CN111283673A - 液压***及机械臂 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种液压***，包括液压油缸、油箱、比例换向阀、四通电磁球阀、比例溢流阀和单向阀。油箱与液压油缸之间存在进油路和回油路；比例换向阀安装于进油路和回油路，并且连接于油箱和液压油缸之间；四通电磁球阀安装于进油路和回油路，并且连接于比例换向阀和液压油缸之间；比例溢流阀安装于回油路，并连接于油箱和比例换向阀之间；单向阀与比例溢流阀并联地安装在回油路，用于在比例换向阀不工作、四通电磁球阀工作时，允许液压油缸单向连通油箱。本发明提供的液压***通过控制比例换向阀、四通电磁球阀和比例溢流阀的工作状态，实现了液压***的在微小的外力作用下的从动控制，相对于其他机械臂，液压机械臂的抗冲击能力更强。

Description

液压***及机械臂
技术领域
本发明涉及机械臂技术领域，具体而言，涉及一种液压***及机械臂。
背景技术
随着现代工业机器人的应用普及，各行业对关节型机器人末端负载能力的要求也越来越高，尤其是在重载工业机器人、军用机器人和工程机械等装备领域。现有控制工业机器人的机械臂伸缩主要是通过电推杆或者电机带动齿轮齿条等实现，然而不管是通过电推杆还是电机控制机械臂，电推杆或者电机与齿轮齿条之间均为刚性连接，且承载能力较小，难以实现大负载动作。当收到的外力超过额定工况时，可能存在损坏的情况，机械臂的抗冲击能力不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液压***及机械臂，以解决上述问题。本发明实施例通过以下技术方案来实现上述目的。
第一方面，本发明提供一种液压***，包括液压油缸、油箱、比例换向阀、四通电磁球阀、比例溢流阀和单向阀。油箱与液压油缸之间存在进油路和回油路；比例换向阀安装于进油路和回油路，并且连接于油箱和液压油缸之间；四通电磁球阀安装于进油路和回油路，并且连接于比例换向阀和液压油缸之间；比例溢流阀安装于回油路，并连接于油箱和比例换向阀之间，用于设定回油路的压力；单向阀与比例溢流阀并联地安装在回油路，用于在比例换向阀不工作、四通电磁球阀工作时，允许液压油缸单向连通油箱。
在一种实施方式中，液压***还包括控制器，控制器与比例换向阀连接，用于控制进油路和回油路分别流经比例换向阀时的流量和流向。
在一种实施方式中，液压油缸包括有杠腔和无杠腔，所述液压***还包括第一压力传感器和第二压力传感器，第一压力传感器和第二压力传感器均与控制器信号连接，第一压力传感器安装于进油路，且连接于四通电磁球阀和无杠腔之间，用于检测无杠腔的压力值并反馈给控制器，第二压力传感器安装于回油路，且连接于有杠腔和四通电磁球阀之间，用于检测有杠腔的压力值并反馈给控制器，控制器用于根据无杠腔和有杠腔的压力值获得液压油缸的负载。
在一种实施方式中，液压***还包括位移传感器，位移传感器设置于液压油缸内并与控制器信号连接，位移传感器用于检测液压油缸的实时位移并反馈给控制器。
在一种实施方式中，控制器还与四通电磁球阀信号连接，控制器内存储有目标位移，控制器接收到位移传感器反馈的实时位移后，将实时位移与目标位移进行比较，当实时位移等于目标位移时，控制器控制四通电磁球阀、比例换向阀断电。
在一种实施方式中，液压***还包括液压泵，液压油缸包括有杠腔和无杠腔，比例换向阀包括与无杠腔连通的第一工作油口、与有杠腔连通的第二工作油口、与液压泵连通的进油口以及与单向阀连通的回油口，比例换向阀具有断电保护位和至少一个工作位，比例换向阀不工作时，进油路和回油路处于比例换向阀的断电保护位，第一工作油口和第二工作油口均与回油口连通，进油口截止，液压油缸通过第一工作油口、回油口、单向阀单向连通油箱。
在一种实施方式中，至少一个工作位包括第一工作位、第二工作位和第三工作位，所述进油路和所述回油路处于所述比例换向阀的第一工作位时，第一工作油口和进油口连通，第二工作油口和回油口连通；进油路和回油路处于比例换向阀的第二工作位时，第一工作油口、第二工作油口、进油口和回油口均截止；进油路和回油路处于比例换向阀的第三工作位时，第一工作油口和回油口连通，第二工作油口和进油口连通。
在一种实施方式中，液压***还包括液压泵和过滤器，液压泵和过滤器均安装于进油路，液压泵与油箱相邻，过滤器连接于液压泵和比例换向阀之间。
在一种实施方式中，液压***还包括电磁球阀和溢流阀，溢流阀和电磁球阀并联地安装于进油路和回油路之间。
