CN110259771A - 一种机械臂液压同步补偿装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机械臂液压同步补偿装置及控制方法，装置包括液压泵和依次电连接的信号采集卡、模数转换器、控制器和固态继电器；所述固态继电器分别连接有多个高速开关阀，每个所述高速开关阀分别各自连接有一个锥阀，每个锥阀分别各自连接有一个电磁换向阀，每个电磁换向阀分别各自连接有一个液压缸；每个所述液压缸的活塞杆上均设置有位移传感器，每个所述位移传感器均分别与所述信号采集卡电连接；所述液压泵分别与多个所述电磁换向阀连接。以本发明提供的机械臂液压同步补偿控制装置为基础所使用的控制方法，可以实现对多个液压缸运动进行控制以实现不同液压缸运动的同步。

Description

一种机械臂液压同步补偿装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电液控制技术领域，特别是涉及一种机械臂液压同步补偿装置及控制方法。

背景技术

以电液控制技术为控制核心的液压同步控制***，在国民经济和国防建设的各个领域都有着非常广泛的应用，特别是在一些有大功率、重载荷要求的场合，如工程机械、建筑施工、冶金矿山、航运码头等。这些设备因负载力很大或布局的关系，往往需要两个甚至多个液压执行器同时驱动一个工作执行机构，因此对同步控制的要求非常普遍。目前，在液压同步驱动技术在控制方案的实现上，主要都是基于比例阀等模拟信号元件的闭环控制，尽管方案成熟且具有较高的同步控制精度，但不足之处也非常明显，如：元器件价格高，***对油液的清洁度要求也高，不便于数字化控制，并且温飘及磁滞等问题解决困难等，造成***的投入和运行成本都很高，从而在很大程度上限制了这一技术方案的普遍应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械臂液压同步补偿装置及控制方法，以解决上述现有技术存在的问题，可以实现对多个液压缸运动进行控制以实现不同液压缸运动的同步。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种机械臂液压同步补偿装置，包括液压泵和依次电连接的信号采集卡、模数转换器、控制器和固态继电器；所述固态继电器分别连接有多个高速开关阀，每个所述高速开关阀分别各自连接有一个锥阀，每个锥阀分别各自连接有一个电磁换向阀，每个电磁换向阀分别各自连接有一个液压缸；每个所述液压缸的活塞杆上均设置有位移传感器，每个所述位移传感器均分别与所述信号采集卡电连接；所述液压泵分别与多个所述电磁换向阀连接。

可选的，所述液压泵上设置有溢流阀。

可选的，所述固态继电器分别连接有两个高速开关阀；两个所述高速开关阀分别包括第一高速开关阀和第二高速开关阀；所述第一高速开关阀依次连接有第一锥阀、第一电磁换向阀和第一液压缸，所述第二高速开关阀依次连接有第二锥阀、第二电磁换向阀和第二液压缸；所述第一液压缸的活塞杆上设置有第一位移传感器，所述第一位移传感器与所述信号采集卡电连接，所述第二液压缸的活塞杆上设置有第二位移传感器，所述第二位移传感器与所述信号采集卡电连接；所述液压泵分别与所述第一电磁换向阀和第二电磁换向阀连接。

本发明还提供一种机械臂液压同步补偿控制方法，主要包括主动缸基准控制法和平均基准控制法；所述主动缸基准控制法包括如下步骤：

步骤一：选择第一液压缸为主动缸，以第一液压缸的活塞杆运动位移为控制基准；启动电机，液压泵工作，控制第一电磁换向阀和第二电磁换向阀工作在左侧状态；

步骤二：控制器产生信号控制第一高速开关阀和第二高速开关阀开启，第一锥阀和第二锥阀中的控制腔中油压下降，两个锥阀均开启，第一液压缸和第二液压缸中的活塞杆分别向上运动；第一位移传感器和第二位移传感器分别测量第一液压缸和第二液压缸的活塞杆的伸出位移，测得的位移信号传输至控制器，并以第一位移传感器的位移信号为基准，计算第二位移传感器测得的位移与第一位移传感器测得的位移的差值，并根据差值调整输出到高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率；最终实现第一液压缸和第二液压缸的活塞杆同步伸出；

步骤三：控制第一电磁换向阀和第二电磁换向阀工作在右侧状态，重复步骤二；实现第一液压缸和第二液压缸的活塞杆同步收回。

可选的，所述步骤二中，计算第二位移传感器测得的位移与第一位移传感器测得的位移的差值；若差值为负，则增加输出到高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率，使第二液压缸活塞杆伸出速度增加；若差值为正，则降低输出到第二高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率，使第二液压缸活塞杆伸出速度减小；若差值为零，则保持输出到高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率不变。

