某機(jī)械臂液壓伺服系統(tǒng)異常原因剖析

楊 華，張中元，王 龍

（山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長治 046012）

0 引言

重型機(jī)械臂憑借可承受大負(fù)載、工作范圍廣、定位精度高的優(yōu)勢，作為大型機(jī)器人的基礎(chǔ)平臺(tái)，在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如大型焊接機(jī)器人、噴涂機(jī)器人等。而液壓伺服系統(tǒng)由于系統(tǒng)體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、控制精度高、穩(wěn)定性易保證［1－3］等優(yōu)點(diǎn)，成為高精度重型機(jī)械臂動(dòng)力分系統(tǒng)的優(yōu)先選擇。

某一重型機(jī)械臂由4個(gè)關(guān)節(jié)組成，由下到上依次為關(guān)節(jié)1～4。其中關(guān)節(jié)1為360°回轉(zhuǎn)；關(guān)節(jié)2～4為伺服伸縮油缸驅(qū)動(dòng)的臂架旋轉(zhuǎn)。伺服控制系統(tǒng)選用力士樂伺服比例閥作為控制元件，運(yùn)動(dòng)控制器和工業(yè)計(jì)算機(jī)作為其上位控制器，該類控制閥預(yù)開口形式為零開口，中位時(shí)A、B、P、T口節(jié)流相通，另外系統(tǒng)選用1個(gè)兩位三通電磁換向閥控制2個(gè)帶外泄油口的液控單向閥作為液壓鎖進(jìn)行系統(tǒng)急停控制，系統(tǒng)額定壓力為21 MPa。某關(guān)節(jié)液壓原理如圖1所示。

圖1 某關(guān)節(jié)液壓原理

該機(jī)械臂存在兩個(gè)異常現(xiàn)象：一是控制系統(tǒng)及伺服比例閥通電后，系統(tǒng)未發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，伺服油缸有時(shí)會(huì)進(jìn)行約20 mm的伸縮動(dòng)作；二是臂架運(yùn)動(dòng)過程中，關(guān)閉液壓鎖會(huì)發(fā)現(xiàn)壓力表顯示值將逐漸升高，最終遠(yuǎn)高于系統(tǒng)額定壓力。

從液壓系統(tǒng)原理、液壓元器件結(jié)構(gòu)組成、系統(tǒng)使用環(huán)境等內(nèi)外因素，分析造成系統(tǒng)異常所有可能因素包括控制信號(hào)干擾、伺服閥零偏或泄漏液壓鎖元器件損壞、油缸自身泄漏、液壓介質(zhì)性質(zhì)改變。

1 異常現(xiàn)象1原因剖析

1.1 控制信號(hào)干擾

該系統(tǒng)是工業(yè)計(jì)算機(jī)控制的數(shù)模混合伺服系統(tǒng)，即采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)，伺服比例閥控制信號(hào)和油缸位移反饋信號(hào)均采用4～20 mA電流信號(hào)，該模擬信號(hào)易受外界干擾，即使操作人員未發(fā)送關(guān)節(jié)動(dòng)作指令，由于信號(hào)干擾，關(guān)節(jié)會(huì)進(jìn)行微動(dòng)。實(shí)際動(dòng)作中，關(guān)節(jié)2、3、4每次異常動(dòng)作相同，具有方向性、重復(fù)性，說明臂架異動(dòng)現(xiàn)象非控制信號(hào)干擾引起。

1.2 伺服比例閥零位偏移或泄漏

由于組成元件的結(jié)構(gòu)尺寸、電磁性能和裝配等因素的影響，伺服閥在中位輸入電流時(shí)，輸出流量并不為0。通常零偏小于5%。同時(shí)，零開口四邊滑閥零位時(shí)自身存在小于0.025 mm或正或負(fù)的微小重疊量，以及徑向間隙。

