伺服閥滑閥副配磨的精度控制方法

趙孟文，王瑞峰，樊澤明

(1.西安航空學(xué)院，陜西 西安 710077；2.航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610015；3.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

0 引言

電液伺服閥廣泛應(yīng)用于兵器工業(yè)的坦克、車載、艦載火控系統(tǒng)，導(dǎo)彈、飛機(jī)的飛控系統(tǒng)及現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)控制領(lǐng)域，是電液伺服控制系統(tǒng)的主要元件，用于完成系統(tǒng)的閉環(huán)控制。電液伺服閥的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能，決定了控制系統(tǒng)的性能。由于電液伺服閥的加工生產(chǎn)涉及高科技及軍工技術(shù)，其生產(chǎn)技術(shù)、工藝方法、專用設(shè)備都處于保密和封鎖狀態(tài)，難以依賴進(jìn)口。目前，國(guó)內(nèi)所需的高性能的伺服閥都依賴進(jìn)口，同等規(guī)格的伺服閥，國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格數(shù)倍于國(guó)內(nèi)，性能優(yōu)勢(shì)同樣較大。國(guó)內(nèi)對(duì)伺服閥滑閥副配磨精度的理論研究開始于20世紀(jì)80年代，起步較晚，且主要集中在幾所著名的高校。典型的噴嘴擋板伺服閥由力矩馬達(dá)、噴嘴、檔板、滑閥副(包括閥芯、閥套)等組成，其中滑閥副是電液伺服閥的功率放大級(jí)，滑閥副的加工生產(chǎn)是伺服閥加工過(guò)程中最困難，也是最關(guān)鍵的部分。閥芯、閥套沒(méi)有互換性，需要保證四個(gè)位置的重疊量和對(duì)稱性，重疊量的尺寸?。?～2 μm，精度高：±0.5 μm，而且沒(méi)有辦法直接測(cè)量[1]。國(guó)內(nèi)專家們對(duì)影響伺服閥滑閥副配磨精度的各因素，分別進(jìn)行了理論研究、仿真計(jì)算，并將研究成果應(yīng)用在為企業(yè)生產(chǎn)的伺服閥配磨設(shè)備上，逐步達(dá)到實(shí)用，技術(shù)方案也開始逐漸完善。

目前，伺服閥滑閥副重疊量和對(duì)稱性的間接測(cè)量方法主要是：在努力保證伺服閥節(jié)流口壓差不變的情況下的液壓流量測(cè)量法。在這種測(cè)量方法中，滑閥副的配磨狀態(tài)和將來(lái)的工作狀態(tài)相同，克服了其他測(cè)量方法的易泄漏、重復(fù)性和線性度差、大流量時(shí)，測(cè)量精度低等缺陷。但由于液體流動(dòng)的復(fù)雜性，對(duì)溫度、壓強(qiáng)、邊界條件等的敏感性，以及伺服閥滑閥副配磨試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，導(dǎo)致影響伺服閥滑閥副配磨精度的因素較多。 想要得到穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果，生產(chǎn)加工出滿足精度要求的伺服閥滑閥副，僅靠精確控制某一個(gè)或兩個(gè)物理量是難以達(dá)到的[2]。本文設(shè)計(jì)、制造了伺服閥滑閥配磨試驗(yàn)臺(tái)，總結(jié)了控制伺服閥滑閥副配磨精度的工作經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用流體力學(xué)和系統(tǒng)控制理論，全面地研究、分析了影響測(cè)量滑閥副重疊量和對(duì)稱性的因素。針對(duì)上述問(wèn)題，提出了保證伺服閥配磨精度的綜合控制方法[3]，試圖為電液伺服閥滑閥副的加工生產(chǎn)提供理論和經(jīng)驗(yàn)的參考。

1 伺服閥滑閥配磨試驗(yàn)臺(tái)的原理及結(jié)構(gòu)

