第5讲-数字液压伺服缸

《电液伺服与比例控制》机械工程系机电教研室第5讲数字液压伺服缸WenzhouVocational&TechnicalCollege第5讲数字液压伺服缸•传统液压技术是开关阀技术、比例阀技术和伺服阀技术，这是一种模拟控制技术，它的精确控制是建立在闭环控制基础上的，它依靠各种传感器、伺服阀、伺服放大器、控制器等各种硬件与各种自动控制理论相结合完成。系统复杂、维护麻烦。一、数字液压技术•数字液压技术以数字缸为代表，它是将油缸、数字阀、传感器有机的设计成一个整体而全部封闭在缸内。步进电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。步进电机带动数字阀，打开油路，油缸运动，油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，从而将油缸的速度和位移精确与步进电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。钢厂热锯机导弹发射训练模拟器大型游乐设备航空模拟器二、数字液压缸工作原理数字液压缸，简称：数字油缸，或数字缸。它是指将步进或伺服电机、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可编程逻辑控制器（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。大型游乐设备数字缸及其安装现场闭环控制数字液压缸框图闭环控制数字油缸工作原理图1—步进电机；2—花键；3—万向联轴器；4—阀芯；5—外螺纹；6—编码器；7—缸外转轴；8—缸外转盘；9—后缸盖；10—磁铁；11—缸内转盘；12—缸体；13—滚珠丝杆；14—丝杆螺母；15—空心活塞杆步进电机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的移动。本数字油缸采用负开口三位四通阀控流，控流存在一定的死区，开始的几个脉冲产生的一小段位移并不能将P口处的高压油和A口或B口接通。死区过后，步进电机再旋转一定角度，在旋转作用下阀芯又发生一定的轴向的位移。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口流入油缸的后腔。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。空心活塞杆向左移动时，带动固定在空心活塞杆上的丝杆螺母14向左运动，滚珠丝杆13在轴向上不移动，丝杆发生与步进电机旋向相反的旋转，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的传递到油缸外。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6通过平键联接，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。滚珠丝杆旋转的角度被平键联接于缸外转轴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，对步进电机进行闭环控制。阀芯的两端使用万向联轴器联器，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。数字油缸在向前运动的同时不断关闭阀口，形成一个伺服控制系统。闭环控制数字油缸的特点：•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。•通过使用磁耦合机构，回避了旋转密封，同时又保证了了旋转运动从缸体内部到缸体外部的准确传递。三、数字液压缸的应用实例•数字液压缸可以应用于机床上推动刀架的运动，控制大型碟阀的开启，控制注塑机的注塑压力，以及应用于多缸同步系统，步进炉驱动系统，中国海洋深井取样数字驱动装置，汽轮机、水轮机调速系统，各种武器装备和自动控制系统等等。数字液压执行系统图1油泵；2；7；8电磁阀；3进给数字油缸；4转位油缸；5夹紧油缸；6转塔刀架；9单向阀数字液压执行系统的工作过程：•1.快速趋近：给步进电机发送高频正向脉冲，转塔进给数字油缸3快速前进，从数字油缸内部的光电编码器传递回来的信号判断速度是否达到预定要求，如果速度大于预定速度则减小脉冲发送速度，如果速度小于预定脉冲速度则增大脉冲发送速度。任何时候停止发送脉冲，数字油缸停止前进。•2.工作进给：通过光电编码器传递回来的脉冲信号可以判断出刀架相对于零点的位移，当达到快进结束位置后，降低发送脉冲的速度，转塔进给数字油缸3低速工进。当各种条件发生变化，运动速度和位移没有达到预定要求时，可以通过闭环控制的优势完成自动的调节发送脉冲速度和数量。•3.微抬：当工作进给结束时，压触点开关，使2DT通电，电磁阀7左位工作，夹紧油缸5的上下腔全部接油箱，此时转塔刀架6在弹簧的作用下微抬，使刀具离开工作表面。•4.快速退回：微抬后压触头开关，给步进电机发送反向高频脉冲，数字油缸快速退回。使用闭环控制系统可以达到稳定的预定速度和位移。•5.抬起：转塔刀架退回到终点时（即起始位置），压终点开关，使3DT通电，2DT断电，转塔刀架抬起。这时从油泵1—阀9—阀8左位—夹紧液压缸5下腔为进油路；夹紧液压缸5上腔油液—阀7右位—阀8左位回油箱。•6.转塔转位：转塔刀架抬起后压行程开关使1DT通电，此时进油路为油泵1—阀2左位—转位液压缸右腔，推动活塞齿条左移，经转塔刀架下部齿轮及离合器带动转塔刀架转位。夹紧油缸4左侧油液—阀2左位—回油箱。•7.转塔夹紧：转位后，活塞杆压行程开关，使3DT断电，压力油经油泵1—单向阀9—阀8右位—阀7右位—夹紧液压缸5的上腔而夹紧转塔；夹紧液压缸5下腔的油经阀8右位回油箱。转塔刀架夹紧后，压行程开关使1DT断电，压力油进入转位液压缸4的左腔，使活塞齿条复位（此时离合器已脱开）。至此一次循环结束。系统特点：•1.结构简单，环节少。通过使用一个数字缸，可实现包含传统的多个滑阀、调速阀、单向阀、普通油缸等组成的一个液压回路系统所实现的所有功能。•2.运动规律易于改变。数字油缸可以通过改变控制程序实现其运动速度和位移的变化，而传统液压回路系统就不容易改变其速度和位移，需要增减液压阀、改变回路结构。•3.控制精度高。滚珠丝杆的导程为10mm，步进电机和光电编码器的脉冲周期为1024P/R，数字油缸的精度可达到0.01mm。