可控變截面液壓缸及其液壓控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種可控變截面液壓缸及其液壓控制系統(tǒng)，包括缸筒、一級活塞桿、二級活塞桿。一級活塞桿通過活塞環(huán)和端蓋密封安裝在缸筒上，一級活塞桿是二級活塞桿的缸筒，二級活塞桿通過活塞環(huán)和端蓋密封安裝在一級活塞桿內(nèi)。上述變截面液壓缸控制系統(tǒng)，通過控制兩位三通電磁開關(guān)閥和三位四通伺服閥，選擇一級活塞無桿腔、一級活塞有桿腔、二級活塞無桿腔、二級活塞有桿腔是否與泵的出油口連通、油箱連通或截止，從而獲得不同有效作用面積。在二級活塞桿上設(shè)置一個(gè)負(fù)載力傳感器，實(shí)時(shí)測量二級活塞桿上的負(fù)載，也即是變截面液壓缸負(fù)載。根據(jù)負(fù)載反饋，通過電磁開關(guān)閥組和伺服閥組的控制，選擇合適的有效作用面積，實(shí)現(xiàn)液壓缸最大輸出力與負(fù)載力匹配，通過變量泵的自適應(yīng)變量功能實(shí)現(xiàn)泵的輸出流量與負(fù)載流量的匹配，從而實(shí)現(xiàn)變量泵輸出功率與負(fù)載功率的匹配，以此提高系統(tǒng)效率。
【專利說明】可控變截面液壓缸及其液壓控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種可控變截面液壓缸及其液壓控制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來移動機(jī)器人在結(jié)構(gòu)、感知、路徑規(guī)劃和控制等領(lǐng)域得到了長足的發(fā)展，實(shí)現(xiàn) 了娛樂服務(wù)、人機(jī)互動、極端環(huán)境偵查等復(fù)雜功能，但是能源和驅(qū)動技術(shù)發(fā)展滯后，導(dǎo)致移 動機(jī)器人負(fù)載能力有限，制約了移動機(jī)器人的實(shí)用化?，F(xiàn)有研究表明，當(dāng)動力源的輸出壓力 超過3. 5MPa時(shí)，同功率的液壓驅(qū)動系統(tǒng)比純機(jī)電驅(qū)動系統(tǒng)具有更高的功率密度。采用液壓 驅(qū)動系統(tǒng)是提高負(fù)載能力的有效途徑。目前許多研究單位開始嘗試用液壓動力系統(tǒng)來驅(qū)動 移動機(jī)器人，如美國波士頓動力公司研制的BI⑶0G、petman，意大利理工大學(xué)的KenKen II 液壓驅(qū)動四足機(jī)器人，另外由中國863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助的高性能四足機(jī)器人項(xiàng)目 明確提出要采用液壓驅(qū)動系統(tǒng)。
[0003] 由于重量和體積的限制，移動機(jī)器人的液壓驅(qū)動系統(tǒng)采用的都是單泵源一多執(zhí)行 器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該類液壓驅(qū)動系統(tǒng)效率非常低下，主要原因是各執(zhí)行器的負(fù)載在同一時(shí)刻都 不相同，并且同一執(zhí)行器在不同時(shí)刻負(fù)載也不相同，一個(gè)泵源不能同時(shí)與多個(gè)執(zhí)行器的負(fù) 載進(jìn)行功率匹配，一般選擇大功率執(zhí)行器負(fù)載進(jìn)行匹配，由此導(dǎo)致其他執(zhí)行器支路出現(xiàn)大 量節(jié)流耗損，造成效率低下。
