閉環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控制系統，無法對由于系統溫度、壓力負載、內泄及死區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，又能對系統溫度、壓力負載、內泄及死區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，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。死區過后，步進電動機再旋轉一定角度，在旋轉作用下閥心叉發生一定的軸向位移。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。空心活塞桿向左移動時，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，控制系統根據運行位移和速度要求，對步進電動機進行閉環控制。

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。

和開環控制數字液壓缸相比，該閉環控制數字液壓缸的創新之處有以下兩點。

第一，采用了光電編碼器反饋的閉環控制系統，能對系統溫度、壓力負載、內泄及死區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。使用閉環控制系統，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控制系統中增大對步進電動機脈沖的發送速度來消除。同樣，如果出現內泄現象，在發送脈沖速度一定，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控制系統中被靈活的補償。在開環控制數字液壓缸中，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也會對開環控制數字液壓缸的位移產生影響。若采用閉環控制系統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。