CN108343646A - 一种电液混合驱动式机械臂控制***及控制方法 - Google Patents

一种电液混合驱动式机械臂控制***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电液混合驱动式机械臂控制***及控制方法，本发明设置电动机控制的单向变量叶片泵与液压‑电气二次元件两种动力元件，在不同负载工况下采取不同的负载驱动方式。轻载工况下，供油源处单向变量叶片泵供油，回路实现阀内合流，并联的单杆液压缸快速动作实现快速起升；重载平稳上升工况下，液压‑电气二次元件切换“发动机‑液压泵”模式，发动机输出扭矩驱动液压泵运转，构成泵控缸闭式回路；重力降落工况下，液压‑电气二次元件切换“液压马达‑发电机”模式，机械臂重力下降时释放的能量驱动液压马达输出扭矩。在达到一定***压力和下降高度情况下，与液压马达同轴的发电机产生电量，为蓄电池充电。

Description

一种电液混合驱动式机械臂控制***及控制方法
技术领域
本发明属于电液混合控制领域，具体涉及一种电液混合驱动式机械臂控制***及控制方法。
背景技术
在制造业中，工业机器人已经成为必不可少的机械自动化设备。工业机器人包括仿人机器人、轮式机器人、爬行或蠕动机器人、机械臂。其中，机械臂具有固定活动环节，能够代替人类完成一些危险和大负荷作业劳动，应用场景多样。随着机械自动化的不断推进，机械臂技术应用已日渐成熟，在工业、建筑、物流等多个领域中，机械臂广泛应用于转载大型重载的物体，例如在房屋建造中对离散建筑体进行对接，在桥梁建造中对桥体进行装载。
现有的大型装载机械臂，为适应重型负载工况，常采用大扭矩液压泵作为动力元件，通过液压力驱动马达或缸等执行元件实现工况。为满足更大负载需求和实现更宽作业面积，机械臂会构造双缸同步回路，设置分流集流阀等同步装置消除位置误差。在不同负载条件下(特别是轻载条件)，单泵驱动方式导致能量损失增大，高压管路内发热量升高。单泵驱动在大行程下的稳定性也比较差，易造成油缸颤动或者支撑臂压力不足，严重影响作业效果。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种电液混合驱动式机械臂控制***及控制方法，提高举升稳定性，提高能量利用率，满足多工况下的稳定高效作业需求并实现能量回收再利用。
为了达到上述目的，一种电液混合驱动式机械臂控制***，包括设置在机械臂上的两个并联的单杆液压缸，两个单杆液压缸下游分别连接两个双向液压锁，双向液压锁下游设置有比例调速阀，两个比例调速阀均连接单向调速阀，单向调速阀连接第一二位二通电磁开关阀和第一二位二通电磁换向阀，第一二位二通电磁开关阀连接液压-电气二次元件，液压-电气二次元件连接转速测量仪和第二二位二通电磁开关阀，第二二位二通电磁开关阀连接第三二位二通电磁开关阀，第三二位二通电磁开关阀连接第一二位二通电磁换向阀，第一二位二通电磁开关阀连接限压阀，限压阀连接蓄能器和背压式单向阀的输入端，蓄能器连接两个带弹簧液控单向阀的输出端，第一带弹簧液控单向阀的输出端连接单向调速阀的输出端，第二带弹簧液控单向阀的输出端两个单杆液压缸，背压式单向阀的输出端连接第二二位二通电磁换向阀，第一二位二通电磁换向阀和第二二位二通电磁换向阀连接四位六通电磁换向阀，四位六通电磁换向阀连接单向变量叶片泵，单向变量叶片泵通过电动机驱动，两个单杆液压缸均连接压力传感器，机械臂上设置有电阻式位置传感器，转速测量仪、电阻式位置传感器和压力传感器均连接控制器，控制器连接变频器，变频器连接液压-电气二次元件；
控制器用于采集转速测量仪、电阻式位置传感器、压力传感器分别输出的转速信号、位置信号和压力信号，转换为反馈控制信号，并通过变频器变频后发送至液压-电气二次元件；
液压-电气二次元件包括与变频器连接的控制单元，控制单元连接发动机和液压泵，控制单元用于切换发动机或液压泵连接第一二位二通电磁开关阀和第二二位二通电磁开关阀。
液压-电气二次元件连接限压阀，限压阀连接两个第一单向阀的输入端，其中一个第一单向阀输出端连接两个单杆液压缸、第二二位二通电磁开关阀、第三二位二通电磁开关阀和第二二位二通电磁换向阀，另一个第一单向阀输出端连接单向调速阀的输出端。