第二方面，本发明还提供一种机械臂，包括固定臂、伸缩臂以及上述任一实施方式的液压***，伸缩臂滑动设置于固定臂，液压油缸包括活塞杆，伸缩臂机械连接于活塞杆，固定臂机械连接于液压油缸远离活塞杆的一端。
相较于现有技术，本发明提供的液压***通过控制比例换向阀、四通电磁球阀和比例溢流阀的工作状态，实现了液压***的在微小的外力作用下的从动控制，相对于其他机械臂，液压机械臂的抗冲击能力更强。
本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的液压***在一种状态下的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的液压***在另一种状态下的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的液压***在又一种状态下的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的液压***在再一种状态下的结构示意图。
图5是本发明实施例提供的液压***在又另一种状态下的结构示意图。
图6是本发明实施例提供的机械臂处于缩回状态时的结构示意图。
图7是本发明实施例提供的液压***处于伸出状态时的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本实施例，下面将参照相关附图对本实施例进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实施例中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1，本发明提供一种液压***10，包括液压油缸11、油箱12、比例换向阀13、四通电磁球阀14、比例溢流阀15和单向阀16。油箱12与液压油缸11之间存在进油路和回油路；比例换向阀13安装于进油路和回油路，并且连接于油箱12和液压油缸11之间；四通电磁球阀14安装于进油路和回油路，并且连接于比例换向阀13和液压油缸11之间；比例溢流阀15安装于回油路，并连接于油箱12和比例换向阀13之间，用于设定回油路的压力；单向阀16与比例溢流阀15并联地安装在回油路，用于在比例换向阀13不工作、四通电磁球阀14工作时，允许液压油缸11单向连通油箱12。
请参阅图1和图2，液压油缸11包括缸体112、活动设置于缸体112内的活塞114、固定连接于活塞114的活塞杆116，活塞114将缸体112分为有杆腔1121和无杆腔1123，其中有杆腔1121指的是有活塞杆116的一端。
在本实施例中，液压***10还包括液压泵17、电磁球阀18、溢流阀19以及过滤器106等元件，进油路指的是压力油自油箱12依次经过滤器106、比例换向阀13、四通电磁球阀14至液压油缸11的无杆腔1123的油路。回油路指的是压力油自液压油缸11的有杆腔1121依次经四通电磁球阀14、比例换向阀13和比例溢流阀15至油箱12的油路。
液压泵17安装于进油路，液压泵17与油箱12相邻。液压泵17用于将压力油从油箱12运输至液压油缸11内，以带动液压油缸11活塞杆116的移动。在其他实施方式中，液压***10还可以包括与液压泵17传动配合的驱动电机，驱动电机用于提供驱动力，以驱动液压泵17为液压油缸11提供压力油。驱动电机还可以变速驱动液压泵17，以精确控制向液压油缸11提供的压力油的流量。
溢流阀19和电磁球阀18并联地安装于进油路和回油路之间。溢流阀19可以用于设定液压***10的最高压力，当液压力超设定的最高压力值时，溢流阀19会进行卸荷，以降低液压力，保护液压***10并保证液压***10的工作稳定性。电磁球阀18相对溢流阀19远离液压泵17，并连接于溢流阀19的两端。电磁球阀18可以用于液压***10的卸荷，作为一种示例，当液压油缸11无动作时，电磁球阀18可以将液压***10中的压力油卸荷回油箱12，以降低能耗。
过滤器106安装于进油路，并连接于液压泵17和比例换向阀13之间。过滤器106可以用于过滤压力油中的杂质，保证压力油的清洁度，减少杂质对其他元件的损害，提高液压***10的稳定性。
在本实施例中，比例换向阀13为四位四通比例换向阀13，包括与无杠腔1123连通的第一工作油口A、与有杠腔1121连通的第二工作油口B、与液压泵17连通的进油口P和与单向阀16连通的回油口T。
