閉環(huán)控制數(shù)字液壓缸的結(jié)構(gòu)及工作原理

目前的數(shù)字液壓缸主要有兩種：①是能夠輸出數(shù)字或者模擬信號(hào)的內(nèi)反饋式數(shù)字液壓缸；②使用數(shù)字信號(hào)控制運(yùn)行速度和位移的開環(huán)控制數(shù)字液壓缸。前者僅能夠?qū)⒁簤焊走\(yùn)行的速度和位移信號(hào)傳遞出來(lái)，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(wú)法完成運(yùn)動(dòng)控制；而后者雖然可以通過(guò)發(fā)送脈沖完成對(duì)數(shù)字液壓缸的運(yùn)動(dòng)控制，但由于它是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，無(wú)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。使用一個(gè)中空式光電編碼器將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，數(shù)字液壓缸既能輸出準(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。

圖38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(guò)花鍵2、萬(wàn)向聯(lián)軸器3、閥心4傳遞給外螺紋5，外螺紋5和沉人缸外轉(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)閥心發(fā)生軸向的移動(dòng)。本數(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(guò)后，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)再旋轉(zhuǎn)一定角度，在旋轉(zhuǎn)作用下閥心叉發(fā)生一定的軸向位移。如果閥心向左移動(dòng)，P口和A口連通，B口和T口連通。P口處的高壓油，通過(guò)A口流人液壓缸的后腔。后腔增壓，空心活塞桿巧向左運(yùn)動(dòng)，前腔的油經(jīng)過(guò)B口、T口流回油箱。空心活塞桿向左移動(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)，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(guò)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(guò)平鍵聯(lián)接，沉人缸外轉(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(guò)程結(jié)束。

滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)的角度被平鍵聯(lián)接于缸外轉(zhuǎn)軸7上的編碼器6檢測(cè)到，此旋轉(zhuǎn)角度和空心活塞桿巧的位移對(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。

閥心的兩端使用萬(wàn)向聯(lián)軸器聯(lián)接，不限制徑向的小位移，防止閥心被拉傷，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，形成一個(gè)伺服控制系統(tǒng)。

和開環(huán)控制數(shù)字液壓缸相比，該閉環(huán)控制數(shù)字液壓缸的創(chuàng)新之處有以下兩點(diǎn)。

第一，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(guò)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(lái)消除。同樣，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)中被靈活的補(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。

第二，通過(guò)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。所謂磁耦合機(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。無(wú)需透過(guò)后缸蓋伸出桿件就可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞出來(lái)。對(duì)于精度要求不太高，傳遞扭矩不太大的情況，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(lái)，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。