一种新型数字伺服油缸的非线性仿真分析

　　  摘要: 建立一种用伺服螺旋机构原理设计的小行程数字步进伺服油缸的动态数学模型。基于非线性仿真模块，在 M AT-LAB / Simulink 环境中，根据活塞下腔长度、工作负荷、螺旋槽断面尺寸和活塞半径四个主要结构及工作参数的变化，获得动态响应曲线，并仿真分析该数字伺服油缸的频率特性。结果表明，该数字伺服油缸在满负载和小行程工况下具有较好的动态特性，可广泛应用于数控调整系统领域。

　　传统的数控步进油缸由步进电动机、伺服阀、反馈器件和油缸等组成［1］，其原理见图 1。步进电动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，压力油经伺服阀到油缸使活塞移动，活塞的移动使其内部的滚珠丝杠转动，导致反馈螺母产生反向旋转运动，从而使阀芯回复原来位置。一定的脉冲数对应于一定的活塞位移。步进电动机转向不同，则活塞移动方向不同。传统的数控步进油缸结构复杂，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、抗污染性差和价格贵等缺点，不能广泛应用于民用工业。

　　本文提出的小行程数字伺服油缸，采用一种有双自由度的伺服螺旋机构，其原理和结构如图2 所示，它克服了传统数控步进油缸的不足，具有结构工艺性好、转角小、能连续控制、响应快、速度稳定性好和精度高等优点，可广泛应用于数控调整系统中，具有很强的市场竞争力。

　　 1 数字伺服油缸结构和工作原理

　　数字伺服油缸的结构和原理如图 2 所示［2］。高压油( 压力为 Ps) 经可调节流阀( 或调速阀) 至控制活塞杆底部的活塞下腔( 即工作腔，压力为 Pc) ，与回油孔 6 相通，油液从活塞杆上开设的轴对称小孔 10 通过油缸内壁上开设的三角螺旋槽与低压回油腔( 压力 Pa= 0) 相通，三角螺旋槽还与弓形回油口构成可变节流口，即活塞杆的转动改变了可变节流口面积，从而控制工作腔的压力。工作腔始终与高压油液相通，高压油流量调节方便，可适应实际需要。当控制信号输入，步进电动机通过齿轮传动使活塞杆转动，此时可变节流口面积变小，则油液流向工作腔，腔内压力增大，打破了原来的平衡关系，活塞向上移动，这样又逐渐使可变节流口面积增大，直到恢复为原来的值，工作腔内的压力亦减小至原平衡值，与高压腔和工作负荷 FL的向下推力相等，活塞重新到一种平衡关系。反之亦然。这样步进电动机输入一定转角，活塞就产生相应的位移。