闭环控制数字液压缸的结构及工作原理

闭环控制数字液压缸的结构及工作原理
图4-41是一种闭环控制数字液压缸的结构原理图。

步进电动机1接到脉冲信号，其输出轴旋转一定的角度，旋转运动通过花键2、万向联轴器3、阀芯4传递给外螺纹5，外螺纹5和沉入缸外转轴7右端的内螺纹相互配合，内螺纹位置固定，在旋转作用下外螺纹带动阀芯发生轴向的移动。

数字液压缸采用负开口三位四通阀控制流量，阀口存在一定的死区，开始的几个脉冲产生的一小段位移并不能将P口处的高压油与A口或B口接通。

死区过后，步进电动机再旋转一定角度，在旋转作用下阀芯又发生一定的轴向位移。

如果阀芯向左移动，P口和A口连通，B口和T口连通，P口处的高压油通过A口流入液压缸的后腔。

后腔增压，空心活塞杆15向左运动，前腔的油经过B口、T口流回油箱。

空心活塞杆向左移动时，带动固定在空心活塞杆上的丝杠螺母14向左运动，滚珠丝杠13在轴向上不移动，丝杠与步进电动机旋向相反，带动缸内转盘11旋转。

后缸盖9两边的磁铁10相互吸引，使得缸外转盘8和缸内转盘11同时旋转相同的角度。

反向旋转运动通过这个机构被准确地传递到液压缸外。

缸外转轴7和缸外转盘8是一
个整体，缸外转轴7和编码器6通过平键连接，沉入缸外转轴7右端的内螺纹和外螺纹5配合。

缸外转轴7反向旋转，外螺纹5向右移动，阀口关闭，一个步进过程结束。

控制流程如图4-42所示。

滚珠丝杠旋转的角度被平键连接于缸外转轴7上的编码器6检测到，此旋转角度和空心活塞杆15的位移对应，此信号传给以单片机为核心的控制系统，控制系统根据运行位移和速度要求，对步进电动机进行闭环控制。

阀芯的两端使用万向联轴器连接，不限制径向的小位移，防止阀芯被拉伤，同时保证轴向运动、旋转运动的双向传递。

数字液压缸在向前运动的同时不断关闭阀口，形成一个伺服控制系统。

和开环控制数字液压缸相比，该闭环控制数字液压缸的创新之处有以下两点。

第一，采用了光电编码器反馈的闭环控制系统，能对系统温度、压力负载、内泄及死区等因素的影响进行补偿，并进一步提高了控制精度。

当油液温度升高时，黏度降低，流动速度加快，在阀的开口大小一定的情况下，即步进电动机接收到的控制脉冲速度一定的情况下，液压缸的运动速度加快；使用闭环控制系统，可以设定一个速度值，如果使用光电编码器检测到的液压缸速度大于此速度，就减小对步进电动机的脉冲发送速度，如果使用光电编码器检测到的液压缸速度小于设定速度，就增加对步进电动机的脉冲发送速度，这样始终可以使数字液压缸的运动速度保持在设定值。

当压力负载增大时，缸体内外的油液压力差减小，油液的流动速度减小，再加上油液所受的压力增大，液体体积被压缩，这两个因素都会造成
液压缸的运动速度降低。

这种误差可以通过在闭环控制系统中增大对步进电动机脉冲的发送速度来消除。

同样，如果出现内泄现象，在发送脉冲速度一定，即阀的开口大小一定的情况下，液压缸的运动速度也会降低，这种误差也可以在闭环控制系统中被灵活的补偿。

在开环控制数字液压缸中，步进电动机和滚珠丝杠之间部分的传动误差会对位移产生影响，三位四通控制阀的死区也会对开环控制数字液压缸的位移产生影响，若采用闭环控制系统就可以消除这些影响，这样，可以适当降低步进电动机和滚珠丝杠之间的各传动结构的精度，从而降低该部分的加工成本。

