数字液压缸的几个问题

1. 概述

数字液压缸目前并没有明确的定义，多数人认可的概念就是电机驱动的阀控液压缸，电机可以用步进电机或伺服电机，同时液压缸的位置反馈采用滚珠丝杠这种机械方式，所以最初被称为步进液压缸。图1为数字液压缸的原理图，具体构造就是在液压缸中安装滚珠丝杠，在缸尾安装滑阀，阀芯与丝杠“连接”，阀芯的另一端与伺服电机“连接”，这里所说的“连接”不是简单的连接，是一种旋转和进给复合的机构连接，当电机旋转时，阀芯将沿轴向移动打开油路给液压缸供油，使得活塞杆移动，由于活塞杆移动带动滚珠丝杠移动，滚珠丝杠又将阀芯推回到关闭状态。如果伺服电机不断旋转，阀芯不断打开，则活塞杆不断运动，这就是目前使用的数字液压缸原理。至于液压缸运动的速度和位移，与伺服电机的转动速度、丝杠导程和阀的流量有关，需要进行各个环节的参数匹配。数字液压缸还有其他几种类型，如活塞杆直接反馈的，滑阀驱动的。

图1 数字液压缸原理图

2. 数字液压缸的控制问题

首先数字液压缸的比较对象是电液伺服缸，应用的场合也是需要使用电液伺服缸的地方。所以讨论数字液压缸的控制精度、频响范围等内容都是相对电液伺服缸而言。

2.1 闭环反馈

数字液压缸是闭环反馈的，该闭环反馈采用的是机械传动方式，而电液伺服缸采用的是传感器的电压或电流信号反馈。这种机械式的闭环反馈是在数字液压缸中安装了滚柱丝杠，并与数字阀的阀芯连接，当步进电机或伺服电机驱动阀芯产生轴向位移时，阀芯打开，高压油进入油缸推动活塞运动，同时带动丝杠运动将阀芯推回零位，油缸活塞到达指令位置。关于滚珠丝杠如何将阀芯推回零位，目前有多种机构形式都可以实现，各有优缺点，不在这里详述。

2.2 控制精度

数字液压缸的控制精度主要取决于机械反馈传动环节，具体说来就是滚珠丝杠的精度、阀芯与电机连接机构的精度，是机械精度决定了数字液压缸的控制精度（与此相比电机可以认为是精确的），目前我们一般采用的是0.008mm/300mm精度的滚珠丝杠，再考虑到其他机械环节，测试结果是数字液压缸可以达到0.015mm左右的控制精度。

数字液压缸的控制精度主要取决于机械反馈传动环节，这里有个基本前提，那就是整个控制系统中其他环节的精度远远高于机械传动部分，如伺服电机编码器的精度、数模转换器的精度等与滚珠丝杠相比完全可以认为是精确的！

2.3 脉冲控制

纯脉冲控制只能实现液压缸的位移控制模式。这也是我们不采用步进电机而采用伺服电机的原因（但是步进电机价格便宜是其优势），另外控制的命令也不是脉冲控制。电液伺服液压缸一般都有位移控制模式和力控制模式，有的还有加速度控制模式。脉冲对应的是电机的角度，该角度直接对应着阀芯的位移和滚珠丝杠的位移。更为关键的是脉冲的频率都是定值的，比如发100个脉冲对应位移1mm，持时是1s，位移控制模式这没有问题。当你控制力的时候就不行了，例如100个脉冲（1s）的位移对于压缩一个软弹簧可能达到10kg的力，而压缩一个硬弹簧能达到100kg，如果现在想用频率1Hz幅值100kg的正弦波对这两种弹簧加载，硬弹簧100个脉冲1s就达到幅值了，软弹簧要1000个脉冲10s才能达到力的幅值，所以说纯脉冲控制不能做力闭环控制，即使把脉冲的时间间隔调小也不行，因为事先根本不知道试件的刚度！目前一些电拉试验机就存在这样的问题，这实际是位移控制模式下的力判断。静态试验问题不大，动态试验就不行了。当然许多数字液压缸应用场合仅仅是定位用，所以脉冲控制方式就够了，也就不涉及力控制的问题了。

2.4 频响范围

数字液压缸的频响问题比较复杂，因为它采用滚珠丝杠与液压缸耦合在一起了，这与伺服阀的频响问题不同。我们采用小惯量高转速伺服电机（8000转/分）进行过测试，数字液压缸的频响大概能达到100Hz，事实上此时电控系统硬件的处理能力至少要达到3000Hz，否则就无法完整再现振动波形。1980年的时候德国申克公司就有1吨出力800Hz的电液伺服缸，目前MTS公司也有1000Hz的电液伺服缸。国内采用2D数字阀也可以做到1000Hz。

2.5 同步控制

伺服电机的同步控制精度是非常高的，但是数字液压缸由于存在机械传动（如背隙、联轴器间隙）等环节，所以同步精度会受到影响。一个直观的同步精度测试试验就是采用数字液压缸夹持鸡蛋，这实际是考验位移控制精度和同步两个问题，常规的做法是两个数字缸水平放置，两个活塞杆端部一定是平面，通过微调将鸡蛋夹持在两个平面之间，然后给两个数字缸发指令（一般是正弦波，相位差180度），前面说过数字液压缸控制精度0.015mm左右，我们测试的两缸不同步误差在0.03mm以内，当不同步误差超过0.05mm时，鸡蛋就会破裂了。

2.6 存在的问题

不同单位生产数字液压缸可能存在不同的困难，我们面临的困难有两个方面，一是数字液压缸的标准化，另一个是滚珠丝杠等传动机构的加工和安装工艺。标准化可以采用现行的电液伺服液压缸标准，包括压力等级、尺寸、油路、密封等；传动机构的加工精度是基本保证，同时安装工艺是保证数字液压缸性能的关键，由于目前数字液压缸都是应用在一些非标的项目上，所以建立一套完整可靠的工艺保证体系是关键所在。

3. 结束语

与电液伺服液压缸相比，数字液压缸相对比较新，驱动滑阀采用伺服电机驱动力比较大，所以可以很容易实现大流量控制。另外阀对液压油的洁净度要求降低了，这些都是数字液压缸的优点。但是配套厂家少，系统通用性差是制约数字液压缸应用的主要因素，这些都需要进一步的努力才能解决。