可选的，所述平均基准控制法包括如下步骤：

步骤一：以第一液压缸和第二液压缸的位移均值为控制基准；启动电机，液压泵工作，并控制第一电磁换向阀和第二电磁换向阀工作在左侧状态；

步骤二：控制器产生信号控制第一高速开关阀和第二高速开关阀开启，第一锥阀和第二锥阀中的控制腔中油压下降，两个锥阀均开启，第一液压缸和第二液压缸中的活塞杆分别向上运动；第一位移传感器和第二位移传感器分别测量第一液压缸和第二液压缸的活塞杆的伸出位移，测得的位移信号传输至控制器；计算出第一位移传感器和第二位移传感器所测得位移的均值，并以此均值为位移基准；分别计算第一位移传感器和第二位移传感器测得的位移与位移基准的差值，得出差值后，如某一个液压缸活塞杆位移大于位移基准，则降低输出到控制该液压缸的高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率，如某一个液压缸活塞杆位移小于位移基准，则增加输出到控制该液压缸的高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率，若如某一个液压缸活塞杆位移与位移基准相同，则保持输出到控制该液压缸的高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率不变；最终实现第一液压缸和第二液压缸的活塞杆同步伸出；

步骤三：控制第一电磁换向阀和第二电磁换向阀工作在右侧状态，重复步骤二；实现第一液压缸和第二液压缸的活塞杆同步收回。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明可以通过控制高速开关阀的调制率大小可控制通过锥阀的流量大小，进而控制通过电磁换向器的流量，最终实现对所控制液压缸运动速度的控制，通过位移传感器所测得的位移信号反馈，改变高速开关阀的调制率大小，可实现多个液压缸的运动同步。

具体地，本发明提供了两种不同多液压缸同步补偿控制方法：一是主动缸基准控制法，以主动缸的运动位移为基准，控制从动缸的运动，使所有液压缸运动同步，当从动缸活塞杆位移大于主动缸时，降低输出到控制从动缸的高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率，降低从动缸的运动速度，反之则增加输出到控制从动缸的高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率，增加从动缸的运动速度；二是平均基准控制法，受控的所有液压缸不区分主动缸和从动缸，控制时以所有液压缸运动位移的均值为基准，控制所有的液压缸的运动速度，使各液压缸的运动同步，此方法与主动缸基准控制法区别在于位移基础选取的不同。对于多液压缸同步补偿控制，平均基准控制法的响应速度较主动缸基准控制法相应速度快。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明液压机械臂同步补偿装置及控制原理示意图；

其中，1为液压泵，2为溢流阀，3为第一电磁换向阀，4为第二电磁换向阀，5为第一锥阀，6为第二锥阀，7为第一高速开关阀，8为第二高速开关阀，9为第一液压缸，10为第二液压缸，11为第一位移传感器，12为第二位移传感器，13为信号采集卡，14为模数转换器，15为控制器，16为固态继电器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种机械臂液压同步补偿装置及控制方法，以解决上述现有技术存在的问题，可以实现对多个液压缸运动进行控制以实现不同液压缸运动的同步。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种机械臂液压同步补偿装置及控制方法，如图1所示，该装置包括液压阀集成模块、固态继电器16、控制器15、信号采集卡13、位移传感器、液压泵1等。液压阀集成模块包括高速开关阀、锥阀、电磁换向阀、溢流阀2；高速开关阀、锥阀、电磁换向阀数量与所需实现同步运动的液压缸数量相同。在该同步补偿装置中，位移传感器用于测量液压缸活塞杆位移，信号采集卡用于采集位移传感器所测数据并传输到控制器中，由控制器对输入信号进行计算、分析和判断，并输出脉冲宽度调制控制信号，脉冲宽度调制控制信号经过放大电路进行放大后输入高速开关阀。

本发明提供的机械臂液压同步补偿控制方法包括主动缸基准控制法和平均基准控制法。

具体地，当以主动缸基准控制法对两个液压缸进行同步补偿控制时，任意选择第一液压缸9和第二液压缸10中的一个为主动缸，本例中选择第一液压缸9为主动缸，以其活塞杆运动位移为控制基准。

