1、北京三强同维机电液压科技发展有限公司 数字 液压缸技术开发与应用 Development and Application of Digital Cylinder Technology （ 北京三强同维机电液压科技发展有限公司 北京，昌平 102200） 摘要：介绍了一种数字液压缸和控制系统，可以进行位移闭环控制和力闭环控制， 控制精度可以达到0.01mm， 具有静态和动态加载能力， 可以进行规则波、随机波和自定义波形的加载，工程应用表明这种数字液压缸具有优良性能和广泛的适用性。 关键词：数字液压缸，位移闭环控制， 力闭环控制，随机波。 一、概论 随着计算机技术和电子技术的飞速发展， 数字液压
2、 技术也得到了快速发展，与 传统的 电液 伺服 液压系统相比， 数字液压系统的突出优点是 控制技术先进、 抗干扰能力强、控制 精度 高、 同步性能好、 响应速度快、对油液的清洁度要求低 ， 数字液压系统 采用 普通的液压泵站过滤精度达到 9 级就可以了， 而 电液伺服系统需要 7 级以上的 液压油 精度 ,所以数字液压系统 不需要象电液伺服系统那样特别严格的过滤 。 同时数字液压系统可以采用较高 的压力等级 28-40MPa，流量 也比较 大 ，可以达到 1000L/min 以上 。 数字液压系统的 核心执行单元是 数字 液压 缸 ， 从 控制 功能上需要数字液压缸具有力闭环控制和位移闭环控制
3、，从应用上需要数字液压缸具有静态和动态的加载能力 。本文介绍了开发的一种数字液压缸 以及控制系统和软件 ， 具有力闭环和位移闭环两种控制模式，能够实现动态和静态的加载控制， 可以 广泛 地 应用于 航空航天、 工程机械 、交通运输 、土木工程 、 兵器工程 、石油化工 等 领域 。 二 、 数字液压缸 和控制原理 数字 液压缸在 外形上和功能上与传统的电液伺服 作动器基本相同 ，但是在结构原理上有着本质的区别， 目前的数字液压缸一般都是阀和缸一体 化 的， 位移 控制 是 通过缸体中的 滚珠 丝杠 进行机械反馈 进行的 ，阀的驱动采用步进电机或伺服电机，在缸上装有力传感器用于力闭环控制和数据反
4、馈，图 1 为数字液压缸的构造 ， 图 2 是 数字液压缸控制系统 框图 。所以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， 一般滚珠丝杠的精度可以达到 0.004mm/300mm，再考虑到数字液压缸的其它传动环节的加工精度，数字液压缸的控制精度可以达到 的 0.01mm，定位精度会更高。 数字液压缸的 最大出力有赖于机械加工能力，目前可以达到 20000kN，通过特殊设计和组合方式可以达到万吨以上的出力，最大位移也可以达到 2000mm，根据测试的结果最高上限频率可以达到 200Hz 以上。 北京三强同维机电液压科技发展有限公司 图 1 数字液压 缸 及其内部构造 图 图
5、2 数字液压 缸 控制系统 框图 图 3 是位移 闭环 反馈控制 原理图，通过滚珠丝杠的导程、阀的开口与伺服电机编码器关系，可以建立起命令信号与活塞位移之间的控制方程， 进而实现位移闭环反馈控制的功能。图 4 是力闭环反馈控制原理图，控制过程与位移控制情况类似。 图 3 位移闭环反馈控制 系统原理图 北京三强同维机电液压科技发展有限公司 图 4 力闭环反馈控制 系统原理图 数字液压 缸 是集成了 伺服 电机、液压 阀、 液压缸、 位移传感器、反馈控制等功能于一体，直接采用计算机控制完成各种功能。属于全数字控制系统，克服了模拟系统抗干扰能力差和温度漂移等缺点；可以直接进行位移控制或力控制 ，也
6、可以 进行应变控制 ；由于采用了数字技术，所以 更加 适合远程网络化控制。在控制过程 中力 控制 和位移 控制 两种模式可以平滑切换，同时可以进行 相关 数据的实时采集。 图 5 调试中的数字液压缸（出力 1000kN，行程 300mm） 北京三强同维机电液压科技发展有限公司 图 6 小型数字液压缸和液压源 三 、 控制 软件和测试结果 控制软件的功能有如下内容： （ 1） 控制模式： 力控制、位移控制 或 应变 控制 ， 力 -位移的平滑切换； （ 2）规则波形振动输入： 正弦波、三角波、方波、梯形波、锯齿波； （ 3） 随机波振动输入： 任意形状的随机波，可以通过数据文件直接输入； （
7、4） 正弦扫频输入： 可以从低频到高频或从高频到低频进行扫频实验； （ 5） 多点任意相位振动控制输入： 对试件进行数百点的同步协调加载和激励； （ 6） 结构 拟静力实验控制 软件 ： 目前结构实验中采用的绝大多数加载方法 ，可以手动控制，也可以按程序自动控制； （ 7）结构 拟动力实验控制： 采用子结构技术的拟动力实验方法， 可以进行结构的多维 地震模拟实验 。 图 7-图 10 给出了数字液压缸的 控制软件和测试结果。 图 7 数字液压缸控制 软件界面 北京三强同维机电液压科技发展有限公司 图 8 位移控制模式下正弦波输入与响应（ 2Hz、 50Hz、 200Hz） 北京三强同维机电液
8、压科技发展有限公司 图 9 力控制模式下正弦波 输入 与响应 （ 10Hz、 40Hz、 100Hz*球铰的缝隙造成高频时的波形变化） 图 10 位移控制模式下随机波的输入 与 响应 北京三强同维机电液压科技发展有限公司 上述数字液压 缸已经 在不同的领域得到了 应用 ，在 建筑施工中， 采用数字液压缸进行了 大型结构屋架的滑移施工 ， 该技术并将在提升施工进行应用，其控制精度高、抗干扰能力强的优势必将在建筑工程 中发挥重大作用 。 四、结束语 数字液压技术属于正在发展液压新技术，数字液压缸仅仅作为其中的一个重要部分已经显示出巨大的潜力。数字液压缸可以 应用于 任何电液伺服系统的使用领域。如 航空航天设备的零部件实验 、 整机的静力强度 和动力强度 实验 、 稳定性实验 、 疲劳实验 等 ； 采用数字液压缸开发的 运动模拟器 可以应用于航空、航海和汽车 等 多个领域 。 采用数字液压缸开发的地震模拟振动台系统也已经研制成功，将为工程抗震的研究提供有力的手段。 参考文献 范存德主编，液压技术手册，辽宁科学技术出版社， 2004。 雷天觉主编，新编液压工程手册，北京理工 大学出版社， 1998。
