一种基于双占空柱塞气液缸驱动的运动平台及控制方法与流程

本发明涉及运动平台控制领域，具体涉及一种基于双占空柱塞气液缸驱动的运动平台及控制方法。

背景技术：

随着科技的发展，精密定位和位移技术在国防工业、微电子工程、航空航天和生物工程等领域都起着不可替代的作用。它直接影响了整个机械行业的技术发展，决定了机械加工精度和产品的质量性能，进而影响到设备的可靠性与稳定性。大量光学仪器对高精度的位移平台有很高的要求以外，工作环境的这类位移机构也提出了更高的要求，比如润滑条件、安装空间和振动等；在光电跟踪器材中，也对位移平台提出了很高：要求调节灵敏度高，响应速度快。

目前直线位移平台的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动、电气驱动和新型驱动装置等。气动驱动的有点事节能、无污染、高速高效和易于控制的特点，液压驱动具有较大的功率重量比、结构简单紧凑、刚性好、可实现任意位置的开停、能在很大调整范围内实现无极调速等优点。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明提供一种基于双占空柱塞气液缸驱动的运动平台及控制方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于双占空柱塞气液缸驱动的运动平台，包括移动平台部分、气缸部分、检测部分及控制部分；

所述移动平台部分，包括静平台，所述静平台上平行安装两个导轨，所述导轨上设置滑块，滑块上安装运动平台，运动平台随着导轨进行直线前后移动，运动平台通过连接件与两端的侧板连接，构成一个移动平台；

所述气缸部分，包括两个平行安装的气液缸，所述两个气液缸的活塞杆末端分别连接气液缸万向节，两个气液缸万向节分别连接运动平台两端的侧板，两个气液缸活塞杆伸出的方向平行，且伸出的方向相反；

所述检测部分，包括用于测量运动平台位移的直线位移传感器，所述直线位移传感器安装在静平台上，所述直线位移传感器的伸杆末端连接直线位移传感器万向节，所述直线位移传感器万向节与其中一个侧板连接，所述直线位移传感器的伸杆的伸出量与气液缸的活塞杆伸出量相同，直线位移传感器检测的运动平台的位移信息经过A/D转换卡输入到工控计算机中得到相应控制信息；

所述控制部分，包括气动控制回路及液体控制回路，所述气动控制回路包括D/A转换卡、I/O输出卡、气动比例阀、气泵、减压阀、气动三联件及两位五通换向阀构成；

所述液体控制回路与两个气液缸的油缸连接，包括用于实现油路切换的两个油路开关阀及节流阀；

所述气泵输出高压气体经过气动三联件后，分别经过减压阀得到气源，所述计算机得到相应控制信息后发送到D/A转换卡及I/O输出卡，通过D/A转换卡控制气动比例阀，I/O输出卡控制油控开关阀及两位五通换向阀，进一步控制气源流量；控制后的气源流量通过两位五通换向阀控制两个气液缸活塞杆的运动方向。

所述液体控制回路包括补油杯。

所述气源包括驱动气源Ps1、驱动气源Ps2及背压气源Ps0，所述驱动气源Ps1及驱动气源Ps2连接两位五通换向阀的两个端口，所说背压气源Ps0经过单向阀后连接两位五通换向阀的一个端口。

两个导轨通过支撑座平行安装在静平台上，所述支撑座为梯形结构，每根导轨上设置两个滑块。

两个气液缸的活塞杆的变化量相同，所述气液缸的缸体前面用前脚座固定，后面用后脚座固定。

所述气液缸为占空柱塞气液缸，其气缸部分采用活塞杆，液缸部分采用柱塞杆。

一种基于双占空柱塞气液缸驱动的运动平台的控制方法，包括如下步骤：

第一步根据运动平台在工作空间运行的轨迹和姿态，得到两个气液缸活塞杆应运行的轨迹及运动状态；

第二步将直线位移传感器检测的气液缸活塞杆位移信号，经过通道A/D转换卡输入到工控计算机，并与规划得到的气液缸运动轨迹进行求取偏差经过处理后得到反馈控制信号；

第三步将得到的反馈控制信号经过I/O输出卡和D/A转换卡输出相应的开关控制量输出到相应的开关阀和气动比例控制阀，控制气液缸活塞杆的输出动作，从而实现运动平台的期望运动要求；

