一种活塞杆伸出量可控的液压缸.pdf

C S P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 4 ． 2 01 2 一 种活塞杆伸出量可控的液压缸 唐 雯， 吴 榕， 林文祥， 梁 峰， 林 军， 王晓林 厦门大学 物理与机电工程学院 ， 福建 厦门 3 6 1 0 0 5 摘要 该文介绍了一种活塞杆伸 出量 可测并可控 的液压缸 。 该缸利用滚珠丝杆将活塞杆的直线位移转化为丝杆角位移的方法进行位 置 测量 ， 其结果 由光栅编码器输出并传送到控制 中心 ， 由控制 中心控 制伺 服阀的阀 口方向和开 口大小 ， 从而对液压缸活塞杆产生控制 作用 。本文对其原理进行 了阐述 ， 并对 可能存在 的测量误差进行 了分析 。 关键词 液压缸 ； 位置可控 ； 滚珠丝杆副 ； 误差分析 中图分 类号 T P 2 7 1 ． 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 2 0 4 0 0 2 1 0 3 The Hy d r a u h c Cy l i n d e r wi t h Ex t e n s i ve Po s i t i o n Co n t r o l l e d Pi s t on Ro d T ANG We n， U Ro n g， L I N We n - x i a n g， L I ANG F e n g， L I N S c h o o l o f P h y s i c s a n d Me c h a n i c a l El e c t r i c a l En g i n e e r i n g ，Xi a me n Xi a o l i n X i a m e n 3 6 1 0 0 5 ， C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s a h y d r a u l i c c y l i n d e r t h a t i t s p i s t o n r o d e x t e n s i o n c a n b e e f f e c t i v e l y c o n t r o l l e d ， l i n e a r d i s p l a c e me n t o f t h e p i s t o n rod c a n b e c h a n g e d i n t o t h e s c r e w a n g u l a r d i s p l a c e me n t b y b a l l s c r e w， t h e n t h e d i s t a n c e a r e o u t p u t t e d b y g r a t i n g a n g u l a r d i s p l a c e me n t s e n s o r t o t h e c o n t r o l c e n t e r ， v a l v e p o r t o p e n i n g d i r e c t i o n a n d s i z e a r e c o n t r o l l e d b y t h e c o n t r o l c e n t e r a n d t h e n h y d r a u l i c c y l i n d e r p i s t o n r o d i s c o n t r o l l e d S O ． Th i s p a p e r d e s c r i b e s i t s p r i n c i p l e s a n d d e mo n s t r a t e s i t s f e a s i b i l i t y ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c c y l i n d e r ； p o s i t i o n c o n t r o l ； b a l l s c r e w； e r r o r a n a l y s i s O 引言 液压伺服系统在航天 、 航空 、 航海 、 矿 山、 冶金及 民 用等各个方面得到极其广泛的应用 ， 它具有高响应 、 高 精度 、 大功率 、 系统刚度大以及抗 干扰能力强 等优点 。 液压缸作为执行机构 ， 是直接反映控制系统稳 、 准 、 快 等性能的关键部位。