伺服閥滑閥副的閥芯與閥套重疊量參數(shù)是影響伺服閥性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，其加工是伺服閥制造工藝中的關(guān)鍵工序。在加工過(guò)程中，需要反復(fù)對(duì)閥芯與閥套的重疊量、對(duì)稱度進(jìn)行測(cè)量和加工，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

伺服閥滑閥副配磨試驗(yàn)臺(tái)主要用于閥芯與閥套的重疊量和對(duì)稱度的測(cè)量?；竟δ苁牵?)可分別測(cè)量各節(jié)流窗口的流量-閥芯位移特性；2)通過(guò)各節(jié)流窗口流量特性測(cè)量和分析進(jìn)行重疊量的測(cè)量；3)各閥口的零位泄漏和中位綜合泄漏測(cè)試。結(jié)構(gòu)組成主要包括：液壓操作臺(tái)、液壓系統(tǒng)、液壓油溫控制系統(tǒng)、滑閥副安裝和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、調(diào)理電路、計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)[4]。滑閥配磨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)用于系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集，包括工控機(jī)和可編程控制器PLC，即下位機(jī)。工控機(jī)用于用戶界面顯示和人工操作，接受來(lái)自下位機(jī)的數(shù)據(jù)并處理。下位機(jī)用于完成控制信號(hào)的調(diào)理，并對(duì)配磨設(shè)備進(jìn)行進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制。采用PLC，可以簡(jiǎn)化硬件電路，便于維護(hù)[5]。

配磨試驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)閥套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了專門的閥體，將閥套、閥芯安裝于閥體中。從閥體右側(cè)端蓋引入驅(qū)動(dòng)，通過(guò)左側(cè)端蓋引出閥芯位移。在測(cè)試中，為了消除步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的誤差，采用彈簧壓緊方式，使閥芯總是與驅(qū)動(dòng)桿接觸。驅(qū)動(dòng)和閥芯位移測(cè)量方式由步進(jìn)電機(jī)、減速器、凸輪、夾具及液壓閥塊等組成。步進(jìn)電機(jī)與減速器連接，減速器的輸出軸與凸輪軸相連，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)導(dǎo)桿與被試件堵頭相連，從而驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，通過(guò)彈簧驅(qū)動(dòng)閥芯反向移動(dòng)[6-7]，采用光柵傳感器測(cè)量位移。通過(guò)誤差的評(píng)估和計(jì)算，這個(gè)驅(qū)動(dòng)、測(cè)量方案在控制好凸輪曲面跳動(dòng)精度的情況下，精度指標(biāo)滿足配磨系統(tǒng)試驗(yàn)要求[8]。下位機(jī)測(cè)控系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 下位機(jī)測(cè)控系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Composition block diagram of lower computer measurement and control system

2 伺服閥滑閥副配磨精度的綜合控制

2.1 滑閥副重疊量及對(duì)稱性的測(cè)量方法及原理

滑閥副重疊量及對(duì)稱性的測(cè)量方法通常有直接法、氣動(dòng)法、液壓法。直接法希望通過(guò)量具直接測(cè)量閥芯、閥套的加工尺寸，推算出重疊量和對(duì)稱性；但由于閥套結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，直接測(cè)量的結(jié)果誤差很大，只適合于閥芯的粗加工。氣動(dòng)法可分為壓力法和流量法，是利用氣體做工作介質(zhì)，通過(guò)增加設(shè)備功能，穩(wěn)定其他物理量，建立閥口的開度Xv與氣體壓力或流量的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而推算出中心位置，計(jì)算出重疊量和對(duì)稱性[9]；但由于氣體的粘度小，膨脹系數(shù)大，氣動(dòng)測(cè)量法僅適合于小流量的情況，在大流量時(shí)的測(cè)量，穩(wěn)定性不好，誤差過(guò)大。液壓法是用油液做工作介質(zhì)，同樣有壓力法和流量法，隨著技術(shù)的發(fā)展，液壓流量測(cè)量法成為目前比較常用的測(cè)量方法。具體方法是根據(jù)滑閥副節(jié)流窗口的流量特性公式：

