氣－液串聯複合驅動系統的製作方法

2023-05-26 10:08:41

專利名稱：氣－液串聯複合驅動系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣-液串聯複合驅動系統，此複合驅動系統以氣壓源驅動，氣體部分的體積小，系統的主要流動部分為液體，並利用氣體節流閥小孔產生壅塞流原理；此複合驅動系統可作為流體驅動的機器人、機械等的低壓、小流量的動力系統，屬於機器人、機械的應用技術領域。
背景技術：
本發明以前，在已有技術中，對於複合驅動系統來說，現有的複合驅動系統有採用氣-液串聯和氣-液並聯複合驅動系統，其不足之處是由於氣體可壓縮性，運動平穩性差，伺服系統的定位精度低；或伺服控制系統複雜，以流體壓力來控制液壓缸/氣缸的位移，成本較高。

發明內容
本發明的目的在於克服上述不足之處，本發明採用氣-液串聯複合驅動系統，利用流量不可調的氣體節流閥小孔產生壅塞流原理，即氣體經節流閥小孔排氣的質量流量恆定為基礎，結合氣、液節流或單作用缸的彈簧預緊力的阻尼特性，建立滑動缸位移、速度的動態方程，動態方程的自變量僅僅是時間量，是以時間量來控制滑動缸位移的氣-液串聯複合驅動系統。
本發明的主要解決方案是這樣實現的本發明複合驅動系統為如附圖1所示，帶儲氣罐的恆壓源的氣體壓力為pS，與出口壓力為pA的小孔節流閥1相連，不可調的小孔節流閥1的出口與三位四通閥5相通，三位四通閥5的一通口與氣體可調節流閥4相連，氣體可調節流閥4與消聲器3相連；三位四通閥5另外兩通口中一通口封閉、另一通口與柱塞缸2相通，壓力變送器6亦與柱塞缸2相連、測量柱塞缸2氣體腔壓力pB；連接三位四通閥5、柱塞缸2和壓力變送器6的這段氣路儘可能短，未通氣源pS時，柱塞缸2的柱塞在最右端，這樣可減少氣體體積；柱塞缸2的左端為液體，其液路與液體可調節流閥8相連，液體通斷閥7與液體可調節流閥8並聯；上述元件構成了本發明的氣-液串聯複合驅動系統，以下將簡稱為系統QY，並在附圖2、3中用虛線框明確。
本發明複合驅動系統驅動單作用滑動缸的實施例如附圖2所示，系統QY的液體輸出端與單作用滑動缸9相連，單作用滑動缸9內壓縮彈簧必須預緊，單作用滑動缸9出口為氣路，與氣體通斷閥10相通。
本發明複合驅動系統驅動雙作用滑動缸的實施例如附圖3所示，本實施例使用了兩套系統QY，其中一套相同元件的附圖標記增加了小寫字母a，電磁鐵的序號仍為單獨標記，兩套系統QY分別連接雙作用滑動缸11的兩端。
本發明與已有技術相比具有以下優點本發明採用氣-液串聯複合驅動系統，利用流量不可調的氣體節流閥小孔產生壅塞流原理，即氣體經節流閥小孔排氣的質量流量恆定為基礎，結合氣、液節流或單作用缸的彈簧預緊力的阻尼特性，建立滑動缸位移、速度的動態方程，動態方程的自變量僅僅是時間量，是以時間量來控制滑動缸位移的氣-液串聯複合驅動系統，控制方式簡單，成本低廉。同時，此複合驅動系統以氣壓源驅動，氣路緊湊，氣體部分的體積儘可能小，系統的主要流動部分為液體，因此可壓縮氣體量小，加上液體的不可壓縮特性，滑動缸的運動平穩性大大提高，有利於系統的伺服控制。


