CN103624781A - 一种电液伺服驱动的重载六自由度并联平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电液伺服驱动的重载六自由度并联平台，包括上平台、下平台，所述上、下平台之间铰接六只液压缸，上平台承载操作对象；所述六只液压缸分别通过一套阀组控制单元与液压基站相连，控制液压缸出力大小以及伸缩的位移、速度和加速度，并融入锁紧与快进、快退、慢进、慢退四档驱动的任意组合，完成力/位置伺服功能的切换与调控。本发明通过搭建空间E形排列的六只液压缸，匹配力/位置混合控制的液压硬件通道，实现非中心对称形状、大尺寸、大负载操作对象的空间六自由度运动，并满足了动载荷下保持稳定、重载下高精度作业任务的要求。

Description

一种电液伺服驱动的重载六自由度并联平台

技术领域

本发明涉及并联机器人技术领域，具体涉及一种高精度与高自锁性能的电液伺服驱动的重载六自由度并联平台。

 

背景技术

六自由度并联平台是上平台、下平台以及与上下平台铰接的六个执行部件组成，上平台与操作对象相连，下平台固定在基础上，借助于六个执行部件的运动，实现上平台带动操作对象在空间六个自由度（X、Y、Z、α、β、γ）的运动，以模拟出各种空间运动姿态。六自由度并联平台从小负载的精密装配到大尺寸大负载实验平台的精密对接都有着广泛的运用需求，如飞机、舰船、车辆的运动仿真和人员训练，以及核聚变环境下部件转运车与托卡马克实验窗口精确对接等。

六自由度并联平台的精度和负载能力在要求不苛刻技术条件下，能在空间六个自由度上实现某一单自由度运动，也能做任意几个自由度的复合运动，可产生高频响的快速运动，亦可实现低速下的平稳运动。因此，六自由度并联平台较为适合在实验室内模拟飞行器、战车、坦克的运动，并对平台上的试验对象进行动态环境下的各项性能指标测试。

考察六自由度并联平台主要指标有两个：一是大体积、重载下并联平台的高精度定位与操作；二是动载荷下保持稳定的抗扰动的高自锁性能。在现有技术条件下，重载六自由度并联平台在同时具备上述两项作业能力方面有其局限性。

涉及大负载平台的相关技术的专利主要有：并联机构（专利申请号为200910309948.4），是空间三自由度电机驱动的并联平台，但其不具备重载下空间六自由度精确调整的能力。具有重量支撑制动器的模拟器（专利申请号为98102675.3），仅采用伺服阀控制液压缸的驱动伸缩，控制精度和自锁性能在大负载条件下有其局限性。大负载六自由度电动平台（专利申请号为200820004705.0），采用电动缸进行驱动，气缸进行辅助支撑，但重载下自锁能力无法保证。

所以，在目前技术条件下，六自由度并联平台要实现重载下的高精度操作较为困难，更难以实现重载下保持稳定操作的高自锁性能；目前急需寻求一种能实际应用且结构简单的高精度与高自锁性能的电液伺服驱动的重载六自由度并联平台。

 

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高精度高自锁性能电液伺服驱动的重载六自由度并联平台，实现动载荷下保持稳定、重载下高精度作业任务的要求。

为实现以上功能，本发明的技术方案为：

一种电液伺服驱动的重载六自由度并联平台，包括上平台、下平台，所述上、下平台之间铰接有六只液压缸，上平台承载操作对象，所述六只液压缸分别通过一套阀组控制单元与液压基站连通，控制液压缸出力大小以及伸缩的位移、速度和加速度；

所述液压基站包括油箱及与其连通的第一柱塞泵，所述第一柱塞泵由第一伺服电机驱动，第一柱塞泵的出油端通过第一单向阀与主油路连通；所述主油路分别与六套阀组控制单元连通将液压油导入其对应的液压缸；

所述阀组控制单元包括伺服阀、液压锁与电磁换向阀，所述伺服阀与主油路连通，伺服阀的出口端通过第一单向溢流阀与液压锁连通；所述液压锁与液压缸连接，其出口端分别连接电磁换向阀与第二单向溢流阀，所述电磁换向阀的A口通过比例流量阀与油箱连接、B口直接与油箱连通；所述第二单向溢流阀通过伺服阀与主回油路连通。