1.3 液壓鎖損壞

從圖1看出，系統(tǒng)采用電磁換向閥＋帶外泄油口的液控單向閥作為液壓鎖，防止伺服閥零位泄漏無法鎖止關(guān)節(jié)，理論上，油缸兩腔液壓鎖能夠進(jìn)行關(guān)節(jié)任意位置鎖止。認(rèn)真分析液壓原理圖，該種液壓鎖只能單方向鎖止，即無論液壓鎖開關(guān)與否，該液壓鎖均允許系統(tǒng)高壓介質(zhì)進(jìn)入油缸。

控制系統(tǒng)及伺服閥通電后不發(fā)送動(dòng)作指令，伺服油缸即有伸縮動(dòng)作，說明即使液壓鎖關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)中卻有液壓油通過伺服比例閥、液壓鎖進(jìn)入油缸。但實(shí)際發(fā)現(xiàn)，若系統(tǒng)工作停止間斷時(shí)間不長，系統(tǒng)通電后則不會(huì)出現(xiàn)臂架異動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí)，臂架處于舉升姿態(tài)下關(guān)節(jié)鎖止后系統(tǒng)斷電，幾小時(shí)后臂架姿態(tài)不變，說明液壓鎖鎖止功能正常。

1.4 油缸內(nèi)泄

油缸兩腔油液有壓差時(shí)油缸存在內(nèi)泄，即油液會(huì)從高壓腔流入低壓腔。

通過線下測試發(fā)現(xiàn)，油缸內(nèi)泄檢測滿足標(biāo)準(zhǔn)［4－6］GB／T 32216－2015和GB／T 15622－2005油缸泄漏要求不大于0.5 mL／min，低速時(shí)無“爬行”現(xiàn)象［7］。臂架收回時(shí)關(guān)節(jié)2、4有桿腔壓力高于無桿腔，即使油缸滿足標(biāo)準(zhǔn)，油液仍會(huì)從有桿腔流至無桿腔，但壓力始終高于無桿腔。

系統(tǒng)采用非對稱閥控制非對稱缸，理論上伺服比例閥處于零位，由于有桿腔負(fù)載壓力高于無桿腔，從伺服閥流量公式［8］（1）可以看出，流入有桿腔油液應(yīng)少于無桿腔，伺服油缸將進(jìn)行伸出動(dòng)作，與實(shí)際不符。

式中：qL為負(fù)載流量；Cd為流量系數(shù)；w為面積梯度；xS為閥芯位移；pP為閥進(jìn)口壓力；pL為負(fù)載壓力。

1.5 液壓介質(zhì)改變

試驗(yàn)多次發(fā)現(xiàn)臂架動(dòng)作一段時(shí)間后斷電，間隔較短時(shí)間系統(tǒng)重新給壓后，臂架無異動(dòng)，但間隔時(shí)間較長后，臂架就會(huì)出現(xiàn)異動(dòng)想象。臂架安裝在室外，臂架長時(shí)間不動(dòng)作導(dǎo)致液壓介質(zhì)溫度、壓力改變，介質(zhì)溫度改變導(dǎo)致介質(zhì)密度或體積改變。

液壓介質(zhì)的密度或體積隨溫度變化而變化，查閱資料可得［9］：

式中：ρ、ρ0分別為溫度為t、t0時(shí)的液體密度；β為密度與溫度關(guān)系系數(shù)。

L－HM32液壓油20℃時(shí)密度為850 kg／m3，資料顯β＝699 kg·（m3·℃）－3，假設(shè)該介質(zhì)由50℃冷卻到20℃，則：

介質(zhì)冷卻后，密度增大2.4%，體積減小2.4%，油缸內(nèi)部介質(zhì)空隙處由介質(zhì)中游離出的空氣填充［10］。假設(shè)油缸行程1 000 mm，則油缸內(nèi)腔有24 mm處由氣體填充。

臂架全收時(shí)，關(guān)節(jié)2、4處油缸處于全伸受拉狀態(tài)（油缸不允許接觸缸蓋，預(yù)留約10 mm），而關(guān)節(jié)3恰好相反，處于全收受壓狀態(tài)。臂架開始工作時(shí)，關(guān)節(jié)2、4液壓介質(zhì)幾乎全部存在于無桿腔，油液介質(zhì)熱膨脹性導(dǎo)致該腔壓力為0甚至低于空氣壓力，致使油缸收縮動(dòng)作存在可能，而關(guān)節(jié)3油缸存在伸出可能。

