1、前言

電液位置伺服系統(tǒng)是液壓伺服系統(tǒng)中應(yīng)用得最為廣泛的一種液壓系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高以及國(guó)內(nèi)外液壓新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，更多的新型液壓元件被應(yīng)用到液壓技術(shù)中，使這一技術(shù)得到了不斷地完善和發(fā)展。特別是隨著磁性科學(xué)和傳感技術(shù)的新發(fā)展，國(guó)外于90年代中期研制出了帶磁致伸縮位移傳感器的電液伺服油缸(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為帶傳感器的油缸)。本文就這種油缸進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

帶傳感器的油缸有許多優(yōu)點(diǎn)，它在飛機(jī)與船舶舵機(jī)控制系統(tǒng)中、精密沖床、振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等控制系統(tǒng)中已有應(yīng)用。它一方面可用來(lái)提供動(dòng)力，傳遞功率；另一方面還可以進(jìn)行位移檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)位置控制。此外，帶傳感器的油缸還可以應(yīng)用于壓鑄機(jī)、注塑機(jī)、游樂(lè)廠的模擬游戲機(jī)、木材加工機(jī)械以及礦山機(jī)械、建筑機(jī)械、地下施工機(jī)械、造紙機(jī)械等要求對(duì)位移進(jìn)行檢測(cè)、而環(huán)境條件又相對(duì)惡劣的場(chǎng)合。特別是，由于磁致伸縮傳感器是進(jìn)行模塊化封裝的，防水性能好，對(duì)有位移檢測(cè)和位置控制要求的水下作業(yè)，與傳統(tǒng)的電液伺服油缸相比，帶傳感器的油缸有很大的優(yōu)勢(shì)。

2、帶傳感器的電液伺服油缸

帶傳感器的電液伺服油缸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從帶傳感器的電液伺服油缸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖上可以看出，它在結(jié)構(gòu)上與其它伺服油缸的區(qū)別在于：

(1)帶傳感器的電液伺服油缸的活塞桿是專(zhuān)用的。

(2)帶傳感器的電液伺服油缸的端蓋上配有磁致伸縮傳感器。

活塞桿作為液壓執(zhí)行元件傳遞功率和力的同時(shí)，還起到了磁標(biāo)記尺的作用。在活塞桿的表面上加工出一系列等距離的凹槽，為了防止泄漏，對(duì)凹槽還需進(jìn)行工藝處理，最常用的方法是在凹槽處填充上非磁性材料。此外，為增強(qiáng)活塞桿表面的硬度，提高耐磨性和防腐性，還需在活塞桿的表面進(jìn)行相應(yīng)的工藝處理。這樣，傳感器和凹槽(磁標(biāo)尺)就組成了一個(gè)完整的傳感器。

3、專(zhuān)用活塞桿

帶傳感器的電液伺服油缸的專(zhuān)用活塞桿如圖2所示。

在活塞桿的表面加工出一系列等距離凹槽，作為測(cè)量的基本單位和標(biāo)尺。由磁致伸縮傳感器的工作原理可知，當(dāng)活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)引起磁致伸縮傳感器中測(cè)量芯片的電阻發(fā)生交替變化，從而輸出交變測(cè)量信號(hào)，經(jīng)過(guò)電路處理后，就可以產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，再根據(jù)固定的箕法關(guān)系，就可以得出活塞桿的位移。因此，對(duì)活塞桿上的凹槽的研究與加工是最為關(guān)鍵的。下面就對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)介紹。

在對(duì)活塞桿的研究過(guò)程中，凹槽的加工深度是一個(gè)至關(guān)重要的因素，加工太淺，信號(hào)輸出微弱，系統(tǒng)最終無(wú)法工作；加工過(guò)深，對(duì)活塞桿的強(qiáng)度造成很大影響，而且就磁致伸縮傳感器來(lái)說(shuō)，并不是凹槽越深，系統(tǒng)的輸出信號(hào)就越好，而是有一個(gè)最佳的深度范圍。我們通過(guò)對(duì)大量試驗(yàn)工件的輸出信號(hào)進(jìn)行多次分析后，終于掌握了這一關(guān)鍵性數(shù)據(jù)。