随着科技的高速发展 ， 人们对伺服 系统执行机构的性能要求越来越高 ，从 而各种高性能 的液压缸应运而生 ，然而制约其发展与应用的主要原 因是各种控制阀和传感器的研制与开发 。 1 测量方法简介 液压缸活塞杆行程测量的传感器多种多样 ． 比如 电位计式传感器 、 磁尺传感器 、 磁致伸缩传感器 、 电涡 流传感器 、超声波测距传感器 、激光 以及光纤传感器 等。以上方法各有特点 ， 如电位计式传感器测量方法简 单方便 ， 检测 电路易于实现 ， 但其精度不够 ； 磁致伸缩 式位移传感器测量精度高， 其极限精度可达 5 m， 但其 测量原理复杂 ， 检测和补偿 电路难 以实现 ， 国内至今还 没有 自主的知识产权 。 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 8 2 0 作者 简介 唐雯 1 9 8 6 一 ， 男 ， 湖南邵 阳人 。 在读硕 士研究生 ， 现从事 流体 传动与控制方面 的研究 。 笔者另辟蹊径 ， 参考千分尺的测量原理 ， 将直线位 移的测量转化为角位移的测量 ，这种方法使得测量误 差大大减小。 1 ． 1 结构原 理 其原理如图 l所示 。液压缸在活塞杆的一端面钻 有深孔 ， 丝杆伸人到深孔 内， 丝杆 的螺母用六角紧钉螺 钉定位在活塞杆 的左端 ．活塞隔圈可以防止活塞运动 到极限位置时产生剧烈碰撞而对滚珠丝杆和接触轴承 产生冲击性破坏。左端盖需要钻台阶孑 L ， 丝杆采用～端 固定一端 自由的安装方式 ，在左端盖 的台阶孑 L 内采用 两套 6 0 。 接触角推力轴承来支撑丝杆 ， 轴承成对并且背 靠背安装 ， 隔圈可对轴承进行预紧 ， 轴 承依靠丝杆台阶 进行定位 ， 使用压盖和锁紧螺母进行轴向固定 。通孔采 用斯特封进行密封 ，斯特封 由一个耐磨 的填充聚 四氟 乙烯滑动环和 0形密封圈组成 ， 0形密封 圈提供预 紧 力 ， 可对滑动环的磨损起补充作用 ， 它具有 自密封和 自 润滑性能 ， 与金属表面无粘着作用 ， 最大可承受 3 0 MP a 的压力 ， 使用寿命长， 适合旋转运动轴 的密封 。丝杆 的 一 端从通孔伸出。 当高压油推动活塞往复运动时． 活塞 杆上的螺母跟随一起运动 ，由于丝杆 的轴向位移被 限 制 ， 丝杆在螺母的带动下只能产生角位移 ， 再将角位移 传输到旋转编码器 的主轴上 ，根据编码器产生脉冲的 个数可以反推出螺母的直线位移 。由控制中心实时采 21 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 4期 集编码器的脉冲个数 ， 通过与输入指令的对 比， 形成一 个差值 ，经过控制 中心的运算处理再将控制指令传输 到伺服阀 ，通过伺服阀的进出油控制带动液压缸活塞 杆达到指定位置。 1 一 缸底2 一 角接触轴承3 一 斯特封4 一 活塞 隔圈5 一 滚珠丝杆 6 一 铰轴7 一 活塞8 一 活塞杆9 一 导向套 图 1 装 置原理 图 1 _ 2滚动螺旋传动的优点 滚动螺旋传动相对于滑动螺旋传动来说具有 以下 优点 ①经实验测得一般滚动螺旋传动 的摩擦系数为 0 ． 0 0 2 5 ～ 0 ． 0 0 5 ， 传动效率能达到 9 5 ％以上 ； ②滚动螺旋 副的摩擦系数小 ，滚珠丝杆具有将直线运动转化为回 转运动的功能 ，更 为可观的是逆传动效率和正传动相 差无几； ③由于滚珠螺旋传动的滚动摩擦特性， 摩擦阻 力几乎与运转速度无关 。 运转启动时无颤动 ， 低速下运 转无爬行 ， 具有持续平稳运行 的特点 ； ④在本装置中的 丝杆转动速率小 ， 滚珠螺旋副的丝杠 、 螺母和滚珠都经 过淬硬 ， 而且滚动摩擦产生的磨损极小 ， 故螺旋副经长 期使用仍能保持其精度 ， 工作寿命长。 1 ． 3丝杆受力简要分析 为了得到丝杆的受力情况 ，首先分析液压系统的 工况。液压泵的流量一定 ， 系统压力取决于外界负载的 大小 ， 当外界无负载时 ， 活塞克服缸壁的摩擦阻力能轻 松地被推出 当外界存在重载荷时 ． 系统压力增大 ， 但 系统的总泄漏量会增大 ，活塞杆的伸出速度会稍微变 小 。对于未混入空气的矿物油型液压油， 其体积弹性模 量可达到 E 1 ． 4 ～ 2 G P a ， 综合以上条件 。 只要系统 中不 存在大量 的气泡就不会产生剧烈的冲击 ，同时需要考 虑伺服阀换 向时的瞬间冲击 ，这个可 以由液压系统的 系统结构来决定 ， 在进出油 E l 安装缓冲装置 ， 可以避免 这类冲击 的存在 。丝杆公称直径的选取应该考虑液压 系统的额定压力以及液压缸的工况来进行设计计算。 