数字缸的集成技术优化

数字缸属于增量式数字控制的机液伺服机构，它一般通过步进电动机和控制阀接受数字电路发出的脉冲序列信号，进行信号的转化与功率放大，驱动液压缸，输出功率信号为直线位移或速度。它是为了适应中、小行程和直线运动数字位置或速度控制而出现的。

数字缸是集机、电、液一体化的微量进给机构，它与目前使用和研发的直线微量进给机构相比，具有控制精度高、响应速度快、可靠性高、抗干扰能力强、输出功率大、结构紧凑等优点，它不仅适用于闭环控制系统，也可以用于开环控制系统以提高精度和响应速度。

1.数字缸的组成及工作原理

图6-30是三通阀控缸式数字缸的结构原理图，它由步进电动机和液压放大器两部分组成。步进电动机和液压力放大器之间，加设了减速齿轮。液压力放大器是一个直接反馈式液压伺服机构，由控制阀、活塞缸和螺杆螺母反馈机构组成。在指令输入脉冲作用下步进电动机的转动通过减速齿轮6减速后，作用于三通阀芯5，使之转动。阀芯与螺杆4为一体，螺母3固联在活塞2上，此时活塞及反馈螺母不动，因此螺杆-螺母副的相对运动使阀芯产生向右的轴向位移，打开阀口。数字液压缸的执行机构一般采用差动液压缸，其有杆腔作用着供油压力p_s，无杆腔油压p_c受三通滑阀式伺服阀控制。当阀芯右移时，滑阀控制边a工作，p_c与供油腔的阀口开大，液压油进入缸的右腔，由于A_c（活塞无杆腔面积）面积大于A_r（活塞有杆腔面积）（典型的差动缸此面积比A_r：A_c=1∶2），p_c>，活塞向左移动，带动活塞杆外伸，在活塞向左移动的同时，同活塞联成一体的反馈螺母带动阀芯左移，减小阀开口，实现了直接位置负反馈，阀口关小，开口量又恢复到初始状态。输入连续脉冲，则步进电动机连续旋转，活塞杆便随着外伸。若输入负脉冲时步进电动机反转，则阀芯左移，滑阀控制棱边b工作。p_c腔与回油腔的阀口开启，活塞向右运动，活塞杆便向内缩。螺杆为空心结构，以便将沿螺纹泄漏到活塞杆内腔的油引回油箱。

对于活塞面积比A_r∶A_c=1∶2的典型差动缸来说，空载下稳态时，则活塞处于平衡状态。而活塞杆外伸运动时，伺服阀的滑阀控制棱边a为工作边。活塞杆内缩运动时，棱边b为工作边，为使相同的脉冲频率下，活塞杆的伸缩速度相等，应使稳态下的，以保证外伸或内缩时，阀口a或b上的压降相等，这时，如果活塞杆上始终存在着外负载力F_L，为使稳态时，则应取

而不是取（6-5）

图6-30 数字缸结构原理图

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

2.数字缸的典型结构

根据液压伺服机构的不同，数字缸有滑阀伺服机构和螺纹伺服机构两种。

（1）滑阀伺服机构 图6-30～图6-32均为滑阀伺服机构。其中，图6-31是日本东京计器公司的数字缸，与图6-30相比，增设了一个平衡活塞4，其作用是防止空心活塞杆内腔的压力向右推螺杆，且将编码器装在缸头，使整体结构紧凑；图6-32是瑞士SIG公司的LV系列数字缸，它用四通阀控制单杆液压缸，其最大工作压力达30MPa，标准缸径为40～200mm，最大行程为1200mm。

图6-31 日本东京计器公司的数字缸

1—缸体 2—活塞杆 3—活塞 4—螺母 5—螺杆 6—阀体 7—平衡活塞 8—三通阀 9—齿轮副 10—编码器

图6-32 瑞士SIG公司LV系列数字缸

1—阀芯 2—缸体 3—活塞(www.xing528.com)

（2）螺纹伺服机构 图6-33是德国力士乐公司的数字缸，它的伺服阀芯采用的是特殊结构，将阀芯台肩做成螺纹状，轴向固定不动。这种螺纹伺服机构，是由图6-34a所示的机-液伺服机构演变而来的，所不同的是螺纹伺服机构的阀芯是旋转的，因而采用螺纹阀芯，而一般阀芯是直线运动的，因而采用滑阀。

图6-33 德国力士乐公司用螺纹伺服机构的数字缸

1—步进电动机 2—螺杆（阀芯） 3、6—阀口 4—活塞 5—活塞杆 7—螺纹槽

图6-34 机-液伺服机构

a）四通阀控制差动缸 b）三通阀控制差动缸

螺纹伺服机构的工作原理是：当螺杆阀芯随着步进电动机旋转，阀口3打开时，从缸体进入活塞杆腔的油液从阀口3、螺纹槽6进入活塞腔，活塞右移直至阀口3关闭，从而使活塞向右移动一位移。步进电动机反转时，阀口3关闭而阀口7打开，活塞腔内的油液经螺纹槽6、阀口7、活塞杆排回油箱，活塞腔内压力降低，活塞向左随动，直至阀口7关闭为止。实质是当阀芯随着步进电动机旋转时，p_s顺着螺纹槽与供油腔，或回油腔相通，压力油驱动活塞向右或向左运动。活塞运动的同时，带动阀口与阀芯做相对运动，关闭阀口，实现反馈。比较图6-34b和图6-33不难看出，螺纹伺服机构实质上就是三通阀控制差动缸的机-液伺服机构。但精度是靠螺杆的精度来保证，因此螺纹的加工精度要求非常高。此外，螺杆的径向液压作用力不平衡，还需从活塞杆前端接回油管，因此螺纹伺服机构不理想，而滑阀伺服机构应用较广。

3.数字缸的发展与使用

数字缸出现于20世纪70年代，由于巧妙地利用了液压和滚珠丝杠这两种技术，既可以达到大的输出力，又获得精密的位置精度，因而得到了迅速的发展和应用。目前，国外对于大推力、大行程的场合亦采用数字缸，从而简便地实现了数字位置或数字速度控制，控制精度达到了加工要求。现代的精密数字缸，由5相伺服步进电动机驱动，接受一个脉冲时步进电动机旋转0.09°，活塞移动12.7μm，最小进给量为2.083μm，液压缸的速度最高可达7～10m/min，最大推力输出可达10⁶N以上，不仅能作精密的定位控制，还可以十分方便地对速度、加速度和减速度进行控制。国外数字缸产品，如瑞士SIG公司的LV系列，其最大工作压力可达30MPa，缸径为200mm，最长行程达1200mm，甚至3000mm，可以广泛用于一般工业控制领域。日本东京计器公司的数字缸早已应用于两坐标（XY）数控机床、数控车床、自动机械、冶金设备、木工机械和潮水阀门上。国内研制的数字缸早在1980年已在XKB2122A三坐标数控铣床的纵坐标上使用了。

选择和使用数字缸时的原则如下：

1）数字缸的输出推力应大于加在其活塞杆上的负载力，并有一定的裕量。

2）数字缸活塞杆上的负载惯量应小于允许的负载惯量。

3）在允许的负载惯量下，应能满足所需的加、减速时间常数。

4）能在所需的工作频率（转速）和起、制动频率（转速）下工作。

5）回油路的背压应控制在允许背压范围内。

6）控制油温在允许范围内，并应保证油液清洁度。

7）清除机械传动部件（齿轮、滚珠丝杠）的间隙，以便提高传动精度。