專利名稱：氣－液串聯(lián)復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣-液串聯(lián)復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，此復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以氣壓源驅(qū)動(dòng)，氣體部分的體積小，系統(tǒng)的主要流動(dòng)部分為液體，并利用氣體節(jié)流閥小孔產(chǎn)生壅塞流原理；此復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可作為流體驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人、機(jī)械等的低壓、小流量的動(dòng)力系統(tǒng)，屬于機(jī)器人、機(jī)械的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
本發(fā)明以前，在已有技術(shù)中，對(duì)于復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來說，現(xiàn)有的復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有采用氣-液串聯(lián)和氣-液并聯(lián)復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其不足之處是由于氣體可壓縮性，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性差，伺服系統(tǒng)的定位精度低；或伺服控制系統(tǒng)復(fù)雜，以流體壓力來控制液壓缸/氣缸的位移，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，本發(fā)明采用氣-液串聯(lián)復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，利用流量不可調(diào)的氣體節(jié)流閥小孔產(chǎn)生壅塞流原理，即氣體經(jīng)節(jié)流閥小孔排氣的質(zhì)量流量恒定為基礎(chǔ)，結(jié)合氣、液節(jié)流或單作用缸的彈簧預(yù)緊力的阻尼特性，建立滑動(dòng)缸位移、速度的動(dòng)態(tài)方程，動(dòng)態(tài)方程的自變量?jī)H僅是時(shí)間量，是以時(shí)間量來控制滑動(dòng)缸位移的氣-液串聯(lián)復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
本發(fā)明的主要解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為如附圖1所示，帶儲(chǔ)氣罐的恒壓源的氣體壓力為pS，與出口壓力為pA的小孔節(jié)流閥1相連，不可調(diào)的小孔節(jié)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(diào)節(jié)流閥4相連，氣體可調(diào)節(jié)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(cè)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的這段氣路盡可能短，未通氣源pS時(shí)，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(diào)節(jié)流閥8相連，液體通斷閥7與液體可調(diào)節(jié)流閥8并聯(lián)；上述元件構(gòu)成了本發(fā)明的氣-液串聯(lián)復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以下將簡(jiǎn)稱為系統(tǒng)QY，并在附圖2、3中用虛線框明確。
本發(fā)明復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單作用滑動(dòng)缸的實(shí)施例如附圖2所示，系統(tǒng)QY的液體輸出端與單作用滑動(dòng)缸9相連，單作用滑動(dòng)缸9內(nèi)壓縮彈簧必須預(yù)緊，單作用滑動(dòng)缸9出口為氣路，與氣體通斷閥10相通。
本發(fā)明復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)雙作用滑動(dòng)缸的實(shí)施例如附圖3所示，本實(shí)施例使用了兩套系統(tǒng)QY，其中一套相同元件的附圖標(biāo)記增加了小寫字母a，電磁鐵的序號(hào)仍為單獨(dú)標(biāo)記，兩套系統(tǒng)QY分別連接雙作用滑動(dòng)缸11的兩端。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明采用氣-液串聯(lián)復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，利用流量不可調(diào)的氣體節(jié)流閥小孔產(chǎn)生壅塞流原理，即氣體經(jīng)節(jié)流閥小孔排氣的質(zhì)量流量恒定為基礎(chǔ)，結(jié)合氣、液節(jié)流或單作用缸的彈簧預(yù)緊力的阻尼特性，建立滑動(dòng)缸位移、速度的動(dòng)態(tài)方程，動(dòng)態(tài)方程的自變量?jī)H僅是時(shí)間量，是以時(shí)間量來控制滑動(dòng)缸位移的氣-液串聯(lián)復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制方式簡(jiǎn)單，成本低廉。同時(shí)，此復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以氣壓源驅(qū)動(dòng)，氣路緊湊，氣體部分的體積盡可能小，系統(tǒng)的主要流動(dòng)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(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性大大提高，有利于系統(tǒng)的伺服控制。


圖1為本發(fā)明復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部分的原理2為本發(fā)明復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單作用滑動(dòng)缸的工作原理3為本發(fā)明復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)雙作用滑動(dòng)缸的工作原理圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合本發(fā)明驅(qū)動(dòng)單作用滑動(dòng)缸的實(shí)施例說明工作原理及工作過程如附圖2所示，帶儲(chǔ)氣罐的恒壓源的氣體壓力為pS，經(jīng)與小孔節(jié)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(jīng)液體通斷閥7直接進(jìn)入單作用滑動(dòng)缸9下腔，單作用滑動(dòng)缸9克服彈簧力，從上腔排出氣體，從而其活塞桿向上運(yùn)動(dòng)。連接三位四通閥5、柱塞缸2和壓力變送器6的這段氣路盡可能短，未通氣源pS時(shí)，柱塞缸2的柱塞在最右端，這樣可減少氣體體積?；爻淌侨凰耐ㄩy5的電磁鐵1DT失電、2DT得電，彈簧力使單作用滑動(dòng)缸9的活塞桿向下運(yùn)動(dòng)，柱塞右移，氣體經(jīng)三位四通閥5、氣體可調(diào)節(jié)流閥4排出。