4.3?現(xiàn)代液壓缸

4.3.1 模擬控制液壓缸

模擬控制液壓缸（又稱為伺服液壓缸），即伺服(或比例)閥控制液壓缸，它是以液壓缸為主體，集伺服(或比例)閥、節(jié)流閥、傳感器等為一體的電液執(zhí)行器。伺服液壓缸與數(shù)字液壓缸的區(qū)別除控制信號(hào)的形式不同外，在液壓缸的結(jié)構(gòu)上也有明顯的區(qū)別。伺服液壓缸通常裝有傳感器，傳感器可以裝在液壓缸內(nèi)部（受到較好的保護(hù)），也可以裝在缸筒外部(便于安裝調(diào)試)。活塞可以是單活塞桿形式，也可以是雙活塞桿形式。

伺服液壓缸典型組件如圖4-31所示,它由電液伺服閥、缸筒、雙向活塞桿、位置(移)傳感器、載荷（負(fù)載）傳感器、耳叉式支承座和桿端關(guān)節(jié)軸承等組成。

4.3.2 數(shù)字控制液壓缸

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字液壓技術(shù)也得到了快速發(fā)展，與傳統(tǒng)的電液伺服液壓系統(tǒng)相比，數(shù)字液壓系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是控制技術(shù)先進(jìn)、抗干擾能力強(qiáng)、控制精度高、同步性能好、響應(yīng)速度快、對(duì)油液的清潔度要求低。

數(shù)字液壓系統(tǒng)采用普通的液壓泵站過濾精度達(dá)到9級(jí)就可以了，而電液伺服系統(tǒng)需要7級(jí)以上的液壓油精度,所以數(shù)字液壓系統(tǒng)不需要像電液伺服系統(tǒng)那樣特別嚴(yán)格的過濾。同時(shí)數(shù)字液壓系統(tǒng)可以采用較高的壓力等級(jí)（28~40MPa）。流量也比較大，可以達(dá)到1000L/min以上。數(shù)字液壓系統(tǒng)的核心執(zhí)行單元是數(shù)字液壓缸，從控制功能上需要數(shù)字液壓缸具有力閉環(huán)控制和位移閉環(huán)控制，從應(yīng)用上需要數(shù)字液壓缸具有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的加載能力。

數(shù)字控制液壓缸是數(shù)字液壓缸及其配套數(shù)字控制器的組合，簡(jiǎn)稱數(shù)字液壓缸。它利用極為巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，幾乎將液壓技術(shù)的所有功能集于一身，與專門研制的可編程數(shù)字控制器配合，可高精度地完成液壓缸的方向控制、速度控制和位置控制。

（1）數(shù)字控制液壓缸的分類

目前，已有的數(shù)字液壓缸主要分為三種。

①?內(nèi)反饋式數(shù)字液壓缸??內(nèi)反饋式數(shù)字液壓缸能夠輸出數(shù)字或者模擬信號(hào)；但僅能夠?qū)⒁簤焊走\(yùn)行的速度和位移信號(hào)傳遞出來，其運(yùn)動(dòng)控制依靠外部的液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，數(shù)字液壓缸本身無法完成運(yùn)動(dòng)控制。

② 開環(huán)數(shù)字液壓缸??開環(huán)數(shù)字液壓缸是使用數(shù)字信號(hào)控制運(yùn)行速度和位移的數(shù)字液壓缸。這種液壓缸可以通過發(fā)送脈沖信號(hào)完成對(duì)數(shù)字液壓缸的運(yùn)動(dòng)控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精度高等顯著優(yōu)點(diǎn)。但由于它是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，無法對(duì)由于系統(tǒng)溫度、壓力負(fù)載、內(nèi)泄及死區(qū)等因素引起速度和位移的變化進(jìn)行補(bǔ)償。

③ 閉環(huán)控制數(shù)字液壓缸??閉環(huán)控制數(shù)字液壓缸使用一個(gè)中空式光電編碼器，既能輸出準(zhǔn)確反映液壓缸運(yùn)動(dòng)的數(shù)字信號(hào)，又能對(duì)系統(tǒng)溫度、壓力負(fù)載、內(nèi)泄及死區(qū)等因素的影響進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步提高運(yùn)動(dòng)精度。

