4.3 现代液压缸

4.3.1 模拟控制液压缸

模拟控制液压缸（又称为伺服液压缸），即伺服(或比例)阀控制液压缸，它是以液压缸为主体，集伺服(或比例)阀、节流阀、传感器等为一体的电液执行器。伺服液压缸与数字液压缸的区别除控制信号的形式不同外，在液压缸的结构上也有明显的区别。伺服液压缸通常装有传感器，传感器可以装在液压缸内部（受到较好的保护），也可以装在缸筒外部(便于安装调试)。活塞可以是单活塞杆形式，也可以是双活塞杆形式。

伺服液压缸典型组件如图4-31所示,它由电液伺服阀、缸筒、双向活塞杆、位置(移)传感器、载荷（负载）传感器、耳叉式支承座和杆端关节轴承等组成。

4.3.2 数字控制液压缸

随着计算机技术和电子技术的飞速发展，数字液压技术也得到了快速发展，与传统的电液伺服液压系统相比，数字液压系统的突出优点是控制技术先进、抗干扰能力强、控制精度高、同步性能好、响应速度快、对油液的清洁度要求低。

数字液压系统采用普通的液压泵站过滤精度达到9级就可以了，而电液伺服系统需要7级以上的液压油精度,所以数字液压系统不需要像电液伺服系统那样特别严格的过滤。同时数字液压系统可以采用较高的压力等级（28~40MPa）。流量也比较大，可以达到1000L/min以上。数字液压系统的核心执行单元是数字液压缸，从控制功能上需要数字液压缸具有力闭环控制和位移闭环控制，从应用上需要数字液压缸具有静态和动态的加载能力。

数字控制液压缸是数字液压缸及其配套数字控制器的组合，简称数字液压缸。它利用极为巧妙的结构设计，几乎将液压技术的所有功能集于一身，与专门研制的可编程数字控制器配合，可高精度地完成液压缸的方向控制、速度控制和位置控制。

（1）数字控制液压缸的分类

目前，已有的数字液压缸主要分为三种。

① 内反馈式数字液压缸  内反馈式数字液压缸能够输出数字或者模拟信号；但仅能够将液压缸运行的速度和位移信号传递出来，其运动控制依靠外部的液压系统实现，数字液压缸本身无法完成运动控制。

② 开环数字液压缸  开环数字液压缸是使用数字信号控制运行速度和位移的数字液压缸。这种液压缸可以通过发送脉冲信号完成对数字液压缸的运动控制，具有结构简单、控制精度高等显著优点。但由于它是一个开环控制系统，无法对由于系统温度、压力负载、内泄及死区等因素引起速度和位移的变化进行补偿。

③ 闭环控制数字液压缸  闭环控制数字液压缸使用一个中空式光电编码器，既能输出准确反映液压缸运动的数字信号，又能对系统温度、压力负载、内泄及死区等因素的影响进行补偿，进一步提高运动精度。

（2）开环数字液压缸

开环数字液压缸是将液压缸、数字阀、传感器有机地设计成一个整体而全部封闭在缸内。步进电动机可以直接接收计算机或数字控制器发出的数字脉冲信号。步进电动机带动数字阀，打开油路，液压缸运动，液压缸运动的同时通过机械位移传感器将活塞的速度和位置反馈到数字阀，构成了自动调节的速度闭环和位置闭环，从而将液压缸的速度和位移精确与步进电动机的转速和转角一一对应，形成了闭环控制的自动调节机理，将复杂的电闭环控制变成了简单的开环控制。

图4-32所示为数字控制电液步进液压缸的结构图和工作原理图，它由步进电动机发出的数字信号控制液压缸的速度和位移。通常这类液压缸由步进电动机和液压力放大器两部分组成。为了选择速比和增大传动转矩，二者之间有时设置减速齿轮。

步进电动机是一种数模(D/A)转换装置。可将输入的电脉冲信号转换为角位移量输出，即给步进电动机输入一个电脉冲，其输出轴转过一步距角(或脉冲当量)。由于步进电动机功率较小，因此必须通过液压力放大器进行功率放大后再去驱动负载。

液压力放大器是一个直接位置反馈式液压伺服机构，它由控制阀、活塞缸、螺杆和反馈螺母组成。图4-32(a)中电液步进液压缸为单出杆差动连接液压缸，可采用三通双边滑阀阀芯5来控制。压力油ps直接引入有杆腔,活塞腔内压力pc受阀芯5的棱边所控制，若差动液压缸两腔的面积比As∶Ac=1∶2,空载稳态时，，活塞2处于平衡状态，阀口a处于某个稳定状态。在指令输入脉冲作用下，步进电动机带动阀芯5旋转，活塞及反馈螺母3尚未动作，螺杆4对反馈螺母3作相对运动，阀芯5右移，阀口a开大，，于是活塞2向左运动，活塞杆外伸，与此同时，同活塞2联成一体的反馈螺母3带动阀芯5左移，实现了直接位置负反馈，使阀口a关小，开口量及pc值又恢复到初始状态。如果输入连续的脉冲，则步进电动机连续旋转，活塞杆便随着外伸；反之，输入反转脉冲时，步进电动机反转，活塞杆内缩。