(1)

通過(guò)增加設(shè)備功能，穩(wěn)定節(jié)流窗口前后壓差ΔP，認(rèn)為雷諾數(shù)Re在一定范圍內(nèi)，流量系數(shù)Cv近似恒定，簡(jiǎn)化并擬合流量公式，測(cè)量出(Qi，xvi)i=1,…,n序列值，換算得到閥芯中位值和各個(gè)重疊量。但在伺服閥滑閥副配磨系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)際測(cè)量工作中，由于閥口處各物理量變化復(fù)雜，影響因素多。要想得到誤差較小的測(cè)量結(jié)果，應(yīng)該對(duì)各影響因素進(jìn)行控制和補(bǔ)償，采用綜合控制的方法[10]。

2.2 溫度對(duì)滑閥副重疊量及對(duì)稱性測(cè)量的影響

系統(tǒng)油溫發(fā)生變化，油液粘度跟隨變化，影響了流量計(jì)的精度和滑閥副節(jié)流口的流量系數(shù)。根據(jù)實(shí)際流體矢量形式的N-S方程：

(2)

式(2)中,grad為某一標(biāo)量的梯度，divu為速度u的散度，2為拉普拉斯算子。等式左側(cè)第三、第四項(xiàng)為粘性力項(xiàng)?？梢钥闯觯簻囟韧ㄟ^(guò)對(duì)液體粘性的影響，影響滑閥節(jié)流口處的液流運(yùn)動(dòng)參數(shù)。伺服閥滑閥副配磨系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮油溫的控制，油液經(jīng)過(guò)管路和液壓元件、管接頭等輔件會(huì)產(chǎn)生沿程損失和局部損失，這些能量的損失會(huì)使得系統(tǒng)油溫上升。采用功率匹配的油冷機(jī)可以有效的控制好系統(tǒng)的油液溫度，控制精度可達(dá)到±0.1 ℃。但系統(tǒng)油液在試驗(yàn)時(shí)，流過(guò)伺服閥節(jié)流口會(huì)產(chǎn)生局部溫升，這個(gè)溫升在試驗(yàn)過(guò)程中可以明顯感受到，它也影響了伺服閥節(jié)流口后面的壓力傳感器，可以從壓力傳感器的數(shù)據(jù)測(cè)量中反應(yīng)出來(lái)，這個(gè)溫升影響了流量系數(shù)。目前通常采用的辦法還是認(rèn)為：節(jié)流口是銳邊節(jié)流，受溫度影響不大，流量系數(shù)不變[11]。對(duì)于壓力的變化，采用閥口壓力控制技術(shù)，保證伺服閥節(jié)流口前后壓差不變。實(shí)際上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)伺服閥節(jié)流口附近，進(jìn)行局部的恒溫度控制，使得油液粘度、流量系數(shù)不變化，壓差波動(dòng)就很小[12]。

2.3 雷諾數(shù)對(duì)滑閥副重疊量及對(duì)稱性測(cè)量的影響

雷諾數(shù)表示的是液體慣性力與粘性力之比，受溫度影響，滑閥副節(jié)流口的流量系數(shù)和雷諾數(shù)直接相關(guān)。伺服閥節(jié)流口開度較小時(shí)，雷諾數(shù)小，液體是層流運(yùn)動(dòng),流量系數(shù)受液體粘性、溫度影響較大，在進(jìn)行滑閥副重疊量及對(duì)稱性的測(cè)量時(shí)，流量系數(shù)是隨節(jié)流口開度變化的；隨著開度變大，液體通過(guò)節(jié)流口的流量變大，雷諾數(shù)變大，液體做紊流運(yùn)動(dòng)，流量系數(shù)受液體粘性、溫度影響較小，受伺服閥節(jié)流口的機(jī)械加工狀態(tài)影響也較小[13]。流量系數(shù)與液體雷諾數(shù)的關(guān)系如圖3所示。