高压油的压力此时需要抵消外界载荷 、缸内壁的 摩擦阻力 以及克服滚珠丝杆产生扭转阻力矩的轴 向拉 力 。这个扭转阻力矩包括格莱圈被高压油挤压在丝杆 外表面产生的摩擦阻力矩以及角推力轴承滚动时产生 的摩擦阻力矩。因为滚珠丝杆的摩擦系数非常小 ， 以上 阻力矩都不会太大 ，高压油的大部分压力被外界载荷 所抵消， 与此 同时可 以采用大螺纹升角的滚珠丝杆 ． 可 进一步减小丝杆 的驱动力矩 。故滚珠丝杆所承受的轴 向拉力并不会太大 ， 丝杆受力如图 2所示 。 图 2滚 珠 丝 杆 受 力分 析 简 图 1 ． 4测量误 差 的存在 与解决 方案 这里存在几个造成测量误差的原因 1 丝杆导程误差 ， 这是 由加工所存在的误差所造 成的， 无法避免 ， 只能采取补偿措施 。可以仿照数控机 床的刀架传动系统的补偿原则 ，事先将螺距误差的均 化值 即补偿值存储在控制系统的程序之中．在设备运 行过程中由控制程序 自动将 目标位置的补偿值叠加到 输出值之上； 2 由 于制 造 上 的 误差 以及 滚 珠 与 滚 道 型 面 接 触 点的弹性变形 ， 使得丝杆与螺母之间存在间隙， 这个间 隙也导致了测量误差 ，特别是反方 向传动时产生空行 程 ， 丝杆不会跟随螺母轴向运动而转动， 解决方案是采 用双螺母预紧的方法 ， 基本上可以消除轴向间隙； 3 丝杆安装在液压缸 中， 油液受挤压温升较高 ， 导 致丝杆受热膨胀。 为了校正由于滚珠丝杠受热膨胀所造 成的延伸 ，可将滚珠丝杠轴的基准导程设为负值或正 值 ， 或者使用可以预测温度变化的传感器 ． 实时监测瞬 时温度在基准温度上的变化量 ， 根据参照物体的热膨胀 特性将变化量补偿到测量量之中， 消除热变影响 4 本装置采用光栅式编码器进行角度测量 ， 这种 传感器根据栅格转过的格数进行计数 ，再通过换算得 到角位移。 现行的这类的传感器测量精度可达到 0 ． 0 1 。 ， 假如丝杆的误差不计在内， 设丝杆公称直径为 3 2 ， 导 程为 3 2 m m， 根据公式 1 可求得直线位移的测量精度 导程 一直线位移精度 r 1 、 丽一 _ i 蕊 将数据代人到上式中可以求得在这种精度的角位 移传感器的测量值下可得到线位移的测量精度 一 3 6 0一0 ．01 。 X0 ． 8 9 x 1 0 mi l l 可以看出这个测量精度完全在我们所要求的范围 之内， 故可以不予考虑。 2 结论 综上所述 ， 这种设计的可行性是存在的． 精度也能 达到一定 的技术要求 ， 但是在测量误差补偿 、 系统的缓 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N o ．4 ． 2 0 1 2 电子控制变量泵的仿真分析 张 朋， 贾跃虎 ， 安高成 太原科技大学 机械工程学院， 山西 太原0 3 0 0 2 4 摘 要 以 A 4 V S O变量 柱塞泵结构参数 为基础建立数 学模 型 ， 设 计 了最小值 控制器 ， 通过采用 闭环 控制策略来实 现变量泵的 电子控 制。运用 S i m u l i n k软件建立 了电子控制变量泵的仿 真模 型。结果显示 ， 电子控制变量泵响应速度更快 、 控制更加灵活 ， 能够有效的改善 流量 、 压力 、 功率转换带来 的压力波动 。 关键 词 电子控制 ； 最小值控制器 ； 仿 真 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 4 0 0 2 3 0 5 S i mu l a t i o n An a l y s i s o f El e c t r o n i c a U y Co n t r o l l e d Va r i a b l e Di s p l a c e me n t Pu mp Z HANG P e n g， J I A Yu e h u， AN Ga o c h e n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a Ab s t r a c t S t r u c t u r a l p a r a me t e r s o f p i s t o n p u mp s w i t h v a r i a b l e A4 V S O b a s e d o n a ma t h e ma t i c a l mo d e l d e s i g n e d mi n i mu m c o n t r o l l e r ， t h r o u g h t h e u s e o f c l o s