本发明属于液电混合驱动系统领域，具体涉及一种液电混合驱动的多自由度平台。
背景技术
多自由度平台是一种可以实现空间内多个自由度运动的机构，近年是各研究机构的研究热点和生产厂商的关注对象，其中六自由度平台最具有代表性。六自由度平台是一种可以实现空间内6个自由度运动的并联机构，能够对各种运动姿态进行模拟，可广泛应用于舰船、飞机、汽车乃至宇航等模拟领域上，具有较大的经济价值及国防战略意义。近年来，随着六自由度平台的驱动技术及控制技术逐渐成熟，已有厂商推出了性能较为优越的中小型六自由度平台。其中一部分六自由度平台使用伺服电机驱动电动缸作为执行元件，通过控制伺服电机旋转角度进行上平台的定位，具有定位精度高，结构紧凑，噪声小无污染等优点。专利号为cn107053144a的一项专利和专利号为cn107553468a的一项专利，使用了电动缸作为六自由度平台的执行元件，但电动缸只适用于轻载场合，不能用于重载场合。当负载剧烈变化时，作为动力源的电动机瞬时功率将远大于其装机功率，使得电动机过载发热，加速电动机绕组老化，降低电动机的使用寿命。为了提高负载能力，解决冲击负载的问题，可通过增加电动机的装机功率来实现。但大功率的电机拥有更大的体积，使用大功率的电动机将使空间布置更加局促，甚至因为没有足够的空间而无法安装。
由于液压系统功率密度更大，作为动力元件的液压泵/马达比电动机拥有更大的功重比，使用液压缸的六自由度平台不仅可以在重载工况下使用，而且能使六自由度平台结构更加紧凑，因此也有一部分使用液压缸作为执行元件的六自由度平台。专利号为cn106609777a的一项专利使用液压泵驱动液压缸，使用伺服阀控制液压缸行程，完成对上平台的定位；但传统的阀控技术存在节流损失，有不必要的能耗。
技术实现要素：
为提高多自由度平台负载能力并增加功重比，本发明旨在提供一种液电混合驱动的多自由度平台。采用电液机械缸或液压机械缸代替传统活塞缸，采用液电混合驱动方式驱动，能有效解决传统多自由度平台无法兼顾重载和小体积的缺点，同时可以吸收六自由度平台的冲击载荷并存储利用。
一种液电混合驱动的多自由度平台，包括上平台(28)、上万向铰(29)、下万向铰(30)、下平台(31)，还包括电液机械缸(10)与液压机械缸(15)中的一种或两种以及第ⅰ液压控制回路(32)，电液机械缸包括第ⅰ变量泵/马达(11)、电动机(12)、第ⅰ传动箱(13)、第ⅰ机械缸(14)，液压机械缸包含第ⅱ变量泵/马达(16)、第ⅱ传动箱(17)、第ⅱ机械缸(18)；上平台与下平台分别通过上万向铰与下万向铰与电液机械缸或液压机械缸连接，电液机械缸与液压机械缸绕上平台交替布置；
第ⅰ液压控制回路：动力源(1)，主液压泵(2)，第ⅰ过滤器(3)，油箱(4)，第ⅰ溢流阀(5)，第ⅰ单向阀(6)，第ⅱ溢流阀(7)，第ⅰ蓄能器(8)，压力传感器(9)，第ⅱ单向阀(19)，第ⅲ单向阀(20)，第ⅱ过滤器(21)，高压管路(22)，低压管路(23)，第ⅱ蓄能器(24)，第ⅲ溢流阀(25)，压力切换阀(26)，动力源1输出轴与主液压泵连接，主液压泵出油口p与第ⅰ溢流阀进油口、第ⅰ单向阀进油口连接；第ⅰ溢流阀出油口与油箱连接；第ⅰ单向阀出油口与第ⅱ溢流阀进油口、第ⅰ蓄能器进油口及高压管路连接；压力传感器检测高压管路的压力；第ⅰ蓄能器与压力切换阀的第ⅰ工作油口c连接，第ⅱ蓄能器与压力切换阀的第ⅱ工作油口d连接，压力切换阀的第ⅲ工作油口e接入高压管路，第ⅲ溢流阀进油口连接至第ⅱ蓄能器的进油口，第ⅲ溢流阀出油口连接油箱；
