數字缸原理分析與應用

金永明，汪 洋，孫燦興

（1. 海軍裝備部駐上海地區第一軍事代表室，上海 201913；2. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715；3. 上海海岳液壓機電工程有限公司，上海 200032）

0 引言

傳統的液壓系統通過各種液壓閥來控制油缸的運動方向、速度和位置，依靠電子技術和傳感技術，通過伺服閥和比例閥，實現精確的控制，見圖1。

圖1 傳統液壓系統控制方式

數字液壓缸通過缸、閥、反饋和控制有機的結合在一起，將比例/伺服液壓系統簡化成為一個組件，讓設計、調試、使用和維護大大簡化。

數字液壓缸由控制單元（由驅動器、電機和液壓轉閥（含閥套）組成）、機械反饋單元（聯軸器、中間軸和滾珠絲杠組件組成）、執行單元（油缸）等組成。見圖2[1]。

圖2 數字液壓缸結構示意圖

具體工作過程為：驅動器按要求給電機1發出按一定脈沖速度和一定數量的脈沖數量，電機按要求的速度驅動轉閥2的閥芯轉過要求的角度，轉閥閥口打開，控制油缸6前進或后退，油缸活塞運動推動絲杠5螺母前進或后退，螺母的運動驅動絲桿正轉或反轉，絲桿的轉動通過中間軸4驅動轉閥2的閥套按電機1的相同方向運動，保持和電機1相同的速度運行，電機1停止，油缸6運行使轉閥的閥口關閉，油缸停止運行。

數字缸較為突出的技術優越性體現在以下6個方面[2]：

1）適合多參數多系統協同工作。數字液壓相比現有的各種液壓或者機械傳動控制系統，其突出的優勢在于多系統協同和任意控制參數的隨意變化，避免了現有技術需要進行復雜參數調整的致命缺陷。

2）高分辨率運動控制精度。可實現大型機械裝備微米級的運動控制，且響應迅速。

3）無損失遠程控制執行。可通過網絡等遠程進行系統的操控而不用擔心 指令信息的損失、滯后或者干擾[3-4]。

4）運動特性完全數字化。速度、行程與電脈沖有直接的對應關系，只要控制好電脈沖，這個自動化系統就簡單實現控制要求。

5）易于實現單缸多段調速、多點定位，兩缸或兩缸以上進行同步差補運 動，完成曲線軌跡運動，一臺微機或可編程邏輯控制器（PLC）就可以完成單或多缸的多點、多速控制，也可完成多缸的同步、插補運動。操作簡單、實用性好。

6）具備總線控制和連續控制功能，可以實現在計算機總線控制系統中，使液壓機械與其他加工設備組成柔性加工單元。

1 數字缸技術難點分析

通過數字缸原理介紹可以看出，數字缸的核心是同步轉閥和滾軸絲杠系統。其技術核心是數字液壓轉閥和步進/伺服電機的驅動和適配技術。其主要難點包括：

1）液壓數字轉閥

數字液壓缸的設計，關鍵之一在于液壓數字轉閥的設計。液壓數字轉閥為周向配油直驅閥[1]，具體實現方式見圖3和圖4。

圖4 閥芯結構示意圖

閥套上油口為控制油缸運動的A或B口；圖3中左邊視圖為A（或B）通回油T，中間視圖為A（或B）關閉，右邊視圖為AB通高壓油P。液壓轉閥的閥芯由步進/伺服電機驅動，閥套通過滾珠絲杠驅動，與閥芯共同實現機械閉環。

圖3 油口換向示意圖

此外，根據不同的負載情況和應用場景，還需對轉閥的開口形式、開口大小進行針對性設計、試驗、調整[5]。

2）伺服電機的驅動和適配技術

電機傳統上是開環步進電機，但是采用開環步進電機在控制上存在響應速度慢、失步現象、工作穩定性等問題，導致開環步進電機驅動的數字液壓缸無法滿足高精度、高可靠性領域的要求而發展緩慢。因此，電機性能的提升成為數字液壓缸發展的關鍵。