從圖3可以看出，只要保證雷諾數(shù)Re超過(guò)一定范圍，銳邊節(jié)流的流量系數(shù)Cv的值在0.66～0.75之間。雷諾數(shù)增大，而流量系數(shù)Cv近似恒定。另外，如果能保證測(cè)試的溫度和壓差恒定，Cv變化的影響對(duì)四個(gè)窗口是一致的。在測(cè)試時(shí)選取Cv變化較小的區(qū)域，則可以通過(guò)四個(gè)窗口的流量特性來(lái)推算重疊量和對(duì)稱度[14]。

圖3 流量系數(shù)與液體雷諾數(shù)的關(guān)系Fig.3 The relationship between flow coefficient and liquid Reynolds number

2.4 開口形狀對(duì)滑閥副重疊量及對(duì)稱性測(cè)量的影響

線性化處理后的伺服閥負(fù)載流量方程如下：

QL=Kqxv-KcPL

(3)

伺服閥節(jié)流口開口形狀包括：閥套上的長(zhǎng)方形銳邊油口和閥芯上的銳角棱邊。理論分析、計(jì)算時(shí)，通常認(rèn)為銳邊節(jié)流口處，液流為紊流狀態(tài)，流量系數(shù)不受溫度影響，近似為常值。但在工程實(shí)際中，難以避免加工的缺陷、閥套、閥芯的徑向配合間隙、節(jié)流口銳角棱邊的鈍化，這些機(jī)械缺陷在節(jié)流口流量較小時(shí)，對(duì)流量特性的測(cè)量影響較大，測(cè)量結(jié)果顯示非線性較大。在大流量時(shí)，可以忽略其影響[16]。

2.5 節(jié)流口前后的壓差控制

液壓油源采用定量泵與三相異步電機(jī)組成的泵電機(jī)組，采用比例溢流閥進(jìn)行壓力控制，用油冷機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)油溫控制。伺服閥節(jié)流口的前后都裝有壓力傳感器，用于測(cè)量節(jié)流口前后的壓力并進(jìn)行壓差的控制。這樣的油源設(shè)計(jì)，原理簡(jiǎn)單、響應(yīng)塊，油泵功率小、發(fā)熱量不大，效果較好。由于回油的液阻始終存在，回油壓力不為零。節(jié)流口前端的液體壓力受到節(jié)流口前端液體的流速、管路長(zhǎng)度、局部裝置的影響；節(jié)流口后端的液體壓力也是一樣。但根據(jù)節(jié)流口流量特性公式，可以看出，影響流量特性的因素主要是節(jié)流口前后的壓力差值。要精確測(cè)量節(jié)流口開度一定時(shí)對(duì)應(yīng)的流量，應(yīng)對(duì)伺服閥節(jié)流口的壓差進(jìn)行閉環(huán)控制，通過(guò)安裝的這兩個(gè)壓力傳感器測(cè)出節(jié)流口的壓差，調(diào)節(jié)比例溢流閥來(lái)控制節(jié)流口的壓力差值[17]。壓差控制液壓原理圖如圖4所示。

圖4 閥口壓差控制原理圖Fig.4 Principle diagram of valve’s differential pressure control

另外，由于伺服閥重疊量的尺寸?。?～2 μm，精度高：±0.5 μm，因此在節(jié)流口前后的壓差穩(wěn)定控制過(guò)程中，不可忽略實(shí)際設(shè)備上的傳感器的安裝位置到伺服閥節(jié)流口的壓力損失， 這個(gè)壓力損失包括沿程損失和局部損失，損失大小隨液體流速改變，和液體流動(dòng)的路徑有關(guān)。在系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)、元件選型和液壓閥塊的設(shè)計(jì)時(shí)要考慮減小這部分的壓力損失[18]。

2.6 控制方法

比例溢流閥在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溫度飄移，引起壓力的變化。系統(tǒng)在增加了油冷機(jī)控制系統(tǒng)溫度的同時(shí)，在控制上采用了“前饋補(bǔ)償”和“相平面法變PID”控制算法相結(jié)合的改進(jìn)PID控制方法。

