一种微型电液作动筒配油及驱动系统及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种微型电液作动筒配油及驱动系统及其方法，目的是实现空间狭小场合的柔度大、可靠性高的驱动。本系统是一种体积小、重量轻、输出功率大的电液执行机构。本方案利用蓄能器(或蓄能器组)充油实现液压缸及其连接管路的能源供给与预充压，摈弃了液压泵、液压阀和油箱等组成的传统液压源，并且用电动液压缸推动目标作动筒，极大简化了系统，提高了可靠性，拓宽其适用面。
【专利说明】
一种微型电液作动筒配油及驱动系统及其方法
技术领域
[0001]本发明属于控制系统技术领域，具体涉及一种微型电液作动筒配油及驱动系统及其方法。
【背景技术】
[0002]液压作动筒实现负载驱动与运动控制，是现代执行机构的重要部件之一，在航空航天、工程机械等领域具有广泛的应用。不同于普通液压缸，航空作动筒要求结构紧凑，重量轻，性能可靠，对设计、制造和试验的要求更为严格。除飞行器机载外(如起落架收放作动筒)，诸多地面试验也要求能够设计体积小重量轻，输出功率大的电液执行机构(如变几何结构的发动机部件风洞试验、飞行器负载模拟试验等)，由此对设计功率密度高的液压执行机构具有迫切的工程需求。
[0003]然而，对将来有望应用的航空发动机分布式控制系统而言，每一作动任务和执行机构需配置自身独立的智能控制单元，而液压系统需要设计统一的栗站提供液压能源，这就与航空元件对结构重量以及分布式控制系统对执行元件独立性要求矛盾。
[0004]因此，有必要设计一种微型液压作动筒方案，以解决如航空等领域对作动筒尺寸有严格要求、具有独立驱动与控制功能的高可靠性电动液压作动筒系统设计问题。
[0005]传统驱动方式主要有机械、电气和液压等，但都受结构尺寸、安装维护等条件限制，无法满足在狭小空间内的驱动与控制。需要提供一种功率密度大、精度高、响应快，且能通过柔性连接传输动力的驱动方案。
【发明内容】
[0006]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种微型电液作动筒配油及驱动系统及其方法，通过采用蓄能器充油保压原理和电动伺服单元驱动，极大缩减了驱动系统的元件数量和体积重量，提高了其可靠性。
[0007]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0008]—种微型电液作动筒配油及驱动系统，包括配油装置、电动伺服单元和液压作动筒，所述液压作动筒的筒体为封闭腔，所述筒体的内部设置连接有活塞杆的活塞，所述活塞将所述筒体分为两个封闭容腔，分别为有杆腔和无杆腔;所述作动筒包括力源作动筒和目标作动筒；
[0009]所述配油装置分别连接所述电动伺服单元和所述力源作动筒，所述电动伺服单元与所述力源作动筒的有杆腔连接，所述力源作动筒的无杆腔与所述目标作动筒的无杆腔连接，所述力源作动筒的有杆腔与所述目标作动筒的有杆腔连接；
[0010]所述目标作动筒的有杆腔固连有负载。
[0011]本发明系统为电液一体化集成伺服控制系统，有作动筒、两位两通零泄漏电磁阀作开关电磁阀、电动伺服单元、压力传感器和位置传感器等。
[0012]进一步的，所述电动伺服单元包括有依次连接的编码器、伺服电机、减速器及与所述力源作动筒相联的传动丝杆;所述与所述配油装置连接；
[0013]所述配油装置包括蓄能器、两位两通零泄漏电磁阀、压力传感器及控制器，所述蓄能器通过两位两通零泄漏电磁阀连接所述力源作动筒，所述两位两通零泄漏电磁阀和所述力源作动筒之间设有所述压力传感器;所述控制器分别连接所述两位两通零泄漏电磁阀、压力传感器；由控制器发送信号控制所述两位两通零泄漏电磁阀的通断；