隨著伺服電機技術的發展和快速迭代，利用伺服電機的數字特性實現數字缸的數字化，伺服電機作為發訊電機和克服轉閥液動力雙重作用的要求，需要突破相關算法和驅動適配技術。

3）數字缸零漂、機械反饋死區、滯環控制技術和策略

隨著設備磨損、維修更換而產生的間隙改變，直接影響設備原來的使用性能。通過壓力平衡的結構設計對滾珠絲杠與數字轉閥之間的間隙進行補償；通過高精度機床控制零部件加工公差，位置閉環機構的主動糾正來解決數字缸零漂、機械反饋死區、滯環等技術難點[6]。

4）減振技術

數字缸在行程末端時會發生振動現象，為了克服這種現象，可以在數字油缸運動到行程末端時減小系統流量；或者在數字油缸運動到行程末端時減少控制器脈沖數，從而達到減振效果。

2 數字缸實際應用

2020年，我司承接了某型設備為載人箱體，原采用液壓雙缸同步驅動方式，同步回路采用國外進口的液壓同步馬達，同步精度≤3%，運動加速度≤1 m/s2，運行速度≤20 mm/s。

因當前國內制造商因材料和加工能力等基礎能力問題，液壓同步馬達的加工精度、性能、產品一致性、環境適應性和可靠性較差，無法保障該型設備實現箱體的雙缸運行時的各項性能和可靠性指標。特別是在偏置載荷時，2個油缸同步超差。

設備液壓缸同步超差將會導致設備機構卡阻和異常變形，引起設備的異常振動、擺動等情況，嚴重時會導致設備驅動結構和內部其他裝備損傷和破壞，致使設備功能降低或喪失，引發訓練或作戰任務延誤或終止等嚴重后果。

2.1 試驗裝置的構成

為了比較2種液壓缸驅動方式的同步精度，我們設計制造了專用的試驗工裝及加載模塊進行了數字缸與同步缸的同步精度對比試驗，試驗裝置構成見表1。

表1 同步精度對比試驗裝置

2.2 加載試驗方式

加載分為對稱加載及非對稱加載，加載方式見圖5。

圖5 加載示意圖（單位：mm）

按照下述3種加載方式，設定數字缸與普通缸分別按照設定的上升及下降速度，在同樣的壓力下各運行5次，分別記錄數字缸與普通缸在上升和下降過程中的位移差異即同步精度。

1）加載裝置對稱（A位、B位和C位）增加3個加載塊（～3.3 t）。

2）加載裝置偏置1#缸側（A位和C位）增加2個加載塊（～2.3 t）。

3）#加載裝置偏置2#缸側（C位和B位）增加2個加載塊（～2.3 t）。

2.3 加載試驗結果

1）對稱加載時：在5次上升、5次下降運行過程中數字缸同步精度均在±3 mm范圍之內，在5次上升、5次下降運行過程中普通缸的同步精度均在±1 mm范圍內，在均布載荷下數字缸與普通缸同步精度差異不大。

2）偏載A、C位置，在5次上升、5次下降運行過程中數字缸同步精度均在±3 mm，而普通缸同步精度已經超過20 mm，出現2個油缸相互卡滯現象，試驗表明在這樣的偏載情況下數字缸與普通缸同步精度差異還是很大的。

3）偏載B、C位置，在5次上升、5次下降運行過程中數字缸同步精度均在±3 mm，而普通缸同步精度已經超過20 mm，出現2個油缸相互卡滯現象，試驗表明在這樣的偏載情況下數字缸與普通缸同步精度差異還是很大的。

3.4 系統油源供油試驗

本次試驗采用恒壓變量泵分別給上述數字缸及普通缸供油，該油源的供給壓力可調，我們分別在負載為2 t及3 t的加載條件下，調節油源壓力，使得數字缸在不同的壓差條件下運行，得到如圖6和圖7所述的最大穩定流量值。