第二，通过使用磁耦合机构，既回避了旋转密封，同时又保证了旋转运动从缸体内部到缸体外部的准确传递。

磁耦合机构是指后缸盖两边内嵌磁铁的两个圆盘，它们在轴承的支撑作用和磁铁的吸引作用下，可以同时转动相同的角度。

无需透过后缸盖伸出杆件就可以将旋转运动传递出来。

对于精度要求不太高，传递转矩不太大的情况，这种结构完全可以满足使用要求。

当传递大动力或要求运动精度较高时，必须从后缸盖伸出杆件，将缸内的旋转运动传递出来，这就需要使用旋转密封圈进行良好密封，当然其价格就比较昂贵。

数字液压缸的典型结构
根据液压伺服机构的不同，数字液压缸有滑阀伺服机构和螺纹伺服机构两种。

(1)滑阀伺服机构图6-30~图6-32均为滑阀伺服机构。

其中，图6-31是日本东京计器公司的数字缸，与图6—30相比，增设了一个平衡活塞4，其作用是防止空心活塞杆内腔的压力向右推螺杆，且将编码器装在缸头，使整体结构紧凑；图6-32是瑞士SIG 公司的LV系列数字缸，它用四通阀控制单杆液压缸，其最大工作压力达30MPa，标准缸径为40~200mm，最大行程为1200mm。

(2)螺纹伺服机构图6-33是德国力士乐公司的数字液压缸，它的伺服阀芯采用的
是特殊结构，将阀芯台肩做成螺纹状，轴向固定不动。

这种螺纹伺服机构，是由图6-34a 所示的机，液伺服机构演变而来的，所不同的是螺纹伺服机构的阀芯是旋转的，因而采用螺纹阀芯，而一般阀芯是直线运动的，因而采用滑阀。

螺纹伺服机构的工作原理是：当螺杆阀芯随着步进电动机旋转，阀口3打开时，从缸体进入活塞杆腔的油液从阀口3、螺纹槽6进入活塞腔，活塞右移直至阀口3关闭，从而使活塞向右移动一位移。

步进电动机反转时，阀口3关闭而阀口7打开，活塞腔
内的油液经螺纹槽6、阀口7、活塞杆排回油箱，活塞腔内压力降低，活塞向左随动，直至阀口7关闭为止。

实质是当阀芯随着步进电动机旋转时，p。

顺着螺纹槽与供油腔，或回油腔相通，压力油驱动活塞向右或向左运动。

活塞运动的同时，带动阀口与阀芯做相对运动，关闭阀口，实现反馈。

比较图6-34b和图6-33不难看出，螺纹伺服机构实质上就是三通阀控制差动缸的机一液伺服机构。

但精度是靠螺杆的精度来保证，因此螺纹的加工精度要求非常高。

此外，螺杆的径向液压作用力不平衡，还需从液压缸活塞杆前端接回油管，因此螺纹伺服机构不理想，而滑阀伺服机构应用较广。

数字液压缸的组成及工作原理
核心提示：三通阀控缸式数字液压缸的结构原理图，它由步进电动机和液压放大器两部分组成。

步进电动机和液压力放大器之间，加设了减速齿轮
图6-30是三通阀控缸式数字液压缸的结构原理图，它由步进电动机和液压放大器两部分组成。

步进电动机和液压力放大器之间，加设了减速齿轮。

液压力放大器是一个直接反馈式液压伺服机构，由控制阀、活塞缸和螺杆螺母反馈机构组成。

在指令输入脉冲作用下步进电动机的转动通过减速齿轮6减速后，作用于三通阀芯5，使之转动。

阀芯与螺杆4为一体，螺母3固联在活塞2上，此时活塞及反馈螺母不动，因此螺杆·螺母副的相对运动使阀芯产生向右的轴向位移，打开阀口。

数字液压缸的执行机构一般采用差动液压缸，其有杆腔作用着供油压力ps，无杆腔油压pc受三通滑阀式伺服阀控制。

当阀芯右移时，滑阀控制边a工作，pc与供油腔的阀口开大，液压油进入缸的右腔，由于Ac（活塞无杆腔面积）面积大于Ar（活塞有杆腔面积）（典型的差动缸此面积比Ar：Ac：1：2），pc>2/1ps，活塞向左移动，带动活塞杆外伸，在活塞向左移动的同时，同活塞联成一体的反馈螺母带动阀芯左移，减小阀开口，实现了直接位置负反馈，阀口关小，开口量又恢复到初始状态。

