数字液压缸的研究

光着脚丫

数字液压缸的研究

摘     要

电液数字装置是一种直接通过数字控制器发出的数字脉冲信号来完成位置和速度控制的机电液组合产品。数字液压缸本身就是一个机电液一体化的产品，它的研发设计涉及到了计算机、电气、液压、机械以及控制等领域的知识。本论文主要针对其存在的问题进行了分析并加以解决。第一是建立数字液压缸在稳定频率下起动的数学模型，解决了起动频率对该装置性能的影响；第二是采用非对称滑阀控制非对称缸的结构，解决了该装置回环增益不对称的问题。

关键词：数字液压缸，稳定起动频率，仿真

一．    研究现状

1. 国内研究现状

   近几年国内在数字油缸的研制方面取得了较大的进步。北京亿美博公司经过多年努力，研制成功的多种性能先进的数字油缸，数字油缸利用极为巧妙的结构设计，几乎将液压技术的所有功能集于一身，结合专门的智能型控制器，能高精度的完成了液压油缸的方向控制、速度控制和位置控制。它是集计算机技术、微电子技术、传感技术、机械技术和液压技术为一身的高科技产品。它是液压技术的一次飞跃，为液压技术和控制技术带来了崭新的活力。它优良的控制性能超过了传统液压及控制技术，由于它能广泛的应用到国民经济各领域中，因而可以带来一系列的技术进步，并能促进一系列新型主机的产生，是中国用高新技术改造传统产业的有力法宝，必将为整个中国国力的迅速提升做出巨大贡献。

  国内做这方面研究的代表高校是重庆大学，早在十多年前就曾经在数字液压缸方面做过深入的理论与实验研究，积累了数字液压缸方面的理论实践知识。他们最初研发试制的是内驱外部间接反馈式数字液压缸。但由于反馈系统外置，其结构显得比较繁杂且体积较大。因此它的应用受到限制。

2. 国外研究现状

在国外，德国某公司已有获得专利的数字液压缸，有检测活塞杆行程的数字系统，其工作可靠。在缸体内设有带活塞杆的活塞，在活塞杆的中心孔内置回转轴，其上开有螺旋槽，可与固定在活塞上的销相互作用。回转轴的长度等于活塞的行程。当活塞移动一行程长度时，回转轴将转动若干转，并通过蜗杆减速传动装置与计算装置的编码盘相联。编码盘配置在两板之间，其中一板上安装辐射器，另一板上安装发光二极管。编码盘上设有若干孔，当它作微小角位移时可改变发光二极管的数量。减速传动装置可保证编码盘在活塞完成全行程时回转360度。活塞的移动以二进制码输出的数字信息反映。

为检测液压缸的工作，日本某公司在缸体上装有专用传感器，以记录工作液的压力脉动、液压冲击和与此相关的振动。当超出允许振动时，传感器将发出声或光信号。操作者便可改变活塞杆的速度，以消除振动。这种检测系统可提高重载条件下液压缸的可靠性。

美国Vikers公司生产的专家智能数字缸，它的终端执行器——数字伺服缸是许多高新技术产品的组合，其中包括了伺服型液压缸、内置式高精度位置传感器、过滤器、伺服阀、微型计算机控制器等等，由于传感器装在缸内，因而其他的元件只能采用垂直布置，占据了较大空间，而这些复杂的电子元器件不适宜放在环境恶劣的工业现场，使用条件要求苛刻，有一定的调试难度，维护也较麻烦。并且控制仍然采用模拟控制，因而加大了应用难度。新数字缸无任何外置元件和不可靠的电子器件，因而几乎无任何可损坏环节，可以适应恶劣的工作环境，十分安全可靠。并且由于采用全程数字控制，大电流传输，具有十分高的抗干扰能力和抗油污染能力，尤其是配合了专用的傻瓜型数字控制器后，彻底解决了液压技术和控制技术不易大面积推广应用的难题。

二．    研究方法

1.拟采取的研究方法

本课题采用理论分析、数值计算、软件处理和仿真研究相结合的方法。

2.技术路线及拟采取的试验方案

整个技术路线如下所示：

1)了解数字油缸的整体及各部分的结构、运行原理，明确要达到的目的。      

2)进行总体方案的设计，包括步进电机、编码器、滚珠丝杠等核心部件的正确选择。

3)重点研究步进电机的启动频率以及整个装置的数学模型，进行计算机仿真。

三．    存在问题

目前常用的数字液压缸，都是通过利用滚珠丝杠对控制阀芯进行精确的位置控制，利用对活塞的位置做精确的位置反馈，实现高精度的位置控制；通过改变输入脉冲信号的频率，来改变活塞的运行速度。只需要通过控制步进电机就可以实现对油缸的控制，整个装置的结构得到大大的简化。然而，非线性因素的影响以及步进电机启动频率的影响，有待进一步改进和完善。

（1）由于整个装置的核心是一个非对称滑阀控制非对称缸的结构，当油路切换后，所使用的数学模型也不相同。因此整个装置的数学模型是含有两个子模型的分段模型。应用经典线性化的方法很难得到准确的结果，所以要使用状态方程建模，进行仿真。

（2）建立步进电机的数学模型，研究步进电机的启动频率，使其按最佳频率启动。

四．    总结

数字液压油缸是将活塞或缸体的位移量进行数字化，其位移量可通过转换实现数字化，可以直接由下位机(控制器)进行采集，同时也可以将采集信息传给上位机。数字化液压缸可分为驱动式和机械式两类。其中驱动式数字液压油缸分为内驱动式和外驱动式。内驱动式数字采集方法主要采用内置数字化控制单元，液压缸的位移由内部数字化阀来调节,可分为闭环和开环两类。外驱动式数字化采集方法主要采用位移转换液压缸位移量数字化的方法，可采用光电编码器来实现，因此采用数字化液压缸可方便地通过软件的方法来实现设定行程及停留等工作状态，并可预定报警限度。外驱动式数字化液压缸多趋向于小型化或微型化，可作为某系统的智能单元，而内驱动式液压缸多趋向于大型化。数字化缸的应用，部分改变了目前普遍采用的行程开关等限位器件来控制液压缸的位移量的液压控制方式。同样液压缸的数字化也促进了微机的发展与应用。因此随着液压传动的特性与数字化相结合，必将促进液压行业的发展和提高液压系统的可靠性。

能源与动力工程学院  机械电子工程专业  张晶  122080202016