圖6 2 t 負載下的數字缸壓力-流量對應曲線

圖7 3 t 負載下的數字缸壓力-流量對應曲線

從圖6和圖7可看出：最大穩定流量值與壓差成平方關系。可以推斷出在最大流量穩定域附近，閥口基本相同，因此閥口的設計計算顯得尤為重要，閥口設計時要呈線性變化, 不宜存在閥口突變。

3 數字缸的優勢

同傳統伺服控制和數字閥控制技術相比，數字缸技術在可靠性和環境適應性方面有著獨特的優點。數字缸控制技術在如下幾方面的環境適應性優勢突出。

1）電磁兼容性

高抗干擾。由于傳輸采用數字脈沖功率信號（即作為控制，又作為驅動），因此在嚴酷的電磁輻射狀態下，系統依然可以良好的工作。該性能大大優于現有的液壓和電氣控制系統。

2）低電磁輻射

數字液壓油缸控制指令環節沒有復雜的電子器件，因此對外產生的電磁泄露很少。

3）抗沖擊振動能力

數字液壓器件不采用線性電磁鐵作為控制核心，因此抗沖擊和震動能力大大提高。

4）高抗污染能力

對液壓油的過濾精度沒有嚴格要求，甚至液壓油受到污染，同樣不會造成 系統的精度降低，更不會造成嚴重的誤動作甚至是事故。

5）工作介質適用性寬

無論采用礦物油還是水基乳化液等，設置在極端環境下，無論是水或者是壓力氣體都可以讓系統暫時工作（性能稍有降低），這是其他任何控制系統無法實現的。

6）防爆環境適用性

由于數字液壓控制部件均有防爆型，因此實現防爆十分簡單。

此外，數字缸控制技術還有以下其他優勢：

1）功率密度高

驅動力大，用伺服電機作為信號輸出，使液壓缸活塞桿完全按照伺服電機的運動而運動，即不失步，可實現幾百、幾千噸的推力。因此利用小功率的控制系統，就可使大型機械數控化，節省了方向閥、調速閥、分流閥等液壓件。降低了成本, 簡化了系統，縮小了體積，降低事故率。

2）維護性提升

由于數字液壓一個元器件替代了傳統意義上的整個控制系統功能，因此無論從設計、使用還是長期維護等難度大大降低，幾乎沒有過多要求，特別適合非專業人士使用。

3）可靠性高

只需油泵、溢流閥（或數字壓力閥）組成的液壓源就可接管使用，無需任何方向閥、流量閥、調速閥、單向閥、同步閥等繁雜液壓元件。也省略了這些閥件的安裝集成塊，也無需行程開關、繼電器等電氣元件，有效提高液壓系統的可靠性。

4）故障處置能力

極端條件使電氣控制系統實效情況下，數字液壓缸控制技術產品可以隨時通過簡單和輕便的方式實現人工控制，即便是超大載荷，依然可以單手指操控，避免裝備失控。

4 結論

數字液壓的發展方興未艾，在數字技術和傳統的液壓技術相結合的過程中，數字泵、數字閥和數字缸等代表了其3個發展方向。其中數字泵技術閥控缸做出數字化改造。但不管如何發展其最終目的仍是最后油缸作動器的作動。數字缸通中泵調系統亦可以采用相關數字缸技術作為泵調作動器。數字閥技術采用脈寬調制PMW概念，對過機械反饋構成閉環，簡化的整個系統的構造，提升了系統的可靠性和環境適應性，具有廣闊的應用前景。

因此，未來在對可靠性要求較高的應用場景具有較大的潛力。同時數字缸還具有低成本的優勢，一旦產業化也會有巨大的市場優勢。未來我們將進一步開展數字缸理論研究，同時結合轉閥的研究實現數字缸真正的突破，為液壓系統數字化做出應有的貢獻。