输入连续脉冲，则步进电动
机连续旋转，活塞杆便随着外伸。

若输入负脉冲时步进电动机反转，则阀芯左移,滑阀控制棱边6工作。

pc腔与回油腔的阀口开启，活塞向右运动，活塞杆便向内缩。

螺杆为空心结构，以便将沿螺纹泄漏到活塞杆内腔的油引回油箱。

对于活塞面积比Ar：Ac=1：2的典型差动液压缸来说，空载下稳态时pc=2/1ps，则活塞处于平衡状态。

而活塞杆外伸运动时，伺服阀的滑阀控制棱边a为工作边。

活塞杆内缩运动时，棱边6为工作边，为使相同的脉冲频率下，活塞杆的伸缩速度相等，应使稳态下的Pc=2/1ps,以保证外伸或内缩时，阀口a或b上的压降相等，这时，如果活塞杆上始终存在着外负载力FL，为使稳态时pc=2/1ps,,则应取.
一种新型数字伺服液压缸的设计与建模摘要:介绍了一种新型数字式伺服液压缸的结构、工作原理及其控制系统。

通过对其建立线性模型,并分析了静态刚度,稳定性等说明其相对于传统步进液压缸具有结构上的先进性、合理性和实用性。

数字伺服步进液压缸(简称数字缸)是一种典型的电液一体化控制元件,传统的数字缸由步进电机、液压滑阀、伺服液压缸和机械反馈机构等构成[1],步进电机通过弹性联轴节带动伺服阀阀芯转动,阀芯端部的螺纹在反馈螺母中转动,使阀芯产生轴向移动,阀口打开,压力油经伺服阀到液压缸使活塞移动,活塞的移动通过其内部的滚珠丝杠转化为反馈螺母的旋转运动,从而使阀芯回复原来位置。

一定的脉冲数相应于一定的活塞位移。

步进电机转向不同,则活塞移动方向相反。

这种数控步进缸结构复杂,滚珠丝杠成本高、伺服阀精度要求高,存在离散步进、响应速度慢、精度低、抗污染性差、价格贵、不能广泛应用于民用工业等缺点。

本文提出的数字伺服液压缸,采用双自由度原理设计,利用一种伺服螺旋机构,构成新的数字缸,它的结构工艺性好,转角小,能连续控制,并具有响应快、速度稳定性好和精度高等优点。

笔者从该数字缸的结构出发,建立了数字缸的数学模型,分析了其动静态特性及稳定性。

1工作原理与结构特点
1.1工作原理
数字伺服液压缸的结构如图1所示。

高压油Ps经可调节流阀(或调速阀)至控制活塞杆底部的工作腔PC,与活塞杆中心的回油孔相通,回油孔通流面积很大,小孔内压强可近似为零,油液从活塞杆上开设的两个轴对称小孔通过油缸内壁上开设三角形螺旋通油槽与低压回油腔(Pa=0)相通,该槽的一边与弓形回油孔构成可变弓形节流口,即活塞的转动改变了低压孔和螺旋槽之间的弓形节流面积,从而控制工作腔内的压力。

工作腔始终与高压流体相通,高压油的流量调节方便,可适应实际需要。

当控制信号输入,步进电机通过齿轮传动使活塞转动,此时弓形节流口面积关小,则油液流向工作腔,下腔内的压力增大,打破了原来的平衡关系,活塞向上移动,这样又逐渐使节流口面积增大,直到恢复为原来的值,工作腔内的压力亦减小至原平衡值、与高压腔和外载荷的向下推力相等,活塞重新达到一种平衡关系。