启动电机，液压泵工作，控制第一电磁换向阀3、第二电磁换向阀4工作在左侧状态，即正接状态，控制器15产生调节第一高速开关阀7和第二高速开关阀8的脉冲宽度调制控制信号，第一高速开关阀7和第二高速开关阀8开启，第一锥阀5和第二锥阀6中的控制腔中油压下降，两个锥阀均开启，使得第一液压缸9和第二液压缸10中无杆腔供油，有杆腔泄油，第一液压缸9和第二液压缸10中的活塞杆分别向上运动。当整个同步补偿装置开始工作时，位移传感器也开始工作。在两个活塞杆分别向上运动时，第一位移传感器11和第二位移传感器12分别测量第一液压缸9和第二液压缸10的活塞杆的伸出位移，测得的位移信号由信号采集卡13接收并经过模数转换器14转换成数字信号后传给控制器15，在控制器15中，以第一位移传感器11的位移信号为基准，计算第二位移传感器12测得的位移与第一位移传感器11测得的位移的差值，若差值为负(即第二液压缸10的活塞杆位移小于第一液压缸9位移)，则通过固态继电器16增加输出到高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率，输出信号经过固态放大器16放大后输出到第二高速开关阀8，使得通过第二高速开关阀8的流量增加，进而使通过第二锥阀6的流量增加，最终使第二液压缸10活塞杆伸出速度增加；若差值为正(即第二液压缸10的活塞杆位移大于第一液压缸9活塞杆位移)，则降低输出到第二高速开关阀8的脉冲宽度调制控制信号的调制率，输出信号经过固态放大器16放大后输出到第二高速开关阀8，使得通过第二高速开关阀8的流量减小，进而使通过第二锥阀6的流量减小，最终使第二液压缸10活塞杆伸出速度减小。若差值为零，则保持输出到高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率不变，使第二液压缸10活塞杆伸出速度不变。整个控制过程是闭环控制过程，在整个液压缸工作过程中，位移传感器一直在工作，并将位移信号传递至控制器，由控制器输出相应控制信号控制第二高速开关阀8。最终实现第一液压缸9、第二液压缸10活塞杆同步伸出。

第一液压缸9和第二液压缸10活塞杆同步收回与第一液压缸9和第二液压缸10活塞杆同步伸出过程中不同点在于第一电磁换向阀3和第二电磁换向阀4的工作位置，即将第一电磁换向阀3和第二电磁换向阀4的位置置于右侧状态，即反接状态即可，同步运动过程控制原理不变。最终实现第一液压缸9、第二液压缸10活塞杆同步收回。

当以平均基准控制法对两个液压缸进行同步补偿控制时，不区分主动缸和从动缸，位移基准为所有受控液压缸(本例中为两个液压缸)的位移均值。

启动电机，液压泵工作，并控制第一电磁换向阀3和第二电磁换向阀4工作在左侧状态，即正接状态，控制器15产生控制第一高速开关阀7和第二高速开关阀8的脉冲宽度调制控制信号，第一高速开关阀7和第二高速开关阀8开启，第一锥阀5和第二锥阀6中的控制腔中油压下降，两个锥阀均开启，使得第一液压缸9和第二液压缸10中无杆腔供油，有杆腔泄油，第一液压缸9、第二液压缸10中的活塞杆分别向上运动。当整个同步补偿装置开始工作时，位移传感器也开始工作。在两个活塞杆分别向上运动时，第一位移传感器11、第二位移传感器12分别测量第一液压缸9、第二液压缸10的活塞杆的伸出位移，测得的位移信号由信号采集卡13接受并经过模数转换器14转换成数字信号传给控制器15，在控制器15中，计算出第一位移传感器11、第二位移传感器12所测得位移的均值，并以此均值为位移基准，分别计算第一位移传感器11、第二位移传感器12测得的位移与位移基准的差值，得出差值后，如某一个液压缸活塞杆位移大于位移基准，则通过固态继电器16降低输出到控制该液压缸的高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率，如某一个液压缸活塞杆位移小于位移基准，则通过固态继电器16增加输出到控制该液压缸的高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率，若如某一个液压缸活塞杆位移与位移基准相同，则保持输出到控制该液压缸的高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率不变。与主动缸基准控制法中不同的是，此时需同时对输出的两个脉冲宽度调制控制信号的调制率进行控制，以便对两个液压缸的运动同时进行控制。最终实现第一液压缸9、第二液压缸10活塞杆同步伸出。