[0004] 效率低下會造成如下問題：動力源的功率要求高，動力源的重量和體積會上升； 完成同樣的工作需要的能量（如汽油）增加，重量增加；系統(tǒng)液壓元件性能指標(biāo)要求會提 高，液壓元件的重量和體積會增加；系統(tǒng)發(fā)熱會更嚴(yán)重，冷卻系統(tǒng)的功率就會變大，冷卻系 統(tǒng)的體積和重量就會增加。因此效率低下會嚴(yán)重影響移動機(jī)器人的負(fù)載能力。
[0005] 現(xiàn)有提高單泵源一多執(zhí)行器液壓驅(qū)動系統(tǒng)效率的方法很多，如進(jìn)回油獨(dú)立節(jié)流控 制、電液混合動力和能量回收技術(shù)、負(fù)載敏感泵控技術(shù)、液壓變壓器等。這些技術(shù)節(jié)能效果 有限、并且沒有考慮系統(tǒng)的體積和重量，難以在移動機(jī)器人上使用。
[0006] 根據(jù)負(fù)載實(shí)時(shí)改變液壓缸的有效作用面積，使得各個(gè)執(zhí)行器支路的負(fù)載壓力都與 泵源的輸出壓力接近，通過泵的變量自適應(yīng)機(jī)構(gòu)來自動調(diào)節(jié)泵的輸出流量與各支路負(fù)載流 量之和匹配，從而實(shí)現(xiàn)泵的輸出功率與各支路負(fù)載功率之和匹配，有效提高系統(tǒng)效率。
[0007] 因此研制可控變截面液壓缸對于提高移動機(jī)器人負(fù)載能力意義重大。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0008] 本實(shí)用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種可有效提高移動機(jī)器人液 壓驅(qū)動系統(tǒng)效率，可通過選擇多級液壓缸不同腔體截至、與高壓油路導(dǎo)通或與低壓油路導(dǎo) 通來實(shí)現(xiàn)油源壓力與負(fù)載壓力的匹配，最終達(dá)到提高液壓系統(tǒng)效率目的的變截面液壓缸及 其液壓控制系統(tǒng)。
[0009] 本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述目的。
[0010] 一種變截面液壓缸，包括缸筒、一級活塞和二級活塞，所述一級活塞包括一級活塞 桿和缸筒，所述一級活塞桿通過活塞環(huán)和端蓋密封安裝在所述缸筒內(nèi)，所述二級活塞包括 所述一級活塞桿和二級活塞桿，所述一級活塞桿的內(nèi)部空心，所述一級活塞桿作為二級活 塞桿的缸筒，所述二級活塞桿通過活塞環(huán)和端蓋密封安裝在所述一級活塞桿內(nèi)，所述二級 活塞桿內(nèi)部設(shè)有所述二級無桿腔油路和二級有桿腔油路，所述二級無桿腔油路將外部油路 與所述二級活塞無桿腔連通，所述二級有桿腔油路將外部油路與所述二級活塞有桿腔連 通。
[0011] 一種變截面液壓缸的液壓控制系統(tǒng)，一級活塞無桿腔、一級活塞有桿腔、二級活塞 無桿腔和二級活塞有桿腔分別與第一開關(guān)閥的油口 C1、第二開關(guān)閥的油口 C2、第三開關(guān)閥 的油口 C3和第四開關(guān)閥的油口 C4連接，所述第一開關(guān)閥和第二開關(guān)閥與第一伺服閥連接， 所述第三開關(guān)閥和第四開關(guān)閥與第二伺服閥連接，所述第一開關(guān)閥的油口 A1、所述第二開 關(guān)閥的油口 B2和所述第一伺服閥的油口 VA1連通，所述第一開關(guān)閥的油口 B1、所述第二開 關(guān)閥的油口 A2和所述第一伺服閥的油口 VB1連通，所述第三開關(guān)閥的油口 A3、所述第四開 關(guān)閥的油口 B4和所述第二伺服閥的油口 VA2 口連通，所述第三開關(guān)閥的油口 B3、所述第四 開關(guān)閥的油口 A4和所述第二伺服閥的油口 VB2連通，所述第一伺服閥的高壓進(jìn)油口 P1和 所述第二伺服閥的高壓進(jìn)油口 P2與恒壓變量泵8和安全溢流閥9構(gòu)成的動力源的高壓出 油口連通，所述第一伺服閥的低壓回油口 T1和所述第二伺服閥的低壓回油口 T2與油箱連 通。