进一步，所述油箱连接有第二柱塞泵，所述第二柱塞泵由第二伺服电机驱动，第二柱塞泵的出油端依次通过第二单向阀、电磁开关阀与所述主油路连通。

进一步，所述第一柱塞泵与第一单向阀之间依次设有比例减压阀与储能器。

进一步，所述第二柱塞泵的出油端设有第二滤清器；所述第二单向阀与电磁开关阀之间分别设有第二溢流阀与第三滤清器，第二溢流阀与第三滤清器的出口端均与所述油箱连通。

进一步，所述第一柱塞泵的出油端设有第一滤清器；所述第一单向阀与主油路之间设有第一溢流阀，所述第一溢流阀的出口端与所述油箱连通。

进一步，所述主油路通过减压阀与伺服阀连通，伺服阀通过单向调速阀与主回油路连通。

进一步，所述液压锁与电磁换向阀之间设有单向阀。

    进一步，所述液压缸设有缓冲垫和高精度直线位移传感器。

进一步，所述比例流量阀的进油端分别与第一单向溢流阀、第二单向溢流阀的外控口连接，控制第一单向溢流阀与第二单向溢流阀的压力系数，对其进行比例调控。

进一步，所述六只液压缸以E形布置在上、下平台之间；所述第一柱塞泵为变量柱塞泵。

进一步，所述第二柱塞泵为变量柱塞泵。

本发明的六自由度并联平台的上、下平台可为长方形或中心对称图形，从而减少了并联平台空间机械结构的复杂度，降低了操作控制方法的难度，增加了电液伺服驱动***灵巧性；可为如车厢体等非中心对称平台的对接提供新的技术手段。

本发明中配备伺服电机的柱塞泵，可进行恒功率/恒压力控制，亦可进行压力分级控制；采用两套伺服电机与柱塞泵的配套使用，其中第一伺服电机与第一柱塞泵组合使用，用于主油路对阀组控制单元进行供油；第二伺服电机与第二柱塞泵配套，作为安全保障和能量储备，同时还具备补油、油液清洗等功能；并且，当主回路供油的柱塞泵发生故障时，做能量储备的供油泵能立即替代使用。

本发明中储能器主要实现两种功能，一是缓冲柱塞泵输出的压力油；二是能储备一定的压力油，当柱塞泵停止工作时仍可维持一段时间的保压供油以供液压缸工作。

本发明中比例流量阀，可动态实时调节传动介质—压力油流量的大小，并控制第一单向溢流阀与第二单向溢流阀的压力系数，进行比例调控，实现液压油的压力二级精确调整，达到速度伺服控制。比例减压阀，可动态实时地调节回路中的压力，其与储能器相连接的，主要是调节进入储能器油液的压力和储能器对外供油时的压力大小。

本发明中第一溢流阀、第二溢流阀均是调节柱塞泵出口压力和流量，即超过设定值，就溢出流回油箱。而第一单向溢流阀与第二单向溢流阀的外控口均与比例流量阀连接，控制其压力系数，进行比例调控。液压锁把液压缸中液压油的回路锁住，不让回路油液有流动，以保证液压缸即使其外界有一定载荷的情况下仍能保持其位置静止不动，从一定程度上保证了液压缸的抗扰动能力。

本发明通过液压基站提供设定压力和流量液压油给六套阀组控制单元，六套阀组控制单元各控制一个液压缸伸缩的位移量、速度和加速度，从而达到控制上平台带动操作对象在空间的六个自由度（X、Y、Z、α、β、γ）的运动。通过电磁换向阀与比例流量阀的配合使用，使得本六自由度并联平台具备下述调控功能：实现重载、轻载的力/位置伺服驱动回路，并融入锁紧与快进、快退、慢进、慢退四档驱动的任意组合，完成力/位置伺服功能切换与调控，实现力、位置、速度、加速度伺服的混合控制，具体如下：