第四步如果对运动平台进行定位控制，根据运动平台需要的运动指定位置，通过气液控制回路控制使得气液缸活塞杆运动使得平台到达指定位置，从而达到工作平台的定位控制要求，通过气液缸的控制使平台的控制精度更高。

本发明的有益效果：

(1)气体具有较好的压缩性，系统具有良好的柔性，系统的结构简单，两个气液缸的油腔相同，油液互补，减去了一般的气液缸控制线路中的气液转换器的使用，大大简化系统，节省成本；

(2)两气液缸双向气动快速运动，双向切换油节流，油开关阀打开，快速运动，油关阀，则节流，速度减慢，采用油开关阀串联节流阀还可以有效调节节流阀；

(3)只使用一个气动控制回路，即可控制两个气动占空柱塞气液缸的运动

(4)两个气液缸同时驱动，增加了平台的驱动力，使得响应速度更迅速

(5)气液缸的使用引入高刚度，大粘度的油的介质到气动回路中，使得结构运动更加平稳，速度更均匀，更容易控制，定位精度更高；

(6)气缸气液联动回路，采用气动比例阀进行伺服控制，气液联动回路结构简单，成本低廉，可靠性高，控制精度高；

(7)采用气液联动控制回路，使之系统具有结构简单、效率高、无污染的优点。

附图说明

图1a是本发明的双占空柱塞式气液缸驱动直线运动平台装置总体装配图；

图1b是隐藏显示运动平台部分的结构示意图；

图1c是隐藏显示运动平台的运动平台的俯视图；

图2是本发明的双占空柱塞式气液缸驱动直线运动平台隐藏显示运动平台部分示意图；

图3是运动平台、侧板及平台连接件的结构示意图；

图4是气液缸、前脚座、后脚座及气液缸万向节的装配示意图；

图5是气液缸的结构示意图；

图6是控制部分的结构示意图；

图7是导轨支撑座、导轨和滑块的装配图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1a-图1c、图2、图3及图4所示，一种基于双占空柱塞气液缸驱动的运动平台，包括移动平台部分、气缸部分、检测部分及控制部分；

如图7所示，所述移动平台部分，包括静平台，静平台设置两个相互平行的导轨支撑座8，导轨支撑座8承托起整个移动平台的重量，导轨支撑座上安装导轨9，两导轨平行安装，安装时须保证一定平行度，以减少摩擦；每个导轨9上的有两个滑块10，两个滑块10之间间隔一定距离，保证运动平台11运动时，滑块不会移出导轨行程，滑块在导轨上直线移动，滑块上方安装运动平台，运动平台和滑块通过螺钉固定安装，能够使平台直线前后移动，两个侧板12位于运动平台11的两端，并通过平台连接件13固定构成一个移动平台。侧板一共有两个，具体安装在运动平台的两端，通过四个平台连接件13连接，考虑移动平台和侧板之间的受力关系，选用四个螺钉紧固的平台连接件。

所述气缸部分，包括两个平行安装的气液缸1、14，本发明气液缸选用占空柱塞式气液缸，所述气液缸的活塞杆末端分别连接气液缸万向节4，移动平台的两个侧板分别通过气液缸万向节4连接两个气液缸的活塞杆，两个气液缸活塞杆伸出的方向平行，且伸出的方向相反，这样通过气液缸运动控制推动侧板的运动；侧板与运动平台用连接件连接，相对固定，侧板运动时运动平台也跟随运动设其中一个气液缸伸出活塞杆的方向为正向，当该气液缸正向运动时，另一气缸活塞杆回收，同时驱动平台正向运动，反之亦然。