电液机械缸的第ⅰ变量泵/马达第ⅰ工作口a、液压机械缸包含的第ⅱ变量泵/马达第ⅰ工作口a分别接入高压管路，第ⅰ变量泵/马达第ⅱ工作口b、第ⅱ变量泵/马达第ⅱ工作口b分别接入低压管路；低压管路与第ⅱ单向阀出油口、第ⅲ单向阀进油口连接；第ⅱ单向阀进油口通过第ⅱ过滤器与油箱连接；第ⅲ单向阀出油口与油箱连接。
所述的主液压泵是机械式恒压变量泵，恒功率变量泵，比例恒压泵或电比例变排量泵中的一种。
所述的电液机械缸和液压机械缸使用的第ⅰ传动箱和第ⅱ传动箱是齿轮传动箱或带传动箱。
所述的电液机械缸和液压机械缸使用的第ⅰ机械缸和第ⅱ机械缸是行星滚柱丝杠，滚柱丝杠或梯形丝杠中的任意一种方式传动。
所述电液机械缸的电动机是交流异步电机、开关磁阻电动机、直流电机或伺服电机中的一种。
所述的电液机械缸中，第ⅰ变量泵/马达与电动机直接同轴连接或通过离合器连接。
所述的蓄能器可以是任意数量的蓄能器或蓄能器组。
与现有技术相比，本发明提供的一种新型液电混合驱动的多自由度平台，具有以下优点：
1.本发明创新性地为电动缸的电动机增设了液压马达，或直接将电动机替换为液压马达，克服了电动缸无法承受较大负载的问题，可以使多自由度平台适应于更多的工况。
2.本发明使用的电液机械缸相比于相同功率的电动缸具有更大的功重比，可以有效地缩小使用空间，工作装置更简洁；使用液压机械缸时功重比可以进一步增加，结构更为精简，空间布置更为灵活。
3.本发明使用的电液机械缸或液压机械缸可以有效地代替液压变压器串接液压缸进行工作，在使用泵控技术的前提下克服了液压变压器效率低、控制难、生产厂家少的问题，并且可以使用电动机或变量泵/马达进行多自由度平台的能量回收。
4.本发明使用的电液机械缸可以将超越负载产生的势能直接转换为电能和液压能储存起来，液压机械缸可以通过液压蓄能器储存液压能；电液机械缸和液压机械缸的回收方式避免了能量的多次转换，能量利用率远高于使用液压变压器的能量利用率。
5.本发明使用的电液机械缸与液压机械缸可以灵活运用于各种类型的多自由度平台，如三自由度平台、四自由度平台或六自由度平台。
附图说明
图1为本发明一种液电混合驱动的多自由度平台的示意图；
图2为本发明实施例1的示意图；
图3为本发明电液机械缸的剖面图；
图4为本发明液压机械缸的剖面图；
图5为一种液电混合驱动的多自由度平台的结构图。
图中：1-动力源，2-主液压泵，3-第ⅰ过滤器，4-油箱，5-第ⅰ溢流阀，6-第ⅰ单向阀，7-第ⅱ溢流阀，8-第ⅰ蓄能器，9-压力传感器，10-电液机械缸，11-第ⅰ变量泵/马达，12-电动机，13-第ⅰ传动箱，14-第ⅰ机械缸，15-液压机械缸，16-第ⅱ变量泵/马达，17-第ⅱ传动箱，18-第ⅱ机械缸，19-第ⅱ单向阀，20-第ⅲ单向阀，21-第ⅱ过滤器，22-高压管路，23-低压管路，24-第ⅱ蓄能器，25-第ⅲ溢流阀，26-压力切换阀，28-上平台，29-上万向铰，30-下万向铰，31-下平台，32-第ⅰ液压控制回路，33-第ⅱ液压控制回路。
具体实施方式