1、由伺服阀控制液压缸的进油口液压油的压力和流量，当电磁换向阀左位电磁铁得电，其阀芯推向右边，B口通，液压油缸的回油口直接与油箱连通，实现其快回功能。

2、由伺服阀控制液压缸的进油口液压油的压力和流量，当电磁换向阀右位电磁铁得电，其阀芯推向左边，A口通，液压缸的回油口经比例流量阀与油箱连通，实现流量实现二级精确调整功能，即具备位置伺服功能，并消除各只油缸之间的流量耦合。

    3、由伺服阀控制进油口压力和流量，当电磁换向阀处于中位机能，第二单向溢流阀由比例流量阀控制其外控油口，控制其溢流压力系数，进行比例调控，实时调整液压缸的回油口背压，实现压力二级精确调整功能，即力伺服功能，并消除各只油缸之间的压力耦合。

4、伺服阀处于中位封闭位置，电磁换向阀处于中位机能时，主油路封闭，液压缸与负载之间达到平衡状态，并且液压锁处于封闭状态，液压缸进油口与回油口均封闭，实现双级自锁，在重载下的能较长时间保压自锁，避免重载下相关阀组破坏或意外掉电出现完全破坏性的后果，提高了***的安全可靠性。

本发明的六自由度并联平台在重载下可实时完成高性能自锁与保压，动载荷下可保持稳定作业，并可实现大于20t负载的精细调整与操作，提高了***的稳定性和可靠性，提高了并联平台稳态控制精度和位置重复定位精度。此外，液压基站采用阀控与泵控相结合方式，根据逻辑操作的顺序性，可实现分级调压和变流量控制，可满足并联机构微调时高压、小流量高精度的压力控制，也可满足并联机构大流量的速度控制，确保操作的平稳性、安全性。 

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明的电液伺服驱动***的原理图；

图3是阀组控制单元的原理图。

图中：1-下平台，2-上平台，3-液压缸，4-操作对象，5-阀组控制单元，6-液压基站，7-主油路，8-主回油路；

5-1减压阀，5-2单向调速阀，5-3伺服阀，5-41第一单向溢流阀，5-42第二单向溢流阀，5-5液压锁，5-6单向阀，5-7电磁换向阀，5-8比例流量阀；

6-1油箱，6-21第一伺服电机，6-22第二伺服电机，6-31第一柱塞泵，6-32第二柱塞泵，6-41第一滤清器，6-42第二滤清器，6-43第三滤清器，6-51第一单向阀，6-52第二单向阀，6-61第一溢流阀，6-62第二溢流阀，6-7比例减压阀，6-8储能器，6-9电磁开关阀。

 

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明一种电液伺服驱动的重载六自由度并联平台的结构示意图，包括上平台2、下平台1，所述上、下平台之间铰接有六只液压缸3，其中液压缸以E形布置于上下平台之间，液压缸3设有缓冲垫和高精度直线位移传感器；上平台2承载操作对象4。通过液压基站提供液压油给六套阀组控制单元，六套阀组控制单元各控制一只液压缸出力大小以及伸缩的位移量、速度和加速度，从而达到控制上平台2带动操作对象4在空间的六个自由度（X、Y、Z、α、β、γ）的运动。

如图2所示是本发明的电液伺服驱动***的原理框图，六只液压缸3分别通过一套阀组控制单元5与液压基站6连通，液压基站6通过主油路7供油给阀组控制单元5，阀组控制单元5的回油路与主回油路8连通回到油箱6-1中形成循环。

所述液压基站6包括油箱6-1及分别与油箱6-1连通的第一柱塞泵6-31、第二柱塞泵6-32；所述第一柱塞泵6-31由第一伺服电机6-21驱动，第一柱塞泵6-31的出油端通过第一单向阀6-51与主油路7连通；所述第一柱塞泵6-31与第一单向阀6-51之间设有比例减压阀6-7与储能器6-8；所述第二柱塞泵6-32由第二伺服电机6-22驱动，第二柱塞泵6-32的出油端依次通过第二单向阀6-52、电磁开关阀6-9与所述主油路7连通；所述主油路7与每个阀组控制单元5连通将液压油导入驱动其对应的液压缸3；阀组控制单元5的回油路与主回油路8连通。