第一液压缸9、第二液压缸10活塞杆同步收回与第一液压缸9、第二液压缸10活塞杆同步伸出过程中不同点在于第一电磁换向阀3、第二电磁换向阀4的工作位置，即将第一电磁换向阀3、第二电磁换向阀4的位置置于右侧状态，即反接状态即可，控制过程原理不变。最终实现第一液压缸9、第二液压缸10活塞杆同步收回。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种机械臂液压同步补偿装置，其特征在于：包括液压泵和依次电连接的信号采集卡、模数转换器、控制器和固态继电器；所述固态继电器分别连接有多个高速开关阀，每个所述高速开关阀分别各自连接有一个锥阀，每个锥阀分别各自连接有一个电磁换向阀，每个电磁换向阀分别各自连接有一个液压缸；每个所述液压缸的活塞杆上均设置有位移传感器，每个所述位移传感器均分别与所述信号采集卡电连接；所述液压泵分别与多个所述电磁换向阀连接。

2.根据权利要求1所述的机械臂液压同步补偿装置，其特征在于：所述液压泵上设置有溢流阀。

3.根据权利要求2所述的机械臂液压同步补偿装置，其特征在于：所述固态继电器分别连接有两个高速开关阀；两个所述高速开关阀分别包括第一高速开关阀和第二高速开关阀；所述第一高速开关阀依次连接有第一锥阀、第一电磁换向阀和第一液压缸，所述第二高速开关阀依次连接有第二锥阀、第二电磁换向阀和第二液压缸；所述第一液压缸的活塞杆上设置有第一位移传感器，所述第一位移传感器与所述信号采集卡电连接，所述第二液压缸的活塞杆上设置有第二位移传感器，所述第二位移传感器与所述信号采集卡电连接；所述液压泵分别与所述第一电磁换向阀和第二电磁换向阀连接。

4.一种机械臂液压同步补偿控制方法，其特征在于：包括主动缸基准控制法和平均基准控制法；所述主动缸基准控制法包括如下步骤：

步骤一：选择第一液压缸为主动缸，以第一液压缸的活塞杆运动位移为控制基准；启动电机，液压泵工作，控制第一电磁换向阀和第二电磁换向阀工作在左侧状态；

步骤二：控制器产生信号控制第一高速开关阀和第二高速开关阀开启，第一锥阀和第二锥阀中的控制腔中油压下降，两个锥阀均开启，第一液压缸和第二液压缸中的活塞杆分别向上运动；第一位移传感器和第二位移传感器分别测量第一液压缸和第二液压缸的活塞杆的伸出位移，测得的位移信号传输至控制器，并以第一位移传感器的位移信号为基准，计算第二位移传感器测得的位移与第一位移传感器测得的位移的差值，并根据差值调整输出到高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率；最终实现第一液压缸和第二液压缸的活塞杆同步伸出；

步骤三：控制第一电磁换向阀和第二电磁换向阀工作在右侧状态，重复步骤二；实现第一液压缸和第二液压缸的活塞杆同步收回。

5.根据权利要求4所述的机械臂液压同步补偿控制方法，其特征在于：所述步骤二中，计算第二位移传感器测得的位移与第一位移传感器测得的位移的差值；若差值为负，则增加输出到高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率，使第二液压缸活塞杆伸出速度增加；若差值为正，则降低输出到第二高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率，使第二液压缸活塞杆伸出速度减小；若差值为零，则保持输出到高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率不变。

6.根据权利要求4所述的机械臂液压同步补偿控制方法，其特征在于：所述平均基准控制法包括如下步骤：

步骤一：以第一液压缸和第二液压缸的位移均值为控制基准；启动电机，液压泵工作，并控制第一电磁换向阀和第二电磁换向阀工作在左侧状态；

步骤二：控制器产生信号控制第一高速开关阀和第二高速开关阀开启，第一锥阀和第二锥阀中的控制腔中油压下降，两个锥阀均开启，第一液压缸和第二液压缸中的活塞杆分别向上运动；第一位移传感器和第二位移传感器分别测量第一液压缸和第二液压缸的活塞杆的伸出位移，测得的位移信号传输至控制器；计算出第一位移传感器和第二位移传感器所测得位移的均值，并以此均值为位移基准；分别计算第一位移传感器和第二位移传感器测得的位移与位移基准的差值，得出差值后，如某一个液压缸活塞杆位移大于位移基准，则降低输出到控制该液压缸的高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率，如某一个液压缸活塞杆位移小于位移基准，则增加输出到控制该液压缸的高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率，若如某一个液压缸活塞杆位移与位移基准相同，则保持输出到控制该液压缸的高速开关阀的脉冲宽度调制控制信号的调制率不变；最终实现第一液压缸和第二液压缸的活塞杆同步伸出；

步骤三：控制第一电磁换向阀和第二电磁换向阀工作在右侧状态，重复步骤二；实现第一液压缸和第二液压缸的活塞杆同步收回。