[0014]所述配油装置通过所述控制器与所述电动伺服单元的编码器连接。
[0015]根据蓄能器充油保压原理，实现软管的预膨胀，解决了细长软管受油压变形对微型液压作动筒位置精度的影响，将所述蓄能器用于作动筒液压预冲油补油油源以取代现有技术中的常规液压栗站，减化了系统构成，降低了其体积重量。本发明的供油装置利用零泄漏电磁阀实现对蓄能器预充放油的油路通断控制，因微型液压缸对少量燃油泄漏或容腔变形较为敏感，由此本发明提出采用零泄漏(或低泄漏)电磁阀。此外，供油装置利用压力传感器实时反馈充油压力，据此对零泄漏电磁阀发送通断电信号，实现其与蓄能器(蓄能器组)的接通与关断的配油动作。可根据不同负载控制电磁阀通断实现不同的充油压力，高效利用蓄能器储油。
[0016]进一步的，所述控制器包括有相互连接的上位机和伺服控制器，所述伺服控制器分别连接所述两位两通零泄漏电磁阀、压力传感器，所述伺服控制器连接所述电动伺服单元中的编码器。
[0017]进一步的，所述配油装置包括两组蓄能器、两位两通零泄漏电磁阀和压力传感器，其中一组的两位两通零泄漏电磁阀连接所述力源作动筒的无杆腔，另一组的两位两通零泄漏电磁阀连接所述力源作动筒的有杆腔。
[0018]进一步的，在所述目标作动筒和所述负载之间设有位移传感器，所述位移传感器与所述电动伺服单元连接。通过目标作动筒上的位移传感器实现对目标作动筒所驱动负载位置的闭环控制。
[0019]进一步的，所述配油装置、电动伺服单元和力源作动筒作为外置驱动部分，与所述目标作动筒分开设置，其中所述力源作动筒通过液压软管与所述目标作动筒连接。力源作动筒与目标作动筒之间用细长液压软管连接，目标作动筒置于远处，增加其安装、维护的柔性和适应性，满足特殊场合空间和位置的苛刻要求。采用容积式控制原理，由电动伺服单元驱动力源作动筒，力源作动筒与目标作动筒用液压软管相连，通过力源作动筒的高精度位置控制实现对目标作动筒进出油的容积调节。
[0020]进一步的，所述目标作动筒的结构尺寸小于所述力源作动筒的结构尺寸。这是考虑到作动筒动态工作时存在泄漏，这种泄漏对微小型作动筒的位置或速度控制精度较大，采用力源作动筒比目标作动筒尺寸小的方案，可以提高对输入的分辨率，使位置控制精确更尚O
[0021 ]上述的微型电液作动筒配油及驱动系统的方法，包括以下步骤:
[0022]I)发指令:控制器的上位机发出一作动指令，包括目标作动筒的位置和由负载的力的大小确定的预充压值；
[0023]2)预充油:两位两通零泄漏电磁阀2得电打开，蓄能器I对两液压作动筒及其间管路形成的压力腔预先充油增压，压力传感器反馈当前充油压力，达到设定的所述预充压值，控制器发出信号关断两位两通零泄漏电磁阀，预充油结束；
[0024]3)驱动液压作动筒:控制器的伺服控制器发送指令脉冲给电动伺服单元编码器，控制伺服电机转动，经减速器和传动丝杆后驱动所述力源作动筒的活塞杆运动；
[0025]4)负载运动:所述力源作动筒驱动所述目标作动筒的活塞杆运动，力源作动筒和目标作动筒间的密闭容腔被压缩，使目标作动筒实现推动负载向指定方向和位置运动。
[0026]进一步的，包括以下步骤:
[0027]I)发指令:控制器8的上位机发出一作动指令，包括目标作动筒的位置和由负载9的力的大小确定的预充压值；