對(duì)活塞桿的防腐、防泄漏處理也是帶傳感器的油缸研制過(guò)程中的一個(gè)重要內(nèi)容。因?yàn)樵诨钊麠U上加工出環(huán)形槽后如果不對(duì)這些槽進(jìn)行填充，將會(huì)造成很大泄漏，導(dǎo)致帶傳感器的油缸無(wú)法工作。填充方法有多種，如熱噴涂、電刷鍍、電鍍、化學(xué)鍍等，我們所采用的是熱噴涂處理工藝。對(duì)于熱噴涂，不同材料又有不同的要求，同時(shí)，結(jié)合磁致伸縮傳感器的特點(diǎn)，要求材料既能夠透磁又不能被磁化，這樣，噴涂材料一般所采用的是金屬類(lèi)(銅、鎳等)和非金屬(陶瓷)兩類(lèi)。由于銅、鎳的硬度較低，耐磨和抗腐蝕能力差，所以在噴涂完成，磨削加工后，最后還應(yīng)該在活塞桿表面進(jìn)行鍍鉻處理。至于陶瓷材料，由于其具有很高的硬度，耐磨性能良好，磨削后不需要進(jìn)行其它的處理，但是由于陶瓷顆粒較大，再加上噴涂不均勻，故存在一定的孔隙，所以在磨之前必須在陶瓷表面刷一層防銹漆，并放在恒溫箱內(nèi)保溫4～5小時(shí)，以便防銹漆能充分滲透到陶瓷孔隙里面。

4、試驗(yàn)系統(tǒng)組成及試驗(yàn)研究

研究、設(shè)計(jì)與加工，我們制造出了帶傳感器的電液伺服油缸的樣品，并在此基礎(chǔ)上做了大量的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用HT6070及PCL—833兩塊數(shù)據(jù)采集控制板等構(gòu)成，控制手段采用簡(jiǎn)單的PID控制。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖中，左邊虛線框?yàn)橛?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，右邊虛線框?yàn)閹鞲衅鞯挠透紫到y(tǒng)。其工作原理如下(以階躍為例):初始化程序后，從鍵盤(pán)輸人期望位移量，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的PID控制算法后，D/A輸出控制電壓，經(jīng)放大器放大后驅(qū)動(dòng)伺服閥動(dòng)作，活塞桿向期望位置運(yùn)動(dòng)，同時(shí)磁致伸縮傳感器不斷測(cè)量活塞桿的位移量(由于磁致伸縮傳感器具有直接數(shù)字信號(hào)輸出的特點(diǎn)，故無(wú)需A/D電路),經(jīng)數(shù)據(jù)采集板反饋位移信號(hào)Y到計(jì)算機(jī)與給定信號(hào)Y0進(jìn)行比較。如果Y小于Y0則活塞桿繼續(xù)向期望位置運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞桿到達(dá)期望位置，并處于穩(wěn)定狀態(tài)后，E0=0,PID控制算法輸出零偏電壓，把活塞桿鎖在給定位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞桿位置的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、5所示。

圖中曲線，一條為給定信號(hào)線，一條為采樣跟蹤線。從測(cè)量的真實(shí)數(shù)據(jù)看，穩(wěn)態(tài)誤差可達(dá)0.1MM,而這正是磁致伸縮傳感器的測(cè)量精度。當(dāng)活塞桿反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)量結(jié)果在誤差范圍內(nèi)可以重復(fù)。

5、結(jié)論

通過(guò)研究、設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)證明，傳感器油缸的研制是成功的，并且在研制過(guò)程中基本上掌握了各工藝過(guò)程中的全部數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出了整套的圖紙，通過(guò)進(jìn)一步的研究和產(chǎn)品化工作，可形成傳感器油缸系列產(chǎn)品，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。