液压-电气二次元件连接补油溢流阀，补油溢流阀连接两个第二单向阀的输出端，其中一个第二单向阀的输入端连接两个单杆液压缸、第二二位二通电磁开关阀、第三二位二通电磁开关阀和第二二位二通电磁换向阀，另一个第二单向阀的输入端连接单向调速阀的输出端。
第三二位二通电磁开关阀连接第一位置开关。
第一二位二通电磁开关阀和第二二位二通电磁开关阀均连接第二位置开关。
比例调速阀采用单向阀桥式结构。
一种电液混合驱动式机械臂控制***的控制方法，当处于轻载快速起升工况时，四位六通电磁换向阀切换到左一位，第二位置开关接触闭合，第二位置开关控制第一二位二通电磁换向阀和第二二位二通电磁换向阀切换左位、第一二位二通电磁换向阀和第二二位二通电磁换向阀切换上位，液压-电气二次元件的油路被切断不工作，单向变量叶片泵的压力油口直接与液压缸两端油路相通，高压油液在四位六通电磁换向阀阀内合流，形成差动回路，轻载工况下机械臂快速起升。
一种电液混合驱动式机械臂控制***的控制方法，当处于重载平稳起升工况时，四位六通电磁换向阀切换到左二位，第三二位二通电磁通断阀接通、第一二位二通电磁换向阀和第二二位二通电磁换向阀处于上位，单向变量叶片泵为低压侧补油，第一二位二通电磁换向阀和第二二位二通电磁换向阀处于接通状态，电气-液压二次元件接入回路，并工作在“发动机-液压泵”模式，组成泵控缸闭式回路，高压油通过单向调速阀后打开两个比例调速阀和两个双向液压锁，推动液压缸平稳抬升，与此同时，高压油打开第二带弹簧液控单向阀，蓄能器释放压力油为低压侧补油，在抬升过程中，压力传感器输出***压力信号，电阻式位置传感器输出高度信号，转速测量仪输出转速信号，通过控制器将反馈电信号输入变频器，变频器补偿发动机的转速差，提高起升稳定性。
一种电液混合驱动式机械臂控制***的控制方法，当处于重力降落工况时，四位六通电磁换向阀切换到右位，此时第一位置开关接触闭合，第三二位二通电磁通断阀得电断开，切断管路低压侧与液压油源的连接，单向变量叶片泵输出高压油打开背压式单向阀，为蓄能器充能，第一二位二通电磁换向阀和第二二位二通电磁换向阀处于接通状态，电气-液压二次元件16接入回路，并工作在“液压马达-发电机”模式，受重力作用，单杆液压缸下降，高压油驱动液压马达输出扭矩，重载下降工况时，若满足降落高度大于2/3以上缸行程，转速大于发电机额定转速，与马达同轴的发电机线圈旋转生电，为蓄能器充电，实现能量回收。
与现有技术相比，本发明设置电动机控制的单向变量叶片泵与液压-电气二次元件两种动力元件，在不同负载工况下采取不同的负载驱动方式。轻载工况下，供油源处单向变量叶片泵供油，回路实现阀内合流，并联的单杆液压缸快速动作实现快速起升；重载平稳上升工况下，液压-电气二次元件切换“发动机-液压泵”模式，发动机输出扭矩驱动液压泵运转，构成泵控缸闭式回路；重力降落工况下，液压-电气二次元件切换“液压马达-发电机”模式，机械臂重力下降时释放的能量驱动液压马达输出扭矩。在达到一定***压力和下降高度情况下，与液压马达同轴的发电机产生电量，为蓄电池充电。本发明采用闭环反馈***反馈实时电信号，控制变频器补偿发动机转速差，提高机械臂重载工况下平稳性，提高同步回路位置精度；增强负载适应性，提升不同工况下的起升平稳性；可实现能量的回收和再利用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明轻载起升工况控制流程图；
图3为本发明重载平稳上升工况控制流程图；
图4为本发明重力降落工况控制流程图；