[0028]2)预充油:两位两通零泄漏电磁阀得电打开，蓄能器对所述力源作动筒的无杆腔、目标作动筒的无杆腔及其间管路形成的压力腔预先充油增压，压力传感器反馈当前充油压力，达到设定的所述预充压值，控制器发出信号关断两位两通零泄漏电磁阀，预充油结束；
[0029]3)驱动液压作动筒:控制器的伺服控制器发送指令脉冲给电动伺服单元编码器，控制伺服电机转动，经减速器和传动丝杆后驱动所述力源作动筒的活塞杆运动，力源作动筒的无杆腔被挤压；
[0030]4)负载运动:所述力源作动筒驱动所述目标作动筒的活塞杆向其有杆腔运动，力源作动筒和目标作动筒间的密闭容腔被压缩，使目标作动筒实现推动负载向左指定位置运动。
[0031]进一步的，包括以下步骤:
[0032]I)发指令:控制器的上位机发出一作动指令，包括目标作动筒的位置和由负载的力的大小确定的预充压值；
[0033]2)预充油:两位两通零泄漏电磁阀得电打开，蓄能器对所述力源作动筒的有杆腔、目标作动筒的有杆腔及其间管路形成的压力腔预先充油增压，压力传感器反馈当前充油压力，达到设定的所述预充压值，控制器发出信号关断两位两通零泄漏电磁阀，预充油结束；
[0034]3)驱动液压作动筒:控制器的伺服控制器发送指令脉冲给电动伺服单元编码器，控制伺服电机转动，经减速器和传动丝杆后驱动所述力源作动筒的活塞杆运动，力源作动筒的有杆腔被挤压；
[0035]4)负载运动:所述力源作动筒驱动所述目标作动筒的活塞杆向其无杆腔运动，力源作动筒和目标作动筒间的密闭容腔被压缩，使目标作动筒实现推动负载向右指定位置运动。
[0036]本发明的方案采用容积式控制原理，力源作动筒由配油装置供油预充压，电动伺服单元驱动其活塞杆运动，由力源作动筒中的油压变化推动其活塞杆运动，从而带动负载运动。力源作动筒与目标作动筒通过液压软管相连，通过力源作动筒的高精度位置控制实现对目标作动筒进出油容积调节，通过与目标作动筒固联的负载上的位移传感器实现对目标作动筒及负载位置的闭环精确控制。
[0037]有益效果:本发明提供的一种微型电液作动筒配油及驱动系统及其方法，具有如下有益效果:
[0038](I)该系统用蓄能器充油保压原理实现对力源作动筒和目标作动筒及其间液压软管的预充压，摈弃了电机、液压栗、液压阀和油箱等诸多液压源元器件构成的传统液压栗站，极大简化了系统，提高了可靠性；
[0039](2)力源作动筒与目标作动筒之间用细长软管连接，可将微小型目标作动筒安装在所需位置，力源作动筒置于远处，根据现场实况确定液压软管长度，空间分配更加灵活；
[0040](3)系统结构较简单，便于拆装与维护；
[0041](4)利用电动伺服单元控制力源作动器，控制方式简单，系统实物所占空间减小。
[0042](5)所用作动筒体积较小，使得系统实物结构紧凑，更加适合作为航空执行构件等对结构尺寸敏感的使用场合。
[0043](6)蓄能器的预前充压过程可以减小电液伺服作动单元压力容腔的初始预膨胀引起微型作动筒的位移死区，也避免因栗源必要配置带来的体积重量负担。
【附图说明】
[0044]图1为本方案系统结构原理图；
[0045]图2为本方案电动伺服单元结构简图；
[0046]图3为本方案控制器结构简图；
[0047]图4为系统的AMESim仿真模型；
[0048]图5为蓄能器替代常规栗站的仿真结果；
[0049]图6为基于压力反馈的预冲压控制策略功能的仿真实现。
[0050]图1中，1(1.1、1.2)-蓄能器、2(2.1、2.2)-两位两通电磁阀、3(3.1，3.2)-压力传感器、4-力源作动筒、5-目标作动筒、6-位移传感器、7-伺服控制单元、8-控制器、9-负载。
【具体实施方式】