[0012] 所述開關(guān)閥為兩位三通電磁開關(guān)閥，所述伺服閥為三位四通伺服閥。
[0013] 由于采用上述方案，本實(shí)用新型為具有一定負(fù)載匹配能力的有效作用面積變化可 控的直線液壓缸，可有效提高各執(zhí)行器負(fù)載變化較大的單泵源-多執(zhí)行器液壓驅(qū)動系統(tǒng)的 效率。在執(zhí)行變負(fù)載工況時(shí)，可通過不同電磁開關(guān)閥和伺服閥的控制組合，選擇兩級伸縮液 壓缸各空腔與高壓油路和低壓油路的導(dǎo)通狀況來實(shí)現(xiàn)液壓缸最大輸出力與負(fù)載的匹配，最 終達(dá)到提高液壓系統(tǒng)效率的目的。本實(shí)用新型可用在能量自治的各執(zhí)行器負(fù)載變化較大的 各類中小型移動平臺上，如兩足機(jī)器人、四足機(jī)器人、小型無人挖掘機(jī)、外骨骼裝備等，能夠 有效提高此類裝備液壓驅(qū)動系統(tǒng)效率，從而提高其負(fù)載能力、促進(jìn)其進(jìn)一步實(shí)用化，同時(shí)實(shí) 現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此外由于二級活塞的缸體是一級活塞，因此本變截面液 壓缸具有大行程和小的基本長度，能有效減小液壓缸的安裝空間。由本選擇方法所獲得的 負(fù)載壓力i\ n會盡可能逼近油源壓力ps，從而減小節(jié)流損失。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1(a)是本實(shí)用新型的立體圖；
[0015] 圖1(b)是本實(shí)用新型的一級液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；
[0016] 圖1(c)是本實(shí)用新型的二級液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；
[0017] 圖2本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理和液壓控制系統(tǒng)示意圖；
[0018] 圖3本實(shí)用新型的液壓缸輸出力的示意圖；
[0019] 圖4本實(shí)用新型的液壓缸輸出力與負(fù)載匹配示意圖；
[0020] 圖5本實(shí)用新型應(yīng)用在單泵源-多執(zhí)行器液壓系統(tǒng)中的效率提高原理示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖，進(jìn)一步詳細(xì)說明本專利的【具體實(shí)施方式】。
[0022] 如圖1所示，可控變截面液壓缸由端環(huán)1、兩位三通插裝式開關(guān)閥2、三位四通伺服 閥3、缸筒4、一級活塞桿5、二級活塞桿6、帶過油孔的端環(huán)7等組成。其中開關(guān)閥2和伺服 閥3直接安裝在缸筒4上，對應(yīng)圖2中的第一開關(guān)閥SWi、第二開關(guān)閥SW 2和第一伺服閥SVp 其相互之間的油路關(guān)系通過如圖1 (b)所示缸筒4上的集成油路塊42實(shí)現(xiàn)。