其中，1、单杆液压缸、2、双向液压锁、3、比例调速阀、4、单向调速阀、5、单向阀、6、限压阀、7、单向阀、8补油溢流阀、9.1、第一带弹簧液控单向阀、9.2、第二带弹簧液控单向阀、10、限压阀、11、蓄能器、12、背压式单向阀、13、单向变量叶片泵、14、四位六通电磁换向阀、15.1、第一位置开关、15.2、第二位置开关、16、液压—电气二次元件、17.1、第一二位二通电磁开关阀、17.2、第二二位二通电磁开关阀、18、第三二位二通电磁开关阀、19.1第一二位二通电磁换向阀、19.2第二二位二通电磁换向阀、20、转速测量仪、21、电阻式位置传感器、22、压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，一种电液混合驱动式机械臂控制***包括设置在机械臂上的两个并联的单杆液压缸1，两个单杆液压缸1下游分别连接两个双向液压锁2，双向液压锁2下游设置有比例调速阀3，两个比例调速阀3均连接单向调速阀4，单向调速阀4连接第一二位二通电磁开关阀17.1和第一二位二通电磁换向阀19.1，第一二位二通电磁开关阀17.1连接液压-电气二次元件16，液压-电气二次元件16连接转速测量仪20和第二二位二通电磁开关阀17.2，第二二位二通电磁开关阀17.2连接第三二位二通电磁开关阀18，第三二位二通电磁开关阀18连接第一二位二通电磁换向阀19.1，第一二位二通电磁开关阀17.1连接限压阀10，限压阀10连接蓄能器11和背压式单向阀12的输入端，蓄能器11连接两个带弹簧液控单向阀的输出端，第一带弹簧液控单向阀9.1的输出端连接单向调速阀4的输出端，第二带弹簧液控单向阀9.2的输出端两个单杆液压缸1，背压式单向阀12的输出端连接第二二位二通电磁换向阀19.2，第一二位二通电磁换向阀19.1和第二二位二通电磁换向阀19.2连接四位六通电磁换向阀14，四位六通电磁换向阀14连接单向变量叶片泵13，单向变量叶片泵13通过电动机驱动，两个单杆液压缸1均连接压力传感器22，机械臂上设置有电阻式位置传感器21，转速测量仪20、电阻式位置传感器21和压力传感器22均连接控制器，控制器连接变频器，变频器连接液压-电气二次元件16；
控制器用于采集转速测量仪20、电阻式位置传感器21、压力传感器22分别输出的转速信号、位置信号和压力信号，转换为反馈控制信号，并通过变频器变频后发送至液压-电气二次元件16；
液压-电气二次元件16包括与变频器连接的控制单元，控制单元连接发动机和液压泵，控制单元用于切换发动机或液压泵连接第一二位二通电磁开关阀17.1和第二二位二通电磁开关阀17.2。
液压-电气二次元件16连接限压阀6，限压阀6连接两个第一单向阀5的输入端，其中一个第一单向阀5输出端连接两个单杆液压缸1、第二二位二通电磁开关阀17.2、第三二位二通电磁开关阀18和第二二位二通电磁换向阀19.2，另一个第一单向阀5输出端连接单向调速阀4的输出端。
液压-电气二次元件16连接补油溢流阀8，补油溢流阀8连接两个第二单向阀7的输出端，其中一个第二单向阀7的输入端连接两个单杆液压缸1、第二二位二通电磁开关阀17.2、第三二位二通电磁开关阀18和第二二位二通电磁换向阀19.2，另一个第二单向阀7的输入端连接单向调速阀4的输出端。
第三二位二通电磁开关阀18连接第一位置开关15.1，第一二位二通电磁开关阀17.1和第二二位二通电磁开关阀17.2均连接第二位置开关15.2。
比例调速阀3采用单向阀桥式结构。
参见图2，轻载快速起升工况：四位六通换向阀14切换到左1位，第二位置开关15.2接触闭合。第二位置开关15.2控制第一二位二通电磁开关阀17.1和第二二位电磁开关阀17.2切换左位、第一二位二通电磁换向阀19.1和第二二位二通电磁换向阀19.2切换上位，液压-电气二次元件16油路被切断不工作。单向变量叶片泵13压力油口直接与液压缸两端油路相通，高压油液在四位六通电磁换向阀14阀内合流，形成差动回路。轻载工况下机械臂快速起升。
参见图3，重载平稳起升工况：四位六通换向阀14切换到左2位，第三二位二通电磁开关阀18接通、第一二位二通电磁换向阀19.1和第二二位二通电磁换向阀19.2处于上位，单向变量叶片泵13为低压侧补油。第一二位二通电磁开关阀17.1和第二二位电磁开关阀17.2处于接通状态，电气-液压二次元件16接入回路，并工作在“发动机-液压泵”模式，组成泵控缸闭式回路。高压油通过限压阀6后打开比例调速阀和双向液压锁，推动液压缸平稳抬升。与此同时，高压油打开第二带弹簧液控单向阀9.2，蓄能器释放压力油为低压侧补油。在抬升过程中，压力传感器22输出***压力信号，电阻式位置传感器21输出高度信号，转速测量仪20输出转速信号，通过控制器将反馈电信号输入变频器，变频器补偿发动机的转速差，提高起升稳定性。