（2）開環(huán)數(shù)字液壓缸

開環(huán)數(shù)字液壓缸是將液壓缸、數(shù)字閥、傳感器有機(jī)地設(shè)計(jì)成一個(gè)整體而全部封閉在缸內(nèi)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以直接接收計(jì)算機(jī)或數(shù)字控制器發(fā)出的數(shù)字脈沖信號(hào)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)數(shù)字閥，打開油路，液壓缸運(yùn)動(dòng)，液壓缸運(yùn)動(dòng)的同時(shí)通過機(jī)械位移傳感器將活塞的速度和位置反饋到數(shù)字閥，構(gòu)成了自動(dòng)調(diào)節(jié)的速度閉環(huán)和位置閉環(huán)，從而將液壓缸的速度和位移精確與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角一一對(duì)應(yīng)，形成了閉環(huán)控制的自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)理，將復(fù)雜的電閉環(huán)控制變成了簡(jiǎn)單的開環(huán)控制。

圖4-32所示為數(shù)字控制電液步進(jìn)液壓缸的結(jié)構(gòu)圖和工作原理圖，它由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)出的數(shù)字信號(hào)控制液壓缸的速度和位移。通常這類液壓缸由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和液壓力放大器兩部分組成。為了選擇速比和增大傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，二者之間有時(shí)設(shè)置減速齒輪。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換裝置。可將輸入的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移量輸出，即給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸入一個(gè)電脈沖，其輸出軸轉(zhuǎn)過一步距角(或脈沖當(dāng)量)。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)功率較小，因此必須通過液壓力放大器進(jìn)行功率放大后再去驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

液壓力放大器是一個(gè)直接位置反饋式液壓伺服機(jī)構(gòu)，它由控制閥、活塞缸、螺桿和反饋螺母組成。圖4-32(a)中電液步進(jìn)液壓缸為單出桿差動(dòng)連接液壓缸，可采用三通雙邊滑閥閥芯5來控制。壓力油ps直接引入有桿腔,活塞腔內(nèi)壓力pc受閥芯5的棱邊所控制，若差動(dòng)液壓缸兩腔的面積比As∶Ac=1∶2,空載穩(wěn)態(tài)時(shí)，，活塞2處于平衡狀態(tài)，閥口a處于某個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。在指令輸入脈沖作用下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)閥芯5旋轉(zhuǎn)，活塞及反饋螺母3尚未動(dòng)作，螺桿4對(duì)反饋螺母3作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，閥芯5右移，閥口a開大，，于是活塞2向左運(yùn)動(dòng)，活塞桿外伸，與此同時(shí)，同活塞2聯(lián)成一體的反饋螺母3帶動(dòng)閥芯5左移，實(shí)現(xiàn)了直接位置負(fù)反饋，使閥口a關(guān)小，開口量及pc值又恢復(fù)到初始狀態(tài)。如果輸入連續(xù)的脈沖，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞桿便隨著外伸；反之，輸入反轉(zhuǎn)脈沖時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，活塞桿內(nèi)縮。

活塞桿外伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，棱邊a為工作邊，活塞桿內(nèi)縮時(shí)，棱邊b為工作邊。如果活塞桿上存在外載荷，穩(wěn)定平衡時(shí)，。通過螺桿、螺母之間的間隙泄漏到空心活塞桿腔內(nèi)的油液，可經(jīng)過螺桿4的中心孔引至回油腔。

（3）閉環(huán)控制數(shù)字液壓缸

①?閉環(huán)控制數(shù)字液壓缸的結(jié)構(gòu)及工作原理??圖4-33是一種閉環(huán)控制數(shù)字液壓缸的結(jié)構(gòu)原理圖。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1接到脈沖信號(hào),其輸出軸旋轉(zhuǎn)一定的角度,旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過花鍵2、萬向聯(lián)軸器3、閥芯4傳遞給外螺紋5,外螺紋5和沉入缸外轉(zhuǎn)軸7右端的內(nèi)螺紋相互配合,內(nèi)螺紋位置固定,在旋轉(zhuǎn)作用下外螺紋帶動(dòng)閥芯發(fā)生軸向移動(dòng)。數(shù)字液壓缸采用負(fù)開口三位四通閥控制流量,閥口存在一定的死區(qū),開始的幾個(gè)脈沖產(chǎn)生的一小段位移并不能將P口處的高壓油與A口或B口接通。死區(qū)過后,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)再旋轉(zhuǎn)一定角度,在旋轉(zhuǎn)作用下閥芯又發(fā)生一定的軸向位移。如果閥芯向左移動(dòng),P口和A口連通,B口和T口連通。P口處的高壓油,通過A口流入液壓缸的后腔。后腔增壓,空心活塞桿15向左運(yùn)動(dòng),前腔的油經(jīng)過B口、T口流回油箱。空心活塞杄向左移動(dòng)時(shí),帶動(dòng)固定在空心活塞桿上的絲杠螺母14向左運(yùn)動(dòng),滾珠絲杠13在軸向上不移動(dòng),滾珠絲杠與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋向相反,帶動(dòng)缸內(nèi)轉(zhuǎn)盤11旋轉(zhuǎn)。后缸蓋9兩邊的磁鐵10相互吸引,使得缸外轉(zhuǎn)盤8和缸內(nèi)轉(zhuǎn)盤11同時(shí)旋轉(zhuǎn)相同的角度。反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過這樣一個(gè)磁耦合機(jī)構(gòu)被準(zhǔn)確地傳遞到液壓缸外。缸外轉(zhuǎn)軸7和缸外轉(zhuǎn)盤8是一個(gè)整體,缸外轉(zhuǎn)軸7和編碼器b通過平鍵連接,沉入缸外轉(zhuǎn)軸7右端的內(nèi)螺紋和外螺紋5配合。缸外轉(zhuǎn)軸7反向旋轉(zhuǎn),外螺紋5向右移動(dòng),閥口關(guān)閉,一個(gè)步進(jìn)過程結(jié)束。

滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)的角度被平鍵連接于缸外轉(zhuǎn)軸7上的編碼器6檢測(cè)到,此旋轉(zhuǎn)角度和空心活塞桿15的位移對(duì)應(yīng),此信號(hào)傳給以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行位移和速度要求,對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。

閥芯的兩端使用萬向聯(lián)軸器連接,不限制徑向的小位移,防止閥芯被拉傷,同時(shí)保證軸向運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的雙向傳遞。數(shù)字液壓缸在向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)不斷關(guān)閉閥口,形成伺服控制系統(tǒng)。

②?和開環(huán)控制數(shù)字液壓缸相比,閉環(huán)控制數(shù)字液壓缸的創(chuàng)新點(diǎn)

a.采用了光電編碼器反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),能對(duì)系統(tǒng)溫度、壓力負(fù)載、內(nèi)泄及死區(qū)等因素的影響進(jìn)行補(bǔ)償,并進(jìn)一步提高了控制精度。

? 當(dāng)油液溫度升高時(shí),黏度降低,流動(dòng)速度加快,在閥開口大小一定的情況下,即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接受到控制脈沖速度一定的情況下,液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度加快。使用閉環(huán)控制系統(tǒng),可以設(shè)定一個(gè)速度值,如果使用光電編碼器檢測(cè)到的液壓缸速度大于此速度,就減小對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖發(fā)送速度；如果使用光電編碼器檢測(cè)到的液壓缸速度小于設(shè)定速度,就增加對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖發(fā)送速度,這樣始終可以使數(shù)字液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度保持在設(shè)定值。

? 當(dāng)壓力負(fù)載增大時(shí),缸體內(nèi)外的油液壓力差減小,油液的流動(dòng)速度減小,再加上油液所受的壓力增大,液體體積被壓縮,這兩個(gè)因素都會(huì)造成液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度降低。這種誤差可以通過在閉環(huán)控制系統(tǒng)中增大對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖的發(fā)送速度來消除。

? 如果出現(xiàn)內(nèi)泄現(xiàn)象,在發(fā)送脈沖速度一定,即閥開口大小一定的情況下，液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)降低，這種誤差也可以在閉環(huán)控制系統(tǒng)中被靈活地補(bǔ)償。在開環(huán)控制數(shù)字液壓缸中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠之間部分的傳動(dòng)誤差會(huì)對(duì)位移產(chǎn)生影響，三位四通控制閥的死區(qū)也會(huì)對(duì)開環(huán)控制數(shù)字液壓缸的位移產(chǎn)生影響。若采用閉環(huán)控制系統(tǒng)就可以消除這些影響，這樣，可以適當(dāng)降低步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠之間各傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的精度，從而降低該部分的加工成本。

b.通過使用磁耦合機(jī)構(gòu),既回避了旋轉(zhuǎn)密封,同時(shí)又保證了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從缸體內(nèi)部到缸體外部的準(zhǔn)確傳遞。磁耦合機(jī)構(gòu)是指后缸蓋兩邊內(nèi)嵌磁鐵的兩個(gè)圓盤，它們?cè)谳S承的支撐作用和磁鐵的吸引作用下,可以同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度。不需通過后缸蓋伸出桿件就可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞出來。對(duì)于精度要求不太高、傳遞轉(zhuǎn)矩不太大的情況,這種結(jié)構(gòu)完全可以滿足使用要求。當(dāng)傳遞大動(dòng)力或要求運(yùn)動(dòng)精度較高時(shí),必須從后缸蓋伸出桿件,將缸內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞出來,這就需要使用旋轉(zhuǎn)密封圈進(jìn)行良好密封,當(dāng)然其價(jià)格就比較昂貴。