以下结合附图介绍本发明详细技术方案：
如图1、图3、图4和图5所示，一种新型液电混合驱动的多自由度平台，包括上平台(28)、上万向铰(29)、下万向铰(30)、下平台(31)，还包括电液机械缸(10)与液压机械缸(15)中的一种或两种以及第ⅰ液压控制回路(32)，电液机械缸包括第ⅰ变量泵/马达(11)、电动机(12)、第ⅰ传动箱(13)、第ⅰ机械缸(14)，液压机械缸包含第ⅱ变量泵/马达(16)、第ⅱ传动箱(17)、第ⅱ机械缸(18)；上平台与下平台分别通过上万向铰与下万向铰与电液机械缸或液压机械缸连接，电液机械缸与液压机械缸绕上平台交替布置；
液压控制回路包括：动力源(1)，主液压泵(2)，第ⅰ过滤器(3)，油箱(4)，第ⅰ溢流阀(5)，第ⅰ单向阀(6)，第ⅱ溢流阀(7)，第ⅰ蓄能器(8)，压力传感器(9)，第ⅱ单向阀(19)，第ⅲ单向阀(20)，第ⅱ过滤器(21)，高压管路(22)，低压管路(23)，第ⅱ蓄能器(24)，第ⅲ溢流阀(25)，压力切换阀(26)，动力源1输出轴与主液压泵连接，主液压泵出油口p与第ⅰ溢流阀进油口、第ⅰ单向阀进油口连接；第ⅰ溢流阀出油口与油箱连接；第ⅰ单向阀出油口与第ⅱ溢流阀进油口、第ⅰ蓄能器进油口及高压管路连接；压力传感器检测高压管路的压力；第ⅰ蓄能器与压力切换阀的第ⅰ工作油口c连接，第ⅱ蓄能器与压力切换阀的第ⅱ工作油口d连接，压力切换阀的第ⅲ工作油口e接入高压管路，第ⅲ溢流阀进油口连接至第ⅱ蓄能器的进油口，第ⅲ溢流阀出油口连接油箱；
电液机械缸的第ⅰ变量泵/马达第ⅰ工作口a、液压机械缸包含的第ⅱ变量泵/马达第ⅰ工作口a分别接入高压管路，第ⅰ变量泵/马达第ⅱ工作口b、第ⅱ变量泵/马达第ⅱ工作口b分别接入低压管路；低压管路与第ⅱ单向阀出油口、第ⅲ单向阀进油口连接；第ⅱ单向阀进油口通过第ⅱ过滤器与油箱连接；第ⅲ单向阀出油口与油箱连接。
所述的主液压泵是机械式恒压变量泵，恒功率变量泵，比例恒压泵或电比例变排量泵中的一种。
所述的电液机械缸和液压机械缸使用的第ⅰ传动箱和第ⅱ传动箱是齿轮传动箱或带传动箱。
所述的电液机械缸和液压机械缸使用的第ⅰ机械缸和第ⅱ机械缸是行星滚柱丝杠，滚柱丝杠或梯形丝杠中的任意一种方式传动。
所述电液机械缸的电动机是交流异步电机、开关磁阻电动机、直流电机或伺服电机中的一种。
所述的电液机械缸中，第ⅰ变量泵/马达与电动机直接同轴连接或通过离合器连接。
所述的蓄能器可以是任意数量的蓄能器或蓄能器组。
实施例1
如图2、图3、图4和图5所示，一种液电混合驱动的六自由度平台，包括三个电液机械缸(10)、三个液压机械缸(15)、六个上万向铰(29)、六个下万向铰(30)、上平台(28)、下平台(31)以及第ⅱ液压控制回路(33)。电液机械缸(10)与液压机械缸(15)分别通过上万向铰铰接至上平台，并分别通过下万向铰铰接至下平台，电液机械缸与液压机械缸绕上平台交替布置。电液机械缸包含第ⅰ变量泵/马达(11)、电动机(12)、第ⅰ传动箱(13)、第ⅰ机械缸(14)；第ⅰ变量泵/马达通过离合器与电动机连接，第ⅰ变量泵/马达或电动机与第ⅰ传动箱输入端连接，第ⅰ传动箱输出端与第ⅰ机械缸输入端连接；液压机械缸包含第ⅱ变量泵/马达(16)、第ⅱ传动箱(17)、第ⅱ机械缸(18)；第ⅱ变量泵/马达与第ⅱ传动箱输入端同轴连接，第ⅱ传动箱输出端与第ⅱ机械缸输入端同轴连接。