参见图4，重力降落工况：四位六通电磁换向阀14切换到右位，此时第一位置开关15.1接触闭合，第三二位二通电磁开关阀18得电断开，切断管路低压侧与液压油源的连接。单向变量叶片泵13输出高压油打开背压式单向阀12，为蓄能器11充能。(在起升工况下，下路高压油打开低压油路一端的第二带弹簧液控单向阀9.2，蓄能器11输出压力油为低压油路补油。)第一二位二通电磁开关阀17.1和第二二位电磁开关阀17.2处于接通状态，电气-液压二次元件16接入回路，并工作在“液压马达-发电机”模式。受重力作用，液压缸下降，高压油驱动液压马达输出扭矩。重载下降工况时，若满足降落高度大于2/3以上缸行程，转速大于发电机额定转速，与马达同轴的发电机线圈旋转生电，为蓄电池充电，实现能量回收。
现有方案中轻载重载工况下都由一个泵驱动，能量损失大且作业效率受限制。本方案通过增设电动机控制的单向液压泵，设置快速起升工况，可以显著提高轻载和空载时的机械臂作业效率。
现有方案中重载工况起升时易抖动，作业高度较大时起升困难。本方案设置多个机构确保机械臂重载起升工况时，压力恒定且起升平稳：1、蓄能器向低压侧供油。2、单向液压泵向低压侧供油。3、比例调速阀设置单向阀桥式结构，仅一条油路可传输油液，另一条油路受高压油作用关闭，避免“掉臂”。4、闭环反馈回路实时输出反馈电信号，控制变频器对发动机进行转差补偿。
现有技术中采用动力降落的方案能量损耗很大，现有的重力降落方案则没有考虑重力势能的有效利用。本方案中引入电气-液压二次元件，在重力降落时切换为“液压马达-发电机”模式，可以将重物的势能转化为马达转矩，在达到一定***压力和下降高度情况下，马达驱动发电机，为蓄能器充电，实现能量的有效再利用。
本方案引入了位置精度较高的比例调速阀，可以满足复杂工况下的更高精度作业需求。该装置还具有一定的调速范围，通过电信号同步调整比例调速阀的开口，可以实时调整机械臂起升或降落速度。

Claims (9)

1.一种电液混合驱动式机械臂控制***，其特征在于，包括设置在机械臂上的两个并联的单杆液压缸(1)，两个单杆液压缸(1)下游分别连接两个双向液压锁(2)，双向液压锁(2)下游设置有比例调速阀(3)，两个比例调速阀(3)均连接单向调速阀(4)，单向调速阀(4)连接第一二位二通电磁开关阀(17.1)和第一二位二通电磁换向阀(19.1)，第一二位二通电磁开关阀(17.1)连接液压-电气二次元件(16)，液压-电气二次元件(16)连接转速测量仪(20)和第二二位二通电磁开关阀(17.2)，第二二位二通电磁开关阀(17.2)连接第三二位二通电磁开关阀(18)，第三二位二通电磁开关阀(18)连接第一二位二通电磁换向阀(19.1)，第一二位二通电磁开关阀(17.1)连接限压阀(10)，限压阀(10)连接蓄能器(11)和背压式单向阀(12)的输入端，蓄能器(11)连接两个带弹簧液控单向阀的输出端，第一带弹簧液控单向阀(9.1)的输出端连接单向调速阀(4)的输出端，第二带弹簧液控单向阀(9.2)的输出端两个单杆液压缸(1)，背压式单向阀(12)的输出端连接第二二位二通电磁换向阀(19.2)，第一二位二通电磁换向阀(19.1)和第二二位二通电磁换向阀(19.2)连接四位六通电磁换向阀(14)，四位六通电磁换向阀(14)连接单向变量叶片泵(13)，单向变量叶片泵(13)通过电动机驱动，两个单杆液压缸(1)均连接压力传感器(22)，机械臂上设置有电阻式位置传感器(21)，转速测量仪(20)、电阻式位置传感器(21)和压力传感器(22)均连接控制器，控制器连接变频器，变频器连接液压-电气二次元件(16)；
控制器用于采集转速测量仪(20)、电阻式位置传感器(21)、压力传感器(22)分别输出的转速信号、位置信号和压力信号，转换为反馈控制信号，并通过变频器变频后发送至液压-电气二次元件(16)；
液压-电气二次元件(16)包括与变频器连接的控制单元，控制单元连接发动机和液压泵，控制单元用于切换发动机或液压泵连接第一二位二通电磁开关阀(17.1)和第二二位二通电磁开关阀(17.2)。