前饋補(bǔ)償是先確定一個(gè)變量跟干擾有關(guān)系而且可測(cè)，然后設(shè)計(jì)相應(yīng)控制算法[19]，施加到前向通路，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的前饋補(bǔ)償，以消除干擾信號(hào)。相平面法變PID控制算法是基于PID的相平面控制算法，利用誤差和誤差的導(dǎo)數(shù)為坐標(biāo)軸。根據(jù)誤差和誤差導(dǎo)數(shù)的比值進(jìn)行分區(qū)，根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)過(guò)程的不同階段，將相平面進(jìn)行區(qū)域化，對(duì)不同響應(yīng)階段的區(qū)域進(jìn)行分析并給予最優(yōu)化的控制和校正[20]。

3 系統(tǒng)運(yùn)行效果

上位機(jī)系統(tǒng)程序采用LabView最新版軟件進(jìn)行開發(fā)，采用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，模塊化設(shè)計(jì)，確?？刂七^(guò)程的功能性、可靠性，以及軟件的用戶界面友好性、可擴(kuò)展性、易維護(hù)性等主要特性。系統(tǒng)分為通訊模塊、監(jiān)測(cè)模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等，這些模塊配合完成上位機(jī)軟件功能，測(cè)量軟件主界面如圖5所示。

圖5 測(cè)量軟件主界面Fig.5 Main interface of measurement software

處理好滑閥副的配合面，保持油液的清潔度，控制好系統(tǒng)油溫和滑閥副局部的溫度，控制好滑閥副節(jié)流口壓差，通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制節(jié)流口開度，使得節(jié)流口處的雷諾數(shù)的值處在流量系數(shù)變化較小的范圍。這時(shí)，測(cè)得滑閥副的流量位移曲線如圖6所示。

圖6 實(shí)測(cè)流量位移曲線圖Fig.6 Flow displacement curve of measured flow

由圖6可見：在滑閥副節(jié)流口保持壓差恒定的情況下，閥口開度較小時(shí)，流量特性曲線非線性較大，這是因?yàn)樵谖⒚准?jí)的開度大小和變化中，閥口液流處在層流狀態(tài)，液體粘性力起主導(dǎo)作用，節(jié)流口的機(jī)械加工狀況影響閥口的流量特性曲線。在閥口開度較大時(shí)，閥口油液處在紊流狀態(tài)，液體的慣性力起主導(dǎo)作用，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)改變閥節(jié)流口大小，但流量系數(shù)近似為定值，節(jié)流口的機(jī)械加工狀況不影響閥口的流量特性曲線，流量特性曲線線性度較好。

4 結(jié)論

本文提出了保證伺服閥配磨精度的綜合控制方法，該方法給出了滑閥副重疊量及對(duì)稱性的測(cè)量方法，分析了節(jié)流口壓差、節(jié)流口加工狀態(tài)、系統(tǒng)及節(jié)流口附近油溫、液流雷諾數(shù)、滑閥副徑向間隙泄漏、系統(tǒng)控制算法等因素對(duì)伺服閥配磨量測(cè)試結(jié)果的影響，量化了每一個(gè)影響因素。根據(jù)研究分析的理論結(jié)果，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了伺服閥滑閥配磨試驗(yàn)臺(tái)。通過(guò)伺服閥配磨試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果表明，應(yīng)用這種綜合控制各影響因素的配磨方法，加工生產(chǎn)的伺服閥滑閥副的配磨誤差及重復(fù)測(cè)量精度滿足要求，內(nèi)泄指標(biāo)及壓力增益較好，實(shí)際效果達(dá)到要求。不足之處是：由于液體流動(dòng)的復(fù)雜性、滑閥副結(jié)構(gòu)變形、小開口時(shí)，流態(tài)的變化等因素對(duì)實(shí)際配磨加工工作的影響，需建立更為詳盡的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步完善綜合控制的方法，提高滑閥的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和線性度。