数字液压缸技术开发与应用探究

王相勇 郑加海

摘  要：数字液压缸是一种集成机械反馈的直线液压放大器，是电机的特性随动和功率放大装置，不仅操作十分简单，还极大地简化了控制技术，控制的精度更加高，而且对电离电磁、油液污染、冲击振动及温度范围等也具有极强的耐受能力，在当前的社会中具有十分广泛的应用。本文就分析了数字液压缸的技术开发要点与具体应用，仅供参考。

关键词：数字液压缸  电机  技术开发  应用

中图分类号：TH137                         文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）05（b）-0023-03

Research on the Development and Application of Digital Hydraulic Cylinder Technology

WANG Xiangyong  ZHENG Jiahai

（Shandong Jinli Hydraulic Technology Co.， Ltd.， Linyi， Shandong Province， 276000  China）

Abstract： The digital hydraulic cylinder is a linear hydraulic amplifier with integrated mechanical feedback. It is the characteristic follow-up and power amplifier device of the motor. It is not only very simple to operate， but also greatly simplifies the control technology， and the control accuracy is higher. Liquid pollution， shock and vibration， and temperature range are also extremely resistant， and have a very wide range of applications in the current society. This paper analyzes the key points and specific application of digital hydraulic cylinder technology development， which is only for reference.

Key Words： Digital hydraulic cylinder; Motor; Technology development; Application

随着现代计算机信息技术与电子技术的不断更新发展，数字液压技术逐渐兴起并获得了飞速的发展。这种技术与传统的电液伺服液压系统相比较，操作十分简单，而且还极大地简化了控制技术，控制的精度更高，同时，还具有抗干扰能力强、响应速度快和同步性能强等显著优势。

1  数字液压缸及其控制原理分析

数字液压缸在外形与功能方面，较传统的电液伺服液压设备基本上没有太大的区别，但在内部结构与控制原理方面却存在着本质上的区别。就目前而言，数字液压缸的缸体与阀都是一体化的，但在位移控制方面则是通过缸体内设置的滚珠丝杠进行机械反馈来进行控制的。同时，在缸体上还装有力传感器用于力闭环控制和数据反馈，而阀的驱动则是采用步进电机或者伺服电机。

如图1所示，该数字液压缸系统是位移闭环反馈控制数字液压缸。该数字液压缸的控制精度主要取决于滚珠丝杠和机械加工的精度。其工作原理是步进电机在接到脉冲信号后，输出轴旋转一定的角度，促使旋转运动通过花键、万向联轴器和阀芯传递给外螺纹，而外螺纹与沉入到缸外转轴右端并固定的内螺纹通过相互配合，在旋转的作用下，促使外螺紋带动阀芯发生轴向的移动。在一般的情况下，滚珠丝杠的精度能够达到0.005mm/300mm，但综合考虑其他传动环节加工的精度，其控制精度实际可以达到0.015mm左右。

在实际运用中，该数字液压缸是通过滚珠丝杠的导程、阀的开口与步进电机编码器关系，建立起命令信号与活塞唯一之间的控制方程。因为该系统中缸体内腔被空心活塞杆分割成两部分，一部分是有杆腔体，另一部分是无杆腔体。而比例压力阀主要是用于调节有杆腔体与无杆腔体之间液压油的压力差。与此同时，比例压力阀与电机分别连接控制系统的通讯，而控制系统通过向其发射脉冲信号，对电机进行控制，实现其旋转，并根据电机反馈回来的电流信号，控制比例压力阀对有杆腔体与无杆腔体之间液压油的压力差进行调节，利用存在着的压力差实现对空心活塞杆推理的控制，使腔体内不存在控流死区。此外，滚珠丝杠与空心活塞杆之间还能实现主动自锁。这样一来，数字液压缸就集成了步进电机、液压阀、液压缸、位移传感器、反馈控制等多种功能于一体，可以直接采用计算机进行控制来完成各种功能，属于全数字的控制系统，能有效克服传统电液伺服动作器抗干扰能力差及温柔位移的缺点，可以直接进行位移的控制，而且因为采用了计算机控制，能够进行远距离网络化控制，也进一步提高了数字液压缸系统运行的安全性与可靠性[1-2]。

2  数字液压缸技术的使用特点分析

2.1 使用性能十分优越

数字液压缸技术的使用性能十分优越，能够实现单缸的多段位调速和多点定位，同时还可以实现两缸及以上的差补运动，顺利完成曲线轨迹的运动。而且，在实际运用中，数字液压缸使用了步进电机进行信号的输出，使其中的活塞杆完全按照步进电机的运动来进行运动，既不会出现失步现象，又能提供较大的推动力，从而实现大型机械装备在微米级的运动控制，且响应速度十分快捷。这样就有效节省了传统设备的方向阀、调速阀和分流阀等液压件，有效简化了系统，缩小了设备体积，降低了设备运行的成本，也将历史事故发生率。此外，数字液压缸还采用了计算机控制技术，能够在远程进行无损失控制执行，操作变得更为简单，真正实现了生产的自动化[3]。

2.2 具有优秀的生存力

当前，数字液压缸在控制指令环节极大减少了电子器件的使用，因此对外界产生的电磁泄露情形极少，具有极低的电磁辐射。其次，数字液压缸系统具有极强的抗大加速度冲击和振动性能，而且对工作的介质几乎没有任何要求，甚至在极端的环境下，水或者压力气体都能够让该系统暂时工作，虽然工作效率稍微有点低，但这却是其他系统无法实现的。

