闭环控制数字液压缸及其控制系统.pdf

液压气动与密封 年第 而后者虽然可以通过发送脉冲完成对数 字液压缸的运动控制 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 起的速度和位移的变化进行补偿 本文通过使用一个中空式光电编码器将两者的优 点结合在一起 研制出一种闭环控制数字液压缸 该数 字液压缸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 进一步提高了运动精度 1闭环控制数字液压缸的结构及工作原理 图1是一种闭环控制数字液压缸的结构原理图 结合该图将其工作原理说明如下 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 动阀芯发生轴向的移动 本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 空心活塞杆向左移动时 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 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 图1数字液压缸结构原理图 1 步进电动机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 滚珠丝杠14 丝杠螺母 15 空心活塞杆 闭环控制数字液压缸及其控制系统 潘易龙 张 毅 魏祥雨 重庆大学 机械工程学院 重庆400030 摘要 本文介绍了一种新型闭环控制数字液压缸的结构 工作原理及其控制系统 关键词 闭环控制 数字液压缸 磁耦合机构 伺服 中图分类号 th137 文献标识码 a 文章编号 1008 0813 2005 03 0034 03 the di i ab icded ei h icced feedg ah cd i i ajc dj ibi ek pal mi jc nhalo mi pqr si c bt uvh c wic xciyedii b vh c wic 400030 vhic z abstra t thii ed ic djdtaed he i dta tde dicai ei cd ajc dj ibi ek jf cee hicd jf di i ab icded ei h icced feedg ah key word ajc dj ei h icced feedg ah di i ab icded k ce ia ajt ic iedyj 收稿日期 2005 03 14 作者简介 潘易龙 1979 男 重庆大学工学硕士 研究方向 制造业信 息化技术及应用 34 hydr 上 的编码器 检测到 此旋转角度和空心活塞杆 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联接 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 形成一个伺服控制系统 和开环控制数字液压缸相比 该闭环控制数字液 压缸的创新之处有以下两点 第一 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 粘度降低 流动速度加快 在 阀的开口大小一定的情况下 即步进电动机接受到的 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 同样 如果出现内泄现象 在发送脉冲速度一定 即阀 的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的补偿 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的各传动结 构的精度 从而降低该部分的加工成本 第二 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 所谓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 无需透过后缸盖伸出杆件 就可以将旋转运动传递出来 对于精度要求不太高 传 递扭矩不太大的情况 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 2闭环控制数字液压缸的控制过程 本文通过使用闭环控制数字液压缸实现机床刀具 快进 工进 快退的运动循环过程 来说明闭环 控制数字液压缸的控制方法 众所周知 在加工工件的过程中 为了提高工作效 率 刀具遇到工件前都希望刀具运动较快 在加工工件 的过程中 刀具切削工件受到的阻力较大 为了避免刀 具折断 其运动速度应该放慢 刀具返回过程中不切削 工件 同样 为了提高工作效率 希望刀具运动较快 在 半自动机床上通常使用液压缸来带动刀具前进 如果 使用传统的控制方式 系统工作原理如图 所示 系统 的工作过程如下 快进 ab 9ab通电 其余电磁铁断电 压力 油经电磁阀 9左位进入液压缸右腔 推动液压缸 杆快速接近工件 工进 当液压缸活塞杆前端固定的磁铁靠近霍 尔开关 3c通电时 电磁铁 ab 9ab ab通电 压 力油经电磁阀 左位 电磁阀9右位 节流阀d进入 液压缸右腔 推动液压缸活塞杆低速工进 切削工件 9 延时 当液压缸活塞杆前端固定的磁铁靠近霍 尔开关e 93c通电时 电磁铁 ab通电 其余电磁铁 断电 液压缸停止不动 d 快退 延时结束 电磁铁 ab dab通电 其余 电磁铁断电 压力油经电磁阀 进入液压缸左腔 使 液压缸快速退回 直到液压缸活塞杆前端固定的磁铁 靠近霍尔开关 3c通电为止 图2传统液压执行系统图 9 电磁阀d 节流阀 液压缸 e 霍尔开关 9 液压气动与密封 年第如果不是零 说明液压 缸不在零位 不在零位 则反向旋转步进电动机 图3 以1200 hz为例 当光电编码器返回一个脉冲信号 时 说明液压缸后退了一个脉冲当量 绝对脉冲存储区 的数据减1 液压缸后退到零位为止 2 开关判断 开关按下 执行运动 否则不动 3 报警 如果液压缸不在零位说明在工作过程 当中 即使此时按下开关也不能使液压缸运动 4 快进 给步进电动机发送正向高速脉冲 图3 以1000 hz为例 同时当光电编码器返回一个脉冲信 号时 说明液压缸前进了一个脉冲当量 绝对脉冲存储 区的数据加1 5 工进 当液压缸走到指定的位置 图3以相对 零位置6000个脉冲当量为例 即将开始加工工件的 时候 降低发给步进电动机的正向脉冲速度 图3以 200 hz为例 同样光电编码器每返回一个脉冲信号 绝对脉冲存储区的数据加1 6 延时 当液压缸走到终点位置 图3以相对零 位置6400个脉冲当量为例 根据加工要求通常在终 点位置停留一段时间 在数字液压缸系统中 只需要是 步进电动机停止旋转 液压缸就会停止运动 7 后退 延时结束后 反向旋转步进电动机 图3 以1200 hz为例 当光电编码器返回一个脉冲信号 时 说明液压缸后退了一个脉冲当量 这时绝对脉冲存 储区的数据减1 液压缸后退到零位为止 按照以上方法控制液压缸运动的特点是 单片机 绝对脉冲存储区所存储的数据和液压缸相对于零点的 位移是惟一对应的 不需使用会影响液压缸控制精度 的霍尔开关 通过以上方法就可以有效地保证液压缸 行程精度 结论 通过上面的理论分析和实验研究 可以得出以下 结论 1 相对于传统液压执行系统 数字液压执行系统 具有以下优点 1 结构简单 环节少实验当中通过使用一个数 字缸 实现了需要三个滑阀 一个节流阀 一个普通液压 缸所组成的一个液压回路系统才能实现的所有功能 2 运动规律易于改变数字液压缸可以通过改变 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 控制精度高滚珠丝杠的导程为10 mm 步进 电动机和光电编码器的脉冲周期为1024 p r 数字液 压缸的精度可达到0 01 mm 2 相对于开环控制控制数字液压缸 闭环控制 数字液压缸能对系统温度 压力负载 内泄及死区等因 素对速度和位移产生的影响进行补偿 并且控制精度 进一步提高 3 本文通过采用磁耦合结构回避了旋转密封 降 低了成本 为小动力旋转运动的传递提供了一种新的 思路 4 使用单片机数据存储保证了闭环控制液压缸 的运动精度 参考文献 1 杨世祥 数字液压及数字控制技术 m 亿美博科技公司 2003 3 2 孙 峰 钱荣芳 马群力 数字式液压缸和数字式液压系统 j 液压与气 动 2002 8 3 杨世祥 数字或模拟信号输出的流体缸 p 专利说明书 1999 4 4 杨世祥 一种带扭转螺旋体内反馈的数字流体缸 p 专利说明书 1998 10 反向旋转步进电动机 1200 hz 光电编码器输出1个反向旋转脉冲 绝对脉冲存储区的数据减1 正