直线式数字流体马达的设计与研究

　　0 前言

　　随着计算机技术的日益发展,/模拟0技术正逐渐被/数字0技术所取代。液压领域也不例外,数字式液压控制技术解决了液压系统计算机控制的2大问题:一是控制脉冲直接作用于液压元件,不需要中间的D/A转换,实现了真正意义上的/数字0控制;二是解决了模拟信号在传输过程中的干扰问题,使控制系统更加稳定。同时其具有结构简单、抗污染能力强、工作可靠、价格低等优点,受到广泛的关注。特别在矿山机械、农业机械、环保机械等工作环境恶劣的场合,有其独特的优势[1]。

　　数字式液压马达是增量式数字控制电液伺服元件,由步进电动机和液压扭矩放大器组成,其输出扭矩可达几十至上百牛米,是普通步进电动机的几百至1 000倍[2]。直线式数字马达是在旋转液压马达的基础上发展起来的,不同点是它输出为直线位移。其基本的原理是:由步进电机和控制阀接受数字控制电路驱动流体马达输出功率。其输出为与输入脉冲数成比例的直线位移,或与脉冲输入频率成比例的直线速度。

　　1 直线式数字马达的控制原理和结构

　　1.1 控制原理

　　直线式数字马达是一种新型的直线运动机构。其控制原理框图如图1所示。当对步进电机输入一定数量的脉冲信号时,步进电机便旋转相应的角度,通过减速齿轮及丝杆-螺母将转角转变为四边滑阀阀芯的输入位移。从而使滑阀具有相应的开口量,工作液流动马达转动,马达缸体的转动通过转换机构(滚珠丝杆-螺母)转换成系统的输出位移,同时缸体转动又通过反馈齿轮及丝杆-螺母反馈到滑阀芯上,使滑阀的开口量减小,当开口量减小到0时,马达便停转动,由于元件内部形成带有机械负反馈的闭环控制系统,因此,系统总能输出与输入数字脉冲相对应的直线位移,即输出位移和输入脉冲数量成正比,输出速度和输入脉冲的频率成正比[3]。

　　1.2 典型结构

　　图2所示为直线式数字流体马达结构图,它由6个部分组成:信号输入(由步进电机1、传动齿轮副2、阀芯7组成)、液压放大器(由阀体6、阀套5、阀芯7组成)、马达(由缸体15、柱塞16、配油盘23、斜盘18组成)、反馈机构(由齿轮9、12和丝杆11螺母10组成)、输出元件(滚珠螺母17和滚珠丝杆24组成)、检测元件(由传感器3和齿轮2组成)。

　　1.3 工作原理

　　如图2所示,当步进电机1无信号输入时,齿轮副2不转动,阀芯7不移动。此时,液压放大器的阀芯7与阀套5的控制边处于完全关闭状态(零开口),进、回油(或气)的通道被切断。没有流量输入液压马达,马达处于静止状态,滚珠丝杆也处于静止状态,输出位移为0,这是信号输入前的零位状态。若步进电机输入正向指令脉冲时,齿轮副2带动阀芯7旋转。此时,齿轮9未动,阀芯上的丝杆11与齿轮9上的螺母10作相对运动,阀芯7产生沿轴向的向右移动,但由于阀套5固定不动,阀芯与阀套控制边之间便形成开口,流体通过开口、油道及配油盘23进入柱塞16底部的工作室,在流体压力作用下,柱塞伸出并顶在斜盘18上,作用在柱塞头部的切向液压分力带动缸体15产生顺时针旋转运动。从右端看和缸体15连成一体的滚珠螺母17与缸体一起同向旋转。滚珠丝杆24与螺母作相对运动,丝杆24便输出直线位移,实现数字马达的直线运动。