圖2中第一伺 服閥SVi的進(jìn)油口 P1 口和回油口 T1 口為如圖1(b)中所示的兩個(gè)對外油路接口 41，第一開 關(guān)閥SWi與一級活塞無桿腔的連接由集成油路塊42中的內(nèi)部油路實(shí)現(xiàn)，第二開關(guān)閥SW2與 一級活塞有桿腔的連接由圖1(b)中連接管路44實(shí)現(xiàn)，圖1(b)中，集成塊42的油路中設(shè)有 工藝堵頭43。缸筒4左側(cè)通過螺紋與端環(huán)1連在一起，缸筒4右側(cè)由端蓋46、靜密封圈45 和動密封圈47實(shí)現(xiàn)與一級活塞桿54之間的密封。一級活塞51通過導(dǎo)環(huán)52和動密封圈53 實(shí)現(xiàn)與缸筒4內(nèi)壁的密封。一級活塞桿5為二級活塞桿6的缸筒，一級活塞桿5的右端通 過端蓋56、靜密封圈55和動密封圈57實(shí)現(xiàn)與二級活塞桿6之間的密封。二級活塞61通 過滑環(huán)62和密封圈63實(shí)現(xiàn)與一級活塞的滑動動密封。二級活塞61左端的空腔通過過油 孔611、端環(huán)7上過油孔71和動密封圈72實(shí)現(xiàn)與外部動力系統(tǒng)油路的導(dǎo)通，二級活塞61右 端的空腔通過過油孔612、端環(huán)7上過油孔71和動密封圈72實(shí)現(xiàn)與外部動力系統(tǒng)油路的 導(dǎo)通。圖2中與二級活塞61左右兩端空腔相連的裝在與端環(huán)7連接的機(jī)架上，第三開關(guān)閥 SW 3、第四開關(guān)閥SW4以及伺服閥SV2由于屬于執(zhí)行器驅(qū)動的機(jī)架結(jié)構(gòu)，因此不在圖1(a)所 示的外部整體結(jié)構(gòu)圖中。
[0023] 本實(shí)用新型的工作原理：如圖2所示，本實(shí)用新型的變截面通過四個(gè)兩位三通插 裝式開關(guān)閥2和兩個(gè)三位四通伺服閥3來實(shí)現(xiàn)，高精度的力和位移控制通過兩個(gè)三位四通 伺服閥3來實(shí)現(xiàn)。所述第一開關(guān)閥SWJ^CI口與所述變截面液壓缸的一級活塞無桿腔連 通，所述第二開關(guān)閥SW2的C2 口與所述變截面液壓缸的一級活塞有桿腔連通，所述第一開 關(guān)閥SWi的油口A1與所述第二開關(guān)閥SW2的油口B2和所述第一伺服閥SVi的VA1 口連通， 所述第二開關(guān)閥SW2的油口B2與所述第二開關(guān)閥SW2的油口A2和所述第一伺服閥SL的 VB1 口連通。所述第三開關(guān)閥SWJ^C3 口與所述變截面液壓缸的二級活塞有桿腔連通，所 述第四開關(guān)閥SW4的C4 口與所述變截面液壓缸的二級活塞無桿腔連通，所述第三開關(guān)閥SW3 的油口A3與所述第四開關(guān)閥SW4的油口B4和所述第二伺服閥SV2的VA1 口連通，所述第三 開關(guān)閥SW3的油口B3與所述第四開關(guān)閥SW4的油口A4和所述第二伺服閥SV2的VB2 口連 通。所述第一伺服閥SL的P1 口和所述第二伺服閥SV2的P2 口與由恒壓變量泵8和安全 溢流閥9構(gòu)成的動力源的高壓出油口連通，所述第一伺服閥SL的T1 口和所述第二伺服閥 SV2的了2 口與油箱10連通。
[0024] 所述二級活塞桿上設(shè)置一個(gè)負(fù)載力傳感器，第一活塞形成兩個(gè)面分別為&面和4 面，第二活塞形成兩個(gè)面分別為氏面和&面，從而在活塞往外伸出時(shí)，具有四個(gè)有效作用面 積4jpAi- 4和氏一Bp活塞往內(nèi)收縮時(shí)具有兩個(gè)有效作用面積&和根據(jù)負(fù)載力傳 感器測量的實(shí)時(shí)負(fù)載，通過所述電磁開關(guān)閥組和所述伺服閥組的控制，選擇合適的有效作 用面積實(shí)現(xiàn)液壓缸最大輸出力與負(fù)載力匹配，具體控制方法如下：