请参阅图2，比例换向阀13具有至少一个工作位，在本实施例中，至少一个工作位包括第一工作位131、第二工作位132和第三工作位133。在本实施例中，比例换向阀13可以检测阀芯位置，从而保证比例换向阀13流量在零到最大流量的精细无级调节。比例换向阀13内还包括高频响比例阀，以提高控制的响应速度，从而实时精确调节通过比例换向阀13的流量。
进油路和回油路处于比例换向阀13的第一工作位131时，第一工作油口A和进油口P连通，第二工作油口B和回油口T连通，液压油缸11通过第二工作油口B、回油口T、单向阀16单向连通油箱12。具体地，压力油经过依次经液压泵17、过滤器106、比例换向阀13和四通电磁球阀14进入液压油缸11的无杆腔1123，推动液压油缸11的活塞114伸出，液压油缸11的有杆腔1121的压力油，依次经过四通电磁球阀14、比例换向阀13和比例溢流阀15，回到油箱12。
请继续参阅图1和图2，进油路和回油路处于比例换向阀13的第二工作132位时，第一工作油口A、第二工作油口B、进油口P和出油口T均截止。
请参阅图图3，进油路和回油路处于比例换向阀13的第三工作位133时，第一工作油口A和出油口T连通，第二工作油口B和进油口P连通，液压油缸11通过第一工作油口A、回油口P、单向阀16单向连通油箱12。具体地，压力油经过依次经液压泵17、过滤器106、比例换向阀13和四通电磁球阀14进入液压油缸11的有杆腔1121，推动液压油缸11的活塞114收回，液压油缸11的有杆腔1121的压力油，依次经过四通电磁球、比例换向阀13和比例溢流阀15，回到油箱12。
请参阅图4，比例换向阀13具有断电保护位134，比例换向阀13不工作时，进油路和回油路处于比例换向阀13的断电保护位134，第一工作油口A和第二工作油口B均与回油口T连通，进油口P截止，液压油缸11通过第一工作油口A、回油口T、单向阀16单向连通油箱。此时液压泵17与无杆腔1123和有杆腔1121均连通，并且进油路截止。液压油缸11的无杆腔1123可以通过单向阀16从油箱12吸油，从而保证液压油缸11及液压***10始终充满压力油。
比例溢流阀15安装于溢流阀19和比例换向阀13之间，比例溢流阀15可以用于控制回油路的压力，在回油路压力较大时，可以进行卸荷，能够起到定压溢流，稳压，***卸荷和安全保护作用。比例溢流阀15在不得电时全开，即，不得电时不会对压力油进行调节。
单向阀16，用于液压***10处于从动模式时，从油箱12吸油。其中从动模式指的是液压***10不工作的情况下，可以通过手动或其他外力推动活塞杆116运动，从而提升液压***10的抗冲击能力。
请参阅图5，液压***10的从动模式如下：
从动模式时，液压泵17不工作，电磁球阀18不工作，四通电磁球阀14工作，比例换向阀13不工作，也就是比例换向阀13处于第四位置，进油口P截止，第一工作油口A和第二工作油口B均与出油口T连通。比例溢流阀15工作，此时可以通过程序控制比例溢流阀15设定***压力大小，让回油路产生一定的背压，从而设定被动工作时液压油缸11运动的阻力，其中***压力可以根据实际情况进行设定。当用手推动活塞杆116缩回时，液压油缸11无杆腔1123内的压力油可以通过比例溢流阀15回油箱12。当用手拉动活塞杆116伸出时，液压油缸11有杆腔1121内的压力油可以通过比例溢流阀15回油箱12。当需要活塞杆116停止在某个位置时，只要四通电磁球阀14断电即可，此时液压油缸11可以被锁死。也就是说，液压***10可以在液压泵17、电磁球阀18和比例换向阀13不工作时，通过控制比例溢流阀15和四通电磁球阀14，实现在外力作用下的伸出和缩回，减少了外部冲击力对液压油缸11的损害，从而提升了液压***10的抗冲击能力。
在本实施例中，当机械臂1从动伸出时，液压油缸11的无杆腔1123可以通过单向阀16从油箱12吸油，从而保证液压油缸11及液压***10始终充满压力油，避免液压油缸11内混入空气，从而避免由于空气被压缩时导致的液压油缸11不能完全被锁死的现象。
液压***10还包括第一压力传感器101、第二压力传感器102和一个控制器103。控制器103与比例换向阀13连接，控制器103用于控制进油路和回油路分别流经比例换向阀13时的流量和流向。第一压力传感器101和第二压力传感器102均与控制器103信号连接，第一压力传感器101安装于进油路，且连接于四通电磁球阀14和无杠腔1123之间，用于检测无杠腔1123的压力值并反馈给控制器103。第二压力传感器102安装于回油路，且连接于有杠腔1121和四通电磁球阀14之间，用于检测有杠腔1121的压力值并反馈给控制器103，控制器103用于根据无杠腔1123和有杠腔1121的压力值获得液压油缸11的负载。在本实施例中，第一压力传感器101和第二压力传感器102的检测范围均在0-40MPa之间。第一压力传感器101和第二压力传感器102可以配合作用以检测活塞杆116的顶升力，具体地，第一压力传感器101和第二两个压力传感器102分别检测出无杆腔1123与有杆腔1121的压力，并根据测得的两个压力值算出两个压力值之间的差值，差值再乘以无杆腔1123的作用面积，即活塞杆116实时伸出的顶升力。
