一种新型数字伺服液压缸的设计与建模

　　数字伺服步进液压缸( 简称数字缸) 是一种典型的电液一体化控制元件, 传统的数字缸由步进电机、液压滑阀、伺服液压缸和机械反馈机构等构成^[1], 步进电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, 压力油经伺服阀到液压缸使活塞移动, 活塞的移动通过其内部的滚珠丝杠转化为反馈螺母的旋转运动, 从而使阀芯回复原来位置。一定的脉冲数相应于一定的活塞位移。步进电机转向不同, 则活塞移动方向相反。这种数控步进缸结构复杂, 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、价格贵、不能广泛应用于民用工业等缺点。

　　本文提出的数字伺服液压缸, 采用双自由度原理设计, 利用一种伺服螺旋机构, 构成新的数字缸, 它的结构工艺性好, 转角小, 能连续控制, 并具有响应快、速度稳定性好和精度高等优点。笔者从该数字缸的结构出发, 建立了数字缸的数学模型, 分析了其动静态特性及稳定性。

　　1 工作原理与结构特点

　　1.1 工作原理

　　数字伺服液压缸的结构如图1 所示。高压油Ps 经可调节流阀( 或调速阀) 至控制活塞杆底部的工作腔PC, 与活塞杆中心的回油孔相通, 回油孔通流面积很大, 小孔内压强可近似为零, 油液从活塞杆上开设的两个轴对称小孔通过油缸内壁上开设三角形螺旋通油槽与低压回油腔( Pa=0) 相通, 该槽的一边与弓形回油孔构成可变弓形节流口, 即活塞的转动改变了低压孔和螺旋槽之间的弓形节流面积, 从而控制工作腔内的压力。工作腔始终与高压流体相通, 高压油的流量调节方便, 可适应实际需要。当控制信号输入, 步进电机通过齿轮传动使活塞转动, 此时弓形节流口面积关小,则油液流向工作腔, 下腔内的压力增大, 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、与高压腔和外载荷的向下推力相等, 活塞重新达到一种平衡关系。反之亦然。这样步进电机输入一定转角, 活塞就产生相应的位移。

　　1.2 结构特点

　　该数字伺服液压缸的结构特点如下:

　　1) 不但可由压差调节, 而且可由改变节流口面积来调节, 调节方便, 能适应实际需要。

　　2) 高压腔至工作腔( C腔) 只经过一级节流, 压差损失比较小, 效率较高( 图2) 。

　　3) 所有节流机构均为薄壁小孔, 流量不受油温影响, 速度稳定性较好。

　　4) 螺旋三角槽开在活塞杆孔内, 加工工艺虽有一定难度, 但三角螺旋槽不起节流作用, 只作通流作用,槽的截面尺寸精度要求不高, 只要保证有足够的截面积和光顺的槽边即可, 因此其加工难度可降低。