[0025] 設(shè)有效作用面積為Ae，設(shè)開關(guān)閥的控制量為xk，（k= 1，2,3,4)，上述Xi、x2、x3、x4 分別表示第一開關(guān)閥、第二開關(guān)閥、第三開關(guān)閥和第四開關(guān)閥，xk = 1表示電磁開關(guān)閥處于 左位，xk = 0表示電磁開關(guān)閥處于右位，同時(shí)設(shè)伺服閥的控制量為uk(k= 1，2)，Up%分表 示第一伺服閥和第二伺服閥，Uk=-1表示伺服閥處于左位最大開口，uk=0表示伺服閥處 于中位，uk = 1表示伺服閥處于右位最大開口；
[0026] 當(dāng)所述電磁開關(guān)閥和所述伺服閥處于不同的控制狀態(tài)時(shí)，對應(yīng)不同的有效作用面 積，有效作用面積控制如下表所示；
[0027]
[0029] 當(dāng)恒壓變量泵8的輸出壓力一定時(shí)，

【權(quán)利要求】
1. 一種可控變截面液壓缸，其特征在于：包括缸筒、一級活塞和二級活塞，所述一級活 塞包括一級活塞桿和缸筒，所述一級活塞桿通過活塞環(huán)和端蓋密封安裝在所述缸筒內(nèi)，所 述二級活塞包括所述一級活塞桿和二級活塞桿，所述一級活塞桿的內(nèi)部空心，所述一級活 塞桿作為二級活塞桿的缸筒，所述二級活塞桿通過活塞環(huán)和端蓋密封安裝在所述一級活塞 桿內(nèi)，所述二級活塞桿內(nèi)部設(shè)有所述二級無桿腔油路和二級有桿腔油路，所述二級無桿腔 油路將外部油路與所述二級活塞無桿腔連通，所述二級有桿腔油路將外部油路與所述二級 活塞有桿腔連通。
2. -種可控變截面液壓缸的液壓控制系統(tǒng)，用于控制如權(quán)利要求1所述的變截面液壓 缸，其特征在于，一級活塞無桿腔、一級活塞有桿腔、二級活塞無桿腔和二級活塞有桿腔分 別與第一開關(guān)閥的油口 C1、第二開關(guān)閥的油口 C2、第三開關(guān)閥的油口 C3和第四開關(guān)閥的油 口 C4連接，所述第一開關(guān)閥和第二開關(guān)閥與第一伺服閥連接，所述第三開關(guān)閥和第四開關(guān) 閥與第二伺服閥連接，所述第一開關(guān)閥的油口 A1、所述第二開關(guān)閥的油口 B2和所述第一伺 服閥的油口 VA1連通，所述第一開關(guān)閥的油口 B1、所述第二開關(guān)閥的油口 A2和所述第一伺 服閥的油口 VB1連通，所述第三開關(guān)閥的油口 A3、所述第四開關(guān)閥的油口 Μ和所述第二伺 服閥的油口 VA2 口連通，所述第三開關(guān)閥的油口 Β3、所述第四開關(guān)閥的油口 Α4和所述第二 伺服閥的油口 VB2連通，所述第一伺服閥的高壓進(jìn)油口 Ρ1和所述第二伺服閥的高壓進(jìn)油口 Ρ2與恒壓變量泵（8)和安全溢流閥（9)構(gòu)成的動力源的高壓出油口連通，所述第一伺服閥 的低壓回油口 Τ1和所述第二伺服閥的低壓回油口 Τ2與油箱連通。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的可控變截面液壓缸的液壓控制系統(tǒng)，其特征在于：所述開關(guān) 閥為兩位三通電磁開關(guān)閥，所述伺服閥為三位四通伺服閥。
【文檔編號】F15B15/16GK204041615SQ201420363001
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】楊軍宏, 徐小軍, 尚建忠, 羅自榮, 薛勇, 王卓 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)