金永明，汪 洋，孫燦興

（1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海 201913；2. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715；3. 上海海岳液壓機(jī)電工程有限公司，上海 200032）

0 引言

傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)通過各種液壓閥來控制油缸的運(yùn)動(dòng)方向、速度和位置，依靠電子技術(shù)和傳感技術(shù)，通過伺服閥和比例閥，實(shí)現(xiàn)精確的控制，見圖1。

圖1 傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)控制方式

數(shù)字液壓缸通過缸、閥、反饋和控制有機(jī)的結(jié)合在一起，將比例/伺服液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)化成為一個(gè)組件，讓設(shè)計(jì)、調(diào)試、使用和維護(hù)大大簡(jiǎn)化。

數(shù)字液壓缸由控制單元（由驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)和液壓轉(zhuǎn)閥（含閥套）組成）、機(jī)械反饋單元（聯(lián)軸器、中間軸和滾珠絲杠組件組成）、執(zhí)行單元（油缸）等組成。見圖2[1]。

圖2 數(shù)字液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖

具體工作過程為：驅(qū)動(dòng)器按要求給電機(jī)1發(fā)出按一定脈沖速度和一定數(shù)量的脈沖數(shù)量，電機(jī)按要求的速度驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)閥2的閥芯轉(zhuǎn)過要求的角度，轉(zhuǎn)閥閥口打開，控制油缸6前進(jìn)或后退，油缸活塞運(yùn)動(dòng)推動(dòng)絲杠5螺母前進(jìn)或后退，螺母的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)絲桿正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)通過中間軸4驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)閥2的閥套按電機(jī)1的相同方向運(yùn)動(dòng)，保持和電機(jī)1相同的速度運(yùn)行，電機(jī)1停止，油缸6運(yùn)行使轉(zhuǎn)閥的閥口關(guān)閉，油缸停止運(yùn)行。

數(shù)字缸較為突出的技術(shù)優(yōu)越性體現(xiàn)在以下6個(gè)方面[2]：

1）適合多參數(shù)多系統(tǒng)協(xié)同工作。數(shù)字液壓相比現(xiàn)有的各種液壓或者機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)，其突出的優(yōu)勢(shì)在于多系統(tǒng)協(xié)同和任意控制參數(shù)的隨意變化，避免了現(xiàn)有技術(shù)需要進(jìn)行復(fù)雜參數(shù)調(diào)整的致命缺陷。

2）高分辨率運(yùn)動(dòng)控制精度。可實(shí)現(xiàn)大型機(jī)械裝備微米級(jí)的運(yùn)動(dòng)控制，且響應(yīng)迅速。

3）無損失遠(yuǎn)程控制執(zhí)行?？赏ㄟ^網(wǎng)絡(luò)等遠(yuǎn)程進(jìn)行系統(tǒng)的操控而不用擔(dān)心 指令信息的損失、滯后或者干擾[3-4]。

4）運(yùn)動(dòng)特性完全數(shù)字化。速度、行程與電脈沖有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，只要控制好電脈沖，這個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)就簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)控制要求。

5）易于實(shí)現(xiàn)單缸多段調(diào)速、多點(diǎn)定位，兩缸或兩缸以上進(jìn)行同步差補(bǔ)運(yùn) 動(dòng)，完成曲線軌跡運(yùn)動(dòng)，一臺(tái)微機(jī)或可編程邏輯控制器（PLC）就可以完成單或多缸的多點(diǎn)、多速控制，也可完成多缸的同步、插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性好。

6）具備總線控制和連續(xù)控制功能，可以實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)總線控制系統(tǒng)中，使液壓機(jī)械與其他加工設(shè)備組成柔性加工單元。

1 數(shù)字缸技術(shù)難點(diǎn)分析

通過數(shù)字缸原理介紹可以看出，數(shù)字缸的核心是同步轉(zhuǎn)閥和滾軸絲杠系統(tǒng)。其技術(shù)核心是數(shù)字液壓轉(zhuǎn)閥和步進(jìn)/伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和適配技術(shù)。其主要難點(diǎn)包括：

