閉環(huán)控制數字液壓缸的結構及工作原理

目前的數字液壓缸主要有兩種：①是能夠輸出數字或者模擬信號的內反饋式數字液壓缸；②使用數字信號控制運行速度和位移的開環(huán)控制數字液壓缸。前者僅能夠將液壓缸運行的速度和位移信號傳遞出來，其運動控制依靠外部的液壓系統(tǒng)實現，數字液壓缸本身無法完成運動控制；而后者雖然可以通過發(fā)送脈沖完成對數字液壓缸的運動控制，但由于它是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，無法對由于系統(tǒng)溫度、壓力負載、內泄及死區(qū)等因素引起速度和位移的變化進行補償。使用一個中空式光電編碼器將兩者的優(yōu)點結合在一起，數字液壓缸既能輸出準確反映液壓缸運動的數字信號，又能對系統(tǒng)溫度、壓力負載、內泄及死區(qū)等因素的影響進行補償，進一步提高運動精度。

圖38是一種閉環(huán)控制數字液壓缸的結構原理圖。

步進電動機1接到脈沖信號，其輸出軸旋轉一定的角度，旋轉運動通過花鍵2、萬向聯軸器3、閥心4傳遞給外螺紋5，外螺紋5和沉人缸外轉軸7右端的內螺紋相互配合，內螺紋位置固定，在旋轉作用下外螺紋帶動閥心發(fā)生軸向的移動。本數字液壓缸采用負開口三位四通閥控制流量，閥口存在一定的死區(qū)，開始的幾個脈沖產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，步進電動機再旋轉一定角度，在旋轉作用下閥心叉發(fā)生一定的軸向位移。如果閥心向左移動，P口和A口連通，B口和T口連通。P口處的高壓油，通過A口流人液壓缸的后腔。后腔增壓，空心活塞桿巧向左運動，前腔的油經過B口、T口流回油箱?？招幕钊麠U向左移動時，帶動固定在空心活塞桿上的絲杠螺母14向左運動，滾珠絲杠13在軸向上不移動，絲杠與步進電動機旋向相反，帶動缸內轉盤11旋轉。后缸蓋9兩邊的磁鐵10相互吸引，使得缸外轉盤8和缸內轉盤11同時旋轉相同的角度。反向旋轉運動通過這樣一個磁耦合機構被準確地傳遞到液壓缸外。缸外轉軸7和缸外轉盤8是一個整體，缸外轉軸7和編碼器b通過平鍵聯接，沉人缸外轉軸7右端的內螺紋和外螺紋5配合。缸外轉軸7反向旋轉，外螺紋5向右移動，閥口關閉，一個步進過程結束。

滾珠絲杠旋轉的角度被平鍵聯接于缸外轉軸7上的編碼器6檢測到，此旋轉角度和空心活塞桿巧的位移對應，此信號傳給以單片機為核心的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據運行位移和速度要求，對步進電動機進行閉環(huán)控制。

閥心的兩端使用萬向聯軸器聯接，不限制徑向的小位移，防止閥心被拉傷，同時保證軸向運動、旋轉運動的雙向傳遞。數字液壓缸在向前運動的同時不斷關閉閥口，形成一個伺服控制系統(tǒng)。

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

第一，采用了光電編碼器反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，能對系統(tǒng)溫度、壓力負載、內泄及死區(qū)等因素的影響進行補償，并進一步提高了控制精度。當油液溫度升高時，黏度降低，流動速度加快，在閥開口大小一定的情況下，即步進電動機接受到控制脈沖速度一定的情況下，液壓缸的運動速度加快。使用閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以設定一個速度值，如果使用光電編碼器檢測到的液壓缸速度大于此速度，就減小對步進電動機的脈沖發(fā)送速度；如果使用光電編碼器檢測到的液壓缸速度小于設定速度，就增加對步進電動機的脈沖發(fā)送速度，這樣始終可以使數字液壓缸的運動速度保持在設定值。當壓力負載增大時，缸體內外的油液壓力差減小，油液的流動速度減小，再加上油液所受的壓力增大，液體體積被壓縮，這兩個因素都會造成液壓缸的運動速度降低。這種誤差可以通過在閉環(huán)控制系統(tǒng)中增大對步進電動機脈沖的發(fā)送速度來消除。同樣，如果出現內泄現象，在發(fā)送脈沖速度一定，即閥開口大小一定的情況下，液壓缸的運動速度也會降低，這種誤差也可以在閉環(huán)控制系統(tǒng)中被靈活的補償。在開環(huán)控制數字液壓缸中，步進電動機和滾珠絲杠之間部分的傳動誤差會對位移產生影響，三位四通控制閥的死區(qū)也會對開環(huán)控制數字液壓缸的位移產生影響。若采用閉環(huán)控制系統(tǒng)就可以消除這些影響，這樣，可以適當降低步進電動機和滾珠絲杠之間各傳動結構的精度，從而降低該部分的加工成本。

第二，通過使用磁耦合機構，既回避了旋轉密封，同時又保證了旋轉運動從缸體內部到缸體外部的準確傳遞。所謂磁耦合機構是指后缸蓋兩邊內嵌磁鐵的兩個圓盤，它們在軸承的支撐作用和磁鐵的吸引作用下，可以同時轉動相同的角度。無需透過后缸蓋伸出桿件就可以將旋轉運動傳遞出來。對于精度要求不太高，傳遞扭矩不太大的情況，這種結構完全可以滿足使用要求。當傳遞大動力或要求運動精度較高時，必須從后缸蓋伸出桿件，將缸內的旋轉運動傳遞出來，這就需要使用旋轉密封圈進行良好密封，當然其價格就比較昂貴。