臂架收回時(shí)，停放一段時(shí)間，液壓介質(zhì)物理性質(zhì)改變，伺服油缸存儲(chǔ)液壓介質(zhì)的一腔壓力為0甚至低于空氣壓力，系統(tǒng)通電后，即使伺服比例閥處于中位、液壓鎖關(guān)閉，高壓介質(zhì)仍會(huì)進(jìn)入伺服油缸某一腔。當(dāng)油液進(jìn)入伺服油缸無油腔后，壓縮油缸另一腔空氣或油液混合氣，油缸進(jìn)行伸縮動(dòng)作，動(dòng)作范圍取決于液壓介質(zhì)物理性質(zhì)改變的大小；若油液進(jìn)入伺服油缸有油腔后，由于油缸另一腔無壓縮空間，則油缸無伸縮動(dòng)作。

綜上分析，伺服比例閥零偏或泄漏、液壓鎖的單向鎖止是異常現(xiàn)象1存在的內(nèi)在因素，而外在環(huán)境導(dǎo)致油液介質(zhì)的熱膨脹性，則是異常現(xiàn)象的外在因素，內(nèi)外因素共同作用，導(dǎo)致臂架異動(dòng)。

2 異常現(xiàn)象2原因分析

結(jié)合異常現(xiàn)象1原因分析不難得知，液壓鎖關(guān)閉時(shí)，由于伺服比例閥零偏或泄漏，中位時(shí)存仍有高壓介質(zhì)進(jìn)入油缸。由式（4）可知，當(dāng)油液恰好進(jìn)入油缸另一腔時(shí)，P2將逐漸升高，最終在負(fù)載和P2S2作用下，P1將升高，甚至?xí)哂谙到y(tǒng)額定壓力。

式中：F負(fù)為負(fù)載；P1、S1分別為油缸一腔壓力、面積；P2、S2分別為油缸另一腔壓力、面積。

3 改進(jìn)措施

為降低或消除介質(zhì)熱膨脹性對系統(tǒng)的影響，除選擇熱膨脹率小的介質(zhì)、液壓系統(tǒng)增加加熱／冷卻措施保證系統(tǒng)恒溫外，系統(tǒng)使用時(shí)還應(yīng)注意下列情況：

（1）禁止介質(zhì)溫度不穩(wěn)定時(shí)刻作為系統(tǒng)工作狀態(tài)；

（2）長時(shí)間停放后重新啟動(dòng)時(shí)應(yīng)注意液壓介質(zhì)熱膨脹性的影響，避免臂架異動(dòng)引起事故；

（3）改進(jìn)完善系統(tǒng)原理，在P口前端增加單向閥，如圖2所示，或在油缸與液壓鎖之間增加安全閥，防止油缸壓力超高造成危險(xiǎn)。

圖2 改進(jìn)后某關(guān)節(jié)液壓原理

4 結(jié)束語

本文通過對機(jī)械臂伺服液壓系統(tǒng)選用元件結(jié)構(gòu)分析、系統(tǒng)原理梳理、使用環(huán)境變化等內(nèi)外因素進(jìn)行逐一分析，指出臂架異常動(dòng)作是伺服比例閥零偏、零位泄漏、液壓鎖的單向截止系統(tǒng)原理不合理和外部環(huán)境導(dǎo)致液壓介質(zhì)物理性質(zhì)改變共同作用的結(jié)果，針對該異常現(xiàn)象提出伺服比例閥前端增加單向閥、系統(tǒng)增加加熱／冷卻措施、選用熱膨脹性小的介質(zhì)等完善系統(tǒng)，使用中避免選擇介質(zhì)溫度不穩(wěn)定時(shí)刻作為臂架工作狀態(tài)等措施，提高臂架運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。