第ⅱ液压控制回路包括：动力源(1)，主液压泵(2)，第ⅰ过滤器(3)，油箱(4)，第ⅰ溢流阀(5)，第ⅰ单向阀(6)，第ⅱ溢流阀(7)，第ⅰ蓄能器(8)，压力传感器(9)，第ⅱ单向阀(19)，第ⅲ单向阀(20)，第ⅱ过滤器(21)，高压管路(22)，低压管路(23)，动力源输出轴与主液压泵连接，主液压泵出油口p与第ⅰ溢流阀进油口、第ⅰ单向阀进油口连接；第ⅰ溢流阀出油口与油箱连接；第ⅰ单向阀出油口与第ⅱ溢流阀进油口、第ⅰ蓄能器进油口及高压管路连接；压力传感器检测高压管路的压力；第ⅰ蓄能器与压力切换阀的第ⅰ工作油口c连接；
电液机械缸的第ⅰ变量泵/马达第ⅰ工作口a、液压机械缸包含的第ⅱ变量泵/马达第ⅰ工作口a分别接入高压管路，第ⅰ变量泵/马达第ⅱ工作口b、第ⅱ变量泵/马达第ⅱ工作口b分别接入低压管路；低压管路与第ⅱ单向阀出油口、第ⅲ单向阀进油口连接。
系统的工作原理是:
在六自由度平台开始工作时，动力源带动主液压泵为液压系统提供液压能，第ⅰ单向阀与压力切换阀共同维持高压管路的高压；压力切换阀可通过切换阀位，实现高压管路不同压力等级的切换；压力切换阀切换至左位时，第ⅰ蓄能器连接至高压管路，在维持高压油压力的同时吸收冲击载荷带来的液压冲击；压力切换阀切换至右位时，第ⅱ蓄能器连接至高压管路，可维持另一压力等级的高压油压力，同时吸收另一压力等级的液压冲击。高压油驱动电液机械缸中的第ⅰ变量泵/马达和液压机械缸中的第ⅱ变量泵/马达；在液压机械缸中，第ⅱ变量泵/马达直接作为液压机械缸的动力源提供动能，能量经由第ⅰ传动箱驱动第ⅰ机械缸，第ⅰ机械缸将旋转运动转化为直线运动使得液压机械缸伸长或缩短，实现一个执行机构的运动；在电液机械缸中，离合器可根据系统的不同需求连接或断开；离合器连接时，第ⅰ变量泵/马达将由电动机辅助为第ⅰ机械缸提供动能，经第ⅰ传动箱驱动第ⅰ机械缸将旋转运动转化为直线运动，离合器断开时，第ⅰ变量泵/马达或电动机将单独为第ⅰ机械缸提供动能。三个电液机械缸与三个液压机械缸共同作用实现六自由度平台的功能；各执行器均通过调节变量泵/马达的斜盘摆角来适应负载的转矩、转速的波动，并可在四象限内工作。以液压机械缸为例，在阻抗负载工况下，第ⅱ变量泵/马达处于“液压马达”工况，液压系统驱动第ⅱ变量泵/马达对外输出能量；在超越负载工况下，第ⅱ变量泵/马达处于“液压泵”工况，将由负载驱动第ⅱ变量泵/马达将负载的机械能转化为液压能，并储存在第ⅰ蓄能器或第ⅱ蓄能器中；电液机械缸与液压机械缸不同之处在于：在阻抗负载工况下，将由第ⅰ变量泵/马达与电动机共同输出能量；在超越负载工况下，第ⅰ变量泵/马达与电动机共同回收能量，回收能量形式为液压能与电能。
以上所述仅标明了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并非是对本发明的保护范围的限制，例如六自由度平台使用的电液机械缸与液压机械缸可以任意挑选数量，在空间上可以任意排布；电液机械缸使用的的电动机、第ⅰ变量液压泵/马达与第ⅰ传动箱连接时不分次序；可使用离合器或联轴器等。本发明并不限于六自由度平台，也可以适用于三自由度平台、四自由度平台等其他多自由度平台中。