1）液壓數(shù)字轉(zhuǎn)閥

數(shù)字液壓缸的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵之一在于液壓數(shù)字轉(zhuǎn)閥的設(shè)計(jì)。液壓數(shù)字轉(zhuǎn)閥為周向配油直驅(qū)閥[1]，具體實(shí)現(xiàn)方式見圖3和圖4。

圖4 閥芯結(jié)構(gòu)示意圖

閥套上油口為控制油缸運(yùn)動(dòng)的A或B口；圖3中左邊視圖為A（或B）通回油T，中間視圖為A（或B）關(guān)閉，右邊視圖為AB通高壓油P。液壓轉(zhuǎn)閥的閥芯由步進(jìn)/伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，閥套通過滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，與閥芯共同實(shí)現(xiàn)機(jī)械閉環(huán)。

圖3 油口換向示意圖

此外，根據(jù)不同的負(fù)載情況和應(yīng)用場(chǎng)景，還需對(duì)轉(zhuǎn)閥的開口形式、開口大小進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、調(diào)整[5]。

2）伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和適配技術(shù)

電機(jī)傳統(tǒng)上是開環(huán)步進(jìn)電機(jī)，但是采用開環(huán)步進(jìn)電機(jī)在控制上存在響應(yīng)速度慢、失步現(xiàn)象、工作穩(wěn)定性等問題，導(dǎo)致開環(huán)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字液壓缸無法滿足高精度、高可靠性領(lǐng)域的要求而發(fā)展緩慢。因此，電機(jī)性能的提升成為數(shù)字液壓缸發(fā)展的關(guān)鍵。

隨著伺服電機(jī)技術(shù)的發(fā)展和快速迭代，利用伺服電機(jī)的數(shù)字特性實(shí)現(xiàn)數(shù)字缸的數(shù)字化，伺服電機(jī)作為發(fā)訊電機(jī)和克服轉(zhuǎn)閥液動(dòng)力雙重作用的要求，需要突破相關(guān)算法和驅(qū)動(dòng)適配技術(shù)。

3）數(shù)字缸零漂、機(jī)械反饋死區(qū)、滯環(huán)控制技術(shù)和策略

隨著設(shè)備磨損、維修更換而產(chǎn)生的間隙改變，直接影響設(shè)備原來的使用性能。通過壓力平衡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)滾珠絲杠與數(shù)字轉(zhuǎn)閥之間的間隙進(jìn)行補(bǔ)償；通過高精度機(jī)床控制零部件加工公差，位置閉環(huán)機(jī)構(gòu)的主動(dòng)糾正來解決數(shù)字缸零漂、機(jī)械反饋死區(qū)、滯環(huán)等技術(shù)難點(diǎn)[6]。

4）減振技術(shù)

數(shù)字缸在行程末端時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象，為了克服這種現(xiàn)象，可以在數(shù)字油缸運(yùn)動(dòng)到行程末端時(shí)減小系統(tǒng)流量；或者在數(shù)字油缸運(yùn)動(dòng)到行程末端時(shí)減少控制器脈沖數(shù)，從而達(dá)到減振效果。

2 數(shù)字缸實(shí)際應(yīng)用

2020年，我司承接了某型設(shè)備為載人箱體，原采用液壓雙缸同步驅(qū)動(dòng)方式，同步回路采用國(guó)外進(jìn)口的液壓同步馬達(dá)，同步精度≤3%，運(yùn)動(dòng)加速度≤1 m/s2，運(yùn)行速度≤20 mm/s。

因當(dāng)前國(guó)內(nèi)制造商因材料和加工能力等基礎(chǔ)能力問題，液壓同步馬達(dá)的加工精度、性能、產(chǎn)品一致性、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性較差，無法保障該型設(shè)備實(shí)現(xiàn)箱體的雙缸運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)性能和可靠性指標(biāo)。特別是在偏置載荷時(shí)，2個(gè)油缸同步超差。

設(shè)備液壓缸同步超差將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備機(jī)構(gòu)卡阻和異常變形，引起設(shè)備的異常振動(dòng)、擺動(dòng)等情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部其他裝備損傷和破壞，致使設(shè)備功能降低或喪失，引發(fā)訓(xùn)練或作戰(zhàn)任務(wù)延誤或終止等嚴(yán)重后果。

