数字液压缸技术开发与应用

　　1 概论

　　随着计算机技术和电子技术的飞速发展，数字液压技术也得到了快速发展，与传统的电液伺服液压系统相比，数字液压系统的突出优点是控制技术先进、抗干扰能力强、控制精度高、同步性能好、响应速度快、对油液的清洁度要求低，数字液压系统采用普通的液压泵站过滤精度达到 9 级就可以了，不需要象电液伺服系统那样特别严格的过滤，电液伺服系统需要 7 级以上的液压油精度。同时数字液压系统可以采用较高的压力等级 28 ～40 MPa，流量也比较大，可以达到 1000L / min 以上。数字液压系统的核心执行单元是数字液压缸，从控制功能上需要数字液压缸具有力闭环控制和位移闭环控制，从应用上需要数字液压缸具有静态和动态的加载能力。本文介绍了开发的一种数字液压缸以及控制系统和软件，具有力闭环和位移闭环两种控制模式，能够实现动态和静态的加载控制，可以广泛地应用于航空航天、工程机械、交通运输、土木工程、兵器工程、石油化工等领域。

　　2 数字液压缸和控制原理

　　数字液压缸在外形上和功能上与传统的电液伺服作动器基本相同，但是在结构原理上有着本质的区别，目前的数字液压缸一般都是阀和缸一体化的，位移控制是通过缸体中的滚珠丝杠进行机械反馈进行的，阀的驱动采用步进电机或伺服电机，在缸上装有力传感器用于力闭环控制和数据反馈，图1 为数字液压缸的构造，图2 是数字液压缸控制系统框图。所以数字液压缸的控制精度主要取决于滚珠丝杠和机械加工的精度，一般滚珠丝杠的精度可以达到0. 004 mm/300mm，再考虑到数字液压缸的其他传动环节的加工精度，数字液压缸的控制精度可以达到的 0. 01 mm，定位精度会更高。数字液压缸的最大出力有赖于机械加工能力，目前可以达到20000 kN，通过特殊设计和组合方式可以达到万吨以上的出力，最大位移也可以达到2000 mm，根据测试的结果最高上限频率可以达到200Hz 以上。

　　图3 是位移闭环反馈控制原理图，通过滚珠丝杠的导程、阀的开口与伺服电机编码器关系，可以建立起命令信号与活塞位移之间的控制方程，进而实现位移闭环反馈控制的功能。图4 是力闭环反馈控制原理图，控制过程与位移控制情况类似。数字液压缸是集成了伺服电机、液压阀、液压缸、位移传感器、反馈控制等功能于一体，直接采用计算机控制完成各种功能。属于全数字控制系统，克服了模拟系统抗干扰能力差和温度漂移等缺点，可以直接进行位移控制或力控制，也可以进行应变控制; 由于采用了数字技术，所以更加适合远程网络化控制。在控制过程中力控制和位移控制两种模式可以平滑切换，同时可以进行相关数据的实时采集，如图5、图6 所示。