機電液集成數字液壓缸的設計分析

陳　琛，馬洪新

（德州學院，山東濟寧　253023）

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機電液集成數字液壓缸的設計分析

陳琛，馬洪新

（德州學院，山東濟寧253023）

摘要：通過對新型機電液集成式數字缸工作原理進行總結，結合設計要求、仿真分析以及實際應用方面，對機電液集成數字液壓缸設計進行研究分析。

關鍵詞：機電液；集成；數字液壓缸；設計

液壓技術的發展，使得數字液壓缸的應用更加廣泛，現階段工業方面數字液壓缸的種類包括內反饋式數字液壓缸和開環控制數字液壓缸。以上兩種各有優缺點，在本文中不多作贅述，并以此對新型數字液壓缸進行設計研究，對高速開關閥、油缸、反饋機構等進行集成，利用對開關閥PWN信號調制率進行控制，實現對活塞位移與速度的控制，從而達到設計要求。

1　新型機電液集成式數字缸工作原理

（1）系統工作原理。新型機電液集成式數字缸液壓控制系統的工作原理如圖1所示，其中閥控缸系統在工作過程中，利用控制器對高速開關閥進行控制，使得液壓缸活塞復位，此時控制器存取器清零操作。待復位之后，四個錐閥6～9，均處于截止狀態，集成閥塊功能類似于四通滑閥的O型機能；控制器的前提下，數字缸活塞桿伸出缸體，高速開關閥接收控制器對PWM信號進行傳遞，錐閥6 和8轉換到截止狀態，高速開關閥3和5，利用傳感器12實時檢測活塞的位移與速度，接收控制器傳遞各信號，對錐閥7和9液流油量進行控制，以此發揮對活塞位移與速度進行調控的功重要作用，高壓油經過主油源10，此時錐閥7伸入到無桿腔，有桿腔油液途徑錐閥9而進入到油箱之內。和這個情況相反的是如果活塞桿返回，錐閥7和9保持截止狀態，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、高速開關閥；11、汕缸；12、傳感器；13、控制器圖1　基于高速開關閥先導控制的集成閥控制原理

除此之外，控制器能夠利用對高速開關閥進行控制，完成快速進給的動作，在此過程中錐閥6和9處于截止狀態，錐閥7和8能夠完成差動運行，完成數字缸系統的快速進給運動。

（2）結構分析。集成式數字缸結構特征包括以下2個方面：①選擇高速開關閥當作先導閥對邏輯錐閥進行控制。其中，高速開關閥是因為閥的結構約束，使得輸出油量有限，實際上不利于在高壓大流量場合的使用，然而通過其在邏輯錐閥上的應用，能夠解決以上難題。錐閥大多是應用于高壓大流量場景，內泄漏量不大。高速開關閥是基于計算機PWM控制方式，完成對輸出比例進行控制，所以能夠利用其當作錐閥先導閥對錐閥流量進行控制，以此對活塞運行速度進行控制。②包括液壓缸、高速開關缸、檢測反饋設備集成技術等，需要注意的是數字液壓缸是把錐閥、高速開關閥等集成于尾部位置，利用對各組合邏輯錐閥的先導高速開關閥的PWM信號調制率對活塞往返運動進行控制。在此過程中，嵌入到活塞桿內部的滾珠絲杠組也隨之運動，活塞直線運動變成旋轉運動，活塞的位移與速度利用滾珠絲杠轉換成缸外的旋轉編碼器，利用編碼器功能對活塞位移與速度進行電信號的轉換，傳遞到控制器，組成閉環數字閥控缸系統。以上結構使得數字缸的結構變得更加合理，液壓回路的損耗也變得可控。和常規比例閥、伺服閥等閥控缸系統進行對比而言，高速開關閥具有經濟合理、結構簡單、控制精度高等優勢。

2　機電液集成數字液壓缸設計研究

（1）設計要求。首先，要明確機電液集成數字液壓缸的設計要求，選擇數字閥——高速開關閥當作邏輯錐閥的先導閥，對集成數字油缸進行設計，設計要求包括：舉升物重量是10t；速度處于0.25～1.5m/min范圍內；形程是500mm；油壓是15MPa。

（2）動態建模及仿真。基于設計要求，必須對機電液集成數字缸控制系統進行分析，其中涉及到對數字缸各單元建模仿真，從而掌握機電液集成數字缸的工作性能。本利用AMESim平臺，分別建立高速開關閥與錐閥的數學模型，并且以高速開關閥為邏輯錐閥先導閥建立相關模型，以PID為基礎的高速開關閥為邏輯錐閥先導閥的閉環控制性能進行深入分析，最后對機電液集成數字缸系統進行仿真。

