数字液压缸的特点及应用

数字液压缸（Digital Hydraulic Cylinder）简称数字缸，它是指将步进或者伺服电动机、液压滑阀、闭环位置反馈设计组合在液压缸内部，接通液压油源，所有的功能直接通过数字缸控制器或计算机或PLC发出的数字脉冲信号来完成长度矢量控制的高新技术产品。

液压缸的数字化是将活塞或缸体的位移量进行数字化，使位移量可以直接通过控制器完成采集，同时也为微机提供活塞或缸体的数字化位移量。数字化液压缸可分为内驱动式和外驱动式两类。其中外驱动式数字化液压缸趋向于小型化或微型化，可作为某系统的智能单元，而内驱动式液压缸多趋向于大型化。液压缸的数字化也促进了微机的发展和应用，因此随着液压传动的特性与数字化相结合，必将促进液压行业的发展和提高液压系统的可靠。

随着制造技术、材料技术、可靠性技术、计算机技术以及摩擦磨损、密封机理等基础技术的发展，并且在吸收国外先进技术的基础上，国内已经研究和开发出数字化液压缸作为执行器。数字化液压缸可以作为系统的高精度变送器或智能变送器，也可以作为高精度的执行器，部分改变了目前普遍采用的行程开关等限位器件来控制液压缸的位移量的液压控制方式。

（一）数字液压缸的原理

数字液压缸属于增量式数字控制的电液伺服机构。由步进电动机和控制阀接收数字控制电路输出的脉冲序列信号，进行信号的转换和功率放大，然后驱动液压缸输出功率和位移。这里介绍一种螺纹式数字液压缸的构成和工作原理。

数字液压缸主要由液压力放大器、减速齿轮和步进电动机几大部分组成。数字缸所采用的液压力放大器原理上和普通的液压力矩放大器工作原理类似。其作用是将步进电动机的输出转矩放大，以便使液压缸能够带动负载正常工作。螺纹式的阀芯主要是将旋转运动转变为直线运动以实现阀口的开、闭，其作用相当于一个三通的滑阀。

图5-16所示为数字液压缸工作原理示意图。

图5-16　数字液压缸结构原理简图

1—活塞杆；2—活塞；3—反馈螺母；4—螺杆；5—三通阀阀芯；6—减速齿轮；7—步进电动机；

步进电动机的旋转运动通过减速齿轮6减速后，作用于三通阀阀芯5，使之转动。阀芯5与螺杆4为一体。螺母3固联在活塞2上。此时活塞不动，因此螺杆-螺母副的作用使阀芯产生轴向位移。打开阀口，当阀芯右移时，滑阀控制边a工作，pc与供油腔的阀口开大，由于Ac面积大于Ar，所以活塞向左运动。同时带动阀芯左移，减小阀开口，实现反馈。如果步进电动机反转，则阀芯左移，控制边b工作pc腔与回油腔的阀口开启，活塞向右移动。螺杆设计为空心结构，以便将沿螺纹边沿泄漏到活塞杆内腔的油引回油箱。

（二）数字液压缸的特点

数字液压缸在其内部实现反馈，因此虽然增加了液压缸本身复杂程度，但是从整个液压系统来看，无疑简化了系统构成及控制。数字液压缸主要特点包含以下几个方面。

（1）可以实现单缸多段调速、多点定位、两缸或两缸以上进行差补运动，完成曲线轨迹运动。(www.xing528.com)

（2）动力大，用步进电动机作为信号输出，使液压缸活塞杆完全按照步进电动机的运动而运动，即不失步，又有几百、几千吨的推力。因此利用小功率的控制系统就可使大型机械数控化，节省了方向阀、调速阀、分流阀等液压件。降低了成本。简化了系统，缩小了体积，降低事故率。

（3）控制系统简单。一套微处理器系统（如PLC），就可以完成单或多缸的多点、多速控制，也可完成多缸的同步、插补运动。操作简单、实用性好。

（4）液压系统高度简化，只需油泵、溢流阀（或数字压力阀）组成的液压源就可接管使用，无须任何方向阀、流量阀、调速阀、单向阀、同步阀等繁杂液压元件。也省略了这些阀件的安装集成块，也无须行程开关、继电器等电气元件。降低了使用成本和维修成本。

（5）具备总线控制和连续控制功能。可以实现在计算机总线控制系统中，使液压机械与其他加工设备组成柔性加工单元。

（三）数字液压缸现状

国内外都在大力发展数字液压缸技术，多种性能先进的数字液压缸投入了实际应用，如美图Vikers生产的专家智能伺服缸，其终端执行器数字伺服缸是许多高新技术产品的组合，包括了伺服型液压缸、内置式高精度位置传感器、滤清器、伺服阀、微型计算机控制器等。

六自由度运动平台是数字液压缸的一个典型应用，它的研制涉及机械、液压、电气、控制、计算机、传感器、空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等一系列高科技领域，因而近年来，引起国内外科研院校的研究兴趣。六自由度运动平台借助了六只数字液压缸的高精度、高动态响应的伸缩运动，完成平台在空间六个自由度的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态，可广泛应用到多种训练模拟器，如飞行模拟器、舰艇模拟器上，具有极为广阔的应用前景。图5-17所示为其平台的单个缸控制方案对比框图，图5-17a为液压伺服平台结构，图5-17b为数字平台的结构。

图5-17　六自由度平台单缸控制对比

从图5-17中可看出，主控计算机完成空间状态的实时解算，然后将解算结果送到六个单缸控制器，经D-A转换后送给伺服放大器、伺服阀、伺服缸推动平台运动。伺服缸的位移和压力通过两只传感器并经A-D转换后送给计算机，完成闭环控制。该伺服系统最大的难点是传递环节多、控制过于复杂、调试困难、可靠性差、伺服阀抗干扰、抗污染能力弱、故障率高，因而国内尽管许多单位进行了研制，但大面积推广的却始终不多。

为了攻克六自由度运动平台的应用难关，某公司采用了数字液压缸，作为六只控制缸。该数字缸取消了传统控制中的伺服阀、传感器、A-D转换和D-A转换等诸多环节，它是将传感器、数字阀等全部做到液压缸内部，形成自动位置反馈和速度反馈。数字缸可以直接接受计算机发出的数字脉冲信号进行可靠的工作。脉冲频率代表数字缸运动速度，脉冲总数代表数字缸运动行程，一一对应，将复杂的闭环控制变成了简单的开环控制。控制原理大大简化，不但系统响应速度加快，而且故障率也大为降低，可靠性得以提高。整个六自由度运动平台无任何液压控制元件和传感器，系统构成十分简单，如图5-18所示。

图5-18　基于数字液压缸的六自由度运动平台

除以上介绍的两种数字执行器外，还有数字阀门等，它由伺服控制阀门加数字阀门定位器构成，以艾默生旗下的费希尔（Fisher）FIELDVUE数字阀门控制器为例，目前全世界范围内已安装了超过一百万台，因其可访问性、极端温度（高达120℃/250°F）、极端振动和密闭空间工作性能，可应用于诸如纸浆、造纸及核电等行业的严苛环境中。