t₀时未充气，柱塞右侧压力为大气压p₀，体积为V₀。单作用滑动缸9活塞截面积为A_柱塞、行程为S＝A_柱塞·S_柱塞/A_活塞，液体推力T＝A_柱塞·p_B，则活塞向上移动的动态方程： 即：

其中F₀为弹簧预紧力，k为弹簧刚性，m_活塞、m_柱塞分别为活塞、柱塞的质量，f_活塞、f_柱塞分别为活塞、柱塞的粘性摩擦系数，由式3、4得出s～t的动态微分方程：

  t≥t₀                     5

在通电短暂延时t₀后，三位四通阀5的阀芯移动，但在t_p0-t₀内，柱塞右侧的管路部分充气，未克服弹簧预紧力，因而柱塞等未动作，由式5得：

t_p0-t₀＝(F₀+m_活塞·g)·V₀/(k_pp_SRTA_柱塞)                         6

由式7求得微分方程的初始条件：t＝t_p0时，s＝0，ds/dt＝0。

例：式5中，取：A_柱塞＝A_活塞＝π·0.025²/4m²，f_活塞＝f_柱塞＝0.25，m_活塞＝5Kg，m_柱塞＝1Kg，V₀＝10^-6m³，F₀＝40N，T＝293K，R＝287J/kg·K，k_p＝6×10^-10，k＝1000N/m，p_S＝0.7MPa，t₀＝0.1S。由式5得：

$6\frac{d^{2}s}{d{t}^2}+0.5\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{dt}}=0.49087\·[\frac{35.318(t-0.1)+0.1013}{0.49087s+{10}^{-3}}-0.1013\×{10}^3]-(89+2000s)---7$

由式6得：t_p0＝0.11027S，式7采用MatLab软件的ode45函数仿真曲线如下。压力变送器6控制三位四通阀5动作，保证满足p_S≥p_A/0.528的壅塞条件。

Claims (3)

1.一种气-液串联复合驱动系统，在已有技术中，现有的复合驱动系统有采用气-液串联和气-液并联复合驱动系统，其不足之处是由于气体可压缩性，运动平稳性差，伺服系统的定位精度低；或伺服控制系统复杂，以流体压力来控制液压缸/气缸的位移，成本较高，而本发明利用流量不可调的气体节流阀小孔产生壅塞流原理，即气体经节流阀小孔排气的质量流量恒定的原理，结合气、液节流或单作用缸的弹簧预紧力的阻尼特性，以时间量来控制滑动缸位移的气-液串联复合驱动系统；本发明人工肌肉的特征是：带储气罐的恒压源的气体压力为p_S，与出口压力为p_A的小孔节流阀(1)相连，不可调的小孔节流阀(1)的出口与三位四通阀(5)相通，三位四通阀(5)的一通口与气体可调节流阀(4)相连，气体可调节流阀(4)与消声器(3)相连；三位四通阀(5)另外两通口中一通口封闭、另一通口与柱塞缸(2)相通，压力变送器(6)亦与柱塞缸(2)相连、测量柱塞缸(2)气体腔压力p_B；连接三位四通阀(5)、柱塞缸(2)和压力变送器(6)的这段气路尽可能短，未通气源p_S时，柱塞缸(2)的柱塞在最右端，这样可减少气体体积；柱塞缸(2)的左端为液体，其液路与液体可调节流阀(8)相连，液体通断阀(7)与液体可调节流阀(8)并联；上述元件构成了本发明的气-液串联复合驱动系统，以下将简称为系统QY。

2.一种气-液串联复合驱动系统，采用此复合驱动系统驱动单作用滑动缸的实施例的特征是：系统QY的液体输出端与单作用滑动缸(9)相连，单作用滑动缸(9)内压缩弹簧必须预紧，单作用滑动缸(9)出口为气路，与气体通断阀(10)相通。

3.一种气-液串联复合驱动系统，采用此复合驱动系统驱动双作用滑动缸的实施例的特征是：本实施例使用了两套系统QY，其中一套相同元件的附图标记增加了小写字母a，电磁铁的序号仍为单独标记，两套系统QY分别连接双作用滑动缸(11)的两端。

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