機(jī)電液集成數(shù)字液壓缸的設(shè)計(jì)分析

陳　琛，馬洪新

（德州學(xué)院，山東濟(jì)寧　253023）

?

機(jī)電液集成數(shù)字液壓缸的設(shè)計(jì)分析

陳琛，馬洪新

（德州學(xué)院，山東濟(jì)寧253023）

摘要：通過對(duì)新型機(jī)電液集成式數(shù)字缸工作原理進(jìn)行總結(jié)，結(jié)合設(shè)計(jì)要求、仿真分析以及實(shí)際應(yīng)用方面，對(duì)機(jī)電液集成數(shù)字液壓缸設(shè)計(jì)進(jìn)行研究分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)電液；集成；數(shù)字液壓缸；設(shè)計(jì)

液壓技術(shù)的發(fā)展，使得數(shù)字液壓缸的應(yīng)用更加廣泛，現(xiàn)階段工業(yè)方面數(shù)字液壓缸的種類包括內(nèi)反饋式數(shù)字液壓缸和開環(huán)控制數(shù)字液壓缸。以上兩種各有優(yōu)缺點(diǎn)，在本文中不多作贅述，并以此對(duì)新型數(shù)字液壓缸進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，對(duì)高速開關(guān)閥、油缸、反饋機(jī)構(gòu)等進(jìn)行集成，利用對(duì)開關(guān)閥PWN信號(hào)調(diào)制率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞位移與速度的控制，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1　新型機(jī)電液集成式數(shù)字缸工作原理

（1）系統(tǒng)工作原理。新型機(jī)電液集成式數(shù)字缸液壓控制系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，其中閥控缸系統(tǒng)在工作過程中，利用控制器對(duì)高速開關(guān)閥進(jìn)行控制，使得液壓缸活塞復(fù)位，此時(shí)控制器存取器清零操作。待復(fù)位之后，四個(gè)錐閥6～9，均處于截止?fàn)顟B(tài)，集成閥塊功能類似于四通滑閥的O型機(jī)能；控制器的前提下，數(shù)字缸活塞桿伸出缸體，高速開關(guān)閥接收控制器對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行傳遞，錐閥6 和8轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)，高速開關(guān)閥3和5，利用傳感器12實(shí)時(shí)檢測(cè)活塞的位移與速度，接收控制器傳遞各信號(hào)，對(duì)錐閥7和9液流油量進(jìn)行控制，以此發(fā)揮對(duì)活塞位移與速度進(jìn)行調(diào)控的功重要作用，高壓油經(jīng)過主油源10，此時(shí)錐閥7伸入到無桿腔，有桿腔油液途徑錐閥9而進(jìn)入到油箱之內(nèi)。和這個(gè)情況相反的是如果活塞桿返回，錐閥7和9保持截止?fàn)顟B(tài)，錐閥6和8利用一定流量的液壓油，返回到原本位置，其中高壓油返回到有桿腔，無桿腔油液返回到油箱。

1、10、主汕源；2～5、高速開關(guān)閥；11、汕缸；12、傳感器；13、控制器圖1　基于高速開關(guān)閥先導(dǎo)控制的集成閥控制原理

除此之外，控制器能夠利用對(duì)高速開關(guān)閥進(jìn)行控制，完成快速進(jìn)給的動(dòng)作，在此過程中錐閥6和9處于截止?fàn)顟B(tài)，錐閥7和8能夠完成差動(dòng)運(yùn)行，完成數(shù)字缸系統(tǒng)的快速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

（2）結(jié)構(gòu)分析。集成式數(shù)字缸結(jié)構(gòu)特征包括以下2個(gè)方面：①選擇高速開關(guān)閥當(dāng)作先導(dǎo)閥對(duì)邏輯錐閥進(jìn)行控制。其中，高速開關(guān)閥是因?yàn)殚y的結(jié)構(gòu)約束，使得輸出油量有限，實(shí)際上不利于在高壓大流量場(chǎng)合的使用，然而通過其在邏輯錐閥上的應(yīng)用，能夠解決以上難題。錐閥大多是應(yīng)用于高壓大流量場(chǎng)景，內(nèi)泄漏量不大。高速開關(guān)閥是基于計(jì)算機(jī)PWM控制方式，完成對(duì)輸出比例進(jìn)行控制，所以能夠利用其當(dāng)作錐閥先導(dǎo)閥對(duì)錐閥流量進(jìn)行控制，以此對(duì)活塞運(yùn)行速度進(jìn)行控制。②包括液壓缸、高速開關(guān)缸、檢測(cè)反饋設(shè)備集成技術(shù)等，需要注意的是數(shù)字液壓缸是把錐閥、高速開關(guān)閥等集成于尾部位置，利用對(duì)各組合邏輯錐閥的先導(dǎo)高速開關(guān)閥的PWM信號(hào)調(diào)制率對(duì)活塞往返運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。在此過程中，嵌入到活塞桿內(nèi)部的滾珠絲杠組也隨之運(yùn)動(dòng)，活塞直線運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，活塞的位移與速度利用滾珠絲杠轉(zhuǎn)換成缸外的旋轉(zhuǎn)編碼器，利用編碼器功能對(duì)活塞位移與速度進(jìn)行電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，傳遞到控制器，組成閉環(huán)數(shù)字閥控缸系統(tǒng)。以上結(jié)構(gòu)使得數(shù)字缸的結(jié)構(gòu)變得更加合理，液壓回路的損耗也變得可控。和常規(guī)比例閥、伺服閥等閥控缸系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比而言，高速開關(guān)閥具有經(jīng)濟(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精度高等優(yōu)勢(shì)。