e d- l o o p c o n t r o l s t r a t e g y t o a c h i e v e e l e c tr o n i c a l l y c o n t r o l l e d v a r i a b l e d i l a c e me m p u mp ． T h e e l e c t r o n i c c o n tro l v a r i a b l e p u mp w a s d y n a mi c s s i mu l a t i o n wi t h s i mu l i n k s o f t wa r e ， t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e s p o n s e s p e e d e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d v a r i a b l e p u mp f a s t e r a n d mo r e fl e x i b l e c o n t r o l ， c a n e ff e c t i v e i mp r o v e t h e fl o w ， p r e s s u r e ， p o w e r c o n v e r t ，t h e p r e s s u r e f l u c t u a t i o n s ． Ke y wo r d s e l e c t r o n i c c o n t rol ； mi n i mu m c o n t r o l l e r ； s i mu l a t i o n O 前 言 现代社会信息化 的快速发展 ，导致液压传动系统 的信息化程度也越来越高 ，出现 了大量 的数字化液压 元件。作为液压传动的动力元件一液压泵 ， 其数字化的 水平很大程度上决定了系统的信息化水平 ，特别是在 大功率应用场合 ． 其影响更为 明显 。传统的变量泵不同 的控制功能对应不同的机械结构 ，实现复杂的复合控 制 时 ． 往往是不同功能 的结构叠加 ， 导致其结构复杂 ， 调试困难 ． 故障概率大。数字化的变量泵可 以通过嵌入 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 0 2 4 作者 简介 张朋 1 9 8 5 一 ， 男 ， 河南新 乡人 ， 硕士研 究生 ， 现 在从事 流体传 动与控制方 面的科学研究 。 控制器 的程序 ，利用软件代替传统的单独功能的变量 阀。 方便 的实现对流量 、 压力等参数进行调整进而实现 各种复杂的控制 ，可以与负载功率相匹配实现最佳工 作状态， 达到提高控制性 能和节能的目标 。因此 ， 电子 控制变量泵的研究具有很强的工程理论和应用价值【 “ 。 1 电子控制变量泵的工作原理 电子控制变量柱塞泵 由轴 向柱塞变量泵 、电液 比 例阀 、 变量液压缸 、 运算放大器 、 流量传感器 、 压力传感 器和位移传感器组成 ， 如图 1 所示。 恒压力控制 当负载压力升高时 ， 压力信号通过传 感器反馈给控制器 4 ， 通过运算输出电流信号使 电液比 例阀 2的左位起作用 ．高压油进入变量液压缸 3的右 一 - 一 一 - - 一一 一 - ● 一 一 - 一一 0 一- 一 冲保护 、丝杆的支撑方法以及后期 的数据处理方面还 需要做进一步的研究。 参 考 文 献 【 l 】 范 东风． 大 导程滚珠 丝杆副 螺母成 型磨 削加 工建模 与仿 真 【 D 】 ． 上海 上海交通大学 ， 2 0 0 9 ， 2 ． 【 2 】 杨锦斌 ， 杨维平 ， 等． 滚珠丝杆副在高速条件下 的热 位移及抑 制对策[ J 】 ． 滚动功能部件， 2 0 0 6 ， 7 ． 【 3 】 唐利平． 滚珠丝杆螺母副误差补偿及故障诊蛳 J 】 ． 中国科技信 息 ， 2 0 0 6， 2 3 ． [ 4 】 李继 中． 数控机床螺距误 差补偿 与分析f J ] ． 工艺与装备， 2 0 1 0 ， 2 ． [ 5 ] 童鸿斌． 旋转搅拌轴密封装置的设计[ J 】 ． 机械工程师, 2 0 1 0 ， 1 1 ． 【 6 ] 成大先， 等． 机械设计手册[ M ] ． 北京 化学工业 出版社， 2 0 0 8 ， 3 ． 【 7 】 吴榕 ， 等 ． 一种 带 位 置传 感 装 置 的液 压 缸 【 P ] 中 国专 利 CN1 021 21 491 A， 2011 -0 7-1 3． 2 3