[0051 ]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0052]本发明是一种微型电动液压作动筒系统实现高效配油、负载驱动与运动控制，目的是实现空间狭小场合的柔度大、可靠性高的驱动。本系统是一种体积小、重量轻、输出功率大的电液执行机构。该方案带有蓄能器(蓄能器组)、零泄漏电磁阀和充油压力检测装置，利用蓄能器(或蓄能器组)充油实现液压缸及其连接管路的能源供给与预充压，摈弃了液压栗、液压阀和油箱等组成的传统液压源，取代传统液压栗站，通过电动液压缸驱动目标作动筒，极大缩减了执行机构的元件数量和体积重量，提高了可靠性和适用面。
[0053]参照图1，安装过程中可将目标作动筒与力源作动筒分开布置，之间用细长液压软管连接，由此可将力源作动筒和伺服驱动单元置于驱动现场较远处，可满足恶劣试验和工作环境的驱动。力源作动筒与电动伺服单元集成为一体，并用长软管与远处的目标作用筒相接。蓄能器1.1、1.2分别通过各自的两位两通阀接入力源作动筒的无杆腔和有杆腔。
[0054]参照图2和图3，当给上位机一个指令(包括目标作动筒的位置和由负载大小确定的预充压值)，伺服控制器控制电磁铁通断实现蓄能器对两液压作动筒及其间管路形成的压力腔的预先冲压，待压力传感器测得当前压力已达到设定预冲压值，则发出指令切断开关阀停止继续充油，随即伺服控制器发送指令脉冲给伺服控制单元的编码器，驱动伺服电机转动。由于伺服电机一般转速高、扭矩小，经减速器降低其转速并提高驱动载荷，再由传动丝杆将转动力矩转化为轴向推力，推动力源作动筒活塞杆与负载向指定方向和位置运动。
[0055]实施例1
[0056]参照图1并结合图2、图3，欲使负载如图示向左运动，上位机给出指令，系统启动，控制器8控制两位两通电磁阀2.1打开，蓄能器1.1向力源作动筒4无杆腔、目标作动筒5无杆腔及将两者相连的软管中预前充油增压，当压力传感器3.1检测到管路中油压达到预先设定的期望预膨胀压力时，控制器8发出指令控制两位两通电磁阀2.1关闭，预前冲压过程完成。此时控制器8控制伺服电机运转，力源作动筒4无杆腔被挤压，推动目标作动筒5活塞杆向其有杆腔运动；当力源作动筒4无杆腔、目标作动筒5无杆腔被压缩，则容腔内的油液也被压缩而迅速建立起恢复油压，随着力源作动筒4的移动压力逐步增加，直至带动负载9向左运动。
[0057]实施例2
[0058]参照图1并结合图2、图3，欲使负载如图示向右运动，上位机给出指令，系统启动，控制器8控制两位两通电磁阀2.2打开，蓄能器1.2向力源作动筒4有杆腔、目标作动筒5有杆腔及将两者相连的软管中预前充油增压，当压力传感器3.2检测到管路中油压达到预先设定的期望预膨胀压力时，控制器8发出指令控制两位两通电磁阀2.2关闭，预前冲压过程完成。此时控制器8控制伺服电机运转，力源作动筒4有杆腔被挤压，推动目标作动筒5活塞杆向其无杆腔运动，当力源作动筒有杆腔、目标作动筒5有杆腔被压缩，则容腔内的油液也被压缩而迅速建立起恢复油压，随着力源作动筒4的移动压力逐步增加，直至带动负载9向右运动。
[0059]实施例3
[0060]对于蓄能器的回油复压，主行程终点时通过打开蓄能器1.1前的电磁阀2.1，确保蓄能器回收压力油时，缸不动，并继续使电机推动力源缸前进，直至压力传感器3.1测得蓄能器1.1的当前压力达到的回油充油压力，则该电磁阀2.1关闭，该动作停止。
[0061]同理，若需对蓄能器1.2进行回油复压，则操作电磁阀2.2。