分析其動(dòng)態(tài)過程如下柱塞缸右端氣體質(zhì)量(含三位四通閥5出口起的管路部分)由狀態(tài)方程給出MB＝(pB+p0)·VB/RT 1其中R為理想氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度氣體，pB為相對(duì)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(dòng)作時(shí)管路部分的氣體體積。當(dāng)進(jìn)口不可調(diào)節(jié)流閥的孔面積較小時(shí)，充氣過程可假設(shè)為等溫過程。式1兩邊對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)得M·B=1RTddt[(pB+p0)·VB]---2]]>當(dāng)系統(tǒng)恒定氣源壓力pS≥pA/0.528時(shí)，小孔節(jié)流閥1流出質(zhì)量流量是壅塞流，有M·B=kppS·1(t),]]>kp是一常數(shù)，從節(jié)流孔實(shí)驗(yàn)特性曲線求得。進(jìn)口氣路的不可調(diào)節(jié)流閥與三位四通閥安裝緊湊，在通電短暫延時(shí)t0后，閥芯一移動(dòng)，pB即變?yōu)楣?jié)流孔下游壓力pA，故用階躍函數(shù)1(t)表示。將 代入式2，并兩邊積分得kppS·(t-t0)＝{(pB+p0)·VB-p0·V0/RTt≥t0即有t≥t03t≤t0時(shí)未充氣，柱塞右側(cè)壓力為大氣壓p0，體積為V0。單作用滑動(dòng)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(dòng)的動(dòng)態(tài)方程 即 其中F0為彈簧預(yù)緊力，k為彈簧剛性，m活塞、m柱塞分別為活塞、柱塞的質(zhì)量，f活塞、f柱塞分別為活塞、柱塞的粘性摩擦系數(shù)，由式3、4得出s～t的動(dòng)態(tài)微分方程
t≥t05在通電短暫延時(shí)t0后，三位四通閥5的閥芯移動(dòng)，但在tp0-t0內(nèi)，柱塞右側(cè)的管路部分充氣，未克服彈簧預(yù)緊力，因而柱塞等未動(dòng)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(shí)，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，F(xiàn)0＝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+10-3-0.1013×103]-(89+2000s)---7]]>由式6得tp0＝0.11027S，式7采用MatLab軟件的ode45函數(shù)仿真曲線如下。壓力變送器6控制三位四通閥5動(dòng)作，保證滿足pS≥pA/0.528的壅塞條件。

權(quán)利要求
1.一種氣-液串聯(lián)復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在已有技術(shù)中，現(xiàn)有的復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有采用氣-液串聯(lián)和氣-液并聯(lián)復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其不足之處是由于氣體可壓縮性，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性差，伺服系統(tǒng)的定位精度低；或伺服控制系統(tǒng)復(fù)雜，以流體壓力來控制液壓缸/氣缸的位移，成本較高，而本發(fā)明利用流量不可調(diào)的氣體節(jié)流閥小孔產(chǎn)生壅塞流原理，即氣體經(jīng)節(jié)流閥小孔排氣的質(zhì)量流量恒定的原理，結(jié)合氣、液節(jié)流或單作用缸的彈簧預(yù)緊力的阻尼特性，以時(shí)間量來控制滑動(dòng)缸位移的氣-液串聯(lián)復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；本發(fā)明人工肌肉的特征是帶儲(chǔ)氣罐的恒壓源的氣體壓力為pS，與出口壓力為pA的小孔節(jié)流閥(1)相連，不可調(diào)的小孔節(jié)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(diào)節(jié)流閥(4)相連，氣體可調(diào)節(jié)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(cè)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)的這段氣路盡可能短，未通氣源pS時(shí)，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(diào)節(jié)流閥(8)相連，液體通斷閥(7)與液體可調(diào)節(jié)流閥(8)并聯(lián)；上述元件構(gòu)成了本發(fā)明的氣-液串聯(lián)復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以下將簡(jiǎn)稱為系統(tǒng)QY。
2.一種氣-液串聯(lián)復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用此復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單作用滑動(dòng)缸的實(shí)施例的特征是系統(tǒng)QY的液體輸出端與單作用滑動(dòng)缸(9)相連，單作用滑動(dòng)缸(9)內(nèi)壓縮彈簧必須預(yù)緊，單作用滑動(dòng)缸(9)出口為氣路，與氣體通斷閥(10)相通。
3.一種氣-液串聯(lián)復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用此復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)雙作用滑動(dòng)缸的實(shí)施例的特征是本實(shí)施例使用了兩套系統(tǒng)QY，其中一套相同元件的附圖標(biāo)記增加了小寫字母a，電磁鐵的序號(hào)仍為單獨(dú)標(biāo)記，兩套系統(tǒng)QY分別連接雙作用滑動(dòng)缸(11)的兩端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣－液串聯(lián)復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，此復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可作為流體驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人、機(jī)械等的低壓、小流量的動(dòng)力系統(tǒng)，屬于機(jī)器人、機(jī)械的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以氣壓源驅(qū)動(dòng)，氣體部分的體積小，系統(tǒng)的主要流動(dòng)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(tǒng)剛性好，滑動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性大大提高，有利于系統(tǒng)的伺服控制；利用氣體節(jié)流閥小孔產(chǎn)生壅塞流原理，即氣體經(jīng)節(jié)流閥小孔排氣的質(zhì)量流量恒定的原理，結(jié)合氣、液節(jié)流或單作用缸的彈簧預(yù)緊力的阻尼特性，建立滑動(dòng)缸位移、速度的動(dòng)態(tài)方程，動(dòng)態(tài)方程的自變量?jī)H僅是時(shí)間量，控制方式簡(jiǎn)單，成本低廉。
文檔編號(hào)F15B15/00GK1811201SQ20061003776
公開日2006年8月2日 申請(qǐng)日期2006年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月10日
發(fā)明者章軍, 須文波, 呂兵 申請(qǐng)人:江南大學(xué)