圖1為本發明複合驅動系統驅動部分的原理2為本發明複合驅動系統驅動單作用滑動缸的工作原理3為本發明複合驅動系統驅動雙作用滑動缸的工作原理圖
具體實施例方式下面結合本發明驅動單作用滑動缸的實施例說明工作原理及工作過程如附圖2所示，帶儲氣罐的恆壓源的氣體壓力為pS，經與小孔節流閥1相連，出口壓力為pA，三位四通閥5的電磁鐵1DT得電，壓縮空氣流向柱塞缸2(柱塞缸2氣體腔壓力pB)，柱塞左移，促使液體經液體通斷閥7直接進入單作用滑動缸9下腔，單作用滑動缸9克服彈簧力，從上腔排出氣體，從而其活塞杆向上運動。連接三位四通閥5、柱塞缸2和壓力變送器6的這段氣路儘可能短，未通氣源pS時，柱塞缸2的柱塞在最右端，這樣可減少氣體體積。回程是三位四通閥5的電磁鐵1DT失電、2DT得電，彈簧力使單作用滑動缸9的活塞杆向下運動，柱塞右移，氣體經三位四通閥5、氣體可調節流閥4排出。分析其動態過程如下柱塞缸右端氣體質量(含三位四通閥5出口起的管路部分)由狀態方程給出MB＝(pB+p0)·VB/RT 1其中R為理想氣體常數，T為絕對溫度氣體，pB為相對壓力，大氣壓p0＝0.1013MPa，體積VB＝A柱塞·S柱塞+V0，其中A柱塞為柱塞截面積、S柱塞為柱塞行程、V0為柱塞在右端未動作時管路部分的氣體體積。當進口不可調節流閥的孔面積較小時，充氣過程可假設為等溫過程。式1兩邊對時間t求導得MB=1RTddt[(pB+p0)VB]---2]]>當系統恆定氣源壓力pS≥pA/0.528時，小孔節流閥1流出質量流量是壅塞流，有MB=kppS1(t),]]>kp是一常數，從節流孔實驗特性曲線求得。進口氣路的不可調節流閥與三位四通閥安裝緊湊，在通電短暫延時t0後，閥芯一移動，pB即變為節流孔下遊壓力pA，故用階躍函數1(t)表示。將 代入式2，並兩邊積分得kppS·(t-t0)＝{(pB+p0)·VB-p0·V0/RTt≥t0即有t≥t03t≤t0時未充氣，柱塞右側壓力為大氣壓p0，體積為V0。單作用滑動缸9活塞截面積為A柱塞、行程為S＝A柱塞·S柱塞/A活塞，液體推力T＝A柱塞·pB，則活塞向上移動的動態方程 即 其中F0為彈簧預緊力，k為彈簧剛性，m活塞、m柱塞分別為活塞、柱塞的質量，f活塞、f柱塞分別為活塞、柱塞的粘性摩擦係數，由式3、4得出s～t的動態微分方程
t≥t05在通電短暫延時t0後，三位四通閥5的閥芯移動，但在tp0-t0內，柱塞右側的管路部分充氣，未克服彈簧預緊力，因而柱塞等未動作，由式5得tp0-t0＝(F0+m活塞·g)·V0/(kppSRTA柱塞) 6由式7求得微分方程的初始條件t＝tp0時，s＝0，ds/dt＝0。
例式5中，取A柱塞＝A活塞＝π·0.0252/4m2，f活塞＝f柱塞＝0.25，m活塞＝5Kg，m柱塞＝1Kg，V0＝10-6m3，F0＝40N，T＝293K，R＝287J/kg·K，kp＝6×10-10，k＝1000N/m，pS＝0.7MPa，t0＝0.1S。由式5得6d2sdt2+0.5dsdt=0.49087[35.318(t-0.1)+0.10130.49087s+10-3-0.1013103]-(89+2000s)---7]]>由式6得tp0＝0.11027S，式7採用MatLab軟體的ode45函數仿真曲線如下。壓力變送器6控制三位四通閥5動作，保證滿足pS≥pA/0.528的壅塞條件。

權利要求
1.一種氣-液串聯複合驅動系統，在已有技術中，現有的複合驅動系統有採用氣-液串聯和氣-液並聯複合驅動系統，其不足之處是由於氣體可壓縮性，運動平穩性差，伺服系統的定位精度低；或伺服控制系統複雜，以流體壓力來控制液壓缸/氣缸的位移，成本較高，而本發明利用流量不可調的氣體節流閥小孔產生壅塞流原理，即氣體經節流閥小孔排氣的質量流量恆定的原理，結合氣、液節流或單作用缸的彈簧預緊力的阻尼特性，以時間量來控制滑動缸位移的氣-液串聯複合驅動系統；本發明人工肌肉的特徵是帶儲氣罐的恆壓源的氣體壓力為pS，與出口壓力為pA的小孔節流閥(1)相連，不可調的小孔節流閥(1)的出口與三位四通閥(5)相通，三位四通閥(5)的一通口與氣體可調節流閥(4)相連，氣體可調節流閥(4)與消聲器(3)相連；三位四通閥(5)另外兩通口中一通口封閉、另一通口與柱塞缸(2)相通，壓力變送器(6)亦與柱塞缸(2)相連、測量柱塞缸(2)氣體腔壓力pB；連接三位四通閥(5)、柱塞缸(2)和壓力變送器(6)的這段氣路儘可能短，未通氣源pS時，柱塞缸(2)的柱塞在最右端，這樣可減少氣體體積；柱塞缸(2)的左端為液體，其液路與液體可調節流閥(8)相連，液體通斷閥(7)與液體可調節流閥(8)並聯；上述元件構成了本發明的氣-液串聯複合驅動系統，以下將簡稱為系統QY。
2.一種氣-液串聯複合驅動系統，採用此複合驅動系統驅動單作用滑動缸的實施例的特徵是系統QY的液體輸出端與單作用滑動缸(9)相連，單作用滑動缸(9)內壓縮彈簧必須預緊，單作用滑動缸(9)出口為氣路，與氣體通斷閥(10)相通。
3.一種氣-液串聯複合驅動系統，採用此複合驅動系統驅動雙作用滑動缸的實施例的特徵是本實施例使用了兩套系統QY，其中一套相同元件的附圖標記增加了小寫字母a，電磁鐵的序號仍為單獨標記，兩套系統QY分別連接雙作用滑動缸(11)的兩端。
全文摘要
本發明涉及一種氣－液串聯複合驅動系統，此複合驅動系統可作為流體驅動的機器人、機械等的低壓、小流量的動力系統，屬於機器人、機械的應用技術領域。本發明複合驅動系統以氣壓源驅動，氣體部分的體積小，系統的主要流動部分為液體，因此可壓縮氣體量小，加上液體的不可壓縮特性，系統剛性好，滑動缸的運動平穩性大大提高，有利於系統的伺服控制；利用氣體節流閥小孔產生壅塞流原理，即氣體經節流閥小孔排氣的質量流量恆定的原理，結合氣、液節流或單作用缸的彈簧預緊力的阻尼特性，建立滑動缸位移、速度的動態方程，動態方程的自變量僅僅是時間量，控制方式簡單，成本低廉。
文檔編號F15B15/00GK1811201SQ20061003776
公開日2006年8月2日 申請日期2006年1月10日 優先權日2006年1月10日
發明者章軍, 須文波, 呂兵 申請人:江南大學