[0062]优选的，参照图1并结合图3，目标作动筒上的位移传感器6将目标作动筒的活塞杆位置反馈给伺服控制器，并传递给上位机进行调节，形成精确闭环控制。
[0063]为验证系统的正确性，图4、图5、图6给出本方案的AMESim系统仿真模型和结果。其中，图4为系统的AMESim仿真模型，图5为蓄能器替代传动栗站的功能和性能对比，可以看出，蓄能器比常规液压栗站其系统启动时死区明显减小。液压缸位置精度并未减弱。图6
(a)、(b)分别为根据不同负载，在20bar和27bar预充压力下，蓄能器充油的动作过程，图中可以看出，预冲压油压误差基本在2bar以内，不会导致目标作动筒的提前移动，且预充压时间基本在0.5s以内，满足大多控制系统的作动要求。
[0064]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种微型电液作动筒配油及驱动系统，其特征在于:包括配油装置、电动伺服单元(7)和液压作动筒，所述液压作动筒的筒体为封闭腔，所述筒体的内部设置连接有活塞杆的活塞，所述活塞将所述筒体分为两个封闭容腔，分别为有杆腔和无杆腔;所述作动筒包括力源作动筒(4)和目标作动筒(5); 所述配油装置分别连接所述电动伺服单元(7)和所述力源作动筒(4)，所述电动伺服单元(7)与所述力源作动筒(4)的有杆腔连接，所述力源作动筒(4)的无杆腔与所述目标作动筒(5)的无杆腔连接，所述力源作动筒(4)的有杆腔与所述目标作动筒(5)的有杆腔连接； 所述目标作动筒(5)的有杆腔固连有负载(9)。2.根据权利要求1所述的微型电液作动筒配油及驱动系统，其特征在于:所述电动伺服单元(7)包括有依次连接的编码器、伺服电机、减速器及与所述力源作动筒(4)相联的传动丝杆;所述与所述配油装置连接； 所述配油装置包括蓄能器(I)、两位两通零泄漏电磁阀(2)、压力传感器(3)及控制器(8)，所述蓄能器(I)通过两位两通零泄漏电磁阀(2)连接所述力源作动筒(4)，所述两位两通零泄漏电磁阀(2)和所述力源作动筒(4)之间设有所述压力传感器(3);所述控制器(8)分别连接所述两位两通零泄漏电磁阀(2)、压力传感器(3);由控制器(8)发送信号控制所述两位两通零泄漏电磁阀(2)的通断； 所述配油装置通过所述控制器(8)与所述电动伺服单元(7)的编码器连接。3.根据权利要求2所述的微型电液作动筒配油及驱动系统，其特征在于:所述控制器(8)包括有相互连接的上位机和伺服控制器，所述伺服控制器分别连接所述两位两通零泄漏电磁阀(2)、压力传感器(3);所述伺服控制器连接所述电动伺服单元(7)中的编码器。4.根据权利要求2所述的微型电液作动筒配油及驱动系统，其特征在于:所述配油装置包括两组蓄能器(I)、两位两通零泄漏电磁阀(2)和压力传感器(3)，其中一组的两位两通零泄漏电磁阀(2.1)连接所述力源作动筒(4)的无杆腔，另一组的两位两通零泄漏电磁阀(2.2)连接所述力源作动筒(4)的有杆腔。5.根据权利要求1所述的微型电液作动筒配油及驱动系统，其特征在于:在所述目标作动筒(5)和所述负载(9)之间设有位移传感器(6)，所述位移传感器(6)与所述电动伺服单元(7)连接。6.根据权利要求1所述的微型电液作动筒配油及驱动系统，其特征在于:所述配油装置、电动伺服单元(7)和力源作动筒(4)作为外置驱动部分，与所述目标作动筒(5)分开设置，其中所述力源作动筒(4)通过液压软管与所述目标作动筒(5)连接。7.根据权利要求1所述的微型电液作动筒配油及驱动系统，其特征在于:所述目标作动筒(5)的结构尺寸小于所述力源作动筒(4)的结构尺寸。8.