控制器103根据第一压力传感器101和第二压力传感器102检测的压力控制比例换向阀13的切换方向以及开口大小，从而实现对顶升力的闭环控制。在本实施中，通过控制进入和流出油缸的流量，可以实现液压油缸11充油加压或放油减压，从而实现对顶升力的控制。作为一种示例，在活塞杆116伸出的过程中，当活塞杆116的端部受到负载反力时，此时活塞杆116处于伸出状态但实际行程已不再变化，而液压油缸11无杆腔1123有持续的压力油进入，从而使无杆腔1123压力上升，控制器103通过压力传感器102检测到的压力，计算活塞杆116的顶升力，当达到到实际需要的顶升力时，停止液压油缸11的伸出动作，活塞杆116将保持该推力工作。需要降低活塞杆116的推力时，比例换向阀13控制活塞杆116缩回，减小顶升力。由于比例换向阀13的流量精细可调，所以通过比例换向阀13的微小开口调节，可以实现力的精细调节。
控制器103还与四通电磁球阀14信号连接，控制器103内存储有目标位移，控制器103接收到位移传感器104反馈的实时位移后，将实时位移与目标位移进行比较，当实时位移等于目标位移时，控制器103控制四通电磁球阀14、比例换向阀13断电，此时液压油缸11的位置不变。
在本实施例中，四通电磁球阀14包括通电位141和断电位143，控制器103控制进油路和回油路处于四通电磁球阀14的通电位141还是断电位143。比例换向阀13经通电位141与液压油缸11连通，也就是说，当控制器103控制进油路和回油路处于四通电磁球阀14的通电位141时，进油路以及回油路可以形成通路，以实现液压油缸11的活塞杆116的伸缩。断电位143切断比例换向阀13与液压油缸11之间的油路，也就是说，当控制器103控制进油路和回油路处于四通电磁球阀14的断电位143时，液压油缸11由于没有压力油的流动而处于锁定状态，即使很大外力也不能使液压油缸11动作，除非液压油缸11机械结构受破坏，因此四通电磁球阀14的断电位143可以保证液压油缸11的活塞杆116处于固定的位置。
液压***10还包括位移传感器104，位移传感器104设置于液压油缸11内并与控制器103信号连接，位移传感器104用于检测液压油缸11的实时位移并反馈给控制器103，控制器103根据实时位移与目标位移进行比较，并根据比较结果控制液压油缸11的位移。
通过控制器103、位移传感器104与各元件的配合，可以实现活塞杆116位置的闭环精准控制。作为一种示例，电磁球阀18得电，比例换向阀13处于第一工作位131，比例溢流阀15不得电时，压力油经过比例换向阀13，进入液压油缸11的无杆腔1123，推动液压油缸11活塞114伸出运动。在活塞杆116伸出过程中，内置于油液压油缸内的位移传感器104实时检测活塞杆116的位移，并将数据反馈到控制器103，控制器103将接收到的数据与目标位置数据进行比较，实时控制油缸伸出。当到达目标位置时，控制器103控制电磁球阀18、比例换向阀13以及四通电磁球阀14断电，活塞杆116停止移动，从而实现了对活塞杆116位置的闭环精准控制。可以理解，当活塞杆116缩回时，同样可以对活塞杆116的位置进行闭环精准控制。
在本实施例中，控制器103还可以在实时位移达到目标位移之前，减小比例换向阀13的开口。通过控制器103控制液压油缸11在到达目标位移之前减小比例阀开口，例如距离预设位置10mm时提前减速，可以提高液压油缸11定位的精准性和减小停止时的冲击，提升了液压油缸11的使用寿命。可以理解的是，还可以在液压油缸11开始动作的时候，控制比例换向阀13的开口逐渐增大，从而控制活塞杆116的伸出速度均匀增加，以实现液压油缸11的平稳启动。
综上，本发明提供的液压***10通过控制比例换向阀13、四通电磁球阀14和比例溢流阀15的工作位置，实现了液压***10的在微小的外力作用下的从动控制，相对于其他机械臂，液压机械臂1的抗冲击能力更强。。