2.1 試驗(yàn)裝置的構(gòu)成

為了比較2種液壓缸驅(qū)動(dòng)方式的同步精度，我們?cè)O(shè)計(jì)制造了專用的試驗(yàn)工裝及加載模塊進(jìn)行了數(shù)字缸與同步缸的同步精度對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置構(gòu)成見表1。

表1 同步精度對(duì)比試驗(yàn)裝置

2.2 加載試驗(yàn)方式

加載分為對(duì)稱加載及非對(duì)稱加載，加載方式見圖5。

圖5 加載示意圖（單位：mm）

按照下述3種加載方式，設(shè)定數(shù)字缸與普通缸分別按照設(shè)定的上升及下降速度，在同樣的壓力下各運(yùn)行5次，分別記錄數(shù)字缸與普通缸在上升和下降過程中的位移差異即同步精度。

1）加載裝置對(duì)稱（A位、B位和C位）增加3個(gè)加載塊（～3.3 t）。

2）加載裝置偏置1#缸側(cè)（A位和C位）增加2個(gè)加載塊（～2.3 t）。

3）#加載裝置偏置2#缸側(cè)（C位和B位）增加2個(gè)加載塊（～2.3 t）。

2.3 加載試驗(yàn)結(jié)果

1）對(duì)稱加載時(shí)：在5次上升、5次下降運(yùn)行過程中數(shù)字缸同步精度均在±3 mm范圍之內(nèi)，在5次上升、5次下降運(yùn)行過程中普通缸的同步精度均在±1 mm范圍內(nèi)，在均布載荷下數(shù)字缸與普通缸同步精度差異不大。

2）偏載A、C位置，在5次上升、5次下降運(yùn)行過程中數(shù)字缸同步精度均在±3 mm，而普通缸同步精度已經(jīng)超過20 mm，出現(xiàn)2個(gè)油缸相互卡滯現(xiàn)象，試驗(yàn)表明在這樣的偏載情況下數(shù)字缸與普通缸同步精度差異還是很大的。

3）偏載B、C位置，在5次上升、5次下降運(yùn)行過程中數(shù)字缸同步精度均在±3 mm，而普通缸同步精度已經(jīng)超過20 mm，出現(xiàn)2個(gè)油缸相互卡滯現(xiàn)象，試驗(yàn)表明在這樣的偏載情況下數(shù)字缸與普通缸同步精度差異還是很大的。

3.4 系統(tǒng)油源供油試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用恒壓變量泵分別給上述數(shù)字缸及普通缸供油，該油源的供給壓力可調(diào)，我們分別在負(fù)載為2 t及3 t的加載條件下，調(diào)節(jié)油源壓力，使得數(shù)字缸在不同的壓差條件下運(yùn)行，得到如圖6和圖7所述的最大穩(wěn)定流量值。

圖6 2 t 負(fù)載下的數(shù)字缸壓力-流量對(duì)應(yīng)曲線

圖7 3 t 負(fù)載下的數(shù)字缸壓力-流量對(duì)應(yīng)曲線

從圖6和圖7可看出：最大穩(wěn)定流量值與壓差成平方關(guān)系?？梢酝茢喑鲈谧畲罅髁糠€(wěn)定域附近，閥口基本相同，因此閥口的設(shè)計(jì)計(jì)算顯得尤為重要，閥口設(shè)計(jì)時(shí)要呈線性變化, 不宜存在閥口突變。

3 數(shù)字缸的優(yōu)勢(shì)

同傳統(tǒng)伺服控制和數(shù)字閥控制技術(shù)相比，數(shù)字缸技術(shù)在可靠性和環(huán)境適應(yīng)性方面有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字缸控制技術(shù)在如下幾方面的環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)突出。

1）電磁兼容性

高抗干擾。由于傳輸采用數(shù)字脈沖功率信號(hào)（即作為控制，又作為驅(qū)動(dòng)），因此在嚴(yán)酷的電磁輻射狀態(tài)下，系統(tǒng)依然可以良好的工作。該性能大大優(yōu)于現(xiàn)有的液壓和電氣控制系統(tǒng)。