活塞杆外伸运动时，棱边a为工作边，活塞杆内缩时，棱边b为工作边。如果活塞杆上存在外载荷，稳定平衡时，。通过螺杆、螺母之间的间隙泄漏到空心活塞杆腔内的油液，可经过螺杆4的中心孔引至回油腔。

（3）闭环控制数字液压缸

① 闭环控制数字液压缸的结构及工作原理  图4-33是一种闭环控制数字液压缸的结构原理图。

步进电动机1接到脉冲信号,其输出轴旋转一定的角度,旋转运动通过花键2、万向联轴器3、阀芯4传递给外螺纹5,外螺纹5和沉入缸外转轴7右端的内螺纹相互配合,内螺纹位置固定,在旋转作用下外螺纹带动阀芯发生轴向移动。数字液压缸采用负开口三位四通阀控制流量,阀口存在一定的死区,开始的几个脉冲产生的一小段位移并不能将P口处的高压油与A口或B口接通。死区过后,步进电动机再旋转一定角度,在旋转作用下阀芯又发生一定的轴向位移。如果阀芯向左移动,P口和A口连通,B口和T口连通。P口处的高压油,通过A口流入液压缸的后腔。后腔增压,空心活塞杆15向左运动,前腔的油经过B口、T口流回油箱。空心活塞杄向左移动时,带动固定在空心活塞杆上的丝杠螺母14向左运动,滚珠丝杠13在轴向上不移动,滚珠丝杠与步进电动机旋向相反,带动缸内转盘11旋转。后缸盖9两边的磁铁10相互吸引,使得缸外转盘8和缸内转盘11同时旋转相同的角度。反向旋转运动通过这样一个磁耦合机构被准确地传递到液压缸外。缸外转轴7和缸外转盘8是一个整体,缸外转轴7和编码器b通过平键连接,沉入缸外转轴7右端的内螺纹和外螺纹5配合。缸外转轴7反向旋转,外螺纹5向右移动,阀口关闭,一个步进过程结束。

滚珠丝杠旋转的角度被平键连接于缸外转轴7上的编码器6检测到,此旋转角度和空心活塞杆15的位移对应,此信号传给以单片机为核心的控制系统,控制系统根据运行位移和速度要求,对步进电动机进行闭环控制。

阀芯的两端使用万向联轴器连接,不限制径向的小位移,防止阀芯被拉伤,同时保证轴向运动、旋转运动的双向传递。数字液压缸在向前运动的同时不断关闭阀口,形成伺服控制系统。

② 和开环控制数字液压缸相比,闭环控制数字液压缸的创新点

a.采用了光电编码器反馈的闭环控制系统,能对系统温度、压力负载、内泄及死区等因素的影响进行补偿,并进一步提高了控制精度。

• 当油液温度升高时,黏度降低,流动速度加快,在阀开口大小一定的情况下,即步进电动机接受到控制脉冲速度一定的情况下,液压缸的运动速度加快。使用闭环控制系统,可以设定一个速度值,如果使用光电编码器检测到的液压缸速度大于此速度,就减小对步进电动机的脉冲发送速度；如果使用光电编码器检测到的液压缸速度小于设定速度,就增加对步进电动机的脉冲发送速度,这样始终可以使数字液压缸的运动速度保持在设定值。

• 当压力负载增大时,缸体内外的油液压力差减小,油液的流动速度减小,再加上油液所受的压力增大,液体体积被压缩,这两个因素都会造成液压缸的运动速度降低。这种误差可以通过在闭环控制系统中增大对步进电动机脉冲的发送速度来消除。

• 如果出现内泄现象,在发送脉冲速度一定,即阀开口大小一定的情况下，液压缸的运动速度也会降低，这种误差也可以在闭环控制系统中被灵活地补偿。在开环控制数字液压缸中，步进电动机和滚珠丝杠之间部分的传动误差会对位移产生影响，三位四通控制阀的死区也会对开环控制数字液压缸的位移产生影响。若采用闭环控制系统就可以消除这些影响，这样，可以适当降低步进电动机和滚珠丝杠之间各传动结构的精度，从而降低该部分的加工成本。

b.通过使用磁耦合机构,既回避了旋转密封,同时又保证了旋转运动从缸体内部到缸体外部的准确传递。磁耦合机构是指后缸盖两边内嵌磁铁的两个圆盘，它们在轴承的支撑作用和磁铁的吸引作用下,可以同时转动相同的角度。不需通过后缸盖伸出杆件就可以将旋转运动传递出来。对于精度要求不太高、传递转矩不太大的情况,这种结构完全可以满足使用要求。当传递大动力或要求运动精度较高时,必须从后缸盖伸出杆件,将缸内的旋转运动传递出来,这就需要使用旋转密封圈进行良好密封,当然其价格就比较昂贵。