反之亦然。

这样步进电机输入一定转角,活塞就产生相应的位移。

1.2结构特点
该数字伺服液压缸的结构特点如下:
1)不但可由压差调节,而且可由改变节流口面积来调节,调节方便,能适应实际需要。

2)高压腔至工作腔(C腔)只经过一级节流,压差损失比较小,效率较高(图2)。

3)所有节流机构均为薄壁小孔,流量不受油温影响,速度稳定性较好。

4)螺旋三角槽开在活塞杆孔内,加工工艺虽有一定难度,但三角螺旋槽不起节流作用,只作通流作用,槽的截面尺寸精度要求不高,只要保证有足够的截面积和光顺的槽边即可,因此其加工难度可降低。

2数字缸的数学模型
该数字式伺服液压缸的数学模型的建立方法和过程如下[2,3]:
2.1静态数学模型
根据数字伺服液压缸的机构原理图,可简化为阻力半桥表示如图2所示。

设回油压力恒为零,可得出描述数字伺服液压缸静态特性的基本方程如下:
1).流量连续方程
（1）
（2）
（3）
2).活塞力平衡方程
（4）
其中
（5）
（6）
由(1)、(2)、(3)、(4)得:
（7）
因此静刚度为:
（8）
其中:
其中:q1—流经节流阀的流量,m3/s;q2—弓形孔的流量,m3/s;PS—系统的压力,Pa;PC0—工作腔的压力,Pa;FL—工作负载,N;AU、AD—活塞的上、下腔有效作用面积,m2;Cd—流量系数;As—阀口的面积,m2;A0—弓形回油孔口的面积,m2; r—回油口小孔半径,m;β—螺旋槽升角,度;h0—弓形孔(弦)高,m;、y0—活塞
轴向位移变化量,m;θ0—活塞转角,rad;R—活塞控制杆半径,m。

因此数字缸的静态刚度与阀口的面积As、弓形孔(弦)高h0、回油口小孔半径r、活塞控制杆半径R 以及活塞的下腔作用面积AD等因素有关。

其中,回油口小孔半径r影响最大,r越大则机械静态刚度越大。

2.2动态数学模型
数字伺服液压缸的输入信号为活塞的转角θ,输出信号是活塞的轴向位移y,(不考虑外负载的扰动),可以得到以下三个方程:
1).流量方程:
（9）
（10）
2).下腔的连续性方程:
（11）
3).活塞的力平衡方程(忽略库仑摩擦力及瞬态液动力)为:
（12）
其中
（13）
（14）
2.3系统方块图和传递函数
由(9)~(12)式线性化及拉氏变换得:
（15）
（16）
（17）
（18）
由(17)式得:
（19）
由(18)式得:
（20）
式中:
3.4稳定性分析
稳定性是控制系统正常工作的必要条件,因此它是系统最重要的特性。

由方块
图可求得输入θ和干扰力同时作用时的系统响应为:
（21）
已知一数字液压缸的参数如下。

系统的压力:PS=20×106Pa
工作腔的压力:PC0=20×106Pa
活塞的下腔有效作用面积:AD=0.0019625m2
螺旋槽升角:β=43.20°
油液密度:ρ=950kg/m3
节流阀口的面积:As=1.25×10-5m2
流量系数:Cd=0.62
活塞初始转角:θ0=0°
活塞控制杆半径:R=0.02m
小孔半径:r=0.003m
工作腔的初始高度:y0=0.005m
活塞运动阻尼系数:BC=15N·s/m
运动部件的总质量:M=0.15kg
油液体积弹性模量:Ke=700×106Pa
工作腔的初始体积:VD0=0.0098125m3
据此可作出系统波德图,如图4所示。

可见,该数字伺服液压缸在工作范围内不存在谐振点,满足工作稳定性要求。

4结语
本文介绍的新型数字伺服液压缸结合弓形重叠面积构成液压阻力桥构成活塞的线性运动,数字缸利用旋转和直线运动实现活塞位置的反馈,结构大大简化并且对油的抗污染能力也提高了,因此,该新型数字伺服液压缸的结构具有先进性、合理性和实用性,发展潜力巨大。