數(shù)字液壓缸技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用探究

王相勇 鄭加海

摘? 要：數(shù)字液壓缸是一種集成機(jī)械反饋的直線液壓放大器，是電機(jī)的特性隨動(dòng)和功率放大裝置，不僅操作十分簡(jiǎn)單，還極大地簡(jiǎn)化了控制技術(shù)，控制的精度更加高，而且對(duì)電離電磁、油液污染、沖擊振動(dòng)及溫度范圍等也具有極強(qiáng)的耐受能力，在當(dāng)前的社會(huì)中具有十分廣泛的應(yīng)用。本文就分析了數(shù)字液壓缸的技術(shù)開發(fā)要點(diǎn)與具體應(yīng)用，僅供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字液壓缸? 電機(jī)? 技術(shù)開發(fā)? 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TH137? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（b）-0023-03

Research on the Development and Application of Digital Hydraulic Cylinder Technology

WANG Xiangyong? ZHENG Jiahai

（Shandong Jinli Hydraulic Technology Co.， Ltd.， Linyi， Shandong Province， 276000? China）

Abstract： The digital hydraulic cylinder is a linear hydraulic amplifier with integrated mechanical feedback. It is the characteristic follow-up and power amplifier device of the motor. It is not only very simple to operate， but also greatly simplifies the control technology， and the control accuracy is higher. Liquid pollution， shock and vibration， and temperature range are also extremely resistant， and have a very wide range of applications in the current society. This paper analyzes the key points and specific application of digital hydraulic cylinder technology development， which is only for reference.

Key Words： Digital hydraulic cylinder; Motor; Technology development; Application

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息技術(shù)與電子技術(shù)的不斷更新發(fā)展，數(shù)字液壓技術(shù)逐漸興起并獲得了飛速的發(fā)展。這種技術(shù)與傳統(tǒng)的電液伺服液壓系統(tǒng)相比較，操作十分簡(jiǎn)單，而且還極大地簡(jiǎn)化了控制技術(shù)，控制的精度更高，同時(shí)，還具有抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快和同步性能強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)。

1? 數(shù)字液壓缸及其控制原理分析

數(shù)字液壓缸在外形與功能方面，較傳統(tǒng)的電液伺服液壓設(shè)備基本上沒有太大的區(qū)別，但在內(nèi)部結(jié)構(gòu)與控制原理方面卻存在著本質(zhì)上的區(qū)別。就目前而言，數(shù)字液壓缸的缸體與閥都是一體化的，但在位移控制方面則是通過缸體內(nèi)設(shè)置的滾珠絲杠進(jìn)行機(jī)械反饋來進(jìn)行控制的。同時(shí)，在缸體上還裝有力傳感器用于力閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)反饋，而閥的驅(qū)動(dòng)則是采用步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)。

如圖1所示，該數(shù)字液壓缸系統(tǒng)是位移閉環(huán)反饋控制數(shù)字液壓缸。該數(shù)字液壓缸的控制精度主要取決于滾珠絲杠和機(jī)械加工的精度。其工作原理是步進(jìn)電機(jī)在接到脈沖信號(hào)后，輸出軸旋轉(zhuǎn)一定的角度，促使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過花鍵、萬向聯(lián)軸器和閥芯傳遞給外螺紋，而外螺紋與沉入到缸外轉(zhuǎn)軸右端并固定的內(nèi)螺紋通過相互配合，在旋轉(zhuǎn)的作用下，促使外螺紋帶動(dòng)閥芯發(fā)生軸向的移動(dòng)。在一般的情況下，滾珠絲杠的精度能夠達(dá)到0.005mm/300mm，但綜合考慮其他傳動(dòng)環(huán)節(jié)加工的精度，其控制精度實(shí)際可以達(dá)到0.015mm左右。

在實(shí)際運(yùn)用中，該數(shù)字液壓缸是通過滾珠絲杠的導(dǎo)程、閥的開口與步進(jìn)電機(jī)編碼器關(guān)系，建立起命令信號(hào)與活塞唯一之間的控制方程。因?yàn)樵撓到y(tǒng)中缸體內(nèi)腔被空心活塞桿分割成兩部分，一部分是有桿腔體，另一部分是無桿腔體。而比例壓力閥主要是用于調(diào)節(jié)有桿腔體與無桿腔體之間液壓油的壓力差。與此同時(shí)，比例壓力閥與電機(jī)分別連接控制系統(tǒng)的通訊，而控制系統(tǒng)通過向其發(fā)射脈沖信號(hào)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)其旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)電機(jī)反饋回來的電流信號(hào)，控制比例壓力閥對(duì)有桿腔體與無桿腔體之間液壓油的壓力差進(jìn)行調(diào)節(jié)，利用存在著的壓力差實(shí)現(xiàn)對(duì)空心活塞桿推理的控制，使腔體內(nèi)不存在控流死區(qū)。此外，滾珠絲杠與空心活塞桿之間還能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)自鎖。這樣一來，數(shù)字液壓缸就集成了步進(jìn)電機(jī)、液壓閥、液壓缸、位移傳感器、反饋控制等多種功能于一體，可以直接采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制來完成各種功能，屬于全數(shù)字的控制系統(tǒng)，能有效克服傳統(tǒng)電液伺服動(dòng)作器抗干擾能力差及溫柔位移的缺點(diǎn)，可以直接進(jìn)行位移的控制，而且因?yàn)椴捎昧擞?jì)算機(jī)控制，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)化控制，也進(jìn)一步提高了數(shù)字液壓缸系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與可靠性[1-2]。