所述检测部分，包括用于测量运动平台位移的直线位移传感器5，所述直线位移传感器5通过固定架6固定在静平台上，所述直线位移传感器5的伸杆末端连接直线位移传感器万向节7，所述直线位移传感器万向节7与其中一个侧板12固定，所述直线位移传感器的伸杆的伸出量与气液缸的活塞杆伸出量相同，用于测量侧板的移动，即测量运动平台的位移，直线位移传感器万向节7和上述的气液缸万向节4能够消除安装误差，减小摩擦力；直线位移传感器检测的运动平台的位移信息经过A/D转换卡输入到工控计算机中得到相应控制信息，经过I/O控制卡输出开关量到相应的油控开关阀及换向阀和经过D/A转换卡输出到气动比例阀20，控制气液缸的运动，从而控制动平台的运动。

如图6所示，所述控制部分，两个气液缸共用一套气液控制回路包括气动控制回路及液体控制回路，所述气动控制回路包括D/A转换卡、I/O输出卡、气动比例阀20、气泵15、减压阀17、气动三联件16及两位五通换向阀19构成。

所述气泵15输出高压气体经过气动三联件16后，分别经过减压阀17得到气源，所述计算机得到相应控制信息后发送到D/A转换卡控制气动比例阀，进一步控制气源流量；控制后的气源流量通过两位五通换向阀控制两个气液缸活塞杆的运动方向；

所述液体控制回路与两个气液缸的油缸连接，包括用于实现油路切换的两个油路开关阀22、23及节流阀21。

导轨支撑座8一共两个，两个支撑座撑起整个移动平台的重量，支撑座用梯形结构上大下小，能够增加支撑座的稳定性，支撑座上安装960mm的直线导轨9，每根导轨上安装两个滑块10，一共四个滑块10与运动平台11固定，设计支撑座一定高度使得上平台与气液缸高度上留有一定的安全空隙。

气液缸万向节和直线位移传感器万向节的选型都有相应直径的尺寸，直线位移传感器万向节则采用KPC直线位移传感器中配套的万向节，气液缸的万向节可采用浙江神宝气动设备有限公司的气缸摆动万向浮动接头，根据本实例中的气液缸活塞缸尺寸20mm，应选用M20*1.5的气缸摆动万向浮动接头。

本实施例中两个200mm气液缸，两个气液缸的作用可以互换，两个气液缸的气路是并联的但方向不同，一个气液缸的活塞伸长，另一个气液缸的活塞缩短，两个气液缸活塞杆同时驱动负责将驱动力传递到运动平台位移做功上，两个气液缸1平行反向安装，缸体前面用前脚座2固定，后用后脚座3固定，两个脚座的尺寸是根据气液缸1设计，两脚座的安装使得气液缸能够严格水平放置，两个气缸之间相距气液缸1(两个)选型为直径63mm，该气液缸为占空柱塞形式气液缸，气缸部分采用活塞杆，液缸部分采用柱塞杆，伸出杆长200mm

两个气液缸用同一套气液联动通路；气源Ps1、Ps2为驱动气源，气源Ps0为背压气源，它们给气液缸提供能量产生运动，此处气源用的是具有稳定气压的清洁气体，三个气源是气泵输出的高压气体经过气动三联件后，分别经过三个减压阀后得到相应气压的气源，气压根据实际控制设定参数。

气源Ps1、Ps2为驱动气源，气源Ps0为背压气源，三个气源是气泵15产生的高压气体经过气动三联件16后经过三个减压阀17后，气源Ps1、Ps2为驱动气源连接气动两位五通换向阀19的两个端口，其中背压气源Ps0经过一个单向阀18后连接两位五通换向阀19的一两个端口。