2.3 使用简单且易于维护

行业内有人对数字液压缸的使用感受形容为“会数数就会使用数字液压缸”。这句话形象地阐述了数字液压缸的使用简单和易于维护的显著特点。在实际运用中，数字液压缸系统运用一个元器件，替代了传统电液伺服动作器复杂的控制系统，实现了简单操控，这就使得数字液压缸系统无论是从设计、使用，还是长期的维护等方面，都极大地降低了难度，非常适合非专业人士的使用。

3  数字液压缸技术的应用探究

目前，数字液压缸技术已经在建筑施工领域、工业工程领域、航天领域等不同的领域获得了广泛应用。

3.1 在建筑工程领域的应用

在建筑工程施工中，数字液压缸系统具有十分广泛的应用，特别是在当前的大型结构屋架的滑移施工中，施工人员可以借助数字液压缸系统的简单操作、控制精度高和抗干扰能力强特点，利用数字液压缸系统进行房屋建筑的力控制和位移控制，实现力—位移的平滑切换，这样就能极大降低房屋建筑施工的难度，并更好地把控施工的进度，提高施工的质量。此外，在建筑工程机械钟，液压油缸也具有广泛的应用，例如，利用数字液压缸来代替工程机械原有的数控折弯机液压同步控制系统中的比例阀和液压缸，可以使折弯机的液压控制系统结构更为简单紧凑，更易于实现智能控制[4-5]。相信未来在建筑工程施工中，数字液压缸系统会获得更广泛的应用，发挥出更大的作用。

3.2 在航空航天领域中的应用

数字液压缸技术在航空航天航空领域也具有十分广泛的应用。在具体应用中，工作人员还可以将其应用到飞行器的控制系统当中，给运动的平面做一个导轨，限定其运动的轨迹，然后借助计算机软件实现对飞行器的远程控制，并可以实时测定冲头速度和压力，并且还能方便地将侧脸多个数据反馈给微机的闭环控制当中，为实现飞行器的自动化操作创造了有利的条件。

3.3 在工业生产领域的应用

在当前的工 业生产领域，数字液压缸技术也具有十分广阔的应用前景。在实际运用中，工作人员可以根据数字液压缸的动力大的特点，运用步进电机进行信号的输出，促使液压缸的活塞杆完全按照步进电机的运动轨迹而进行相应的运动，这样即不失步，又能产生几百、几千吨的推力。这样一来，就可以利用较小的功率控制系统，实现对大型机械的数控化，不但节省了方向阀、调速阀和分流阀等液压件的使用，降低了成本，还能简化系统，缩小大型机械设备的体积，并确保缱绻的运行，降低事故的发生率[6]。

例如，在精密产品注塑成型加工中，一般将树脂注入到金属膜中分为两大步骤：第一是注塑的过程;第二是填充结束后的保压过程。在第一步骤中，工作人员可以利用数字液压缸来调节注塑的速度，实现均匀的注塑操作，而在第二步中，工作人员可以通过调节合模力的大小来控制压力。在具体的操作中，工作人员可以借助计算机进行PCM流量控制和压力控制，按照PCM控制法由脉冲输出码进行控制，而各个控制时间可以由计算机软件精准确定，并自动计时，确保生产的顺利进行，并确保产品的质量。

3.4 在液压试验台方面的应用

数字液压缸技术在液压试验台方面的应用，主要可以分为泵实验台和阀试验台两大类。

首先，在泵试验台的应用中，主要是对新生产的泵进行试验，或者对旧泵进行维修。在实际操作中，主要是进行压力与流量两大项的试验，但一些特殊的油泵可能还需要对排量进行试验调节，此外，还需要进行恒功率、恒压力等控制功能的试验。如果试验台的要求不高，只需要运用一个步进电机和一组溢流阀及高压节流阀就可以完成试验台的构建，即依靠节流阀的关闭模拟负载，然后分成几个不同的压力等级分别进行试验，并将实验结果完整记录下来[7]。

其次，在阀试验台中的应用，如果针对普通的换向阀试验台设计更为简单，因为是实验阀在高压下的动作能力，同时观察其在高压下是否存在外漏的问题。这样就只需要运用一个较小的高压泵和一个阀板就可以完成试验台的构建。如果是对特殊的比例阀或伺服阀进行测试，试验台的构建就会复杂的多，需要运用更多的设备来进行阀试验台的组建。

4  结语

综上所述，数字液压缸技术是一种正在高速发展的液压新技术，特别是随着计算机信息技术和电子技术的不断发展，数字液压缸已经展现出了巨大的发展潜力，能够应用在很多电液伺服系统领域，从而推动我国工业生产的健康发展。当然，这仅是笔者的一点个人浅见，而且在阐述过程中，可能因水平有限，语言逻辑可能存在不足，但希望笔者的阐述能为相关从业人员的研究工作提供参考，不断推动我国数字液压缸系统研发工作的进步。

参考文献

[1] 代立明.高壓变排量数字液压缸驱动技术研究[J].机械工程师，2020（11）：125-127.

[2] 王慧，姜守岭.数字液压缸反馈螺杆库伦摩擦仿真研究[J].控制工程，2020，27（4）：662-668.

[3] 王野牧，董雷.基于AMESim 的数字缸建模与仿真[J].重型机械，2020（1）：65-68.

[4] 刘有力，马长林，潘荣安，等.数字液压缸联合仿真与试验研究[J].机床与液压，2019，47（1）：35，57-60.

[5] 王慧，姜守岭，齐潘国，等.数字液压缸刚度特性分析及AMESim模拟[J].控制工程，2018，25（10）：75-79.

[6] 刘有力，马长林，李锋.数字液压缸非线性建模仿真与试验研究[J].液压与气动，2018（10）：121-127.

[7] 杨辉，田大庆，江怡舟.一种新数字液压缸的结构及其工作原理[J].机电技术，2018（3）：19-20，24.