2）低電磁輻射

數(shù)字液壓油缸控制指令環(huán)節(jié)沒有復(fù)雜的電子器件，因此對(duì)外產(chǎn)生的電磁泄露很少。

3）抗沖擊振動(dòng)能力

數(shù)字液壓器件不采用線性電磁鐵作為控制核心，因此抗沖擊和震動(dòng)能力大大提高。

4）高抗污染能力

對(duì)液壓油的過濾精度沒有嚴(yán)格要求，甚至液壓油受到污染，同樣不會(huì)造成 系統(tǒng)的精度降低，更不會(huì)造成嚴(yán)重的誤動(dòng)作甚至是事故。

5）工作介質(zhì)適用性寬

無論采用礦物油還是水基乳化液等，設(shè)置在極端環(huán)境下，無論是水或者是壓力氣體都可以讓系統(tǒng)暫時(shí)工作（性能稍有降低），這是其他任何控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的。

6）防爆環(huán)境適用性

由于數(shù)字液壓控制部件均有防爆型，因此實(shí)現(xiàn)防爆十分簡(jiǎn)單。

此外，數(shù)字缸控制技術(shù)還有以下其他優(yōu)勢(shì)：

1）功率密度高

驅(qū)動(dòng)力大，用伺服電機(jī)作為信號(hào)輸出，使液壓缸活塞桿完全按照伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，即不失步，可實(shí)現(xiàn)幾百、幾千噸的推力。因此利用小功率的控制系統(tǒng)，就可使大型機(jī)械數(shù)控化，節(jié)省了方向閥、調(diào)速閥、分流閥等液壓件。降低了成本, 簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，縮小了體積，降低事故率。

2）維護(hù)性提升

由于數(shù)字液壓一個(gè)元器件替代了傳統(tǒng)意義上的整個(gè)控制系統(tǒng)功能，因此無論從設(shè)計(jì)、使用還是長(zhǎng)期維護(hù)等難度大大降低，幾乎沒有過多要求，特別適合非專業(yè)人士使用。

3）可靠性高

只需油泵、溢流閥（或數(shù)字壓力閥）組成的液壓源就可接管使用，無需任何方向閥、流量閥、調(diào)速閥、單向閥、同步閥等繁雜液壓元件。也省略了這些閥件的安裝集成塊，也無需行程開關(guān)、繼電器等電氣元件，有效提高液壓系統(tǒng)的可靠性。

4）故障處置能力

極端條件使電氣控制系統(tǒng)實(shí)效情況下，數(shù)字液壓缸控制技術(shù)產(chǎn)品可以隨時(shí)通過簡(jiǎn)單和輕便的方式實(shí)現(xiàn)人工控制，即便是超大載荷，依然可以單手指操控，避免裝備失控。

4 結(jié)論

數(shù)字液壓的發(fā)展方興未艾，在數(shù)字技術(shù)和傳統(tǒng)的液壓技術(shù)相結(jié)合的過程中，數(shù)字泵、數(shù)字閥和數(shù)字缸等代表了其3個(gè)發(fā)展方向。其中數(shù)字泵技術(shù)閥控缸做出數(shù)字化改造。但不管如何發(fā)展其最終目的仍是最后油缸作動(dòng)器的作動(dòng)。數(shù)字缸通中泵調(diào)系統(tǒng)亦可以采用相關(guān)數(shù)字缸技術(shù)作為泵調(diào)作動(dòng)器。數(shù)字閥技術(shù)采用脈寬調(diào)制PMW概念，對(duì)過機(jī)械反饋構(gòu)成閉環(huán)，簡(jiǎn)化的整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)造，提升了系統(tǒng)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

因此，未來在對(duì)可靠性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景具有較大的潛力。同時(shí)數(shù)字缸還具有低成本的優(yōu)勢(shì)，一旦產(chǎn)業(yè)化也會(huì)有巨大的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。未來我們將進(jìn)一步開展數(shù)字缸理論研究，同時(shí)結(jié)合轉(zhuǎn)閥的研究實(shí)現(xiàn)數(shù)字缸真正的突破，為液壓系統(tǒng)數(shù)字化做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。