2　機(jī)電液集成數(shù)字液壓缸設(shè)計(jì)研究

（1）設(shè)計(jì)要求。首先，要明確機(jī)電液集成數(shù)字液壓缸的設(shè)計(jì)要求，選擇數(shù)字閥——高速開關(guān)閥當(dāng)作邏輯錐閥的先導(dǎo)閥，對(duì)集成數(shù)字油缸進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)要求包括：舉升物重量是10t；速度處于0.25～1.5m/min范圍內(nèi)；形程是500mm；油壓是15MPa。

（2）動(dòng)態(tài)建模及仿真?；谠O(shè)計(jì)要求，必須對(duì)機(jī)電液集成數(shù)字缸控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，其中涉及到對(duì)數(shù)字缸各單元建模仿真，從而掌握機(jī)電液集成數(shù)字缸的工作性能。本利用AMESim平臺(tái)，分別建立高速開關(guān)閥與錐閥的數(shù)學(xué)模型，并且以高速開關(guān)閥為邏輯錐閥先導(dǎo)閥建立相關(guān)模型，以PID為基礎(chǔ)的高速開關(guān)閥為邏輯錐閥先導(dǎo)閥的閉環(huán)控制性能進(jìn)行深入分析，最后對(duì)機(jī)電液集成數(shù)字缸系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

高速開關(guān)閥建模方面，基于其工作原理與相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，對(duì)其流量方程進(jìn)行分析，高速開關(guān)閥的力平衡方程是：2

式中，F(xiàn)m為高速開關(guān)閥的電磁吸力；Fb為工作油壓作用在供油球閥上的力；M為球閥質(zhì)量；B為油液粘性系數(shù)；X為球閥與分離銷的位移。

利用各仿真分析研究，得到了高速開關(guān)閥當(dāng)作邏輯錐閥的先導(dǎo)控制閥，完成對(duì)錐閥流量及壓力進(jìn)行控制，其中也要采取一定的控制對(duì)策，從而促進(jìn)控制精度的提升。具體系統(tǒng)建模不作贅述，得出的液壓仿真曲線得知，無需對(duì)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，僅僅對(duì)數(shù)字缸輸入?yún)?shù)進(jìn)行調(diào)整，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸速度與位移進(jìn)行控制。此外，對(duì)輸入信號(hào)PWM信號(hào)調(diào)制率進(jìn)行調(diào)整，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液壓缸速度進(jìn)行控制的作用。

（3）應(yīng)用分析。假如應(yīng)用機(jī)電液集成式數(shù)字缸，則其運(yùn)動(dòng)控制框圖如圖2所示。

得知目前數(shù)字缸絲杠導(dǎo)程是4mm，旋轉(zhuǎn)編碼器傳遞脈沖數(shù)是1000個(gè)/r，活塞行程是500mm，快進(jìn)行程是100 mm，活塞移動(dòng)速度是0.2m/s；此外，一次工進(jìn)行程是200mm，活塞移動(dòng)速度是0.05m/s；二次工進(jìn)行程是100mm，活塞移動(dòng)速度是0.02m/s，快退速度是0.4m/s。

圖2　機(jī)電液集成控制數(shù)字缸控制流程圖

數(shù)字缸復(fù)位方面，基于控制器功能，數(shù)字缸返還到最初位置，控制器計(jì)數(shù)控制清零處理，為液壓缸順利工作做好前提準(zhǔn)備。其中需要注意的是旋轉(zhuǎn)編碼器是正向運(yùn)動(dòng)，計(jì)數(shù)脈沖是正的，反向轉(zhuǎn)動(dòng)是負(fù)的。