两位五通换向阀19用来控制气液缸活塞杆的运动方向，即运动平台的运动方向；

油路控制阀包括节流阀21、两个油路开关阀22、23，油路开关阀23实现油路的切换，它的作用是使得气液缸中油腔通过占空柱塞排除的油液通过节流阀排入到另一个气液缸中，增加系统的阻尼和节流调速；油路开关阀22用来控制节流油路的通断，也可以调节节流阀21通流截面积，调节阻尼大小，当油路开关阀22关闭时，节流油路切断，整个气液缸的活塞实现定位。补油杯24用来给油路补油，当油腔油路泄漏时及时补充油液保证气液缸正常工作，补油杯24串联一个单向阀使得外界油液只进不出，单向阀用在油路中控制补油通路的通断，当气液缸长期不工作时，可以断开通路，避免浪费；两个油腔之间的油路通路相互流通的实现靠的是气液缸的反向设计，当一个气液缸伸长活塞杆时，油液被压出，而另一个气液缸缩短吸回油液，由于两活塞杆的变化量相等，因此两油腔的总油量保持稳定的一个数值，油液通路是气液驱动的关键；考虑到油路和密封件等的油液泄漏故增加一个补油杯24。

油路开关阀22、23的控制可以使得油缸中的油停止或者缓慢移动，发挥油液的阻尼效果，油路开关阀23用来实现油路的切换，选择加不加入油的节流作用，油路开关阀22用来控制油路的通断，同时也可以调节油路的开口，调节阻尼大小；活塞快进时，油路开关阀22、23通电，不加入油的节流作用，活塞工进时，油路开关阀23断电，油路开关阀22通电，加入油的节流作用。

如图5所示，1-1，1-6和1-10分别为气液缸的左端盖，中间透盖，右端透端盖；1-2和1-8为气液缸的气缸的两个气腔缸筒和一个油腔缸筒；1-3为活塞；1-5为占空柱塞杆；1-9位油腔的排气孔(排出油腔的空气后，通过螺钉和密封圈密封)；1-4，1-7和1-11分别为左、中、右三个端盖或透盖的密封圈。

一种基于双占空柱塞气液缸驱动的运动平台的控制方法，包括

第一步根据运动平台在工作空间运行的轨迹和姿态，得到两个气液缸活塞杆应运行的轨迹及运动状态；

第二步将直线位移传感器检测的气液缸活塞杆位移信号，经过通道A/D转换卡输入到工控计算机，并与规划得到的气液缸运动轨迹进行求取偏差经过处理后得到反馈控制信号；

第三步将得到的反馈控制信号经过I/O输出卡和D/A转换器输出相应的开关控制量输出到相应的开关阀和气动比例控制阀，控制气液缸活塞杆的输出动作，从而实现动平台的期望运动要求；

第四步如果对运动平台进行定位控制，根据运动平台需要的运动指定位置，通过气液控制回路控制使得气液缸活塞杆运动使得平台到达指定位置，从而达到工作平台的定位控制要求，通过气液缸的控制使平台的控制精度更高。

本实例中选择的气动三联件16由空气过滤器(型号：AF30-03)、减压阀(型号：AR25-03)和油雾分离器(型号：AFM30-03)通过2个隔板(型号：Y300T)组装在一起，并带有压力表(型号：G36-10-01)一个，由日本SMC气液联动公司生产；气泵15由上海捷豹压缩机制造有限公司生产的型号为FB-0.017/7的静音空气压缩机；单向阀18可选用日本SMC气动公司生产的AK2000型气动单向阀；

两位五通换向阀19可选日本SMC气动公司生产的型号为VK3120的换向阀；气动比例阀20可选由日本SMC气动公司生产，型号：ITV2050-212L；油路开关阀22、23及节流阀21集成在一起组成气－液单元，气－液单元是将气液转换器与阀单元紧凑地一体化，日本SMC气动公司生产的型号为CC63-200S115G气－液转换单元中的三个阀；补油杯24可选用马克斯迈/MXM的MXM-Y200，能够实现自动补油；三个气源Ps1、Ps2和Ps0由气压减压阀实现，可选用日本SMC气动公司生产的AR2000-02型气动减压阀，并带有一个压力表(型号：G36-10-01)。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。