2? 數(shù)字液壓缸技術(shù)的使用特點(diǎn)分析

2.1 使用性能十分優(yōu)越

數(shù)字液壓缸技術(shù)的使用性能十分優(yōu)越，能夠?qū)崿F(xiàn)單缸的多段位調(diào)速和多點(diǎn)定位，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)兩缸及以上的差補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，順利完成曲線軌跡的運(yùn)動(dòng)。而且，在實(shí)際運(yùn)用中，數(shù)字液壓缸使用了步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行信號(hào)的輸出，使其中的活塞桿完全按照步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，既不會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象，又能提供較大的推動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)大型機(jī)械裝備在微米級(jí)的運(yùn)動(dòng)控制，且響應(yīng)速度十分快捷。這樣就有效節(jié)省了傳統(tǒng)設(shè)備的方向閥、調(diào)速閥和分流閥等液壓件，有效簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，縮小了設(shè)備體積，降低了設(shè)備運(yùn)行的成本，也將歷史事故發(fā)生率。此外，數(shù)字液壓缸還采用了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，能夠在遠(yuǎn)程進(jìn)行無損失控制執(zhí)行，操作變得更為簡(jiǎn)單，真正實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動(dòng)化[3]。

2.2 具有優(yōu)秀的生存力

當(dāng)前，數(shù)字液壓缸在控制指令環(huán)節(jié)極大減少了電子器件的使用，因此對(duì)外界產(chǎn)生的電磁泄露情形極少，具有極低的電磁輻射。其次，數(shù)字液壓缸系統(tǒng)具有極強(qiáng)的抗大加速度沖擊和振動(dòng)性能，而且對(duì)工作的介質(zhì)幾乎沒有任何要求，甚至在極端的環(huán)境下，水或者壓力氣體都能夠讓該系統(tǒng)暫時(shí)工作，雖然工作效率稍微有點(diǎn)低，但這卻是其他系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的。

2.3 使用簡(jiǎn)單且易于維護(hù)

行業(yè)內(nèi)有人對(duì)數(shù)字液壓缸的使用感受形容為“會(huì)數(shù)數(shù)就會(huì)使用數(shù)字液壓缸”。這句話形象地闡述了數(shù)字液壓缸的使用簡(jiǎn)單和易于維護(hù)的顯著特點(diǎn)。在實(shí)際運(yùn)用中，數(shù)字液壓缸系統(tǒng)運(yùn)用一個(gè)元器件，替代了傳統(tǒng)電液伺服動(dòng)作器復(fù)雜的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單操控，這就使得數(shù)字液壓缸系統(tǒng)無論是從設(shè)計(jì)、使用，還是長(zhǎng)期的維護(hù)等方面，都極大地降低了難度，非常適合非專業(yè)人士的使用。

3? 數(shù)字液壓缸技術(shù)的應(yīng)用探究

目前，數(shù)字液壓缸技術(shù)已經(jīng)在建筑施工領(lǐng)域、工業(yè)工程領(lǐng)域、航天領(lǐng)域等不同的領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

3.1 在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用

在建筑工程施工中，數(shù)字液壓缸系統(tǒng)具有十分廣泛的應(yīng)用，特別是在當(dāng)前的大型結(jié)構(gòu)屋架的滑移施工中，施工人員可以借助數(shù)字液壓缸系統(tǒng)的簡(jiǎn)單操作、控制精度高和抗干擾能力強(qiáng)特點(diǎn)，利用數(shù)字液壓缸系統(tǒng)進(jìn)行房屋建筑的力控制和位移控制，實(shí)現(xiàn)力—位移的平滑切換，這樣就能極大降低房屋建筑施工的難度，并更好地把控施工的進(jìn)度，提高施工的質(zhì)量。此外，在建筑工程機(jī)械鐘，液壓油缸也具有廣泛的應(yīng)用，例如，利用數(shù)字液壓缸來代替工程機(jī)械原有的數(shù)控折彎?rùn)C(jī)液壓同步控制系統(tǒng)中的比例閥和液壓缸，可以使折彎?rùn)C(jī)的液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單緊湊，更易于實(shí)現(xiàn)智能控制[4-5]。相信未來在建筑工程施工中，數(shù)字液壓缸系統(tǒng)會(huì)獲得更廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮出更大的作用。

