闭环控制电液步进液压缸及试验精度分析

　　闭环控制电液步进液压缸是机、电、液高度集成化产品,是由步进电机、编码器、内置式机械反馈伺服阀、液压缸等构成的增量式数字控制的机液伺服机构。随着步进电机及其驱动技术的进步,其性能大幅度提高,并且已有用于大推力场合的成功实例。

　　作者针对在某钢厂连铸生产线结晶器振动装置上采用的ALMX-3003TC型闭环控制电液步进液压缸进行研究,应用线性时不变系统的分析方法对试验采样数据进行理论分析,得到比较准确的精度指标。

　　1　工作原理

　　ALMX-3003TC型闭环控制电液步进液压缸是日本IHI公司为国内某钢厂连铸结晶器振动装置设计生产的一个集精密机械、电气、液压于一体的高技术专用产品,它以其高精度、高寿命、结构紧凑成为用于该钢厂连铸结晶器振动的关键设备之一。

　　ALMX-3003TC型电液步进液压缸结构原理如图1所示,它通过一个步进电机经过一对精密齿轮驱动一个丝杠转动,丝杠带动螺母使其轴向移动,螺母带动阀芯移动,阀芯移动使得伺服阀开口变化,导致单出杆油缸两腔的压力变化,油缸的活塞杆随之运动,最终使得油缸的活塞杆处于一个新的平衡位置,实现油缸活塞杆的随动;同时,绝对位置编码器通过一个精密齿轮与驱动丝杠的齿轮相啮合,检测活塞杆的运动速度与位置,进行闭环反馈控制,进一步提高控制精度。根据不同的工作需求,需要实现特定的振动波形,则可将编好的程序输入微机控制器内存中,工作时微机控制器把程序译成一系列频率不同的正或负脉冲信号传给步进电机,进而由步进电机驱动伺服阀芯以相应的频率和方向产生位移信号,从而控制液压缸按要求实现运动,满足工作要求。

　　该结晶器振动闭环控制电液步进缸的设计特点:

　　(1)充分考虑了负载的情况,油缸采用了非对称设计,减少了系统平均流量,从而实现节能。

　　(2)充分考虑了最高5 Hz振动频率工况,采用了步进电机、滚珠丝杠螺母、随动式直接位移反馈伺服阀的整体控制方案,与外置伺服阀控制油缸相比,抗污染能力强,工作可靠性、运行平稳性好。

　　(3)采用了编码器反馈的闭环控制,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。

　　2　提高精度的方法分析

　　提高该闭环控制电液步进缸的行程精度,可以通过两种途径实现: (1)同时提高编码器和步进电机的精度,如滚珠丝杠的导程为10 mm,步进电机和编码器的脉冲周期由200栅格每圈提高到1 024栅格每圈,则电液步进缸精度由0·05 mm提高到0·01 mm;(2)减小滚珠丝杠的导程,但会降低运行速度。