进一步，为了除去液压油中的杂质，避免对主油路堵塞等，所述第一柱塞泵6-31与第二柱塞泵6-32的出油端分别设有第一滤清器6-41、第二滤清器6-42。

进一步，为了调节两个柱塞泵出口压力和流量，所述第一单向阀6-51与主油路7之间设有第一溢流阀6-61，所述第二单向阀6-52与电磁开关阀6-9之间分别设有第二溢流阀6-62、第三滤清器6-43；所述第一溢流阀6-61、第二溢流阀6-62与第三滤清器6-43的出口端均分别与油箱6-1连通。

如图3所示，阀组控制单元5包括伺服阀5-3、液压锁5-5与电磁换向阀5-7，所述伺服阀5-3通过减压阀5-1与液压基站的主油路连通，伺服阀5-3的出口端通过第一单向溢流阀5-41与液压锁5-5连通；所述液压锁5-5与液压缸3连接，其出口端分别连接电磁换向阀5-7与第二单向溢流阀5-42，所述电磁换向阀5-7的A口通过比例流量阀5-8与油箱6-1连接、B口直接与油箱6-1连通；所述第二单向溢流阀5-42通过伺服阀5-3、单向调速阀5-2与主回油路连通回到油箱6-1。所述比例流量阀5-8分别与第一单向溢流阀5-41、第二单向溢流阀5-42的外控口连接，控制第一单向溢流阀5-41与第二单向溢流阀5-42的压力系数，进行比例调控。

进一步，所述液压锁5-5与电磁换向阀5-7之间设有单向阀5-6。

进一步，所述液压缸3设有缓冲垫和高精度直线位移传感器。

 

工作过程：

第二柱塞泵6-32将液压油经过第二滤清器6-42过滤，再经第二单向阀6-52后分三路供油，一是经电磁开关阀6-9与主油路7连通进行备用供油，二是经第二溢流阀6-62回油箱6-1进行调压，三是经第三滤清器6-43再次过滤后进入油箱。主油路7与每个阀组控制单元5连通并将液压油导入驱动其对应的液压缸3；阀组控制单元5的回油路与主回油路8连通。而第一柱塞泵6-31将液压油经过第一滤清器6-41过滤后分两路供油，一是通过第一单向阀6-51、第一溢流阀6-61以调节供油压力，为液压***提供主压力；二是经过比例减压阀6-7向储能器6-8供油进行储存；当第一柱塞泵6-31、第二柱塞泵6-32停止工作后，储能器6-8内的液压油通过第一单向阀6-51向主油路7进行供油，维持一段时间的保压供油供液压缸进行工作。

主油路7中的液压油分别输送给六套阀组控制单元5，每套阀组控制单元5再驱动其各自对应连接的液压缸3的运动。阀组控制单元5通过减压阀5-1将液压油输送给伺服阀5-3，伺服阀5-3通过第一单向溢流阀5-41、液压锁5-5与液压缸3连接驱动；液压锁5-5的出油端分两路，一是通过单向阀5-6与电磁换向阀5-7的P口连接，当电磁换向阀5-7左位电磁铁得电，其阀芯推向右边，P口与B口连通直接回到油箱6-1中，实现液压缸的快回功能；当电磁换向阀5-7右位电磁铁得电，其阀芯推向左边，P口与A口连通，液压油通过比例流量阀5-8回到油箱6-1中，实现流量的二级精确调整功能，并消除各只油缸之间的流量耦合；二是通过第二单向溢流阀5-42、伺服阀5-3、单向调速阀5-2与主回油路8连通回到油箱6-1，形成循环。

综上所述，本专利提出的一种高精度高自锁性能重载六自由度电液伺服并联调整平台，作为一种操作平台，具备高刚度机械结构、高动态响应、高精度电液伺服***，具备重载下的高精度调整、高自锁性能等特征，为重型负载的精准定位等作业提供一种有效的技术途径。

Claims (10)