请参阅图2、图6和图7，本发明还提供一种机械臂1，包括固定臂20、伸缩臂30以及液压***10，伸缩臂30滑动设置于固定臂20，伸缩臂30机械连接于活塞杆116，固定臂20机械连接于液压油缸11远离活塞杆116的一端。通孔控制活塞杆116的伸出或者缩回，可以控制伸缩臂30的伸出长度。此本实施例提供的机械臂1也可以实现顶升力的闭环控制、实现伸缩臂30位置的闭环精准控制、以及机械臂1的从动模式。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种液压***，其特征在于，包括：
液压油缸；
油箱，所述油箱与所述液压油缸之间存在进油路和回油路；
比例换向阀，安装于所述进油路和所述回油路，并且连接于所述油箱和所述液压油缸之间；
四通电磁球阀，安装于所述进油路和所述回油路，并且连接于所述比例换向阀和所述液压油缸之间；
比例溢流阀，安装于所述回油路，并连接于所述油箱和所述比例换向阀之间，用于设定所述回油路的压力；及
单向阀，与所述比例溢流阀并联地安装在所述回油路，用于在所述比例换向阀不工作、所述四通电磁球阀工作时，允许所述液压油缸单向连通所述油箱。
2.根据权利要求1所述的液压***，其特征在于，所述液压***还包括控制器，所述控制器与所述比例换向阀连接，用于控制所述进油路和所述回油路分别流经所述比例换向阀时的流量和流向。
3.根据权利要求2所述的液压***，其特征在于，所述液压油缸包括有杠腔和无杠腔，所述液压***还包括第一压力传感器和所述第二压力传感器，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器均与所述控制器信号连接，所述第一压力传感器安装于所述进油路，且连接于所述四通电磁球阀和所述无杠腔之间，用于检测所述无杠腔的压力值并反馈给所述控制器，所述第二压力传感器安装于所述回油路，且连接于所述有杠腔和所述四通电磁球阀之间，用于检测所述有杠腔的压力值并反馈给所述控制器，所述控制器用于根据所述无杠腔和所述有杠腔的压力值获得所述液压油缸的负载。
4.根据权利要求2所述的液压***，其特征在于，所述液压***还包括位移传感器，所述位移传感器设置于所述液压油缸内并与所述控制器信号连接，所述位移传感器用于检测所述液压油缸的实时位移并反馈给所述控制器。
5.根据权利要求4所述的液压***，其特征在于，所述控制器还与所述四通电磁球阀信号连接，所述控制器内存储有目标位移，所述控制器接收到所述位移传感器反馈的实时位移后，将所述实时位移与所述目标位移进行比较，当所述实时位移等于所述目标位移时，所述控制器控制所述四通电磁球阀、所述比例换向阀断电。
6.根据权利要求1所述的液压***，其特征在于，所述液压***还包括液压泵，所述液压油缸包括有杠腔和无杠腔，所述比例换向阀包括与所述无杠腔连通的第一工作油口、与所述有杠腔连通的第二工作油口、与所述液压泵连通的进油口以及与所述单向阀连通的回油口，所述比例换向阀具有断电保护位和至少一个工作位，所述比例换向阀不工作时，所述进油路和所述回油路处于所述比例换向阀的断电保护位，所述第一工作油口和所述第二工作油口均与所述回油口连通，所述进油口截止，所述液压油缸通过所述第一工作油口、所述回油口、所述单向阀单向连通所述油箱。
7.根据权利要求6所述的液压***，其特征在于，所述至少一个工作位包括第一工作位、第二工作位和第三工作位，所述进油路和所述回油路处于所述比例换向阀的第一工作位时，所述第一工作油口和所述进油口连通，所述第二工作油口和所述回油口连通；所述进油路和所述回油路处于所述比例换向阀的第二工作位时，所述第一工作油口、所述第二工作油口、所述进油口和所述回油口均截止；所述进油路和所述回油路处于所述比例换向阀的第三工作位时，所述第一工作油口和所述回油口连通，所述第二工作油口和所述进油口连通。
8.根据权利要求1所述的液压***，其特征在于，所述液压***还包括液压泵和过滤器，所述液压泵和过滤器均安装于所述进油路，所述液压泵与所述油箱相邻，所述过滤器连接于所述液压泵和所述比例换向阀之间。
9.根据权利要求1所述的液压***，其特征在于，所述液压***还包括电磁球阀和溢流阀，所述溢流阀和所述电磁球阀并联地安装于所述进油路和所述回油路之间。
10.一种机械臂，其特征在于，包括固定臂、伸缩臂以及如权利要求1-9任一项所述的液压***，所述伸缩臂滑动设置于所述固定臂，所述液压油缸包括活塞杆，所述伸缩臂机械连接于所述活塞杆，所述固定臂机械连接于所述液压油缸远离所述活塞杆的一端。
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