2.根据权利要求1所述的一种电液混合驱动式机械臂控制***，其特征在于，液压-电气二次元件(16)连接限压阀(6)，限压阀(6)连接两个第一单向阀(5)的输入端，其中一个第一单向阀(5)输出端连接两个单杆液压缸(1)、第二二位二通电磁开关阀(17.2)、第三二位二通电磁开关阀(18)和第二二位二通电磁换向阀(19.2)，另一个第一单向阀(5)输出端连接单向调速阀(4)的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种电液混合驱动式机械臂控制***，其特征在于，液压-电气二次元件(16)连接补油溢流阀(8)，补油溢流阀(8)连接两个第二单向阀(7)的输出端，其中一个第二单向阀(7)的输入端连接两个单杆液压缸(1)、第二二位二通电磁开关阀(17.2)、第三二位二通电磁开关阀(18)和第二二位二通电磁换向阀(19.2)，另一个第二单向阀(7)的输入端连接单向调速阀(4)的输出端。
4.根据权利要求1所述的一种电液混合驱动式机械臂控制***，其特征在于，第三二位二通电磁开关阀(18)连接第一位置开关(15.1)。
5.根据权利要求1所述的一种电液混合驱动式机械臂控制***，其特征在于，第一二位二通电磁开关阀(17.1)和第二二位二通电磁开关阀(17.2)均连接第二位置开关(15.2)。
6.根据权利要求1所述的一种电液混合驱动式机械臂控制***，其特征在于，比例调速阀(3)采用单向阀桥式结构。
7.权利要求1-6中任意一项所述的一种电液混合驱动式机械臂控制***的控制方法，其特征在于，当处于轻载快速起升工况时，四位六通电磁换向阀(14)切换到左一位，第二位置开关(15.2)接触闭合，第二位置开关(15.2)控制第一二位二通电磁换向阀(17.1)和第二二位二通电磁换向阀(17.2)切换左位、第一二位二通电磁换向阀(19.1)和第二二位二通电磁换向阀(19.2)切换上位，液压-电气二次元件(16)的油路被切断不工作，单向变量叶片泵(13)的压力油口直接与液压缸两端油路相通，高压油液在四位六通电磁换向阀(14)阀内合流，形成差动回路，轻载工况下机械臂快速起升。
8.权利要求1-6中任意一项所述的一种电液混合驱动式机械臂控制***的控制方法，其特征在于，当处于重载平稳起升工况时，四位六通电磁换向阀(14)切换到左二位，第三二位二通电磁通断阀(18)接通、第一二位二通电磁换向阀(19.1)和第二二位二通电磁换向阀(19.2)处于上位，单向变量叶片泵(13)为低压侧补油，第一二位二通电磁换向阀(17.1)和第二二位二通电磁换向阀(17.2)处于接通状态，电气-液压二次元件(16)接入回路，并工作在“发动机-液压泵”模式，组成泵控缸闭式回路，高压油通过单向调速阀(4)后打开两个比例调速阀(3)和两个双向液压锁(2)，推动液压缸平稳抬升，与此同时，高压油打开第二带弹簧液控单向阀(9.2)，蓄能器(11)释放压力油为低压侧补油，在抬升过程中，压力传感器(22)输出***压力信号，电阻式位置传感器(21)输出高度信号，转速测量仪(20)输出转速信号，通过控制器将反馈电信号输入变频器，变频器补偿发动机的转速差，提高起升稳定性。
9.权利要求1-6中任意一项所述的一种电液混合驱动式机械臂控制***的控制方法，其特征在于，当处于重力降落工况时，四位六通电磁换向阀(14)切换到右位，此时第一位置开关(15.1)接触闭合，第三二位二通电磁通断阀(18)得电断开，切断管路低压侧与液压油源的连接，单向变量叶片泵(13)输出高压油打开背压式单向阀(12)，为蓄能器(11)充能，第一二位二通电磁换向阀(17.1)和第二二位二通电磁换向阀(17.2)处于接通状态，电气-液压二次元件16接入回路，并工作在“液压马达-发电机”模式，受重力作用，单杆液压缸(1)下降，高压油驱动液压马达输出扭矩，重载下降工况时，若满足降落高度大于2/3以上缸行程，转速大于发电机额定转速，与马达同轴的发电机线圈旋转生电，为蓄能器(11)充电，实现能量回收。
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