按照正常流程，待啟動(dòng)按鈕按下之后，對(duì)下一步流程是不是要執(zhí)行進(jìn)行判斷，如果判斷結(jié)果是不用按下，則進(jìn)行原地等待，如果判斷結(jié)果是按下，則進(jìn)行下一步執(zhí)行程序。

在快進(jìn)環(huán)節(jié)，首先要與工進(jìn)圖進(jìn)行對(duì)照，對(duì)初始調(diào)制率進(jìn)行設(shè)置，按照實(shí)際工作要求，形程是100mm，速度是0.2m/s，選擇好算法后，按照內(nèi)嵌式傳感器反饋得來的數(shù)據(jù)信息，利用控制器對(duì)于PWM信號(hào)調(diào)制率進(jìn)行控制，以此對(duì)活塞桿運(yùn)行速度進(jìn)行控制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)數(shù)的功能，對(duì)有無達(dá)到預(yù)定形程進(jìn)行判斷。假如沒有達(dá)到，則繼續(xù)以目前的速度運(yùn)行；假如到達(dá)，那么可以直接進(jìn)行下一步執(zhí)行程序。

一工進(jìn)環(huán)節(jié)，在快進(jìn)行程結(jié)束之后，按照設(shè)置好的調(diào)制率與具體工作要求轉(zhuǎn)入一工進(jìn)環(huán)節(jié)，行程是200mm，速度是0.05m/s，控制器按照內(nèi)嵌式傳感器反饋得到的數(shù)據(jù)信息，利用對(duì)控制活塞桿運(yùn)行速度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，對(duì)有無達(dá)到預(yù)定行程進(jìn)行判斷，假如到達(dá)，那么可以直接進(jìn)行下一步工作狀態(tài)。

二工進(jìn)環(huán)節(jié)，具體是在一工進(jìn)環(huán)節(jié)結(jié)束，按照工作要求轉(zhuǎn)換到二工進(jìn)行環(huán)節(jié)，行程是100mm，速度是0.02m/s，控制器按照內(nèi)嵌式傳感器反饋得到的數(shù)據(jù)信息，對(duì)活塞桿運(yùn)行速度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，對(duì)有無達(dá)到預(yù)定行程進(jìn)行判斷，假如到達(dá)，那么可以直接進(jìn)行下一步工作狀態(tài)。

快退環(huán)節(jié)是在行程完成后，基于控制器功能，快速回到原本位置。隨著活塞桿復(fù)位，編碼器反

轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器和對(duì)應(yīng)脈沖當(dāng)量相減，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值是0，也就是說活塞復(fù)位，控制器功能條件下，活塞暫停移動(dòng)，保持原地位置不變，直至下一個(gè)工作循環(huán)重新開始。

3　結(jié)語

綜上所述，機(jī)電液集成數(shù)字液壓缸和常規(guī)閥控缸系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，具有明顯的優(yōu)勢(shì)：首先，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且流程較簡(jiǎn)潔，利用一個(gè)數(shù)字缸就能夠?qū)崿F(xiàn)全部功能，省去了電磁換向閥、液壓缸、行程開關(guān)、調(diào)速閥等系統(tǒng)設(shè)備；其次，數(shù)字液壓缸能夠利用對(duì)控制程序進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度位移進(jìn)行控制，其中涉及到液壓閥數(shù)量及回路結(jié)構(gòu)；再次，高速開關(guān)閥當(dāng)作錐閥的先導(dǎo)閥，利用對(duì)控制器高速開關(guān)閥PWM控制，完成高壓大流量應(yīng)用場(chǎng)景下系統(tǒng)輸出參數(shù)進(jìn)行比例控制；最后，外界環(huán)境影響因素不可避免會(huì)對(duì)其精確度產(chǎn)生一定程度的影響，按照檢測(cè)反饋信息完成自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能，從而完成精確控制。

Design and Analysis of Electromechanical Liquid Integration Digital Hydraulic Cylinder

CHEN Chen，MA Hong-xin
（Dezhou College，Jining，Shandong 253023，China）

Abstract:This paper first concludes working principle of new type mechanical and electrical liquid integration digital cylinder，then combining with the design requirements and actual application，studies design of electromechanical liquid integrated digital hydraulic cylinder.

Key words:mechanical and electrical liquid；Integration；Digital hydraulic cylinder；design

作者簡(jiǎn)介：陳?。?992-），男，山東濟(jì)寧人，大學(xué)本科，主要研究方向：汽車。

收稿日期：2016-01-18

中圖分類號(hào)：TH137.51

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-980X（2016）02-0041-02