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)字或者模擬信號的內(nèi)反饋式數(shù)字液壓缸；②使用數(shù)字信號控制運(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傳遞出來，其運(yùn)動控制依靠外部的液壓系統(tǒng)實現(xiàn)，數(shù)字液壓缸本身無法完成運(yùn)動控制；而后者雖然可以通過發(fā)送脈沖完成對數(shù)字液壓缸的運(yùn)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(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。使用一個中空式光電編碼器將兩者的優(yōu)點結(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)動的數(shù)字信號，又能對系統(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)電動機(jī)1接到脈沖信號，其輸出軸旋轉(zhuǎn)一定的角度，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過花鍵2、萬向聯(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)作用下外螺紋帶動閥心發(fā)生軸向的移動。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)過后，步進(jìn)電動機(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，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(yùn)動，前腔的油經(jīng)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(yùn)動，滾珠絲杠13在軸向上不移動，絲杠與步進(jìn)電動機(jī)旋向相反，帶動缸內(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同時旋轉(zhuǎn)相同的角度。反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過這樣一個磁耦合機(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是一個整體，缸外轉(zhuǎn)軸7和編碼器b通過平鍵聯(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，閥口關(guān)閉，一個步進(jìn)過程結(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檢測到，此旋轉(zhuǎn)角度和空心活塞桿巧的位移對應(yīng)，此信號傳給以單片機(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，對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。

閥心的兩端使用萬向聯(lián)軸器聯(lián)接，不限制徑向的小位移，防止閥心被拉傷，同時保證軸向運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的雙向傳遞。數(shù)字液壓缸在向前運(yùn)動的同時不斷關(guān)閉閥口，形成一個伺服控制系統(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。

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(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，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(jìn)電動機(jī)接受到控制脈沖速度一定的情況下，液壓缸的運(yùn)動速度加快。使用閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以設(shè)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(jìn)電動機(jī)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(shè)定速度，就增加對步進(jìn)電動機(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)動速度保持在設(shè)定值。當(dāng)壓力負(fù)載增大時，缸體內(nèi)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(yùn)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(jìn)電動機(jī)脈沖的發(fā)送速度來消除。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(bǔ)償。在開環(huán)控制數(shù)字液壓缸中，步進(jìn)電動機(jī)和滾珠絲杠之間部分的傳動誤差會對位移產(chǎn)生影響，三位四通控制閥的死區(qū)也會對開環(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)電動機(jī)和滾珠絲杠之間各傳動結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)，既回避了旋轉(zhuǎn)密封，同時又保證了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動從缸體內(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(zhuǎn)動相同的角度。無需透過后缸蓋伸出桿件就可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(jié)構(gòu)完全可以滿足使用要求。當(dāng)傳遞大動力或要求運(yùn)動精度較高時，必須從后缸蓋伸出桿件，將缸內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞出來，這就需要使用旋轉(zhuǎn)密封圈進(jìn)行良好密封，當(dāng)然其價格就比較昂貴。