高速開關閥建模方面，基于其工作原理與相關參數指標，對其流量方程進行分析，高速開關閥的力平衡方程是：2

式中，Fm為高速開關閥的電磁吸力；Fb為工作油壓作用在供油球閥上的力；M為球閥質量；B為油液粘性系數；X為球閥與分離銷的位移。

利用各仿真分析研究，得到了高速開關閥當作邏輯錐閥的先導控制閥，完成對錐閥流量及壓力進行控制，其中也要采取一定的控制對策，從而促進控制精度的提升。具體系統建模不作贅述，得出的液壓仿真曲線得知，無需對液壓系統結構進行改變，僅僅對數字缸輸入參數進行調整，即可實現對液壓缸速度與位移進行控制。此外，對輸入信號PWM信號調制率進行調整，也能夠實現對液壓缸速度進行控制的作用。

（3）應用分析。假如應用機電液集成式數字缸，則其運動控制框圖如圖2所示。

得知目前數字缸絲杠導程是4mm，旋轉編碼器傳遞脈沖數是1000個/r，活塞行程是500mm，快進行程是100 mm，活塞移動速度是0.2m/s；此外，一次工進行程是200mm，活塞移動速度是0.05m/s；二次工進行程是100mm，活塞移動速度是0.02m/s，快退速度是0.4m/s。

圖2　機電液集成控制數字缸控制流程圖

數字缸復位方面，基于控制器功能，數字缸返還到最初位置，控制器計數控制清零處理，為液壓缸順利工作做好前提準備。其中需要注意的是旋轉編碼器是正向運動，計數脈沖是正的，反向轉動是負的。

按照正常流程，待啟動按鈕按下之后，對下一步流程是不是要執行進行判斷，如果判斷結果是不用按下，則進行原地等待，如果判斷結果是按下，則進行下一步執行程序。

在快進環節，首先要與工進圖進行對照，對初始調制率進行設置，按照實際工作要求，形程是100mm，速度是0.2m/s，選擇好算法后，按照內嵌式傳感器反饋得來的數據信息，利用控制器對于PWM信號調制率進行控制，以此對活塞桿運行速度進行控制，并且能夠實現計數的功能，對有無達到預定形程進行判斷。假如沒有達到，則繼續以目前的速度運行；假如到達，那么可以直接進行下一步執行程序。

一工進環節，在快進行程結束之后，按照設置好的調制率與具體工作要求轉入一工進環節，行程是200mm，速度是0.05m/s，控制器按照內嵌式傳感器反饋得到的數據信息，利用對控制活塞桿運行速度進行控制，實現計數功能，對有無達到預定行程進行判斷，假如到達，那么可以直接進行下一步工作狀態。

二工進環節，具體是在一工進環節結束，按照工作要求轉換到二工進行環節，行程是100mm，速度是0.02m/s，控制器按照內嵌式傳感器反饋得到的數據信息，對活塞桿運行速度進行控制，實現計數功能，對有無達到預定行程進行判斷，假如到達，那么可以直接進行下一步工作狀態。

快退環節是在行程完成后，基于控制器功能，快速回到原本位置。隨著活塞桿復位，編碼器反

轉，計數器和對應脈沖當量相減，計數器計數值是0，也就是說活塞復位，控制器功能條件下，活塞暫停移動，保持原地位置不變，直至下一個工作循環重新開始。

3　結語

綜上所述，機電液集成數字液壓缸和常規閥控缸系統進行對比分析，具有明顯的優勢：首先，結構相對簡單，而且流程較簡潔，利用一個數字缸就能夠實現全部功能，省去了電磁換向閥、液壓缸、行程開關、調速閥等系統設備；其次，數字液壓缸能夠利用對控制程序進行調整，從而實現對速度位移進行控制，其中涉及到液壓閥數量及回路結構；再次，高速開關閥當作錐閥的先導閥，利用對控制器高速開關閥PWM控制，完成高壓大流量應用場景下系統輸出參數進行比例控制；最后，外界環境影響因素不可避免會對其精確度產生一定程度的影響，按照檢測反饋信息完成自動調節的功能，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

作者簡介：陳琛（1992-），男，山東濟寧人，大學本科，主要研究方向：汽車。

收稿日期：2016-01-18

中圖分類號：TH137.51

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）02-0041-02