1.一种电液伺服驱动的重载六自由度并联平台，包括上平台（2）、下平台（1），所述上、下平台之间铰接有六只液压缸（3），上平台（2）承载操作对象（4），其特征在于：所述六只液压缸（3）分别通过一套阀组控制单元（5）与液压基站（6）连通，控制液压缸出力大小以及伸缩的位移、速度和加速度；

所述液压基站（6）包括油箱（6-1）及与其连通的第一柱塞泵（6-31），所述第一柱塞泵（6-31）由第一伺服电机（6-21）驱动，第一柱塞泵（6-31）的出油端通过第一单向阀（6-51）与主油路（7）连通；所述主油路（7）分别与六套阀组控制单元（5）连通将液压油导入其对应的液压缸（3）；

所述阀组控制单元（5）包括伺服阀（5-3）、液压锁（5-5）与电磁换向阀（5-7），所述伺服阀（5-3）与主油路（7）连通，伺服阀（5-3）的出口端通过第一单向溢流阀（5-41）与液压锁（5-5）连通；所述液压锁（5-5）与液压缸（3）连接，其出口端分别连接电磁换向阀（5-7）与第二单向溢流阀（5-42），所述电磁换向阀（5-7）的A口通过比例流量阀（5-8）与油箱（6-1）连接、B口直接与油箱（6-1）连通；所述第二单向溢流阀（5-42）通过伺服阀（5-3）与主回油路（8）连通。

2.根据权利要求1所述的电液伺服驱动的重载六自由度并联平台，其特征在于：所述油箱（6-1）连接有第二柱塞泵（6-32），所述第二柱塞泵（6-32）由第二伺服电机（6-22）驱动，第二柱塞泵（6-32）的出油端依次通过第二单向阀（6-52）、电磁开关阀（6-9）与所述主油路（7）连通。

3.根据权利要求2所述的一种电液伺服驱动的重载六自由度并联平台，其特征在于：所述第二柱塞泵（6-32）的出油端设有第二滤清器（6-42）；所述第二单向阀（6-52）与电磁开关阀（6-9）之间分别设有第二溢流阀（6-62）与第三滤清器（6-43），第二溢流阀（6-62）与第三滤清器（6-43）的出口端均与所述油箱（6-1）连通。

4.根据权利要求1所述的电液伺服驱动的重载六自由度并联平台，其特征在于：所述第一柱塞泵（6-31）与第一单向阀（6-51）之间依次设有比例减压阀（6-7）与储能器（6-8）；所述第一柱塞泵（6-31）的出油端设有第一滤清器（6-41）；所述第一单向阀（6-51）与主油路（7）之间设有第一溢流阀（6-61），所述第一溢流阀（6-61）的出口端与所述油箱（6-1）连通。

5.根据权利要求1所述的电液伺服驱动的重载六自由度并联平台，其特征在于：所述主油路（7）通过减压阀（5-1）与伺服阀（5-3）连通，伺服阀（5-3）通过单向调速阀（5-2）与主回油路（8）连通。

6.根据权利要求1所述的电液伺服驱动的重载六自由度并联平台，其特征在于：所述液压锁（5-5）与电磁换向阀（5-7）之间设有单向阀（5-6）。

7. 根据权利要求1所述的电液伺服驱动的重载六自由度并联平台，其特征在于：所述液压缸（3）设有缓冲垫和高精度直线位移传感器。

8.根据权利要求1所述的电液伺服驱动的重载六自由度并联平台，其特征在于：所述比例流量阀（5-8）的进油端分别与第一单向溢流阀（5-41）、第二单向溢流阀（5-42）的外控口连接，控制第一单向溢流阀（5-41）与第二单向溢流阀（5-42）的压力系数，对其进行比例调控。

9.根据权利要求1所述的电液伺服驱动的重载六自由度并联平台，其特征在于：所述六只液压缸（3）以E形布置在上、下平台之间；所述第一柱塞泵（6-31）为变量柱塞泵。

10.根据权利要求2所述的电液伺服驱动的重载六自由度并联平台，其特征在于：所述第二柱塞泵（6-32）为变量柱塞泵。

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