根据权利要求1至7任一所述的微型电液作动筒配油及驱动系统的方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)发指令:控制器(8)的上位机发出一作动指令，包括目标作动筒(5)的位置和由负载(9)的力的大小确定的预充压值； 2)预充油:两位两通零泄漏电磁阀(2)得电打开，蓄能器(I)对两液压作动筒及其间管路形成的压力腔预先充油增压，压力传感器(3)反馈当前充油压力，达到设定的所述预充压值，控制器(8)发出信号关断两位两通零泄漏电磁阀(2)，预充油结束； 3)驱动液压作动筒:控制器(8)的伺服控制器发送指令脉冲给电动伺服单元(7)编码器，控制伺服电机转动，经减速器和传动丝杆后驱动所述力源作动筒(4)的活塞杆运动； 4)负载运动:所述力源作动筒(4)驱动所述目标作动筒(5)的活塞杆运动，力源作动筒(4)和目标作动筒(5)间的密闭容腔被压缩，使目标作动筒(5)实现推动负载(9)向指定方向和位置运动。9.根据权利要求8所述的微型电液作动筒配油及驱动系统的方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)发指令:控制器(8)的上位机发出一作动指令，包括目标作动筒(5)的位置和由负载(9)的力的大小确定的预充压值； 2)预充油:两位两通零泄漏电磁阀(2.1)得电打开，蓄能器(1.1)对所述力源作动筒(4)的无杆腔、目标作动筒(5)的无杆腔及其间管路形成的压力腔预先充油增压，压力传感器(3.1)反馈当前充油压力，达到设定的所述预充压值，控制器(8)发出信号关断两位两通零泄漏电磁阀(2.1 )，预充油结束； 3)驱动液压作动筒:控制器(8)的伺服控制器发送指令脉冲给电动伺服单元(7)编码器，控制伺服电机转动，经减速器和传动丝杆后驱动所述力源作动筒(4)的活塞杆运动，力源作动筒(4)的无杆腔被挤压； 4)负载运动:所述力源作动筒(4)驱动所述目标作动筒(5)的活塞杆向其有杆腔运动，力源作动筒(4)和目标作动筒(5)间的密闭容腔被压缩，使目标作动筒(5)实现推动负载(9)向左指定位置运动。10.根据权利要求8所述的微型电液作动筒配油及驱动系统的方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)发指令:控制器(8)的上位机发出一作动指令，包括目标作动筒(5)的位置和由负载(9)的力的大小确定的预充压值； 2)预充油:两位两通零泄漏电磁阀(2.2)得电打开，蓄能器(1.2)对所述力源作动筒(4)的有杆腔、目标作动筒(5)的有杆腔及其间管路形成的压力腔预先充油增压，压力传感器(3.2)反馈当前充油压力，达到设定的所述预充压值，控制器(8)发出信号关断两位两通零泄漏电磁阀(2.2 )，预充油结束； 3)驱动液压作动筒:控制器(8)的伺服控制器发送指令脉冲给电动伺服单元(7)编码器，控制伺服电机转动，经减速器和传动丝杆后驱动所述力源作动筒(4)的活塞杆运动，力源作动筒(4)的有杆腔被挤压； 4)负载运动:所述力源作动筒(4)驱动所述目标作动筒(5)的活塞杆向其无杆腔运动，力源作动筒(4)和目标作动筒(5)间的密闭容腔被压缩，使目标作动筒(5)实现推动负载(9)向右指定位置运动。
【文档编号】F15B1/02GK106050764SQ201610409698
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】王彬, 张南, 曹启威
【申请人】南京航空航天大学