3.2 在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

數(shù)字液壓缸技術(shù)在航空航天航空領(lǐng)域也具有十分廣泛的應(yīng)用。在具體應(yīng)用中，工作人員還可以將其應(yīng)用到飛行器的控制系統(tǒng)當(dāng)中，給運(yùn)動(dòng)的平面做一個(gè)導(dǎo)軌，限定其運(yùn)動(dòng)的軌跡，然后借助計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的遠(yuǎn)程控制，并可以實(shí)時(shí)測(cè)定沖頭速度和壓力，并且還能方便地將側(cè)臉多個(gè)數(shù)據(jù)反饋給微機(jī)的閉環(huán)控制當(dāng)中，為實(shí)現(xiàn)飛行器的自動(dòng)化操作創(chuàng)造了有利的條件。

3.3 在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用

在當(dāng)前的工 業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，數(shù)字液壓缸技術(shù)也具有十分廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)際運(yùn)用中，工作人員可以根據(jù)數(shù)字液壓缸的動(dòng)力大的特點(diǎn)，運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行信號(hào)的輸出，促使液壓缸的活塞桿完全按照步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡而進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，這樣即不失步，又能產(chǎn)生幾百、幾千噸的推力。這樣一來，就可以利用較小的功率控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型機(jī)械的數(shù)控化，不但節(jié)省了方向閥、調(diào)速閥和分流閥等液壓件的使用，降低了成本，還能簡(jiǎn)化系統(tǒng)，縮小大型機(jī)械設(shè)備的體積，并確保繾綣的運(yùn)行，降低事故的發(fā)生率[6]。

例如，在精密產(chǎn)品注塑成型加工中，一般將樹脂注入到金屬膜中分為兩大步驟：第一是注塑的過程;第二是填充結(jié)束后的保壓過程。在第一步驟中，工作人員可以利用數(shù)字液壓缸來調(diào)節(jié)注塑的速度，實(shí)現(xiàn)均勻的注塑操作，而在第二步中，工作人員可以通過調(diào)節(jié)合模力的大小來控制壓力。在具體的操作中，工作人員可以借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行PCM流量控制和壓力控制，按照PCM控制法由脈沖輸出碼進(jìn)行控制，而各個(gè)控制時(shí)間可以由計(jì)算機(jī)軟件精準(zhǔn)確定，并自動(dòng)計(jì)時(shí)，確保生產(chǎn)的順利進(jìn)行，并確保產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.4 在液壓試驗(yàn)臺(tái)方面的應(yīng)用

數(shù)字液壓缸技術(shù)在液壓試驗(yàn)臺(tái)方面的應(yīng)用，主要可以分為泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)和閥試驗(yàn)臺(tái)兩大類。

首先，在泵試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用中，主要是對(duì)新生產(chǎn)的泵進(jìn)行試驗(yàn)，或者對(duì)舊泵進(jìn)行維修。在實(shí)際操作中，主要是進(jìn)行壓力與流量?jī)纱箜?xiàng)的試驗(yàn)，但一些特殊的油泵可能還需要對(duì)排量進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)節(jié)，此外，還需要進(jìn)行恒功率、恒壓力等控制功能的試驗(yàn)。如果試驗(yàn)臺(tái)的要求不高，只需要運(yùn)用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一組溢流閥及高壓節(jié)流閥就可以完成試驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)建，即依靠節(jié)流閥的關(guān)閉模擬負(fù)載，然后分成幾個(gè)不同的壓力等級(jí)分別進(jìn)行試驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果完整記錄下來[7]。

其次，在閥試驗(yàn)臺(tái)中的應(yīng)用，如果針對(duì)普通的換向閥試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，因?yàn)槭菍?shí)驗(yàn)閥在高壓下的動(dòng)作能力，同時(shí)觀察其在高壓下是否存在外漏的問題。這樣就只需要運(yùn)用一個(gè)較小的高壓泵和一個(gè)閥板就可以完成試驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)建。如果是對(duì)特殊的比例閥或伺服閥進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)建就會(huì)復(fù)雜的多，需要運(yùn)用更多的設(shè)備來進(jìn)行閥試驗(yàn)臺(tái)的組建。

4? 結(jié)語

綜上所述，數(shù)字液壓缸技術(shù)是一種正在高速發(fā)展的液壓新技術(shù)，特別是隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字液壓缸已經(jīng)展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿Γ軌驊?yīng)用在很多電液伺服系統(tǒng)領(lǐng)域，從而推動(dòng)我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的健康發(fā)展。當(dāng)然，這僅是筆者的一點(diǎn)個(gè)人淺見，而且在闡述過程中，可能因水平有限，語言邏輯可能存在不足，但希望筆者的闡述能為相關(guān)從業(yè)人員的研究工作提供參考，不斷推動(dòng)我國(guó)數(shù)字液壓缸系統(tǒng)研發(fā)工作的進(jìn)步。

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